S7-200做主站S7-300 CP341做从站的Modbus RTU通讯

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	CPU315-2DP	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	读 / 写	Modbus 从站须支持的功能
  00001~09999	读	功能1：读输出点
  数字量输出	写	功能5：写单个输出点
  		功能15：写多个输出点
  10001~19999	读	功能2：读输入点
  数字量输入
  30001~39999	读	功能4：读输入寄存器
  输入寄存器
  40001~49999	读	功能3：读保持寄存器
  保持寄存器	写	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
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	说                   明
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 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。
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

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_MASK	I/O访问错误屏蔽位，本例中为True（I/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	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