1. 概述
在現(xiàn)場應(yīng)用中，很多儀表和設(shè)備僅支持Modbus RTU的通訊協(xié)議，第三方儀表可以做Modbus主站或從站，西門子的通訊模塊CP341 / CP441-2 通過Dongle（硬件狗）可以擴展該協(xié)議，S7-200 集成的口可以支持自由口通訊，通過指令庫也可以方便的實現(xiàn)Modbus RTU通訊。本文以S7-200作為Modbus 主站，CP341作為Modbus 從站，實現(xiàn)Modbus RTU通訊，闡述兩者在通訊方面的設(shè)置和注意事項。

2. 軟件環(huán)境

2.1 STEP7 V5.4 SP4
用于編寫 S7-300/400程序，此軟件需要從西門子購買，本文檔中的300的程序是使用Step7 V5.4 SP4的軟件編寫。

2.2 CP PTP Param V5.1 SP11
串行通訊模板的驅(qū)動程序，安裝此驅(qū)動后才能對PtP模板進行參數(shù)配置，并在Step7中集成通訊編程需要使用的功能塊。此驅(qū)動隨購買模板一起提供，也可以從以下的鏈接下載：27013524

2.3 CP PTP Modbus Slave V3.1 SP7
CP341或CP441-2用于Modbus從站時，需要安裝此驅(qū)動協(xié)議，但安裝之前必須先安裝PtP Driver，此驅(qū)動可以在購買Modbus Dongle時選擇購買，也可以從以下的鏈接下載：27774276

2.4 STEP7 Micro/WIN V4.0 SP6
用于S7-200編程的軟件，本文檔中的200的程序是使用Step7 Micro/win 的軟件編寫。此軟件可以從西門子下載中心免費下載，也可以從以下的鏈接下載。
http://www.ad.siemens.com.cn/download 網(wǎng)站 自動化系統(tǒng)>>S7-200>>軟件，文檔編號S0002。

2.5 Toolbox_V32-STEP 7-Micro WIN 32 Instruction Library
S7-200實現(xiàn)Modbus RTU功能，可以使用Modbus的指令庫，要使用西門子的標準指令庫，必須先安裝指令庫的軟件包 Instruction Library，安裝后，可以在Step 7-Micro/WIN軟件的庫中找到Modbus相關(guān)的指令，該軟件包可以從以下的鏈接下載。http://www.ad.siemens.com.cn/download 網(wǎng)站 自動化系統(tǒng)>>S7-200>>軟件，文檔編號S0010。

3. 硬件列表和接線

3.1 硬件列表

S7-300從站	CPU315-2DP	6ES7 315-2AG10-0AB0
	CP341 RS422/485	6ES7 341-1CH01-0AE0
	Dongle	6ES7 870-1AB01-0YA0
	PC 適配器（USB）	6ES7 972-0CB20-0XA0
S7-200主站	CPU 224XP	6ES7 214-2BD23-0XB0

表1 硬件設(shè)備

3.2 硬件接線

3.2.1 接口定義
S7-200的通訊口為RS485物理口（9針口），CP341是RS422/485的接口類型（15針口），兩種設(shè)備的接口引腳的示意圖如下所示，更詳細的信息可以參考CP341及S7-200通信接口的手冊。

圖1 S7-200 CPU通信口引腳定義

 

圖2 S7-300 CP341 RS422/485 通訊口引腳定義

3.2.2 接線示意圖

圖3 硬件結(jié)構(gòu)和接線示意圖

4. 組態(tài)設(shè)置和編程

4.1 S7-200做Modbus主站的設(shè)置
S7-200 CPU上的通信口在電氣上是標準的RS-485半雙工串行通信口，此串行字符通信的格式：1個起始位；7/8位數(shù)據(jù)位；1位奇/偶/無校驗；1停止位。通信波特率可以設(shè)置為1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600或112500，符合這些格式的串行通訊設(shè)備可以和S7-200進行自由口通訊，Modbus RTU指令庫就是使用自由口編程實現(xiàn)的。

4.1.1 Modbus RTU主站庫

使用Modbus 主站指令庫時需要注意的幾點：

• 需要S7-200的編程軟件是 Micro/WIN V4.0 SP5及以上版本；
• Modbus RTU 主站庫對CPU的版本有要求，CPU 的版本必須為 2.00 或者 2.01（即訂貨號為 6ES721*－***23-0BA*）；
• Modbus主站可讀/寫的最大數(shù)據(jù)量為120個字（指每一個 MBUS_MSG 指令）；
• Modbus 主站庫支持Port0和Port1（從站庫只支持Port0口），本例中用Port0；
• 使用Modbus 庫時必須對庫存儲區(qū)進行分配，見下圖設(shè)置，而且分配的空間不能和程序中其它空間沖突，否則編譯調(diào)用會報錯。

圖4 庫存儲區(qū)設(shè)置

• Modbus主站庫支持的功能碼和地址對應(yīng)關(guān)系：
   

  Modbus 地址	讀 / 寫	Modbus 從站須支持的功能
  00001~09999	讀	功能1：讀輸出點
  數(shù)字量輸出	寫	功能5：寫單個輸出點
  		功能15：寫多個輸出點
  10001~19999	讀	功能2：讀輸入點
  數(shù)字量輸入
  30001~39999	讀	功能4：讀輸入寄存器
  輸入寄存器
  40001~49999	讀	功能3：讀保持寄存器
  保持寄存器	寫	功能6：寫單個寄存器
  		功能16：寫多個寄存器

  表2需要從站支持的功能

4.1.2 S7-200 Modbus主站編程
編程時，使用SM0.0調(diào)用MBUS_CTRL完成主站的參數(shù)初始化，詳細見下表，參數(shù)的說明也可以從子程序的局部變量表中找到。

圖5 Modbus RTU 主站初始化

圖中各參數(shù)含義如下

編號	符號/含義	說                   明
a	EN / 使能	必須保證每一掃描周期都被使能（使用SM0.0）。
b	Mode / 模式	為1時使能為Modbus協(xié)議；為0時恢復(fù)為PPI協(xié)議。
c	Baud / 波特率	支持的通訊波特率為1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600，115200。
d	Parity / 校驗	校驗方式選擇：0＝無校驗；1＝奇校驗，2＝偶校驗。
e	Timeout / 超時	主站等待從站響應(yīng)的時間，以毫秒為單位，典型的設(shè)置值為 1000毫秒，允許設(shè)置的范圍為1-32767。這個值必須設(shè)置足夠大以保證從站有時間響應(yīng)。
f	Done / 完成位	初始化完成，此位會自動置1。
g	Error / 錯誤位	初始化錯誤代碼。

表3

調(diào)用 Modbus RTU 主站讀寫子程序MBUS_MSG，發(fā)送一個Modbus 請求。

圖6 調(diào)用Modbus RTU 主站讀寫子程序

圖中各參數(shù)含義如下

編號	符號/含義	說                   明
a	EN / 使能	同一時刻只能有一個讀寫功能使能。
b	First / 讀寫請求位	每一個新的讀寫請求必須使用脈沖觸發(fā)。
c	Slave / 從站地址	可選擇的范圍1–247。
d	RW / 讀寫操作位	0＝讀， 1＝寫。
e	Addr / 讀寫從站的數(shù)據(jù)地址	選擇讀寫的數(shù)據(jù)類型：
		00001 至 0xxxx - 開關(guān)量輸出
		10001 至 1xxxx - 開關(guān)量輸入
		30001 至 3xxxx - 模擬量輸入
		40001 至 4xxxx - 保持寄存器。
f	Count / 數(shù)據(jù)的個數(shù)	通訊的數(shù)據(jù)個數(shù)（位或字的個數(shù)）。
g	DaptPtr / 數(shù)據(jù)指針	如果是讀指令，讀回的數(shù)據(jù)放到這個數(shù)據(jù)區(qū)中；
		如果是寫指令，要寫出的數(shù)據(jù)放到這個數(shù)據(jù)區(qū)中。
h	Done / 完成位	讀寫功能完成位。
i	Error / 錯誤代碼	只有在Done位為1時，錯誤代碼才有效。

表4

從上圖中可見，S7-200作為Modbus RTU主站，波特率9.6Kb/s，偶校驗，連接從站的站地址是3，數(shù)據(jù)存儲區(qū)為VB2000開始的區(qū)域。

4.2 CP341 做Modbus 從站的硬件組態(tài)

4.2.1 硬件組態(tài)

圖7 S7-300側(cè)硬件組態(tài)

4.2.2 設(shè)置Modbus參數(shù)

圖8 消息楨字符結(jié)構(gòu)

按照上述操作設(shè)置參數(shù)，從上圖可以看出，本例中的傳輸波特率9.6Kb/s，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，偶校驗位，1位停止位，從站站地址是3，主從通訊設(shè)備的字符幀格式和波特率等參數(shù)設(shè)置需要一致。

圖9 RS422/485 接口組態(tài)

RS422/485接口只能一個有效，接口的選擇只需要組態(tài)而不需要在硬件上短接。

4.2.3 Modbus驅(qū)動的下載
當(dāng)配置好Modbus通信的參數(shù)后，保存前需要向CP341下載Modbus Slave的驅(qū)動，一旦下載完成后無需再次下載。
需要注意的是，在下載驅(qū)動時（可以在無Dongle情況下下載），需要將CPU停機，然后下載，操作過程如下所示。

圖10 下載Dongle時，需要CPU停機

 

圖11 從站驅(qū)動下載后結(jié)果

4.2.4 CP341做Modbus從站的編程
從Step7 軟件下的EXAMPLE目錄中，找到項目名“zXX21_05_PtP_Com_MODSL”的項目，打開，然后將Modbus通訊模塊FB80傳遞到用戶項目中，打開路徑如下所示。

圖12 Modbus Slave 例程打開路徑

OB1中調(diào)用FB80編程如下：

圖13 FB80程序塊調(diào)用

CP卡初始化正常后，CP_START，CP_START_FM和CP_START_OK為1信號，否則CP_START_ERROR為1，同時可以從ERROR_NR察看錯誤信息，也可以在硬件組態(tài)中在線后的CP341的診斷緩沖區(qū)察看詳細的錯誤信息，錯誤信息對照和處理方式可以參考
《S7-300以用于PtP CP Modbus 協(xié)議RTU格式S7的可裝載驅(qū)動程序為從站》的手冊。

FB80的各參數(shù)含義如下

LADDR	硬件組態(tài)中CP341的起始邏輯地址，本例中為256
START_TIMER	初始化超時定時器，本例中為T120
START_TIME	初始化定時器時間，本例中為5S
OB_MASK	I/O訪問錯誤屏蔽位，本例中為True（I/O訪問錯誤已屏蔽）
CP_START	FB初始化使能位，本例中為M0.0
CP_START_FM	CP_START 初始化的上升沿位，本例中為M0.1
CP_NDR	從CP卡寫操作位，本例中為m0.2
CP_START_OK	初始化完成且無錯誤，本例中為M0.3
CP_START_ERROR	初始化完成，但有錯誤，本例中為M0.4
ERROR_NR	錯誤號，本例中為MW2
ERROR_INFO	錯誤信息，本例中為MW4

表5

5. 通訊測試
Modbus RTU格式通信協(xié)議是以主從的方式進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)模趥鬏數(shù)倪^程中主站是主動方，即主站發(fā)送數(shù)據(jù)請求報文到從站，從站返回響應(yīng)報文。Modbus 系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換是通過功能碼來控制的，以下對現(xiàn)場常用的功能碼進行分類測試，關(guān)于功能碼的詳細信息請參考手冊。

5.1 FC01/05/15功能碼
CP341從站的通訊區(qū)域配置

圖14 FC01/05/15 參數(shù)組態(tài)界面

FC01、FC05、FC15對應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)為位輸出，數(shù)據(jù)的傳遞以位為單位，可以讀寫操作，用戶地址區(qū)為0xxxx，Modbus地址在信息傳遞中從0開始。如上圖，左邊為信息傳遞地址（地址區(qū)不能沖突），右邊對應(yīng)的是S7-300的數(shù)據(jù)區(qū)。例如左邊信息傳遞地址從0 ~ 7對應(yīng)用戶地址區(qū)為00001 ~ 00008，對應(yīng)S7-300的M10.0 ~ M10.7，并且以此為例說明FC01功能碼的通訊。
S7-200主站程序調(diào)用

圖15 功能碼FC01使用

S7-200主站，用功能碼FC01讀取從站8點數(shù)字量輸出，接收的數(shù)據(jù)存放在VB2000開始的區(qū)域，測試截圖結(jié)果如下。

圖16 FC01功能碼數(shù)據(jù)交換

5.2 FC02功能碼
CP341從站的通訊區(qū)域配置

圖17 FC02 參數(shù)組態(tài)界面

FC02對應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)為位輸出，數(shù)據(jù)的傳遞以位為單位，只讀操作，用戶地址區(qū)為1xxxx，Modbus地址在信息傳遞中從0開始，如上圖，左邊為信息傳遞地址（地址區(qū)不能沖突），右邊對應(yīng)的是S7-300的數(shù)據(jù)區(qū)。例如左邊信息傳遞地址從0 ~ 7對應(yīng)用戶地址區(qū)為10001 ~ 10008，對應(yīng)S7-300的M20.0 ~ M20.7，并且以此為例說明FC02功能碼的通訊。
S7-200主站程序調(diào)用

圖18 功能碼FC02使用

S7-200主站，用功能碼FC02讀取從站8點數(shù)字量輸入，接收的數(shù)據(jù)存放在VB2000開始的區(qū)域，測試截圖結(jié)果如下。

圖19 FC02功能碼數(shù)據(jù)交換

5.3 FC03/06/16 功能碼
CP341從站的通訊區(qū)域配置

圖20 FC03/06/16參數(shù)組態(tài)界面

FC03/06/16 對應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)為寄存器，數(shù)據(jù)的傳遞以字為單位，可以讀寫操作，用戶地址區(qū)為4xxxx，Modbus地址在信息傳遞中從0開始。如上圖，左邊為信息傳遞地址，右邊對應(yīng)的是S7-300的數(shù)據(jù)區(qū)，左邊傳輸?shù)刂凡豢筛模疫呏粚?yīng)一個數(shù)據(jù)區(qū)。例如用戶地址
區(qū)為40001 ~ 40004，對應(yīng)S7-300數(shù)據(jù)區(qū)為DB1.DBW0 ~ DB1.DBW6，并且以此為例說明
FC03功能碼的通訊。
S7-200主站程序調(diào)用

圖21功能碼FC03使用

S7-200主站，用功能碼FC03讀取從站4個字寄存器，接收的數(shù)據(jù)存放在VB2000開始的區(qū)域，測試截圖結(jié)果如下。

圖22 FC03功能碼數(shù)據(jù)交換

5.4 FC04 功能碼
CP341從站的通訊區(qū)域配置

圖23 FC04參數(shù)組態(tài)界面

FC04對應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)為寄存器輸入，數(shù)據(jù)的傳遞也以字為單位，只讀操作，用戶地址區(qū)3xxxx，Modbus地址在信息傳送中從0開始。如上圖，左邊為信息傳遞地址，右邊對應(yīng)的是S7-300的數(shù)據(jù)區(qū)，左邊傳輸?shù)刂凡豢筛模疫呏粚?yīng)一個數(shù)據(jù)區(qū)。例如用戶地址區(qū)為30001 ~ 30004，對應(yīng)S7-300數(shù)據(jù)區(qū)為DB1.DBW0 ~ DB1.DBW6，并且以此為例說明FC04功能碼的通訊。
S7-200主站程序調(diào)用

圖24功能碼FC04使用

S7-200主站，用功能碼FC04讀取從站4個字輸入寄存器，接收的數(shù)據(jù)存放在VB2000開始的區(qū)域，測試截圖結(jié)果如下。

圖25 FC04功能碼數(shù)據(jù)交換

5.5 Limits 欄