1.MODBUS概述
MODBUS是Modicon公司提出的一种通信协议，经过各大公司的实际应用，逐渐被认可，成为一种标准的通信协议。该协议支持RS-232C、RS-422、RS-485、20mA TTY及以太网等接口。MODBUS是以主从方式进行数据传输，在传输过程中主站发送数据请求报文到从站，从站返回响应报文，该协议只允许在主站和从站之间通信，从站与从站之间不能直接通信。主站还能以广播的方式和所有从设备通信，但从站不返回响应报文。
常用的MODBUS协议有MODBUS ASCII和MODBUS RTU两种，MODBUS ASCII协议以ASCII形式传输数据，每8位作为两个ASCII码传输，且有开始和结束标记，适用于通信数据较少的场合；而MODBUS RTU传输时每8位包含两个4位的十六进制数据，没有开始和结束标记，适用于通信数据较多的场合。
在本节主要介绍MODBUS RTU协议，其可与DCS系统中的一些过程仪表通信，应用比较广泛。在MODBUS RTU格式的通信协议中，通信双方是通过报文以主从方式进行数据传输的，报文格式见表10-6。
表10-6 MODBUSRTU报文格式
其中，ADDRESS表示MODBUS从站的地址，一个字节；FUNCTION表示MODBUS的功能码，一个字节；DATA表示传输的数据，N个字节，格式由功能码决定；CRC CHECK表示CRC，两个字节。
MODBUS设备间的数据交换是通过功能码实现的，有些功能码是对位操作的，有些是对16位寄存器操作的，见表10-7。功能代码定义了消息帧的含义和消息帧的结构。
表10-7 MODBUS部分功能码说明
主站通信协议支持的功能码有FC01、FC02、FC03、FC04、FC05、FC06、FC07、FC08、FC11、FC12、FC15和FC16。从站通信协议支持的功能码有FC01、FC02、FC03、FC04、FC05、FC06、FC08、FC15和FC16。例如主站发送数据请求报文及各字节的含义见表10-8。
表10-8 主站发送数据请求报文及各字节的含义
从站回复的响应报文见表10-9。
表10-9 从站回复的响应报文
在西门子PLC通信中，表10-7功能码访问的数据类型相对于不同的数据区，如I区、Q区及输入/出寄存器，对I区只读，对Q区可读写，对输入寄存器只读，对输出寄存器可读写，见表10-10。用户层级的地址表示是按十进制排列的，以1为起始地址，如第22个输入位表示为10022，在MODBUS通信中通过功能码02读取。对于每一个数据区的传送信息是以0为起始地址的，如第22个输出位的传送信息表示为21，在MODBUS通信中通过功能码01、05、15传送，传送信息在组态MODBUS从站时会使用。
表10-10 不同数据区的用户层级表示
2.MODBUS主站协议应用实例
（1）项目说明
本项目以CP341读取仪表设备数据为例介绍MODBUS RTU主站通信的过程。要求S7-300 PLC可以读取仪表的数据，并且仪表每次只返回一个数据。
（2）系统组成
CP341与仪表通过RS-232C线缆连接如图10-8所示，所需硬件和软件见表10-11。
图10-8 MODBUS主站读取仪表数据硬件连接
表10-11 所需硬件和软件
（3）组态和配置
首先查看仪表提供的接口信息：RS-232C或RS-485可选；通信速率19.2Kbit/s；数据格式为8-N-1（即8个数据位、无奇偶校验，1个停止位）。仪表提供的数据查询报文和响应报文格式分别见表10-12和表10-13。根据仪表的报文可知：利用FC03可以读取仪表的数据，并且仪表只返回一个数据。
表10-12 数据查询报文格式
表10-13 数据响应报文格式
然后在计算机上安装STEP7软件和CP340/CP341模块的软件驱动程序（SIMATIC S7-CP PtP Param V5.1）。接着进行硬件组态，在硬件组态窗口中双击CP模块，打开CP模块的属性窗口，如图10-9所示，单击Addresses选项卡即可看到该CP模块的硬件地址（在编写通信程序时，需要使用该地址参数）。
单击属性窗口底部的“Parameter…”按钮，选择通信协议Protocol为MODBUS Mas-ter，如图10-10所示，连接PLC MPI接口使之成为联机状态，双击“Load Drivers”图标，加载MODBUS RTU协议到通信处理器中，CPU必须处于“STOP”模式，单击“Load Drives”栏，加载过程起动，完成后离线与在线的版本将匹配。然后双击Protocol图标
，弹出MODBUS Master协议的通信参数设置窗口，如图10-11所示。在该窗口中设置通信参数，如通信速率设置为19.2 Kbit/s、数据位数为8位、停止位数为1位，无奇偶校验等。
图10-9 CP341属性窗口
图10-10 MODBUS Master协议选择
图10-11 MODBUS Master协议通信参数设置窗口
设置完成后对硬件组态进行保存并编译，将硬件组态下载到PLC，如果此时SF灯亮，则将通信电缆与其通信伙伴连接，SF灯熄灭说明硬件组态正确。
（4）程序设计
主站发送数据请求报文时，在程序中插入DB1（作为数据发送区），如图10-12所示。根据仪表提供的信息发送数据请求报文，报文存放在DB1中前6个字节，M1.1产生一次上升沿，数据请求报文发送一次。在OB1中调用CP341的发送功能块FB8，与ASIIC驱动协议通信调用相同。将参数LADDR设为硬件组态中CP341的起始逻辑地址256，LADDR的值应与图10-9的地址相同。发送数据功能块参数设置见表10-14。
图10-12 发送数据块
表10-14 发送功能块参数
主站接收从站响应报文时，在程序中插入DB2（作为数据接收区），如图10-13所示。在OB1中调用CP341的接收功能块FB7，“EN_R”始终置为1，这样返回的用户数据存放到DB2.DB0中，报文中其他信息被自动过滤。主站接收的数据可能需要处理，如浮点值高低字的颠倒、过程值转换等根据具体情况做出相应调整。接收数据功能块参数设置见表10-15。
图10-13 接收数据块
表10-15 接收功能块参数(https://www.xing528.com)
最后，OB1中的程序如图10-14所示。
图10-14 OB1程序
（5）通信调试
将所有组态配置和程序下载到PLC然后运行。主站与过程仪表通信，主站先向从站发送数据请求报文，得到仪表响应报文，然后再发送下一帧数据请求报文，再得到响应报文，依次循环，请求报文不能同时发送。
3.MODBUS从站协议应用实例
（1）项目说明
本项目以CP341采用MODBUS从站通信协议接收和发送数据为例介绍MODBUS从站与MODBUS主站仿真软件Modscan32的通信过程。
（2）系统组成
CP341与带有MODBUS主站仿真软件Modscan32的计算机通过RS-232C线缆连接，如图10-15所示，所需硬件和软件见表10-16。
图10-15 MODBUS从站硬件连接
表10-16 所需硬件和软件
（3）组态和配置
首先新建一个项目，并重新命名。插入一个S7-300站点，在硬件组态中依次插入表10-16中的硬件。在硬件组态窗口中双击CP模块，打开CP模块的属性窗口，单击Ad-dresses选项卡即可看到该CP模块的硬件地址（在编写通信程序时，需要使用该地址参数）。
然后单击属性窗口底部的“Parameter…”按钮，选择通信协议Protocol为MODBUS Slave，如图10-16所示。
图10-16 MODBUS Slave协议选择
双击Protocol图标
，弹出MODBUS Slave协议的通信参数设置窗口，如图10-17所示。在该窗口中“MODBUS Slave”设置通信参数，如通信速率设置为9600 bit/s、数据位数为8位、停止位数为1位，无奇偶校验，MODBUS从站地址为2等。
图10-17 MODBUS Slave通信参数设置
单击“FC01”“05”“15”选项卡，读取强制输出位的状态，如图10-18所示。左边的地址为信息传送地址，右边对应西门子的PLC地址区，即左边地址0～100对应MODBUS地址区为00001～00101，对应西门子数据区为M0.0～M12.4；101～200对应MODBUS地址区为00102～00201，对应西门子数据区为Q0.0～Q12.3；201～300和301～400对应Modbus地址区为00202～00301和00302～00401，对应西门子数据区为Timer和Counter。
图10-18 MODBUS Slave FC01，05，15地址分配
单击FC02选项卡，读取输入数据位的状态，如图10-19所示，地址对应关系如上面所述。
图10-19 MODBUS Slave FC02地址分配
单击“FC03”“06”“16”选项卡，组态输出寄存器数据区，如图10-20所示，设置对应数据区DB块。
图10-20 MODBUS Slave输出寄存器数据区分配
单击“FC04”选项卡，组态输入寄存器数据区，如图10-21所示，设置对应数据区DB块。
图10-21 MODBUS Slave输入寄存器数据区分配
最后设置写参数的限制值，如图10-22所示。
配置完成后保存时会提示是否装载驱动。此时必须连接到实际的PLC，单击“Yes”按钮装载驱动，装载时CPU必须为STOP模式。驱动装载完成后，如果再次装载，STEP7会提示Driver already exists，配置完成后保存编译硬件组态，并确认没有错误。
（4）程序设计
1）双击OB1，打开OB1编程画面，从库“Libraries”-＞“CP PtP”-＞“CP341”中调用发送程序块FB8和接收程序块FB7，然后再从OB1中删除。因为MODBUS从站通信要用到这两个功能块。
2）调用MODBUS从站功能块FB80，位置在“Libraries”-＞“Modbus”-＞“Modbus”-＞“FB80”。分配背景数据块DB80，将参数LADDR设为硬件组态中的起始逻辑地址256，其他参数见表10-17和图10-23。
表10-17 MODBUS从站功能块参数
3）创建FC03、06、16功能代码通信数据块DB1和FC04功能代码通信数据块DB2，如图10-24所示。
（5）通信测试
将所有组态配置和程序下载到PLC并运行程序，然后在计算机上打开MODBUS主站仿真软件Modscan32进行MODBUS从站协议通信测试。Modscan32软件具体使用方法参照相关说明，这里不予叙述。Modscan32显示界面数据显示区的10个字对应S7-300 CPU中DB1的前10个字的数值（DBW0-DBW9）。如果两者数值相同，那么通信成功。
图10-22 MODBUS Slave写参数限制值
图10-23 在OB1中调用FB80
图10-24 通信数据块
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