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使用S7-300/400通信處理器CP與SENTRON PAC3200進(jìn)行MODBUS TCP通信

1多功能測(cè)量表SENTRON PAC3200簡(jiǎn)介
SENTRON PAC3200電能監(jiān)視設(shè)備可精確提供系統(tǒng)特性，包括電壓和電流大值、

小值和平均值，功率值、頻率、功率因數(shù)、對(duì)稱(chēng)性、邏輯計(jì)算、負(fù)載趨勢(shì)、諧波和總諧波失真等。SENTRON PAC3200可檢測(cè) 50 多個(gè)基本數(shù)值，具有 10個(gè)電能計(jì)數(shù)器，可用于全面負(fù)載檢測(cè)。它們的測(cè)量準(zhǔn)確度滿(mǎn)足電能計(jì)數(shù)器標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的較高要求。PAC3200帶有MODBUS RTU-RS485接口、PROFIBUS-DP接口和MODBUS TCP 接口，可以很方便將PAC3200的數(shù)據(jù)上傳到PLC中進(jìn)行處理，也可以上傳到HMI中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理及歸檔。對(duì)于西門(mén)子系統(tǒng)可以輕松地將PAC3200集成到上位自動(dòng)化系統(tǒng)中，例如，集成到西門(mén)子 SIMATIC PCS 7 powerrate 和SIMATIC WinCC powerrate 軟件包中。

2 PAC3200通信接口對(duì)比
PAC3200可以通過(guò)MODBUS RTU RS485接口、MODBUS TCP 以太網(wǎng)接口以及現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS-DP接口與PLC和HMI通信。下面分別以連接S7-300 PLC為例，在通信性能、連接的個(gè)數(shù)、編程方面進(jìn)行對(duì)比：

1） 通信性能：PROFIBUS-DP使用令牌方式由主站依次訪問(wèn)從站，是實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，通信響應(yīng)快，通信的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)考慮PAC3200數(shù)據(jù)的刷新時(shí)間（自身刷新時(shí)間可能較PROFIBUS-DP刷新時(shí)間慢）；如果選擇以太網(wǎng)MODBUS TCP 通信，由于不是實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，通信性能次之，通信的響應(yīng)時(shí)間也應(yīng)考慮PAC3200數(shù)據(jù)的刷新時(shí)間（自身刷新時(shí)間可能較以太網(wǎng)刷新時(shí)間慢）；使用RS485 MODBUS RTU通信，由于基于串口，通信性能不能與以太網(wǎng)與PROFIBUS-DP相比較。
2） 連接個(gè)數(shù)：使用PROFIBUS-DP，基于主站的性能，多可以連接126個(gè)站點(diǎn)；以太網(wǎng)MODBUS TCP 通信，基于CP的連接個(gè)數(shù)，通常16個(gè)；使用RS485 MODBUS RTU，可以連接一個(gè)網(wǎng)段，典型值31個(gè)站點(diǎn)。
3） 編程：使用PROFIBUS-DP，不需要編寫(xiě)通信程序；使用以太網(wǎng)MODBUS TCP 通信，需要編寫(xiě)發(fā)送接收通信程序；使用RS485 MODBUS RTU通信，需要編寫(xiě)從站輪詢(xún)程序，比較麻煩，如果沒(méi)有購(gòu)買(mǎi)MODBUS RTU的驅(qū)動(dòng)，還需要編寫(xiě)通信程序。
4） 價(jià)格：PROFIBUS-DP與RS485 MODBUS RTU通信需要購(gòu)買(mǎi)選件網(wǎng)卡，而PAC3200本身集成以太網(wǎng)接口，支持MODBUS TCP 通信。
下面將介紹PAC3200的MODBUS TCP 通信。

3 MODBUS TCP 通信報(bào)文
MODBUS TCP 使MODBUS RTU協(xié)議運(yùn)行于以太網(wǎng)，MODBUS TCP使用TCP/IP和以太網(wǎng)在站點(diǎn)間傳送MODBUS報(bào)文，MODBUS TCP結(jié)合了以太網(wǎng)物理網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP以及以MODBUS作為應(yīng)用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)表示方法。MODBUS TCP通信報(bào)文被封裝于以太網(wǎng)TCP/IP數(shù)據(jù)包中。與傳統(tǒng)的串口方式，MODBUS TCP插入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS報(bào)文到TCP報(bào)文中，不再帶有數(shù)據(jù)校驗(yàn)和地址，如圖1所示：

圖1 MODBUS TCP報(bào)文

由于使用以太網(wǎng)TCP/IP數(shù)據(jù)鏈路層的校驗(yàn)機(jī)制而保證了數(shù)據(jù)的完整性，MODBUS TCP 報(bào)文中不再帶有數(shù)據(jù)校驗(yàn)"CHECKSUM"，原有報(bào)文中的“ADDRESS"也被“UNIT ID"替代而加在MODBUS應(yīng)用協(xié)議報(bào)文頭中。
MODBUS TCP服務(wù)器使用502端口與客戶(hù)端進(jìn)行通信。

S7-300 與PAC3200 之間進(jìn)行MODBUS TCP 通信時(shí)，MODBUS應(yīng)為協(xié)議的報(bào)文頭賦值如下：
byte 0： transaction identifier (高字節(jié)) – 為0
byte 1：transaction identifier(低字節(jié)) - 為0
byte 2：protocol identifier(高字節(jié)) = 0
byte 3：protocol identifier (低字節(jié)) = 0
byte 4：length field (高字節(jié)) = 0 (因?yàn)樗械膱?bào)文小于256)
byte 5：length field (低字節(jié)) = 后面跟隨的字節(jié)數(shù)
byte 6：unit identifier -原從站地址，這里為0
byte 7：MODBUS 功能碼，通過(guò)功能碼發(fā)送通信命令
byte 8 ～：后續(xù)的字節(jié)數(shù)與功能碼相關(guān)

4 PAC3200支持的MODBUS TCP 功能碼
在MODBUS TCP 的報(bào)文中，通過(guò)使用功能碼請(qǐng)求通信伙伴的數(shù)據(jù)，如對(duì)內(nèi)部寄存器的讀寫(xiě)操作、讀輸入寄存器、寫(xiě)輸出寄存器等。不同的操作使用不同的功能碼，如FC1、2、3、4、5、6、7、15、16等，PAC3200支持FC2、FC3、FC4、FC6、FC16，在下面將介紹PAC3200這些功能碼的報(bào)文格式：

FC2 讀輸入的位信號(hào)：
請(qǐng)求：
Byte 0： 功能碼，2
Byte 1-2： 開(kāi)始的位地址
Byte 3-4：位的個(gè)數(shù) (1-2000)

響應(yīng)：

Byte 0: 返回的功能碼 2
Byte 1: 返回的字節(jié)個(gè)數(shù) (B=(位的個(gè)數(shù)+7)/8)
Byte 2-(B+1): 位信號(hào)的值 (低有效位是*個(gè)位信號(hào))

FC3 讀多個(gè)寄存器信號(hào)：
請(qǐng)求：
Byte 0： 功能碼，3
Byte 1-2： 寄存器開(kāi)始地址
Byte 3-4： 寄存器的個(gè)數(shù) (1-125)

響應(yīng)：

Byte 0: 返回的功能碼 3
Byte 1: 返回的字節(jié)個(gè)數(shù) (B=2倍寄存器數(shù))
Byte 2-(B+1): 寄存器的值

FC4 讀輸入寄存器信號(hào)：
請(qǐng)求：
Byte 0： 功能碼，4
Byte 1-2： 輸入寄存器開(kāi)始地址
Byte 3-4： 輸入寄存器的個(gè)數(shù) (1-125)

響應(yīng)：

Byte 0: 返回的功能碼 4
Byte 1: 返回的字節(jié)個(gè)數(shù) (B=2倍輸入寄存器數(shù))
Byte 2-(B+1): 輸入寄存器的值

FC6 寫(xiě)單個(gè)寄存器信號(hào)：
請(qǐng)求：
Byte 0： 功能碼，6
Byte 1-2： 寄存器地址
Byte 3-4： 寄存器的值

響應(yīng)：

Byte 0: 返回的功能碼 6
Byte 1-2: 寄存器地址
Byte 3-4: 寄存器的值

FC16 寫(xiě)多個(gè)寄存器信號(hào)：
請(qǐng)求：
Byte 0： 功能碼，10（HEX）
Byte 1-2： 寄存器開(kāi)始地址
Byte 3-4： 寄存器的個(gè)數(shù) (1-100)
Byte 5：字節(jié)的個(gè)數(shù) (B=2倍輸入寄存器數(shù))
Byte 6-（B＋5） 預(yù)置的寄存器值

響應(yīng)：

Byte 0: 返回的功能碼 10（HEX）
Byte 1-2: 寄存器開(kāi)始地址
Byte 3-4: 寄存器個(gè)數(shù)

注：

一個(gè)寄存器為兩個(gè)字節(jié)，上面介紹的首地址為MODBUS TCP 報(bào)文中PDU的首地址。

5 PAC3200的地址區(qū)
使用不同的功能碼可以對(duì)PAC3200不同的地址區(qū)進(jìn)行操作：
測(cè)量變量：例如電壓、電流值、輸入、輸出等變量可以使用FC3和FC4，F(xiàn)C3與FC4功能相
同，兩者都可以讀。
狀態(tài)參數(shù)：例如限制值0、1、2以及輸入0、輸出0等位信號(hào)，使用FC2可以讀出這些信
號(hào)。
設(shè)定參數(shù)：例如連接類(lèi)型、是否使用電壓變送器電壓、一次側(cè)電壓等，可以使用FC3、FC4進(jìn)
行讀操作，兩者功能相同，使用FC16進(jìn)行寫(xiě)操作。
通信參數(shù)：例如IP地址、網(wǎng)關(guān)等參數(shù)，可以使用FC3、FC4進(jìn)
行讀操作，兩者功能相同，使用FC16進(jìn)行寫(xiě)操作。
信息參數(shù)：例如產(chǎn)品的序列號(hào)等，可以使用FC3、FC4進(jìn)行讀操作，兩者功能相同，使用
FC16進(jìn)行寫(xiě)操作。
命令參數(shù)：例如復(fù)位大值、小值以及能量計(jì)數(shù)器等參數(shù)，使用FC6進(jìn)行寫(xiě)操作。

6 PAC3200側(cè)的配置
使用PAC3200集成的以太網(wǎng)通信接口進(jìn)行MODBUS TCP通信，需要對(duì)接口進(jìn)行設(shè)置，步驟如下：

1）：使用F4（Menu） > "SETTINGS> COMMUNICATION 進(jìn)入如下界面如圖2所示：

圖2 通信界面

2）：使用F4（Edit）鍵對(duì)選中的條目進(jìn)行編輯，在通信界面中設(shè)定MODBUS TCP 通信的IP地
址、子網(wǎng)掩碼及網(wǎng)關(guān)，在“PROTOCOL"中選擇“TCP"后退出，PAC3200側(cè)設(shè)置完成。

7 PLC側(cè)設(shè)置
在PLC側(cè)作的設(shè)置是為了與PAC3200建立TCP連接，以S7-300為例，步驟如下：
1）：在SIMATIC Manager中創(chuàng)建一個(gè)S7-300的項(xiàng)目，本例中項(xiàng)目名為MODBUS_TCP。
2）：插入一個(gè)S7-300站，從硬件目錄中插入CP343-1，本例為CP343-1IT，如圖3所示：

圖3 插入以太網(wǎng)模塊

3）：雙擊CP343-1的PN IO 槽，配置IP地址、子網(wǎng)掩碼，CP343-1的IP地址必須與
PAC3200在一個(gè)網(wǎng)段中，否則需要配置路由器地址，如圖4所示：

圖4 設(shè)置CP地址參數(shù)

4）：在硬件界面中點(diǎn)擊“Options"->“configure network"進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)連接界面，如圖5所示：

圖5 網(wǎng)絡(luò)配置界面

5）：點(diǎn)擊CPU，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接表，雙擊表中任一空格，選擇通信連接類(lèi)型，由于CP343-1與
PAC3200使用以太網(wǎng)TCP/IP的通信方式，所以連接類(lèi)型選擇為“TCP CONNECTION"，如
圖6所示：

圖6 選擇連接類(lèi)型

6）：確認(rèn)選擇的連接類(lèi)型后，進(jìn)入屬性界面，如圖7所示：

圖7 連接屬性－通用信息欄

選擇“Active connection establishment"選項(xiàng)，表示在通信連接初始化中由CP343-1主動(dòng)發(fā)出連接請(qǐng)求。同樣在“Block parameters"中自動(dòng)生成通信參數(shù)，用于編程時(shí)的參數(shù)賦值。

7）：在連接屬性的地址欄中，配置通信雙方的地址，如圖8所示：

圖8 連接屬性－地址欄

在IP地址中填寫(xiě)PAC3200的地址，本例中為192.168.1.13，在PORT端口號(hào)中定義本方的端口號(hào)，為了不與網(wǎng)絡(luò)中固定功能的端口號(hào)沖突，西門(mén)子PLC通常以2000開(kāi)始，PAC3200的端口號(hào)由MODBUS TCP規(guī)定固定為502。

8）：配置完成后，存盤(pán)編譯，將整個(gè)硬件配置下載到PLC中，使用網(wǎng)線(xiàn)連接PAC3200后，在
網(wǎng)絡(luò)配置界面中使用菜單命令：“PLC"->“activate connection status"，查看實(shí)際連 接狀態(tài)，如圖9所示：

圖9 查看連接狀態(tài)

如果連接狀態(tài)顯示成功（符號(hào)為綠色的三角），可以進(jìn)行下一步工作，如果出現(xiàn)紅方塊，表示沒(méi)有建立連接，需要檢查通信雙方的設(shè)置及網(wǎng)線(xiàn)，通常的情況下，PAC3200設(shè)置完成后需要重新上電啟動(dòng)。
如果需要與多個(gè)設(shè)備進(jìn)行MODBUS TCP通信，則需要建立多個(gè)通信連接，PLC側(cè)的端口號(hào)不能相同，可以為2000、2001、2002等，但是連接的不同MODBUS TCP的服務(wù)器端口號(hào)必須為502，只是IP地址不同。

8 PLC編程
在前面的章節(jié)中已經(jīng)介紹了MODBUS TCP的報(bào)文格式，在PLC側(cè)的通信程序就必須符合這種報(bào)文格式。下面以例子的方式介紹通信程序的編寫(xiě)。
在OB1中調(diào)用用于CP343-1的通信函數(shù)FC5和FC6，如果是S7-400，需要在S7-400的函數(shù)庫(kù)中調(diào)用FC50和FC60，如圖10所示：

圖10 調(diào)用通信函數(shù)

通信函數(shù)FC5的參數(shù)含義：
ACT ：沿觸發(fā)信號(hào)。
ID ：參考本地CPU連接表中的塊參數(shù)（圖7）。
LADDR ：參考本地CPU連接表中的塊參數(shù)（圖7）。
SEND : 發(fā)送區(qū)，

大通信數(shù)據(jù)為8K字節(jié)。
LEN : 實(shí)際發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。
DONE ：每次發(fā)送成功，產(chǎn)生一個(gè)上升沿。
ERROR ：錯(cuò)誤位。
STATUS：通信狀態(tài)字。

通信函數(shù)FC6的參數(shù)含義：
ID ：參考本地CPU連接表中的塊參數(shù)。
LADDR ：參考本地CPU連接表中的塊參數(shù)。
RECV : 接收區(qū)。接收區(qū)應(yīng)大于等于發(fā)送區(qū)。
NDR : 每次接收到新數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一個(gè)上升沿。
ERROR ：錯(cuò)誤位。
STATUS：通信狀態(tài)字。
LEN : 實(shí)際接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

如何實(shí)現(xiàn)MODBUS TCP通信，可以通過(guò)例子進(jìn)行說(shuō)明，例如讀出PAC3200設(shè)備的IP地址，通過(guò)PAC3200的手冊(cè)可以知道，IP地址為通信參數(shù)，偏移地址（開(kāi)始地址）為63001，占用兩個(gè)寄存器，上面已經(jīng)介紹通信參數(shù)的讀取可以使用功能碼FC3或FC4讀出，MODBUS TCP 的報(bào)文頭（參考圖1）BMAP部分占用7個(gè)字節(jié)，協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）部分占用5個(gè)字節(jié)，那么通過(guò)通信函數(shù)FC5一共發(fā)送12個(gè)字節(jié)，本例中數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)為DB1.DBB0~DB1.DBB11，然后將請(qǐng)求的內(nèi)容分別賦值到DB1.DBB0~DB1.DBB11中，請(qǐng)求報(bào)文格式如下：

DB1.DBB0~DB1.DBB11經(jīng)過(guò)賦值請(qǐng)求信息后，例子中M0.5每個(gè)上升沿將發(fā)送一次請(qǐng)求，如果通信成功，通過(guò)FC6將接收到PAC3200的返回信息，返回信息為13個(gè)字節(jié)，放入到數(shù)據(jù)接收區(qū)DB2.DBB0～DB2.DBB12中，接收?qǐng)?bào)文的格式如下：

9 通信注意事項(xiàng)

有幾個(gè)問(wèn)題需要注意：

1） 接收區(qū)是一個(gè)環(huán)形緩存區(qū)，接收區(qū)的長(zhǎng)度一定與PAC3200發(fā)送的數(shù)據(jù)相等，如果接收區(qū)大于實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)，每次接收數(shù)據(jù)時(shí)都以填充的方式進(jìn)入接收區(qū)，造成數(shù)據(jù)混亂。
2） 如果連接多個(gè)PAC3200，除需要建立多個(gè)連接，還需要調(diào)用多對(duì)FC5和FC6。
3） 如果需要讀出多個(gè)數(shù)據(jù)，但是相互地址間隔大，超過(guò)125個(gè)，例如偏移地址為1、201、501、833等，這樣需要發(fā)送多次數(shù)據(jù)請(qǐng)求，比較麻煩，可以購(gòu)買(mǎi)MODBUS TCP通信函數(shù)塊，這樣將比較簡(jiǎn)單，產(chǎn)品信息可以參考西門(mén)子網(wǎng) Entry ID:22660304訂貨信息，由于此產(chǎn)品為其他部門(mén)編寫(xiě)，可能A&D不負(fù)責(zé)解答。
本快速入門(mén)的示例程序參考附件 Modbus_TCP.zip ( 481 KB ) 。創(chuàng)建示例程序使用的STEP7版本為V5.4+SP4。

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