S7-200做主站S7-300 CP341做从站的Modbus RTU通讯

2018年6月26日21:16:48 发表评论 513 阅读

1. 概述

在现场应用中,很多仪表和设备仅支持Modbus RTU的通讯协议,第三方仪表可以做Modbus主站或从站,西门子的通讯模块CP341 / CP441-2 通过Dongle(硬件狗)可以扩展该协议,S7-200 集成的口可以支持自由口通讯,通过指令库也可以方便的实现Modbus RTU通讯。本文以S7-200作为Modbus 主站,CP341作为Modbus 从站,实现Modbus RTU通讯,阐述两者在通讯方面的设置和注意事项。

2. 软件环境

2.1 STEP7 V5.4 SP4
用于编写 S7-300/400程序,此软件需要从西门子购买,本文档中的300的程序是使用Step7 V5.4 SP4的软件编写。

2.2 CP PTP Param V5.1 SP11
串行通讯模板的驱动程序,安装此驱动后才能对PtP模板进行参数配置,并在Step7中集成通讯编程需要使用的功能块。此驱动随购买模板一起提供,也可以从以下的链接下载:27013524

2.3 CP PTP Modbus Slave V3.1 SP7
CP341或CP441-2用于Modbus从站时,需要安装此驱动协议,但安装之前必须先安装PtP Driver,此驱动可以在购买Modbus Dongle时选择购买,也可以从以下的链接下载:27774276

2.4 STEP7 Micro/WIN V4.0 SP6
用于S7-200编程的软件,本文档中的200的程序是使用Step7 Micro/win 的软件编写。此软件可以从西门子下载中心免费下载,也可以从以下的链接下载。
https://www.siemensplc.com/1903.html

2.5 Toolbox_V32-STEP 7-Micro WIN 32 Instruction Library
S7-200实现Modbus RTU功能,可以使用Modbus的指令库,要使用西门子的标准指令库,必须先安装指令库的软件包 Instruction Library,安装后,可以在Step 7-Micro/WIN软件的库中找到Modbus相关的指令,该软件包可以从以下的链接下载。

3. 硬件列表和接线

3.1 硬件列表

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

表1 硬件设备

3.2 硬件接线

3.2.1 接口定义
S7-200的通讯口为RS485物理口(9针口),CP341是RS422/485的接口类型(15针口),两种设备的接口引脚的示意图如下所示,更详细的信息可以参考CP341及S7-200通信接口的手册。

图1 S7-200 CPU通信口引脚定义

图2 S7-300 CP341 RS422/485 通讯口引脚定义

3.2.2 接线示意图

图3 硬件结构和接线示意图

4. 组态设置和编程

4.1 S7-200做Modbus主站的设置
S7-200 CPU上的通信口在电气上是标准的RS-485半双工串行通信口,此串行字符通信的格式:1个起始位;7/8位数据位;1位奇/偶/无校验;1停止位。通信波特率可以设置为1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600或112500,符合这些格式的串行通讯设备可以和S7-200进行自由口通讯,Modbus RTU指令库就是使用自由口编程实现的。

4.1.1 Modbus RTU主站库

使用Modbus 主站指令库时需要注意的几点:

  • 需要S7-200的编程软件是 Micro/WIN V4.0 SP5及以上版本;
  • Modbus RTU 主站库对CPU的版本有要求,CPU 的版本必须为 2.00 或者 2.01(即订货号为 6ES721*-***23-0BA*);
  • Modbus主站可读/写的最大数据量为120个字(指每一个 MBUS_MSG 指令);
  • Modbus 主站库支持Port0和Port1(从站库只支持Port0口),本例中用Port0;
  • 使用Modbus 库时必须对库存储区进行分配,见下图设置,而且分配的空间不能和程序中其它空间冲突,否则编译调用会报错。

图4 库存储区设置

  • Modbus主站库支持的功能码和地址对应关系:
    Modbus 地址  /  Modbus 从站须支持的功能
    00001~09999 功能1:读输出点
      数字量输出 功能5:写单个输出点
      功能15:写多个输出点
    10001~19999 功能2:读输入点
      数字量输入
    30001~39999 功能4:读输入寄存器
      输入寄存器
    40001~49999 功能3:读保持寄存器
      保持寄存器 功能6:写单个寄存器
      功能16:写多个寄存器

    表2需要从站支持的功能

4.1.2 S7-200 Modbus主站编程
编程时,使用SM0.0调用MBUS_CTRL完成主站的参数初始化,详细见下表,参数的说明也可以从子程序的局部变量表中找到。

图中各参数含义如下

编号 符号/含义 说                   明
a EN / 使能 必须保证每一扫描周期都被使能(使用SM0.0)。
b Mode / 模式 为1时使能为Modbus协议;为0时恢复为PPI协议。
c Baud / 波特率 支持的通讯波特率为1200,2400,4800,9600,19200,38400,57600,115200。
d Parity / 校验 校验方式选择:0=无校验;1=奇校验,2=偶校验。
e Timeout / 超时 主站等待从站响应的时间,以毫秒为单位,典型的设置值为 1000毫秒,允许设置的范围为1-32767。这个值必须设置足够大以保证从站有时间响应。
f Done / 完成位 初始化完成,此位会自动置1。
g Error / 错误位 初始化错误代码。

表3

调用 Modbus RTU 主站读写子程序MBUS_MSG,发送一个Modbus 请求。

图6 调用Modbus RTU 主站读写子程序

图中各参数含义如下

编号 符号/含义                    
a EN / 使能 同一时刻只能有一个读写功能使能。
b First / 读写请求位  每一个新的读写请求必须使用脉冲触发。
c Slave / 从站地址 可选择的范围1–247
d RW / 读写操作位 0=读, 1=写。
e Addr / 读写从站的数据地址 选择读写的数据类型:
00001  0xxxx - 开关量输出
10001  1xxxx - 开关量输入
30001  3xxxx - 模拟量输入
40001  4xxxx - 保持寄存器。
f Count / 数据的个数 通讯的数据个数(位或字的个数)。
g DaptPtr / 数据指针 如果是读指令,读回的数据放到这个数据区中;
如果是写指令,要写出的数据放到这个数据区中。
h Done / 完成位 读写功能完成位。
i Error / 错误代码 只有在Done位为1时,错误代码才有效。

表4

从上图中可见,S7-200作为Modbus RTU主站,波特率9.6Kb/s,偶校验,连接从站的站地址是3,数据存储区为VB2000开始的区域。

4.2 CP341 做Modbus 从站的硬件组态

4.2.1 硬件组态

4.2.2 设置Modbus参数

图8 消息桢字符结构

按照上述操作设置参数,从上图可以看出,本例中的传输波特率9.6Kb/s,1位起始位,8位数据位,偶校验位,1位停止位,从站站地址是3,主从通讯设备的字符帧格式和波特率等参数设置需要一致。

图9 RS422/485 接口组态

RS422/485接口只能一个有效,接口的选择只需要组态而不需要在硬件上短接。

4.2.3 Modbus驱动的下载
当配置好Modbus通信的参数后,保存前需要向CP341下载Modbus Slave的驱动,一旦下载完成后无需再次下载。
需要注意的是,在下载驱动时(可以在无Dongle情况下下载),需要将CPU停机,然后下载,操作过程如下所示。

图10 下载Dongle时,需要CPU停机

图11 从站驱动下载后结果

4.2.4 CP341做Modbus从站的编程
从Step7 软件下的EXAMPLE目录中,找到项目名“zXX21_05_PtP_Com_MODSL”的项目,打开,然后将Modbus通讯模块FB80传递到用户项目中,打开路径如下所示。

图12 Modbus Slave 例程打开路径

OB1中调用FB80编程如下:

CP卡初始化正常后,CP_START,CP_START_FM和CP_START_OK为1信号,否则CP_START_ERROR为1,同时可以从ERROR_NR察看错误信息,也可以在硬件组态中在线后的CP341的诊断缓冲区察看详细的错误信息,错误信息对照和处理方式可以参考
《S7-300以用于PtP CP Modbus 协议RTU格式S7的可装载驱动程序为从站》的手册。

FB80的各参数含义如下

LADDR 硬件组态中CP341的起始逻辑地址,本例中为256
START_TIMER 初始化超时定时器,本例中为T120
START_TIME 初始化定时器时间,本例中为5S
OB_MASK I/O访问错误屏蔽位,本例中为TrueI/O访问错误已屏蔽)
CP_START FB初始化使能位,本例中为M0.0
CP_START_FM CP_START 初始化的上升沿位,本例中为M0.1
CP_NDR CP卡写操作位,本例中为m0.2
CP_START_OK 初始化完成且无错误,本例中为M0.3
CP_START_ERROR 初始化完成,但有错误,本例中为M0.4
ERROR_NR 错误号,本例中为MW2
ERROR_INFO 错误信息,本例中为MW4

表5

5. 通讯测试

Modbus RTU格式通信协议是以主从的方式进行数据传输的,在传输的过程中主站是主动方,即主站发送数据请求报文到从站,从站返回响应报文。Modbus 系统间的数据交换是通过功能码来控制的,以下对现场常用的功能码进行分类测试,关于功能码的详细信息请参考手册。

5.1 FC01/05/15功能码
CP341从站的通讯区域配置

图14 FC01/05/15 参数组态界面

FC01、FC05、FC15对应的数据区为位输出,数据的传递以位为单位,可以读写操作,用户地址区为0xxxx,Modbus地址在信息传递中从0开始。如上图,左边为信息传递地址(地址区不能冲突),右边对应的是S7-300的数据区。例如左边信息传递地址从0 ~ 7对应用户地址区为00001 ~ 00008,对应S7-300的M10.0 ~ M10.7,并且以此为例说明FC01功能码的通讯。
S7-200主站程序调用

图15 功能码FC01使用

S7-200主站,用功能码FC01读取从站8点数字量输出,接收的数据存放在VB2000开始的区域,测试截图结果如下。

图16 FC01功能码数据交换

5.2 FC02功能码
CP341从站的通讯区域配置

图17 FC02 参数组态界面

FC02对应的数据区为位输出,数据的传递以位为单位,只读操作,用户地址区为1xxxx,Modbus地址在信息传递中从0开始,如上图,左边为信息传递地址(地址区不能冲突),右边对应的是S7-300的数据区。例如左边信息传递地址从0 ~ 7对应用户地址区为10001 ~ 10008,对应S7-300的M20.0 ~ M20.7,并且以此为例说明FC02功能码的通讯。
S7-200主站程序调用

图18 功能码FC02使用

S7-200主站,用功能码FC02读取从站8点数字量输入,接收的数据存放在VB2000开始的区域,测试截图结果如下。

图19 FC02功能码数据交换

5.3 FC03/06/16 功能码
CP341从站的通讯区域配置

图20 FC03/06/16参数组态界面

FC03/06/16 对应的数据区为寄存器,数据的传递以字为单位,可以读写操作,用户地址区为4xxxx,Modbus地址在信息传递中从0开始。如上图,左边为信息传递地址,右边对应的是S7-300的数据区,左边传输地址不可改,右边只对应一个数据区。例如用户地址
区为40001 ~ 40004,对应S7-300数据区为DB1.DBW0 ~ DB1.DBW6,并且以此为例说明
FC03功能码的通讯。

S7-200主站程序调用

图21功能码FC03使用

S7-200主站,用功能码FC03读取从站4个字寄存器,接收的数据存放在VB2000开始的区域,测试截图结果如下。

图22 FC03功能码数据交换

5.4 FC04 功能码
CP341从站的通讯区域配置

图23 FC04参数组态界面

FC04对应的数据区为寄存器输入,数据的传递也以字为单位,只读操作,用户地址区3xxxx,Modbus地址在信息传送中从0开始。如上图,左边为信息传递地址,右边对应的是S7-300的数据区,左边传输地址不可改,右边只对应一个数据区。例如用户地址区为30001 ~ 30004,对应S7-300数据区为DB1.DBW0 ~ DB1.DBW6,并且以此为例说明FC04功能码的通讯。
S7-200主站程序调用

图24功能码FC04使用

S7-200主站,用功能码FC04读取从站4个字输入寄存器,接收的数据存放在VB2000开始的区域,测试截图结果如下。

图25 FC04功能码数据交换

5.5 Limits 栏

图26 Limits 参数组态界面

对于写功能码FC05、06、15、16,可以禁用或限制访问相关S7-300存储区,即使用这些功能码时,S7-300存储区需要在设定的最小和最大的范围之间,如果访问的区域超出这个范围,则访问会被拒绝,同时输出报错误信息。

6. 总结
本文档以S7-200为主站和CP341为从站简单介绍了Modbus RTU通讯,关于通讯的组态设置,编程以及常用功能码的使用,其具体的使用可以作为西门子串行通讯模块与第三方的仪表、设备等进行串行通信的参考。

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