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操作指南

S7-200做主站S7-300 CP341做从站的Modbus RTU通讯

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5.0 分
  • 通信(通讯)
  • S7-300
  • S7-200
  • 文档
文档编号:A0451| 文档类型:操作指南| 发布时间:2024年02月19日
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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。 ......

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。
http://www.ad.siemens.com.cn/download 网站 自动化系统>>S7-200>>软件,文档编号S0002。

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。http://www.ad.siemens.com.cn/download 网站 自动化系统>>S7-200>>软件,文档编号S0010。


3. 硬件列表和接线

3.1 硬件列表

S7-300从站CPU315-2DP6ES7 315-2AG10-0AB0
CP341 RS422/4856ES7 341-1CH01-0AE0
Dongle6ES7 870-1AB01-0YA0
PC 适配器(USB)6ES7 972-0CB20-0XA0
S7-200主站CPU 224XP6ES7 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:

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5 Modbus RTU 主站初始化

图中各参数含义如下

编号符号/含义说                   明
aEN / 使能必须保证每一扫描周期都被使能(使用SM0.0)。
bMode / 模式为1时使能为Modbus协议;为0时恢复为PPI协议。
cBaud / 波特率支持的通讯波特率为1200,2400,4800,9600,19200,38400,57600,115200。
dParity / 校验校验方式选择:0=无校验;1=奇校验,2=偶校验。
eTimeout / 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。
fDone / 完成位初始化完成,此位会自动置1。
gError / 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/含义说                   明
aEN / 使能同一时刻只能有一个读写功能使能。
bFirst / 读写请求位 每一个新的读写请求必须使用脉冲触发。
cSlave / 从站地址可选择的范围1–247。
dRW / 读写操作位0=读, 1=写。
eAddr / 读写从站的数据地址选择读写的数据类型:
00001 至 0xxxx - 开关量输出
10001 至 1xxxx - 开关量输入
30001 至 3xxxx - 模拟量输入
40001 至 4xxxx - 保持寄存器。
fCount / 数据的个数通讯的数据个数(位或字的个数)。
gDaptPtr / 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。
hDone / 完成位读写功能完成位。
iError / 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


图7 S7-300侧硬件组态

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:


图13 FB80程序块调用

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_MASKI/O访问错误屏蔽位,本例中为True(I/O访问错误已屏蔽)
CP_STARTFB初始化使能位,本例中为M0.0
CP_START_FMCP_START 初始化的上升沿位,本例中为M0.1
CP_NDR从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。


7. 相关参考资料
关于西门子串行通信应用的文档可以参考相关产品手册,或登录下载中心网站http://www.ad.siemens.com.cn/download/ , 搜索下载如下文档:
A0006:串口通讯模块的信息与使用
A0081:CP340/341/440/441通讯及编程
A0336:CP341 Modbus RTU多站点轮询
A0440:CP340/341基于ASCII驱动协议的多站点轮询
A0384:S7-300 CP341作主S7-200作从的Modbus通信

关键词
CP341,Modbus RTU,功能码,S7-200


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