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S7-200做主站S7-300 CP341做從站的Modbus RTU通訊

1. 概述
在現(xiàn)場(chǎng)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(guò)Dongle（硬件狗）可以擴(kuò)展該協(xié)議，S7-200 集成的口可以支持自由口通訊，通過(guò)指令庫(kù)也可以方便的實(shí)現(xiàn)Modbus RTU通訊。本文以S7-200作為Modbus 主站，CP341作為Modbus 從站，實(shí)現(xiàn)Modbus RTU通訊，闡述兩者在通訊方面的設(shè)置和注意事項(xiàng)。

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(gòu)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(dòng)程序，安裝此驅(qū)動(dòng)后才能對(duì)PtP模板進(jìn)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(dòng)隨購(gòu)買模板一起提供，也可以從以下的鏈接下載：

2.3 CP PTP Modbus Sle V3.1 SP7
CP341或CP441-2用于Modbus從站時(shí)，需要安裝此驅(qū)動(dòng)協(xié)議，但安裝之前必須先安裝PtP Driver，此驅(qū)動(dòng)可以在購(gòu)買Modbus Dongle時(shí)選擇購(gòu)買，也可以從以下的鏈接下載

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(fèi)下載，也可以從以下的鏈接下載。
自動(dòng)化系統(tǒng)>>S7-200>>軟件，文檔編號(hào)S0002。

2.5 Toolbox_V32-STEP 7-Micro WIN 32 Instruction Library
S7-200實(shí)現(xiàn)Modbus RTU功能，可以使用Modbus的指令庫(kù)，要使用西門子的標(biāo)準(zhǔn)指令庫(kù)，必須先安裝指令庫(kù)的軟件包 Instruction Library，安裝后，可以在Step 7-Micro/WIN軟件的庫(kù)中找到Modbus相關(guān)的指令，該軟件包可以從以下的鏈接下載。自動(dòng)化系統(tǒng)>>S7-200>>軟件，文檔編號(hào)S0010。

3. 硬件列表和接線

3.1 硬件列表

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(xì)的信息可以參考CP341及S7-200通信接口的手冊(cè)。

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(biāo)準(zhǔn)的RS-485半雙工串行通信口，此串行字符通信的格式：1個(gè)起始位；7/8位數(shù)據(jù)位；1位奇/偶/無(wú)校驗(yàn)；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(jìn)行自由口通訊，Modbus RTU指令庫(kù)就是使用自由口編程實(shí)現(xiàn)的。

4.1.1 Modbus RTU主站庫(kù)

使用Modbus 主站指令庫(kù)時(shí)需要注意的幾點(diǎn)：

• 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(kù)對(duì)CPU的版本有要求，CPU 的版本必須為 2.00 或者 2.01（即訂貨號(hào)為 6ES721*－***23-0BA*）；

• Modbus主站可讀/寫的最大數(shù)據(jù)量為120個(gè)字（指每一個(gè) MBUS_MSG 指令）；

• Modbus 主站庫(kù)支持Port0和Port1（從站庫(kù)只支持Port0口），本例中用Port0；

• 使用Modbus 庫(kù)時(shí)必須對(duì)庫(kù)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)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(huì)報(bào)錯(cuò)。

圖4 庫(kù)存儲(chǔ)區(qū)設(shè)置

• Modbus主站庫(kù)支持的功能碼和地址對(duì)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(diǎn)
  數(shù)字量輸出	寫	功能5：寫單個(gè)輸出點(diǎn)
  		功能15：寫多個(gè)輸出點(diǎn)
  10001~19999	讀	功能2：讀輸入點(diǎn)
  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(gè)寄存器
  		功能16：寫多個(gè)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(shí)，使用SM0.0調(diào)用MBUS_CTRL完成主站的參數(shù)初始化，詳細(xì)見下表，參數(shù)的說(shuō)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

表3

調(diào)用 Modbus RTU 主站讀寫子程序MBUS_MSG，發(fā)送一個(gè)Modbus 請(qǐng)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

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(yàn)，連接從站的站地址是3，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(yàn)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*。

圖9 RS422/485 接口組態(tài)

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

圖10 Dongle時(shí)，需要CPU停機(jī)

圖11 從站驅(qū)動(dòng)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(xiàng)目名“zXX21_05_PtP_Com_MODSL"的項(xiàng)目，打開，然后將Modbus通訊模塊FB80傳遞到用戶項(xiàng)目中，打開路徑如下所示。

圖12 Modbus Sle 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(hào)，否則CP_START_ERROR為1，同時(shí)可以從ERROR_NR察看錯(cuò)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(xì)的錯(cuò)誤信息，錯(cuò)誤信息對(duì)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(dòng)程序?yàn)閺恼尽返氖謨?cè)。

FB80的各參數(shù)含義如下

表5

5. 通訊測(cè)試
Modbus RTU格式通信協(xié)議是以主從的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，在傳輸?shù)倪^(guò)程中主站是主動(dòng)方，即主站發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求報(bào)文到從站，從站返回響應(yīng)報(bào)文。Modbus 系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換是通過(guò)功能碼來(lái)控制的，以下對(duì)現(xiàn)場(chǎng)常用的功能碼進(jìn)行分類測(cè)試，關(guān)于功能碼的詳細(xì)信息請(qǐng)參考手冊(cè)。

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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)用戶地址區(qū)為00001 ~ 00008，對(duì)應(yīng)S7-300的M10.0 ~ M10.7，并且以此為例說(shuō)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(diǎn)數(shù)字量輸出，接收的數(shù)據(jù)存放在VB2000開始的區(qū)域，測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)用戶地址區(qū)為10001 ~ 10008，對(duì)應(yīng)S7-300的M20.0 ~ M20.7，并且以此為例說(shuō)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(diǎn)數(shù)字量輸入，接收的數(shù)據(jù)存放在VB2000開始的區(qū)域，測(cè)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(duì)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(duì)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?duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)。例如用戶地址
區(qū)為40001 ~ 40004，對(duì)應(yīng)S7-300數(shù)據(jù)區(qū)為DB1.DBW0 ~ DB1.DBW6，并且以此為例說(shuō)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(gè)字寄存器，接收的數(shù)據(jù)存放在VB2000開始的區(qū)域，測(cè)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(duì)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(duì)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?duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)。例如用戶地址區(qū)為30001 ~ 30004，對(duì)應(yīng)S7-300數(shù)據(jù)區(qū)為DB1.DBW0 ~ DB1.DBW6，并且以此為例說(shuō)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(gè)字輸入寄存器，接收的數(shù)據(jù)存放在VB2000開始的區(qū)域，測(cè)試截圖結(jié)果如下。

圖25 FC04功能碼數(shù)據(jù)交換

5.5 Limits 欄

圖26 Limits 參數(shù)組態(tài)界面

對(duì)于寫功能碼FC05、06、15、16，可以禁用或限制訪問(wèn)相關(guān)S7-300存儲(chǔ)區(qū)，即使用這些功能碼時(shí)，S7-300存儲(chǔ)區(qū)需要在設(shè)定的最小和最大的范圍之間，如果訪問(wèn)的區(qū)域超出這個(gè)范圍，則訪問(wèn)會(huì)被拒絕，同時(shí)輸出報(bào)錯(cuò)誤信息。

6. 總結(jié)
本文檔以S7-200為主站和CP341為從站簡(jiǎn)單介紹了Modbus RTU通訊，關(guān)于通訊的組態(tài)設(shè)置，編程以及常用功能碼的使用，其具體的使用可以作為西門子串行通訊模塊與第三方的儀表、設(shè)備等進(jìn)行串行通信的參考

門子S7-200 PLC接型編碼器問(wèn)題

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問(wèn)題1：S7-200 PLC可以連接型編碼器嗎？
解答：S7-200 PLC可以連接型編碼器，但應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
（1）S7-200 PLC可連接并行輸出的型編碼器。串行輸出、總線型輸出、變送一體型輸出等型編碼器需PLC具有相應(yīng)的接口或組態(tài)能力，不能與西門子S7-200 PLC 直接連接。
（2）接入S7-200 PLC 的型編碼器信號(hào)輸出是格雷碼。如是純二進(jìn)制碼，在數(shù)據(jù)刷新時(shí)可能有多位變化，讀數(shù)會(huì)在短時(shí)間里造成錯(cuò)碼。
（3）型編碼器在每圈的每個(gè)位置都有編碼，由于 PLC數(shù)據(jù)更新受程序掃描周期的影響，因此經(jīng)PLC讀取并換算后的編碼器位置值相對(duì)于編碼器當(dāng)前位置值存在一定的誤差。
（4）對(duì)型編碼器進(jìn)行接線時(shí)，必須確保其與PLC輸入點(diǎn)連接好。如有個(gè)別連接不良點(diǎn)，該點(diǎn)電位始終是0，將會(huì)造成錯(cuò)碼而無(wú)法判斷。

問(wèn)題2：S7-200 PLC與型編碼器怎樣接線？
解答：并行輸出的型編碼器輸出有多少位就要占用PLC的多少位接點(diǎn)，以S7-200 PLC CPU224 為例，如使用12位輸出的單圈型編碼器（PNP集電極開路輸出) ，需要占用CPU224的12位輸入點(diǎn)。型編碼器的12位信號(hào)輸出線L0—L11依次接入CPU224 的I0.0—I0.7，I1.0—I1.3。如圖1所示：

圖1 CPU224輸入端與型編碼器接線圖

問(wèn)題3：怎樣處理格雷碼碼值？
解答：西門子S7-200 PLC的寄存器中地址越高，字節(jié)位越低。如在輸入寄存器中IW0 的
IB0 是高字節(jié)，IB1是低字節(jié)，因此必須將IW0 中的格雷碼值左循環(huán)8 次，將高、低位字節(jié)調(diào)換一次位置得到正確排序的格雷碼值存入VW0中。如圖2所示：

圖2 字循環(huán)左移8次

而且，由于接入12位輸出的單圈型編碼器，需屏蔽掉IW0字內(nèi)的I1.4—I1.7，將需要的格雷碼數(shù)據(jù)存入VW2中。如圖3所示：

圖3 邏輯與運(yùn)算

在實(shí)際應(yīng)用中，為了計(jì)算編碼器轉(zhuǎn)過(guò)的角度或位置，需使用格雷碼指令GRAY_BIN_W功能塊將格雷碼解碼為字類型的標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制碼，對(duì)應(yīng)放到VW4中。如圖4所示：