西門子1200PLC的Modbus（RTU）網絡通信技術詳解

Modbus具有兩種串行傳輸模式：分別為ASCII和RTU。

Modbus是一種單主站的主從通信模式，Modbus網絡上只能有一個主站存在，主站在Modbus網絡上沒有地址，每個從站必須有唯一的地址，從站的地址范圍為0 - 247，其中0為廣播地址，從站的實際地址范圍為1 - 247。Modbus RTU通信以主從的方式進行數據傳輸，在傳輸的過程中Modbus RTU主站是主動方，即主站發送數據請求報文到從站，Modbus RTU從站返回響應報文。

S7-1200以下模塊支持 Modbus RTU通信：

通信模塊/通信板	訂貨號
CM1241 RS232	6ES7 241-1AH32-0XB0
CM1241 RS485	6ES7 241-1CH30-0XB0
CM1241 RS422/485	6ES7 241-1CH32-0XB0
CB 1241 RS485	6ES7 241-1CH30-1XB0

注意 ? ? 1. 使用通信模塊CM 1241 RS232作為Modbus RTU主站時，只能與一個從站通訊。 ? 2. 使用通信模塊CM 1241 RS485作為Modbus RTU主站時，則允許建立最多與 32 個從站的通訊。 ? 3. 使用通信板CB 1241 RS485時，CPU 固件必須為 V2.0 或更高版本，且使用軟件必須為STEP 7 Basic V11 或STEP 7 Professional V11 以上更高版本。

S7-1200 Modbus RTU指令

隨著?TIA PORATL 軟件和 S7-1200 CPU 固件的不斷更新，S7-1200 Modbus RTU 指令也出現了不同的版本。用戶需要根據使用的軟件和硬件，正確選擇使用符合要求的 S7-1200 Modbus RTU 指令來實現 Modbus RTU 通信。

軟件，硬件要求和指令版本說明如下。

軟件STEP 7 V11 中的S7-1200 Modbus RTU?指令

軟件STEP 7 V11版本開始，可以從“指令”→“通信處理器”→“MODBUS”下直接調用 “MB_COMM_LOAD”和“MB_MASTER”或“MB_SLAVE”指令，如下圖1所示：

圖1 Modbus RTU指令

Modbus RTU指令有兩個版本：分別為V1 和V2。版本V1最初在 STEP 7 Basic V10.5 中提供；版本V2 在 STEP 7 Basic/Professional V11 中提供。

軟件STEP 7 V13 SP1 中的S7-1200 Modbus RTU?指令

TIA V13 SP1版本軟件中提供了2個版本的 Modbus RTU指令。如下圖 2 所示：早期版本的 Modbus RTU 指令（圖2. 中 MODBUS (V2.2)）僅可通過 CM1241 通信模塊或 CB1241 通信板進行 Modbus RTU 通信。新版本的Modbus RTU指令（圖2. 中 MODBUS(RTU) V3.0）擴展了Modbus RTU的功能，該指令除了支持 CM1241 通信模塊、CB1241 通信板，還支持PROFINET或PROFIBUS分布式 I/O 機架上的PTP通信模塊實現 Modbus RTU 通信。

注意：新版本?Modbus RTU 指令的使用限制條件? ??

新版本?Modbus RTU 指令通過CM1241通信模塊或CB1241通信板進行Modbus RTU通信時，需要滿足如下條件：a. S7-1200 CPU 的固件版本不能低于V4.1；b. CM1241通信模塊 V2.1 以上或 CB1241。

圖2. 兩個版本 Modbus RTU 指令

常見問題 ?

1、西門子不提供支持MODBUS-ASCII通信模式的的現成指令，需要用戶自己用自由口模式編程。

2、Modbus RTU指令版本 V2 將參數“REQ”和“DONE”添加到“MB_COMM_LOAD”指令。而且，“MB_MASTER”和“MB_SLAVE ”指令的“MB_ADDR ”參數現在允許一個UInt值以進行擴展尋址。

3、不能在同一CPU 程序中同時使用V1（V1.x）和V2（V2.y）指令版本。用戶程序的 Modbus 指令必須具有相同的主版本號；主版本組內的各個指令可具有不同的次版本號。

4、對S7-1200 通信模塊CM1241組態并編程調用“MB_COMM_LOAD”指令，可將其設置為Modbus RTU通信模式。通過編程調用“MB_MASTER”指令，S7-1200 通信模塊CM1241可作為Modbus RTU主站，或調用“MB_SLAVE”指令，S7-1200 通信模塊CM1241可作為Modbus RTU從站。

5、無論S7-1200 通信模塊CM1241作為Modbus RTU主站還是從站，都需要調用“MB_COMM_LOAD”指令進行編程。

6、S7-1200 CM1241/CB1241 Modbus RTU 通信支持兩位停止位。S7-1200 CM1241/CB1241屬性里可以設置停止位，但是該模塊用于 Modbus 通信時，此設置的停止位無效，需要在 Modbus_Commload 指令的背景DB里Static修改STOP_BITS停止位數值為2。

如下圖3、4所示：

圖3. CM1241 配置停止位參數

Modbus_Commload 指令的背景DB里Static修改STOP_BITS停止位數值為2（默認值=1）

圖4. 修改 Modbus RTU 通信停止位

Modbus RTU新版本指令介紹

（資料信息來源西門官網）

TIA V13 SP1版本軟件中提供了2個版本的Modbus RTU指令：

圖1. 兩個版本Modbus RTU指令

早期版本的Modbus RTU指令（圖1中MODBUS (V2.2)）僅可通過CM1241通信模塊或CB1241通信板進行Modbus RTU通信。
?

新版本的Modbus RTU指令（圖1中?MODBUS(RTU)?V3.0）擴展了Modbus RTU的功能，該指令除了支持CM1241通信模塊、CB1241通信板，還支持PROFINET或 PROFIBUS分布式I/O機架上的PTP通信模塊實現Modbus RTU通信。

新版本Modbus RTU指令所支持的PTP模塊如下圖2所示：

圖2. 新版本 Modbus RTU指令所支持的PTP模塊

新版Modbus RTU指令的使用

新版本Modbus RTU指令中包含Modbus RTU 主站指令和從站指令。本文以 CPU1217C+CM1241 RS422/485+ET200SP CM PTP 模塊為例，介紹新版本 Modbus RTU 指令主從通信的編程步驟。?
其中CPU機架CM1241 RS422/485作為Modbus RTU從站，分布式機架ET200SP中 CMPTP模塊作為Modbus RTU主站。網絡結構圖如下：

圖3. Modubus RTU 網絡通信結構圖

使用到的硬件和軟件如下:

硬件：

① CPU1217C(訂貨號:6ES7 217-1AG40-0XB0)，固件版本V4.1.3

② CM1241 RS422/485模塊(訂貨號:6ES7 241-1CH32-0XB0)，固件版本V2.1

③ 24V 電源PS307(訂貨號:6ES7307-1KA02-0AA0）?

④ ET200 SP IM155-6PN HF(訂貨號:6ES7155-6AU00-0CN0）

⑤ CM PTP模塊(訂貨號:6ES7137-6AA00-0BA0）

軟件：
① TIA V13 SP1 UP 9

一、設備組態

1 組態CM1241 RS422/485模塊

打開設備視圖，添加S7-1200CPU，并在硬件目錄里找到“通信模塊”→“點到點”→“CM1241(RS422/485)”,拖拽此模塊至CPU左側即可，如下圖4所示：

圖4. 添加 CM 1241 RS422/485模塊

需要注意：固件版本>=V2.1?的CM 1241 RS422/485模塊，才支持新版本Modbus RTU指令。

接下來，在“設備視圖”中用鼠標選中CM1241(RS422/485)模塊，在“屬性”→“端口組態”中配置此模塊硬件接口參數，
本例以傳輸率=9.6Kbps，奇偶校驗=無奇偶校驗，數據位=8位字符，停止位=1為例。如CM 1241 端口組態設置如下圖5所示：

圖5. CM1241 RS422/485 模塊端口組態

最后在“硬件標識符”里確認一下硬件標識符為269（該參數在程序編程中會被使用），如下圖6所示：

圖6.硬件標識符

另外，S7-1200 還提供了系統和時鐘存儲器功能，為了便于后續指令，建議使能該功能。在CPU “屬性”→“常規”→“系統和時鐘存儲器”使能系統和時鐘存儲器功能，如圖7所示。

圖7. 系統和時鐘存儲器功能

2 組態ET200 SP CM PtP模塊

a、插入一個ET200SP分布式站點。

打開網絡視圖并拖入一個ET200SP站點，并將其分配給相應的IO控制器(本例CPU1217C 為 IO 控制器)，如圖8所示。

圖8. 插入ET200SP站點

b、組態ET200SP 站點。

在ET200SP的"設備視圖"環境下，為ET200SP 站點添加信號、通信模塊和服務器模塊，在本例中只添加了CM PTP模塊和服務器模塊。
?

需要注意：ET200SP站點中，服務器模塊是必須組態的。服務器模塊隨接口模塊一起采購，無需單獨購買。

ET200SP接口模塊需要為其分配IP地址和Device Name，有關ET200 SP 分布式IO 組態詳細步驟，請參考《ET200 SP使用快速入門》。

《ET200 SP 使用快速入門》下載鏈接：
https://support.industry.siemens.com/cs/cn/zh/view/78304711

在ET200SP"設備視圖"中用鼠標選中CM PTP，在“屬性”→“常規”→“接口”→“操作模式”中配置此模塊硬件接口參數，本例設定“指定工作模式"："半雙工（RS485）2線制操作"；"接收線路的初始狀態"："無"。如下圖9所示：

圖9. CM PTP 操作模式

接下來，在“屬性”→“常規”→“接口”→“端口組態”中配置此模塊端口組態參數，

本例設定"協議"："Freeport/Modbus"；"端口參數"設置：傳輸率=9.6Kbps，奇偶校驗=無奇偶校驗，數據位=8位字符，停止位=1為例。端口組態設置如下圖10所示：

圖10. CM PTP 端口組態

最后需要在“硬件標識符”里確認一下CM PTP 模塊硬件標識符，該參數在程序編程中會被使用。

二、軟件編程

1 Modbus RTU 主站編程

Modbus RTU主站編程需要調用Modbus_Comm_Load指令和Modbus_Master指令,其中Modbus_Comm_Load指令通過Modbus RTU協議對通信模塊進行組態，Modbus_Master指令可通過由Modbus_Comm_Load指令組態的端口作為Modbus主站進行通信,Modbus_Comm_Load指令的MB_DB參數必須連接到Modbus_Master指令的（靜態）MB_DB參數。

本例中分布式機架ET200SP中CM PTP模塊作為Modbus RTU主站，其相關編程步驟如下：

a、OB1中插入一個FC函數，并在函數中拖入Modbus_Comm_Load指令和Modbus_Master指令。如圖11所示

圖11. 拖入Modbus RTU 主站指令

Modbus_Comm_Load指令各參數意義如下表1所示：

引腳	說明
REQ	上升沿觸發
PORT	通信端口的硬件標識符
BAUD	波特率選擇：3600，6000，12000，2400，4800，9600，19200，38400，57600，76800，115200
PARITY	奇偶檢驗選擇：0-無；1-奇校驗；2-偶校驗
FLOW_CTRL	流控制選擇：0-（默認值）無流控制
RTS_ON_DLY	RTS延時選擇：0-（默認值）
RTS_OFF_DLY	RTS關斷延時選擇：0-（默認值）
RESP_TO	響應超時：默認值 = 1000 ms。MB_MASTER 允許用于從站響應的時間（以毫秒為單位）。
MB_DB	對 Modbus_Master 或 Modbus_Slave 指令的背景數據塊的引用。 MB_DB 參數必須與 Modbus_Master 或 Modbus_Slave 指令中的靜態變量MB_DB 參數相連。
DONE	如果上一個請求完成并且沒有錯誤，DONE 位將變為 TRUE 并保持一個周期。
ERROR	如果上一個請求完成出錯，則 ERROR 位將變為 TRUE 并保持一個周期。STATUS 參數中的錯誤代碼僅在 ERROR = TRUE 的周期內有效。
STATUS	端口組態錯誤代碼，請參考TIA 軟件在線幫助或S7-1200 系統手冊。

表1 MB_COMM_LOAD指令參數意義
?

Modbus_Master指令各參數意義如下表2所示：

引腳	說明
EN	使能端
REQ	TRUE = 請求向 Modbus 從站發送數據，建議采用上升沿觸發
MB_ADDR	Modbus RTU從站地址。默認地址范圍：0至247；擴展地址范圍：0至65535。值0被保留用于將消息廣播到所有Modbus從站。
MODE	模式選擇：指定請求類型（讀取或寫入）。
DATA_ADDR	從站中的起始地址：指定Modbus從站中將供訪問的數據的起始地址。
DATA_LEN	數據長度：指定要在該請求中訪問的位數或字數。
DATA_PTR	數據指針：指向要進行數據寫入或數據讀取的標記或數據塊地址。
DONE	完成位：上一請求已完成且沒有出錯后，DONE 位將保持為 TRUE 一個掃描周期時間。
BUSY	FALSE – Modbus_Master 無激活命令: TRUE – Modbus_Master 命令執行中
ERROR	對 Modbus_Master 或 Modbus_Slave 指令的背景數據塊的引用。 MB_DB 參數必須與 Modbus_Master 或 Modbus_Slave 指令中的靜態變量MB_DB 參數相連。
STATUS	如果上一個請求完成并且沒有錯誤，DONE 位將變為 TRUE 并保持一個周期。
ERROR	如果上一個請求完成出錯，則 ERROR 位將變為 TRUE 并保持一個周期。STATUS 參數中的錯誤代碼僅在 ERROR = TRUE 的周期內有效。
STATUS	錯誤代碼

表2 Modbus_Master指令參數意義

注意

①?Modbus_Comm_Load指令不建議在啟動組織塊OB100中調用，建議在OB1中調用。Modbus_Comm_Load指令在OB1中調用時，其輸入位“REQ”需使用上升沿觸發，本例中該輸入位采用 “FirstScan” 系統存儲器位。
②?Modbus_Comm_Load指令背景數據塊中的靜態變量“MODE”用于描述PTP模塊的工作模式，有效的工作模式包括：

·?0 = 全雙工 (RS232)

·?1 = 全雙工 (RS422) 四線制模式（點對點）

·?2 = 全全雙工 (RS 422) 四線制模式（多點主站，CM PtP (ET 200SP)）

·?3 = 全全雙工 (RS 422) 四線制模式（多點從站，CM PtP (ET 200SP)）

·?4 = 半雙工 (RS485) 二線制模式

該靜態變量“MODE”默認數據為0（RS232 全雙工模式），需要根據CM PTP模塊實際組態修改該數值，本例中CM PTP模塊工作在RS485半雙工模式需要將該數值修改為4，如圖12所示。

圖12. Modbus_Comm_Load背景數據塊靜態變量“MODE”修改為4

③?Modbus_Master指令的“DATA_PTR”參數用于指向要進行數據寫入或數據讀取的數據區域地址，該數據區域支持優化訪問的數據塊或者非優化（標準的）數據塊，建議采用非優化訪問的數據塊。
本例中使用的數據區為非優化訪問的數據塊，在數據塊的屬性中取消“優化的塊訪問”即可將數據塊修改為非優化訪問的數據塊（鼠標右鍵數據塊，選擇“屬性”，取消“優化的塊訪問”），如圖13所示。

圖13. 設置數據塊為非優化訪問

當Modbus_Master指令的“DATA_PTR”指向非優化訪問的數據塊時，該輸入參數需要使用指針方式填寫如P#DB3.DBX0.0 WORD 5 方式填寫。
④?當Modbus RTU網絡中存在多個modbus RTU從站或一個modbus RTU從站同時需要讀操作和寫操作，則需要調用多個Modbus_Master指令，Modbus_Master指令之間需要采用輪詢方式調用。
下圖14用于描述兩個Modbus_Master指令輪詢調用的方式。

圖14.Modbus_Master輪詢調用方式

b、插入"Pull or plug of modules" 中斷OB83。

本例中Modbus RTU主站模塊安裝在分布式IO站點上，因此程序中需要考慮分布式IO站點故障、CM PTP 模塊插拔模塊等故障。?
分布式IO站點中插出、拔入模塊時，操作系統都會調用一次OB83。通過OB83接口區的輸入變量“16#Event_Class”判斷故障的模塊和類型：事件類型16#39表示模塊被拔出，事件類型16#38表示模塊被插入。
CM PTP 模塊被重新插入的時候，需要在中斷OB83中調用Modbus_Comm_Load 指令對通信模塊進行重新組態，如圖15所示。

圖15. OB83中再次調用Modbus_Comm_Load 指令

注意

①?OB83 中調用Modbus_Comm_Load指令的背景數據塊需要與OB1中調用的Modbus_Comm_Load指令的背景數據塊相同。
②?CM PTP模塊的硬件標識符也可以在"PLC變量"--->"系統常數"中查詢，如圖16. 所示。

圖16. 系統常量

c、插入"Rack or Station failure" 中斷OB86。

分布式IO站點故障和恢復時，操作系統都會調用一次OB86。通過OB86接口區的輸入變量“16#Event_Class”判斷故障的模塊和類型：事件類型16#39表示站點故障，事件類型16#38表示站點恢復。

CM PTP 模塊所在的IO站點恢復時，需要在中斷OB86中調用Modbus_Comm_Load 指令對通信模塊進行重新組態，如圖17所示。

圖17. OB86中調用Modbus_Comm_Load 指令

注意

①OB86 中調用Modbus_Comm_Load指令的背景數據塊需要與OB1中調用的Modbus_Comm_Load指令的背景數據塊相同。
②?分布式IO 站點的硬件標識符也可以在"PLC變量"--->"系統常數"中查詢。

2 Modbus RTU 從站編程

Modbus RTU從站編程需要調用Modbus_Comm_Load指令和Modbus_Slave指令，其中Modbus_Comm_Load指令通過Modbus RTU協議對通信模塊進行組態，Modbus_Slave指令可通過由Modbus_Comm_Load指令組態的端口作為Modbus從站進行通信，Modbus_Comm_Load指令的MB_DB參數必須連接到Modbus_Slaver指令的（靜態）MB_DB參數。

本例中CPU機架CM1241 RS422/485作為Modbus RTU從站，其相關編程步驟如下：

OB1中插入一個FC函數，并在函數中拖入Modbus_Comm_Load指令和Modbus_Slave指令。如圖18所示

圖18. 拖入Modbus RTU 從站指令

Modbus_Slave指令各參數意義如下表3所示：

引腳	說明
MB_ADDR	Modbus 從站的標準尋址：標準尋址范圍（1 到 247）擴展尋址范圍（0 到 65535）
MB_HOLD_REG	數據指針，指向Modbus 保持寄存器的地址， Modbus 保持寄存器可以為M存儲區或DB數據區。如果Modbus 保持寄存器為DB數據區，則DB數據區支持優化訪問的數據塊或非優化訪問的數據塊，建議采用非優化訪問的數據塊。?
NDR	可用的新數據： ·?FALSE - 無新數據 ·?TRUE – 表示新數據已由 Modbus 主站寫入? 如果上一個請求完成并且沒有錯誤，NDR 位將變為 TRUE 并保持一個周期。
DR	讀取數據： ·?FALSE - 無新數據 ·?TRUE –表示該指令已將 Modbus 主站接收到的數據存儲在目標區域中。如果上一個請求完成并且沒有錯誤，DR 位將變為 TRUE 并保持一個周期。
ERROR	如果上一個請求完成出錯，則 ERROR 位將變為 TRUE 并保持一個周期。如果執行因錯誤而終止，則 STATUS 參數中的錯誤代碼僅在 ERROR = TRUE 的周期內有效。
STATUS	錯誤代碼

表3 Modbus_Slave指令參數意義

注意

·?0 = 全雙工 (RS232)

·?1 = 全雙工 (RS422) 四線制模式（點對點）

·?2 = 全全雙工 (RS 422) 四線制模式（多點主站，CM PtP (ET 200SP)）

·?3 = 全全雙工 (RS 422) 四線制模式（多點從站，CM PtP (ET 200SP)）

·?4 = 半雙工 (RS485) 二線制模式

該靜態變量“MODE”默認數據為0（RS232 全雙工模式），需要根據CM1241 RS422/485模塊實際組態修改該數值，本例中CM1241 RS422/485模塊工作在RS485半雙工模式需要將該數值修改為4，如何修改“MODE”靜態變量見圖12.所示。

③?Modbus_Slave指令的“MB_HOLD_REG”用于指向Modbus保持寄存器的數據區域地址，該數據區域支持優化訪問的數據塊或者非優化（標準的）數據塊，建議采用非優化訪問的數據塊。
本例中使用的數據區為非優化訪問的數據塊，固該輸入參數需要使用指針方式填寫如P#DB6.DBX0.0 WORD 100 方式填寫。
如何在數據塊的屬性中取消“優化的塊訪問”，見圖13. 所示。

將程序下載到PLC中，并使用Profibus DP通信電纜將CM1241 RS422/485與CM PTP串口模塊連接起來，即可測試Modbus RTU通信了。

三、常見問題匯總

1. 新版本 Modbus RTU指令的使用是否存在些限制條件?
新版本?Modbus RTU指令通過CM1241通信模塊或CB1241通信板進行Modbus RTU通信時，需要滿足如下條件：

a. S7-1200 CPU 的固件版本不能低于V4.1；

? ? b. CM1241通信模塊或CB1241通信板的固件不能低于V2.1。

S7-1200 V4.0 固件CPU可以通過固件更新到V4.1版本，V2.0固件的CM1241通信模塊也可以通過固件更新的方式更新到V2.1版本。

2 .Modbus_Comm_Load指令背景數據塊中的靜態變量“MODE”的作用是什么?為什么一般項目中，都需要對該變量進行修改？
新版本的Modbus RTU指令擴展了Modbus RTU的功能，該指令除了支持CM1241通信模塊、CB1241通信板還支持PROFINET或PROFIBUS分布式I/O機架上的PTP通信模塊實現Modbus RTU通信。

而分布式I/O機架上的PTP通信模塊可以支持多種工作模式，以ET200SP CM PtP模塊（訂貨號：6ES7137-6AA00-0BA0）為例，其可以支持RS232、RS485以及RS422等多種工作模式。

Modbus_Comm_Load指令背景數據塊中的靜態變量“MODE”則用于定義PTP模塊的工作模式。
“MODE”的默認數值為0，代表“全雙工 (RS232)”工作模式，實際項目組態中則需要根據實際工作模式對該變量進行修改。

3. Modbus_Comm_Load指令能否在啟動組織塊OB100中調用?Modbus_Comm_Load指令不建議在啟動組織塊OB100中調用。新版本的Modbus RTU指令擴展了Modbus RTU的功能，該指令支持PROFINET或PROFIBUS分布式 I/O 機架上的PtP通信模塊實現Modbus RTU通信。

操作系統需要調用讀取數據記錄和寫入數據記錄等指令來實現與分布式I/O機架上PtP模塊的Modbus RTU通信。讀取數據記錄和寫入數據記錄指令為異步讀寫指令，指令的執行需要N個掃描周期，所以不建議Modbus_Comm_Load指令在啟動組織塊OB100中調用。

4. 如何查詢Modbus RTU通信錯誤時的錯誤代碼?
以Modbus_Master指令為例,當通信出現錯誤時,Modbus_Master指令的“ERROR”輸出位將變為TRUE但是只保持一個掃描周期，所以通過TIA 軟件程序監控時無法查詢到錯誤。
?

Modbus_Master指令“STATUS”參數中的錯誤代碼僅在“ERROR” = TRUE 的掃描周期內有效，為了獲取了Modbus RTU通信錯誤的錯誤代碼我們可以采用下圖19. 方式編程。