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S7-1500 通过 CP卡的 MODBUS TCP 通讯
发布时间：2024年01月18日
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本章节介绍了MODBUS TCP报文帧的格式、通信要求以及S7-1500如何通过CP1543-1分别作为客户端和服务器与第三方测试软件进行通信的示例。
Modbus TCP 通信概述
Modbus协议是一项应用层报文传输协议，包括ASCII、RTU、TCP三种报文类型。标准的Modbus协议物理层接口有RS232、RS422、RS485和以太网接口，采用master/slave方式通信。Modbus设备可分为主站(Master)和从站(slave)，主站只有一个，从站有多个，主站向各从站发送请求帧，从站给予响应。在使用TCP通信时，主站为client端，主动建立连接；从站为server端，等待连接。对于这三种通信在数据模型和功能调用上都是相同的，只有封装方式是不同的。Modbus TCP协议是一个运行在TCP/IP网络连接中的一种协议，与传统的串口方式相比，MODBUS TCP插入一个标准的MODBUS报文头到 TCP报文中，不再带有差错校验和地址域，如图1所示。MBAP为报文头，长度为7字节，组成如下表1。
图1. Modbus 报文帧
| 表1.报文头MBAP | |
| 内容 | 解释 |
| 事务处理标识（2Bytes） | 可以理解为报文的序列号，一般每次通信之后就要加1以区别不同的通信数据报文。 |
| 协议标识符（2Bytes） | 00 00表示ModbusTCP协议。 |
| 长度（2Bytes） | 表示接下来的数据长度，单位为字节。 |
| 单元标识符（1Byte） | 可以理解为设备地址。 |
SIMATIC S7-1500 ModbusTCP 通信使用要求
从TIA Portal V12 SP1开始软件中增加了S7-1500的Modbus TCP块库（V3.0及以上版本），用于S7-1500与支持Modbus TCP的通信伙伴进行通信，如下图2所示。S7-1500支持ModbusTCP指令的所有库版本，在用户程序中调用和参数化"MB_CLIENT"和"MB_SERVER"指令。
"MB_CLIENT"指令通过CPU 或 CM/CP 的本地接口作为ModbusTCP客户端进行通信，无需要任何额外的硬件支持。使用"MB_CLIENT"指令在客户端和服务器之间建立连接，发送请求和接收响应，并控制断开连接。
"MB_SERVER"指令通过CPU 或 CM/CP 的本地接口作为ModbusTCP服务器进行通信，无需要任何额外的硬件支持。"MB_SERVER"指令处理ModbusTCP客户端的连接请求，接收Modbus客户端的请求并发送响应消息。
图2. 通信指令
Modbus TCP 实验环境和内容
在本应用实例中，通过以下产品进行Modbus TCP编程，实现了S7-1500通过CP1543-1分别作为客户端和服务器与第三方测试软件进行通信。
软件：
TIA V16 Professional
Modbus Poll
Modbus Slave
硬件：
CPU 1511-1 PN V2.8
CP 1543-1 V2.2
Modbus TCP 通信程序
1、CP1543-1作为服务器
1.1、打开 TIA Portal V16软件，新建一个项目命名为 "ModbusTCP"，在项目中添加 CPU1511-1PN V2.8 及CP1543-1 V2.2，为CP1543-1以太网接口新建一个子网并设置 IP地址为 "192.168.0.3"，如下图 3 所示。
图3. 分配IP地址
1.2、在 CPU1511-1PN的 OB1组织块中添加Modbus TCP Server功能块 "MB_SERVER"，软件将提示会为该 FB块增加一个背景数据块，本例中为 DB1"MB_SERVER_DB"，如下图4所示。接下来为指令块分配引脚，各引脚的具体含义如下表 2 所示。
图4. 指令创建
1.3、保持性寄存器存储区与"MB_SERVER"管脚参数"MB_HOLD_REG"进行映射，对于线圈、离散输入、输入寄存器等通过功能块均已经与 S7-1500的过程映像区进行了映射，其映射地址对应如表 3 所示。
| 表3.CPU的Modbus地址映射表 | |||||
| Modbus功能 | S7-1500 CPU | ||||
| 功能码 | 功能 | 数据区 | 地址空间 | 数据区 | CPU地址 |
| 01 | 读取：位 | Output | 1~9999 | 过程映像输出 | Q0.0~Q1249.6 |
| 02 | 读取：位 | Input | 10001~19999 | 过程映像输入 | I0.0~I1249.6 |
| 03 | 读取：Word | 保持性寄存器 | 40001~49999 400001~465535 | 全局数据（DB、过程映像、M区） | 与指令引脚MB_HOLD_REG关联 |
| 04 | 读取：Word | Input | 30001~39999 | 过程映像输入 | IW0~IW19996 |
| 05 | 写入：位 | Output | 1~9999 | 过程映像输出 | Q0.0~Q1249.6 |
| 06 | 写入：Word | 保持性寄存器 | 40001~49999 400001~465535 | 全局数据（DB、过程映像、M区） | 与指令引脚MB_HOLD_REG关联 |
| 15 | 写入：位 | Output | 1~9999 | 过程映像输出 | Q0.0~Q1249.6 |
| 16 | 写入：Word | 保持性寄存器 | 40001~49999 400001~465535 | 全局数据（DB、过程映像、M区） | 与指令引脚MB_HOLD_REG关联 |
1.4、使用上述指令实现CP1543-1为Modbus TCP的 Server与通信伙伴建立通信，通过表2可知CONNECT参数的设定有两种方式，下面分别介绍这两种方式如何创建CONNECT参数。
（1）使用TCON_IP_v4结构创建连接参数。
添加一个全局数据块用于匹配功能块"MB_SERVER"的管脚"CONNECT"，本例中为数据块DB2（块名称：MB_CONNECT），打开该数据块，创建变量 "MB_Server"，手动在数据类型框中输入"TCON_IP_v4"，并将该变量关联到功能块"MB_SERVER"的管脚参数"CONNECT"上，如下图5所示。数据类型“TCON_IP_V4”的各参数含义及本例中设置如下表4所示。
图5. 创建“TCON_IP_V4”类型的CONNECT参数
| 表4."TCON_IP_V4"数据类型的参数设置 | ||
| TCON_IP_v4结构 | 含义 | 本例为 SERVER时的设置 |
| InterfaceID | 本地接口的硬件标识符（参见图 6）。 | 259 |
| ID | 引用该连接（取值范围：1 到 4095）。 该参数将唯一确定 CPU 中的连接。指令 "MB_SERVER"的每个实例必须使用唯一的 ID。该 ID 还不得被不同通信类型的其他指令同时使用。 | 1 |
| ConnectionType | 连接类型，对于 TCP，选择 11（十进制）。不允许使用其它连接类型。如果使用了其它连接类型（如 UDP），该指令的 STATUS 参数将输出相应的错误消息。 | 16#0B |
| ActiveEstablished | 建立连接的方式所对应的 ID，对于被动连接建立，应选择 FALSE。 | False |
| RemoteAddress | 连接伙伴的 IP 地址，例如 192.168.0.1： addr[1] = 192 addr[2] = 168 addr[3] = 0 addr[4] = 1 如果指令"MB_SERVER"要接受来自任何连接伙伴的连接请求，应将"0.0.0.0" 用作 IP 地址。 | 0.0.0.0 |
| RemotePort | 远程连接伙伴的端口号（取值范围：1 - 49151）。 如果指令"MB_SERVER"要接受来自远程伙伴任何端口的连接请求，应将"0"用作端口号。 | 0 |
| LocalPort | 本地连接伙伴的端口号（取值范围：1 - 49151）。 此 IP 端口号定义 Modbus 客户端连接请求中要监视的 IP 端口。 默认值为 502。 | 502 |
图6. 硬件接口标识符
（2）通过"网络视图"创建TCP连接后，再使用TCON_Configured结构创建连接参数。
在"网络视图"窗口，左上侧选择"连接"按钮，选择”TCP连接“，然后在CPU上点击鼠标"右键"并选择"添加新连接"。如下图7所示。
图7. 添加新连接
在"添加新连接"窗口中，"类型"选择为"TCP连接"，伙伴选择"未指定"，本地接口选择"CP1543-1，以太网接口_1[X1]"，分配本地连接ID，服务器为被动连接，点击 "添加"创建TCP 连接，如下图8所示。
图8. 创建TCP连接
"TCP_连接_1"为建立的连接，选中该连接，在属性的"地址详细信息"中可以设置该TCP 连接的相关信息，如下图9所示。
图9. TCP连接参数设置
添加一个全局数据块用于匹配功能块"MB_SERVER"的管脚"CONNECT"，本例中为数据块DB2（块名称：MB_CONNECT），打开该数据块，创建变量 "MB_Server"，手动在数据类型框中输入"TCON_Configured"，并将该变量关联到功能块"MB_SERVER"的管脚参数"CONNECT"上，如下图10所示。数据类型“TCON_Configured”的各参数含义及本例中设置如下表5所示。
图10. 创建“TCON_Configured”类型的CONNECT参数
| 表5."TCON_Configured"数据类型的参数设置 | ||
| TCON_Configured结构 | 含义 | 本例为 SERVER时的设置 |
| InterfaceID | 本地接口的硬件标识符（参见图 6）。 | 259 |
| ID | 引用该连接（取值范围：1 到 4095）。 ID 在 CPU 范围内必须是唯一的。ID 还不得被不同通信类型的其他指令同时使用。输入现有连接的连接 ID。 | 256（16#100） |
| ConnectionType | 连接类型，对于组态连接，选择 254（十进制）。 | 254 |
1.5、仿真软件设置，如下图11所示。
图11. 仿真软件连接设置
1.6、测试结果
图12. 测试结果
2、CP1543-1 作为客户端
2.1、打开 TIA Portal V16软件，新建一个项目命名为 "ModbusTCP"，在项目中添加 CPU1511-1PN V2.8 及CP1543-1 V2.2，为CP1543-1以太网接口新建一个子网并设置 IP地址为 "192.168.0.3"，如上图 13 所示。
图13. 分配IP地址
2.2、在 CPU1511-1PN 的 OB1组织块中添加Modbus TCP Client功能块 "MB_CLIENT"，软件将提示会为该 FB块增加一个背景数据块，本例中为 DB1"MB_CLIENT_DB"，如下图14所示。接下来为指令块分配引脚，各引脚的具体含义如下表 6 所示。
图14. 指令创建
2.3、参数 MB_MODE、MB_DATA_ADDR 和 MB_DATA_LEN 的组合定义了 MB_MODE 值为 0、1 和 2 时，当前 Modbus 消息中所用的 Modbus 功能代码，对应关系如下表7所示。
- MB_MODE 中包含有关读写操作的信息。MB_MODE=0：读取，MB_MODE=1 和 2：写入（注：MB_MODE=2 时，Modbus 功能 15 和 05 或 Modbus 功能 16 和 06 无区别。）
- MB_DATA_ADDR 中包含有关待读取/写入的目标信息，以及“MB_CLIENT”指令用于计算远程地址的地址信息。
- MB_DATA_LEN 包含要读/写的值的数量。
2.4、使用上述指令实现CP1543-1为Modbus TCP的 Client与通信伙伴建立通信，通过表6可知CONNECT参数的设定有两种方式，下面分别介绍这两种方式如何创建CONNECT参数。
（1）使用TCON_IP_v4结构创建连接参数。
添加一个全局数据块用于匹配功能块"MB_CLIENT"的管脚"CONNECT"，本例中为数据块DB2（块名称：MB_CONNECT），打开该数据块，创建变量 "MB_CLIENT"，手动在数据类型框中输入"TCON_IP_v4"，并将该变量关联到功能块"MB_CLIENT"的管脚参数"CONNECT"上，如下图15所示。数据类型“TCON_IP_V4”的各参数含义及本例中设置如下表8所示。
图15. 创建“TCON_IP_V4”类型的CONNECT参数
| 表8."TCON_IP_V4"数据类型的参数设置 | ||
| TCON_IP_v4结构 | 含义 | 本例为 SERVER时的设置 |
| InterfaceID | 本地接口的硬件标识符（参见图 16）。 | 259 |
| ID | 引用该连接（取值范围：1 到 4095）。 该参数将唯一确定 CPU 中的连接。指令 "MB_CLIENT"的每个实例必须使用唯一的 ID。 | 1 |
| ConnectionType | 连接类型，对于 TCP，选择 11（十进制）。不允许使用其它连接类型。如果使用了其它连接类型（如 UDP），该指令的 STATUS 参数将输出相应的错误消息。 | 16#0B |
| ActiveEstablished | 建立连接的方式所对应的 ID，对于被动连接建立，应选择 FALSE。 | TRUE |
| RemoteAddress | 连接伙伴（Modbus 服务器）的 IP 地址，例如，192.168.0.1： addr[1] = 192 addr[2] = 168 addr[3] = 0 addr[4] = 1 | 192.168.0.100 |
| RemotePort | 远程连接伙伴的端口号（取值范围：1 - 49151）。 使用客户端通过 TCP/IP 协议与其建立连接并最终通信的服务器的 IP 端口号（默认值：502）。 | 502 |
| LocalPort | 本地连接伙伴的端口号： 端口号：1 至 49151；任意端口：“0” 。 | 0 |
图16. 硬件接口标识符
（2）通过"网络视图"创建TCP连接后，再使用TCON_Configured结构创建连接参数。
在"网络视图"窗口，左上侧选择"连接"按钮，选择”TCP连接“，然后在CPU上点击鼠标"右键"并选择"添加新连接"。如下图17所示。
图17. 添加新连接
在"添加新连接"窗口中，"类型"选择为"TCP连接"，伙伴选择"未指定"，本地接口选择"CP1543-1，以太网接口_1[X1]"，分配本地连接ID，服务器为被动连接，点击 "添加"创建TCP 连接，如下图18所示。
图18. 创建TCP连接
"TCP_连接_2"为建立的连接，选中该连接，在属性的"地址详细信息"中可以设置该TCP 连接的相关信息，如下图19所示。
图19. TCP连接参数设置
添加一个全局数据块用于匹配功能块"MB_CLIENT"的管脚"CONNECT"，本例中为数据块DB2（块名称：MB_CONNECT），打开该数据块，创建变量 "MB_CLIENT"，手动在数据类型框中输入"TCON_Configured"，并将该变量关联到功能块"MB_CLIENT"的管脚参数"CONNECT"上，如下图20所示。数据类型“TCON_Configured”的各参数含义及本例中设置如下表9所示。
图20. 创建“TCON_Configured”类型的CONNECT参数
| 表9."TCON_Configured"数据类型的参数设置 | ||
| TCON_Configured结构 | 含义 | 本例为CLIENT时的设置 |
| InterfaceID | 本地接口的硬件标识符（参见图 6）。 | 259 |
| ID | 引用该连接（取值范围：1 到 4095）。 输入现有连接的连接 ID。 | 256（16#100） |
| ConnectionType | 连接类型，对于组态连接，选择 254（十进制）。 | 254 |
1.5、仿真软件设置，如下图21所示。
图21. 仿真软件连接设置
图22. 参数设置
1.6、测试结果
图23. 测试结果
常见问题
1、CP1543-1可以与串口进行ModbusTCP通信吗？
如果 S7-1500 作为 Modbus TCP 客户端与 Modbus TCP 服务器通信，并且尝试访问比 Modbus TCP 服务器更低端的串行子网中的设备，那么在此情形下会有报错 "无法建立连接"。这种情况下，就要使用 "MB_CLIENT" 参数了。"MB_UNIT_ID" 参数相当于 Modbus RTU 协议中的从站地址。如果将 Modbus TCP 服务器当做 Modbus RTU 协议中的网关，那么从站设备可以通过 "MB_UNIT_ID" 参数来识别。Modbus TCP 客户端直接向Modbus TCP 服务器发送请求，而Modbus TCP 服务器通过 "MB_UNIT_ID" 参数将请求转发到从站设备。
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