如何通过Modbus RTU协议实现S7-1200 与PAC3200的通信

西门子S7-1200 紧凑型PLC在当前的市场中有着广泛的应用，作为经常与SENTRON PAC3200系列仪表共同使用的PLC，其Modbus通信协议的使用一直在市场上有着非常广泛的应用。本文将主要介绍如何使用Modbus 通信协议来实现S7-1200与SENTRON PAC3200仪表的通信。

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1．西门子SENTRON PAC3200 仪表介绍

西门子的SENTRON PAC3200多功能电力仪表是一种用于面板安装的仪表，可用来计量、显示配电系统多达50个测量变量，例如电压、电流、功率、有功功率、频率以及最大值、最小值和平均值。中文大屏幕图形液晶显示使用户可远距离读表。PAC3200仪表如下图所示。

图1:仪表PAC3200

1.1 SENTRON PAC3200 MODBUS RTU通信扩展模块介绍

PAC3200多功能仪表的本体没有MODBUS RTU通信的功能，如果希望将PAC3200作为从站连接到MODBUS RTU网络与主站进行数据交换必须选用外部扩展通信模块――SENTRON PAC RS485模块。(注意: PAC RS485 扩展模块使用错误的固件版本时将不能工作
SENTRON PAC3200 电力监测设备的固件版本最低应为FWV2.0X。 较早的版本不支持
PAC RS485 扩展模块。)该扩展模块具有下列性能特点：
        ? 可通过设备正面设置参数
        ? 即插即用
        ? 支持 4.8/9.6/19.2 以及 38.4 KBd 通信传输速率
        ? 通过6针螺钉端子接线
        ? 不需要外接辅助电源
        ? 通过模块上的 LED 显示状态

PAC3200 MODBUS RTU通信扩展模块如下图所示。

（1） 通信接线端子

（2） 安装螺钉

（3） 通风口

（4） LED

图2:PAC3200 MODBUS RTU 通信模块

 

1.2 SENTRON PAC3200 MODBUS RTU通信扩展模块的接线

SENTRON PAC3200 MODBUS RTU通信扩展模块的接线如下图所示

图3:PAC3200 MODBUS RTU 通信模块的接线图

 

1. 将电缆连接到端子排上相应的螺栓端子。
2. 将电缆屏蔽层的一端连接到保护性接地PE。
3. 将信号公共端连接到保护性接地。 这样也使得扩展模块接地。
4. 在第一个和最后一个通信节点上，在正信号和负信号之间接入总线端接电阻器。 为
此，PAC RS485 扩展模块中集成了一个120 Ohm 的总线端接电阻器。 如果需要其它
电阻值，请使用外部总线端接电阻器。 将它连接到第一个和最后一个通信节点。

1.3 SENTRON PAC3200 MODBUS RTU通信的方式

1．SENTRON PAC3200设备支持的功能码如下：
 

FC	功能码	数据类型		访问权限
02	输入的状态	位	输入	R
03	输出寄存器	寄存器	输出	R
04	输入寄存器	寄存器	输入	R
06	单一输出寄存器	寄存器	输出	RW
10	多个输出寄存器	寄存器	－	RW
2B	设备识别	－	－	R

表1: SENTRON PAC3200设备支持的功能码

R—可读
RW—可读写

2．SENTRON PAC3200 MODBUS RTU 与S7-1200进行通信
S7-1200 PLC可以通过功能代码0x03 和0x04 访问仪表PAC3200的被测量数据。
下表是一些PAC3200 被测量的数据。

表2: SENTRON PAC3200设备的一些被测量数据

2．西门子SENTRON PAC3200 仪表与S7-1200进行通信的接线图

下图是SENTRON PAC3200仪表与S7-1200进行MODBUS RTU 通信的接线图。

图4:S7-1200与PAC3200进行MODBUS RTU 进行通信的接线图

3．硬件需求
S7-1200 PLC目前有3种类型的CPU：
        1）S7-1211C CPU。
        2）S7-1212C CPU。
        3）S7-1214C CPU。
这三种类型的CPU都可以使用MODBUS通信协议通过通信模块CM1241 RS485来实现S7-1200与PAC3200仪表的通信。

本例中使用的PLC硬件为：
        1）PM1207电源 ( 6EP1 332-1SH71 )
        2） S7-1214C ( 6ES7 214 -1BE30 -0XB0 )
        3) CM1241 RS485 ( 6ES7 241 -1CH30 -0XB0 )
        4) 模拟器 ( 6ES7 274 -1XH30 -0XA0 )

本例中使用的PAC3200仪表硬件为：
        1） PAC3200 （7KM2112-0BA00-3AA0）
        2） MODBUS RTU 模块 （7KM9300-0AB00-0AA0）
        3） MODBUS 通信电缆 ( 6XV1830-0EH10)

 

3．软件需求

1) 编程软件 Step7 Basic V10.5 ( 6ES7 822-0AA0-0YA0)

4．S7-1200 MODBUS RTU的通信方式
S7-1200作为MODBUS RTU主站的通信方式是由DATA_ADDR 和 MODE 参数来选择 Modbus 功能类型的。
DATA_ADDR（从站中的起始 Modbus 地址）： 指定要在 Modbus 从站中访问的数据的起始地址。MB_MASTER 使用 MODE 输入而非功能代码输入。 MODE 和 Modbus 地址范围一起确定实际 Modbus 消息中使用的功能代码。

下表列出了 MB_MASTER 参数 MODE、Modbus 功能代码和 Modbus 地址范围之间的对应关系。

表3: MB_MASTER的MODBUS 功能

5．S7-1200 与PAC3200 进行MODBUS RTU的通信组态

我们通过一个实例来介绍如何在Step7 Basic V10.5 中组态S7-1214C 和PAC3200的MODBUS RTU通信。

5. 1 PLC 硬件组态

首先在Step7 Basic V10.5中建立一个项目，如图1所示。

图5： 新建S7 1200项目

在硬件配置中，添加CPU1214C和通信模块CM1241 RS485模块，如图2所示。

图6： S7 1200硬件配置

在CPU的属性中，设置以太网的IP地址，建立PG与PLC的连接，如下图所示。

图7： S7 1200 IP地址的设置

5. 2 PAC3200参数设置
在SENTRON PAC 电力监测设备的主菜单中，调用“设置”>“RS485 模块”，出现下面的设置画面：

图8： PAC3200 MODBUS RTU 通信参数的设置

1. 地址的设置范围：1-247。本例中设为8。
2. 波特率的设置范围：4800，9600，19200，38400。本例中设为38400。
3. 设置外部通信的数据位、奇偶校验位及停止位：
        ? 8E1=8 个数据位，奇偶校验位为even， 1 个停止位
        ? 8O1=8 个数据位，奇偶校验位为odd， 1 个停止位
        ? 8N2=8 个数据位，无奇偶校验位， 2 个停止位
        ? 8N1=8 个数据位，无奇偶校验位， 1 个停止位
        本例中根据S7-1200 MODBUS MASTER 的参数设置为 8N1。
4. 协议的设置：可选项为：SEABUS,MODBUS RTU。
本例中设为MODBUS RTU。
5．响应时间的设置：注意与波特率的设置相匹配，本例中设为10mS。

 

6．S71200 与PAC3200的MODBUS RTU通信原理与编程的实现

6. 1 S7 1200 PLC与PAC3200 通过MODBUS RTU 通信的基本原理

S7 1200提供了专用的MODBUS库进行MODBUS通信，如下图所示：

图9： S7 1200提供的专用MODBUS库

西门子PLC S7-1200的模块CM1241 RS232和CM1241 RS485都可以实现MODBUS RTU的通信，本例中采用CM1241 RS485模块来实现与仪表PAC3200的MODBUS RTU 的通信。
S7-1200的MODBUS RTU通信的基本原理是：
首先S7-1200 PLC的程序调用一次MODBUS 库中的功能块MB_COMM_LOAD来组态CM1241 RS232和CM1241 RS485模块上的端口，对端口的参数进行配置。
其次调用MODBUS 库中的功能块MB_MASTER或者MB_SLAVE作为MODBUS 主站或者从站与支持MODBUS协议的设备进行通信。

S7-1200 PLC作为MODUBUS 主站 与PAC3200 进行MODBUS RTU 通信的控制原理如下图所示：

图10：S7-1200 PLC作为MODUBUS 主站 与PAC3200 进行MODBUS RTU 通信原理

 

S7-1200 PLC还可以作为MODBUS子站与作为MODBUS主站之间的PLC进行MODBUS RTU通信，其控制原理如下图所示：

图11：S7-1200 PLC作为MODBUS子站与作为MODBUS主站之间的PLC进行MODBUS RTU的通信原理

 

每个S7-1200 CPU最多可带3个通信模块，而每个CM1241 RS485通信模块理论上最多支持247个MODBUS子站。但是在实际应用时需要考虑CPU的性能以及轮循MODBUS子站的时间。

6. 2 S7 1200 PLC与PAC3200通过MODBUS RTU通信的编程

1．MODBUS RTU 通信接口参数的编程

MB_COMM_LOAD 功能块用于组态点对点 (PtP, Point-to-Point) CM 1241RS485 或 CM 1241 RS232 模块上的端口，以进行 Modbus RTU 协议通信。

程序开始运行时，调用一次MB_COMM_LOAD功能块，来实现对MODBUS RTU模块
的初始化组态。
MB_COMM_LOAD执行一次的编程方式采用如下图所示时钟位M10.0来完成。

图12：MB_COMM_LOAD执行一次的编程时钟位的设置

MB_COMM_LOAD功能块的编程如下图所示。

图13：MB_COMM_LOAD功能块的编程

PORT：指的是通过哪个通信模块进行MODBUS RTU通信。
BAUD：指的是和MODBUS子站进行通信的速率。
                通信端口的波特率。取值范围为300，600，1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600，
76800，115200。
注意：仪表PAC3200的波特率的设置范围：4800，9600，19200，38400。因此上S7-1200
            的波特率的设置一定要和仪表PAC3200的波特率的设置相一致。
MB_DB：对 MB_MASTER 或 MB_SLAVE 指令所使用的背景数据块的引用。 在用户程序中放置
            MB_SLAVE 或 MB_MASTER 后，DB标识符会出现在 MB_DB 功能框连接的助手下拉列表中。
            如“MB_MASTER_DB”或“MB_SLAVE_DB”。

STATUS：端口状态代码。具体含义如下表所示。

表4: MB_COMM_LOAD组态端口的状态代码

2．MODBUS_MASTER功能块的编程

MB_MASTER 功能块允许程序作为Modbus 主站使用点对点 (PtP, Point-to-Point) CM 1241 RS485 或 CM 1241RS232 模块上的端口进行通信。 可访问一个或多个 Modbus 从站设备中的数据。

MB_MASTER功能块的编程如下图所示。

图14：MB_MASTER功能块的编程

REQ：数据发送请求信号。0-无请求。1-请求将数据传送到MODBUS从站。
MB_ADR：通信对象MODBUS从站的地址。有效地址范围为0-247。值 0 被保留用于将消息广播到所有 Modbus 从站。 只有Modbus 功能代码 05、06、15 和 16 是可用于广播的功能代码。
注意：此处MODBUS从站的地址一定要与仪表PAC3200 的MODBUS 地址相一致。

MODE：模式选择。选择范围为：读、写、诊断。
DATA_ADDR：从站中的起始地址： 指定要在 Modbus 从站中访问的数据的起始地址。

特别注意的是：由于仪表PAC3200的寄存器与S7-1200 MODBUS RTU寄存器的不一致
性，读取仪表PAC3200的DATA_ADDR的地址必须从40002开始。

注意： S7-1200的MODBUS RTU通信功能是通过使用“DATA_ADDR”和“MODE”的组合
来选择MODBUS功能码，如下表所示。

表5: S7-1200的MODBUS RTU通信功能码

而仪表PAC3200 MODBUS RTU通信功能则是通过功能码来实现的，如下表所示。

 
 
 
 
 
 
 

FC	功能码	数据类型		访问权限
02	输入的状态	位	输入	R
03	输出寄存器	寄存器	输出	R
04	输入寄存器	寄存器	输入	R
06	单一输出寄存器	寄存器	输出	RW
10	多个输出寄存器	寄存器	－	RW
2B	设备识别	－	－	R

表6: 仪表PAC3200 MODBUS RTU通信功能码

因此从上述可以得出如果需要读取输出寄存器的值时，需要使用模式0的03H功能，即
从寄存器40001到49999来读取仪表的数据，但是由于仪表PAC3200的寄存器与S7-1200
MODBUS RTU寄存器的不一致性，读取仪表PAC3200的DATA_ADDR的地址必须从40002开
始。

DATA_LEN：请求访问数据的长度。位数或字节数。
DATA_PTR：数据指针： 指向要写入或读取的数据的 CPU DB 地址。 该DB 必须为
“非仅符号访问”DB 类型。
NDR： 新数据就绪：
        ?0 – 事务未完成
        ?1 – 表示 MB_MASTER 指令已完成所请求的有关 Modbus从站的事务。
BUSY：忙：
        ?0 – 无正在进行的 MB_MASTER 事务
        ?1 – MB_MASTER 事务正在进行
ERROR：错误：
        ?0 - 未检测到错误
        ?1 – 表示检测到错误并且参数 STATUS 提供的错误代码有效。
STATUS：状态代码，如下表所示。

 

表7: MB_MASTER 进行MODBUS RTU通信的状态代码

在成功地编译下载到在S7-1200 PLC中后，可以从变量表中看到仪表PAC3200的三相相电压数据，如下图所示。

图15：在S7-1200中通过MODBUS RTU通信得到的仪表PAC3200的三相相电压数据

Modbus 主站通信规则:
● 必须先执行 MB_COMM_LOAD 组态端口，然后 MB_MASTER 指令才能与该端口通
信。
● 如果要将某个端口用于初始化 Modbus 主站的请求，则 MB_SLAVE 将不能使用该端
口。MB_MASTER 执行的一个或多个实例可使用该端口。
● Modbus 指令不使用通信中断事件来控制通信过程。 用户程序必须轮询
MB_MASTER 指令以了解传送和接收的完成情况。
● 如果用户程序操作 Modbus 主站并使用 MB_MASTER 向从站发送请求，则用户必须
继续轮询（执行 MB_MASTER）直到返回从站的响应。
● 请从同一个 OB（或 OB 优先等级）调用指定端口的所有 MB_MASTER 执行。

3．MODBUS_SLAVE功能块的编程
由于S7-1200与PAC3200进行MODBUS RTU通信，没有使用MODBUS_SLAVE功能块，因此在此只作简单介绍。
MB_SLAVE 指令允许程序作为 Modbus 从站使用点对点 (PtP, Point-to-Point) CM 1241RS485 或 CM 1241 RS232 模块上的端口进行通信。 Modbus RTU 主站可以发出请求，然后程序通过执行 MB_SLAVE 来响应。
在程序中放置 MB_SLAVE 指令时，必须分配唯一的背景数据块。 指定MB_COMM_LOAD 指令中的 MB_DB 参数时会用到该 MB_SLAVE 背景数据块名称。
Modbus 通信功能代码（1、2、4、5 和 15）可以在 PLC 输入过程映像及输出过程映像中直接读写位和字。

图16：MB_SLAVE 功能块

MB_ADDR：Modbus RTU 地址（1 到 247）：Modbus 从站的站地址。
MB_HOLD_REG：指向 Modbus 保持寄存器 DB 的指针。 保持寄存器 DB 必须为典型的全局 DB。

注意：在创建此数据块时，请不要选择“Symbolic address only仅通过符号地址访问”。使用“MB_SLAVE”指令时，

NDR：新数据就绪：
        ?0 – 无新数据
        ?1 – 表示 Modbus 主站已写入新数据
DR：数据读取：
        ?0 – 无数据读取
        ?1 – 表示 Modbus 主站已读取数据
ERROR：错误：
        ?0 - 未检测到错误
        ?1 – 表示检测到错误并且参数 STATUS 提供的错误代码有效。
STATUS：错误代码。如下表所示。

表8: MB_SLAVE 进行MODBUS RTU通信的状态代码