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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：

2.3 CP PTP Modbus Sle 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

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。
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。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

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：

• 需要S7-200的編程軟件是 Micro/WIN V4.0 SP5及以上版本；

• Modbus RTU 主站庫對CPU的版本有要求，CPU 的版本必須為 2.00 或者 2.01（即訂貨號為 6ES721*－***23-0BA*）；

• Modbus主站可讀/寫的最大數據量為120個字（指每一個 MBUS_MSG 指令）；

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

• 使用Modbus 庫時必須對庫存儲區進行分配，見下圖設置，而且分配的空間不能和程序中其它空間沖突，否則編譯調用會報錯。

圖4 庫存儲區設置

• Modbus主站庫支持的功能碼和地址對應關系：
  

  Modbus 地址	讀 / 寫	Modbus 從站須支持的功能
  00001~09999	讀	功能1：讀輸出點
  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

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

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*。

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。

圖10 Dongle時，需要CPU停機

圖11 從站驅動后結果

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 Sle 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

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

門子S7-200 PLC接型編碼器問題

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問題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，但應注意以下幾點：
（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具有相應的接口或組態能力，不能與西門子S7-200 PLC 直接連接。
（2）接入S7-200 PLC 的型編碼器信號輸出是格雷碼。如是純二進制碼，在數據刷新時可能有多位變化，讀數會在短時間里造成錯碼。
（3）型編碼器在每圈的每個位置都有編碼，由于 PLC數據更新受程序掃描周期的影響，因此經PLC讀取并換算后的編碼器位置值相對于編碼器當前位置值存在一定的誤差。
（4）對型編碼器進行接線時，必須確保其與PLC輸入點連接好。如有個別連接不良點，該點電位始終是0，將會造成錯碼而無法判斷。

問題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，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。型編碼器的12位信號輸出線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，字節位越低。如在輸入寄存器中IW0 的
IB0 是高字節，IB1是低字節，因此必須將IW0 中的格雷碼值左循環8 次，將高、低位字節調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字內的I1.4—I1.7，將需要的格雷碼數據存入VW2中。如圖3所示：

圖3 邏輯與運算

在實際應用中，為了計算編碼器轉過的角度或位置，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準二進制碼，對應放到VW4中。如圖4所示：