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供應CPU SR20 6ES7288-1SR20-0AA0
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1. 概述
在現場應用中，很多儀表和設備僅支持Modbus RTU的通訊協議，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Modbus RTU通訊。本文以S7-200作為Modbus 主站，CP341作為Modbus 從站，實現Modbus RTU通訊，闡述兩者在通訊方面的設置和注意事項。
2. 軟件環境
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
串行通訊模板的驅動程序，安裝此驅動后才能對PtP模板進行參數配置，并在Step7中集成通訊編程需要使用的功能塊。此驅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，需要安裝此驅動協議，但安裝之前必須先安裝PtP Driver，此驅動可以在購買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 網站 自動化系統>>S7-200>>軟件，文檔編號S0002。
2.5 Toolbox_V32-STEP 7-Micro WIN 32 Instruction Library
S7-200實現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 網站 自動化系統>>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 硬件結構和接線示意圖
4. 組態設置和編程
4.1 S7-200做Modbus主站的設置
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位數據位；1位奇/偶/無校驗；1停止位。通信波特率可以設置為1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600或112500，符合這些格式的串行通訊設備可以和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：
圖4 庫存儲區設置
| 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調用MBUS_CTRL完成主站的參數初始化，詳細見下表，參數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協議；為0時恢復為PPI協議。 |
| 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 | 主站等待從站響應的時間，以毫秒為單位，典型的設置值為 1000毫秒，允許設置的范圍為1-32767。這個值必須設置足夠大以保證從站有時間響應。 |
| 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
調用 Modbus RTU 主站讀寫子程序MBUS_MSG，發送一個Modbus 請求。
圖6 調用Modbus RTU 主站讀寫子程序
圖中各參數含義如下
| 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。 |
| 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 / 讀寫從站的數據地址 | 選擇讀寫的數據類型： |
| 00001 至 0xxxx - 開關量輸出 | ||
| 10001 至 1xxxx - 開關量輸入 | ||
| 30001 至 3xxxx - 模擬量輸入 | ||
| 40001 至 4xxxx - 保持寄存器。 | ||
| f | Count / 數據的個數 | 通訊的數據個數（位或字的個數）。 |
| g | DaptPtr / 數據指針 | 如果是讀指令，讀回的數據放到這個數據區中； |
| 如果是寫指令，要寫出的數據放到這個數據區中。 | ||
| 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，數據存儲區為VB2000開始的區域。
4.2 CP341 做Modbus 從站的硬件組態
4.2.1 硬件組態
圖7 S7-300側硬件組態
4.2.2 設置Modbus參數
圖8 消息楨字符結構
按照上述操作設置參數，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位數據位，偶校驗位，1位停止位，從站站地址是3，主從通訊設備的字符幀格式和波特率等參數設置需要一致。
圖9 RS422/485 接口組態
RS422/485接口只能一個有效，接口的選擇只需要組態而不需要在硬件上短接。
4.2.3 Modbus驅動的下載
當配置好Modbus通信的參數后，保存前需要向CP341下載Modbus Slave的驅動，一旦下載完成后無需再次下載。
需要注意的是，在下載驅動時（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 從站驅動下載后結果
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中調用FB80編程如下：
圖13 FB80程序塊調用
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，也可以在硬件組態中在線后的CP341的診斷緩沖區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 協議RTU格式S7的可裝載驅動程序為從站》的手冊。
FB80的各參數含義如下
| LADDR | 硬件組態中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格式通信協議是以主從的方式進行數據傳輸的，在傳輸的過程中主站是主動方，即主站發送數據請求報文到從站，從站返回響應報文。Modbus 系統間的數據交換是通過功能碼來控制的，以下對現場常用的功能碼進行分類測試，關于功能碼的詳細信息請參考手冊。
5.1 FC01/05/15功能碼
CP341從站的通訊區域配置
圖14 FC01/05/15 參數組態界面
FC01、FC05、FC15對應的數據區為位輸出，數據的傳遞以位為單位，可以讀寫操作，用戶地址區為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（地址區不能沖突），右邊對應的是S7-300的數據區。例如左邊信息傳遞地址從0 ~ 7對應用戶地址區為00001 ~ 00008，對應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點數字量輸出，接收的數據存放在VB2000開始的區域，測試截圖結果如下。
圖16 FC01功能碼數據交換
5.2 FC02功能碼
CP341從站的通訊區域配置
圖17 FC02 參數組態界面
FC02對應的數據區為位輸出，數據的傳遞以位為單位，只讀操作，用戶地址區為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（地址區不能沖突），右邊對應的是S7-300的數據區。例如左邊信息傳遞地址從0 ~ 7對應用戶地址區為10001 ~ 10008，對應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點數字量輸入，接收的數據存放在VB2000開始的區域，測試截圖結果如下。
圖19 FC02功能碼數據交換
5.3 FC03/06/16 功能碼
CP341從站的通訊區域配置
圖20 FC03/06/16參數組態界面
FC03/06/16 對應的數據區為寄存器，數據的傳遞以字為單位，可以讀寫操作，用戶地址區為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，右邊對應的是S7-300的數據區，左邊傳輸地址不可改，右邊只對應一個數據區。例如用戶地址
區為40001 ~ 40004，對應S7-300數據區為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，接收的數據存放在VB2000開始的區域，測試截圖結果如下。
圖22 FC03功能碼數據交換
5.4 FC04 功能碼
CP341從站的通訊區域配置
圖23 FC04參數組態界面
FC04對應的數據區為寄存器輸入，數據的傳遞也以字為單位，只讀操作，用戶地址區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，右邊對應的是S7-300的數據區，左邊傳輸地址不可改，右邊只對應一個數據區。例如用戶地址區為30001 ~ 30004，對應S7-300數據區為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，接收的數據存放在VB2000開始的區域，測試截圖結果如下。
圖25 FC04功能碼數據交換
5.5 Limits 欄
圖26 Limits 參數組態界面
對于寫功能碼FC05、06、15、16，可以禁用或限制訪問相關S7-300存儲區，即使用這些功能碼時，S7-300存儲區需要在設定的最小和最大的范圍之間，如果訪問的區域超出這個范圍，則訪問會被拒絕，同時輸出報錯誤信息。
6. 總結
本文檔以S7-200為主站和CP341為從站簡單介紹了Modbus RTU通訊，關于通訊的組態設置，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、設備等進行串行通信的參考。
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供應CPU SR20 6ES7288-1SR20-0AA0
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