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：

• 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

  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。

  
  7. 相關參考資料
  關于西門子串行通信應用的文檔可以參考相關產品手冊，或登錄下載中心網站http://www.ad.siemens.com.cn/download/ ， 搜索下載如下文檔：
  A0006：串口通訊模塊的信息與使用
  A0081：CP340/341/440/441通訊及編程
  A0336：CP341 Modbus RTU多站點輪詢
  A0440：CP340/341基于ASCII驅動協議的多站點輪詢
  A0384：S7-300 CP341作主S7-200作從的Modbus通信

  關鍵詞
  CP341，Modbus RTU，功能碼，S7-200

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