S7-1200 作 MODBUS TCP客户端

S7-1200 Modbus TCP 通信指令块

STEP 7 V13 SP1 软件版本中的 Modbus TCP 库指令目前Zui新的版本已升至V4.0，该版本的使用需要具备以下两个条件：

1. 软件版本：STEP 7 V13 SP1及其以上

2. 固件版本：S7-1200 CPU 的固件版本V4.1及其以上

图1. Modbus TCP V4.0 版本指令块

S7-1200 Modbus TCP 实验环境

下面以两台S7-1200之间进行 Modbus TCP 通信为例，详细阐述客户端与服务器侧如何编程及通信的过程。表格列出了具体的实验环境：

操作系统	WIN7 SP1 专业版 64位
编程软件	STEP 7 Professional V13 SP1 Update 5
系统硬件	1.CPU1215C   6ES7215-1AG40-0XB0   V4.1 2.CPU1212C   6ES7212-1AE40-0XB0   V4.1 3.CSM1277    6GK7277-1aa10-0aa0

表1. Modbus TCP 通信的实验环境

	CPU类型	IP地址	端口号	硬件标识符
客户端	CPU 1212C	192.168.0.6	0	64
服务器	CPU 1215C	192.168.0.4	502	64

表2. Modbus TCP 通信双方的基本配置

硬件标识符是在“设备组态”中，双击 PROFINET 接口，然后在“属性”中的“硬件标识符”中查看。

图2. S7-1200设备的PROFINET接口硬件标识符

S7-1200 Modbus TCP 客户端编程

S7-1200 客户端侧需要调用MB_CLIENT指令块，该指令块主要完成客户机和服务器的TCP连接、发送命令消息、接收响应以及控制服务器断开的工作任务。

1. 将MB_CLIENT 指令块在“ 程序块 -> OB1 ”中的程序段里调用，调用时会自动生成背景DB ，点击确定即可。

图3. Modbus TCP 客户端侧指令块

该功能块各个引脚定义如下：

REQ	与服务器之间的通信请求，上升沿有效。
DISCONNECT	通过该参数，可以控制与 Modbus TCP服务器建立和终止连接。0（默认）：建立连接；1：断开连接。
MB_MODE	选择 Modbus 请求模式（读取、写入或诊断）。0：读；1：写。
MB_DATA_ADDR	由“MB_CLIENT”指令所访问数据的起始地址。
MB_DATA_LEN	数据长度：数据访问的位或字的个数。
MB_DATA_PTR	指向 Modbus 数据寄存器的指针。
CONNECT	指向连接描述结构的指针。TCON_IP_v4（S7-1200）
DONE	Zui后一个作业成功完成，立即将输出参数 DONE 置位为“1”。
BUSY	作业状态位：0：无正在处理的“MB_CLIENT”作业；1：“MB_CLIENT”作业正在处理。
ERROR	错误位：0：无错误；1：出现错误，错误原因查看STATUS。
STATUS	指令的详细状态信息。

表4. MB_CLIENT 各引脚定义说明

2. CONNECT 引脚的指针类型

第一步，先创建一个新的全局数据块 DB2：

图4. 创建全局数据块

第二步，双击打开新生成的DB块，定义变量名称为“aa"，数据类型为“TCON_IP_v4”（可以将 TCON_IP_v4 拷贝到该对话框中），然后点击“回车”按键。该数据类型结构创建完毕。如图5所示：

图5. 创建 MB_CLIENT 中的TCP连接结构的数据类型

各个引脚定义说明如下：

InterfaceId	硬件标识符。
ID	连接ID，取值范围1~4095
Connection Type	连接类型。TCP连接默认为：16#0B
ActiveEstablished	建立连接。主动为1（客户端），被动为0（服务器）。
ADDR	服务器侧的IP地址
RemotePort	远程端口号
LocalPort	本地端口号

表4. TCON_IP_v4 数据结构的引脚定义

本文远程服务器的IP地址为192.168.0.4，远程端口号设为502。所以客户端侧该数据结构的各项值为：

图6. MB_CLIENT 侧 CONNECT 引脚数据定义

注意： CONNECT引脚的填写需要用符号寻址的方式。

3. 创建 MB_DATA_PTR 数据缓冲区

第一步，创建一个全局数据块 DB3，创建方法可以参考上面的图3，数据块的名称如图7所示：

图7. 生成的两个DB块名称

第二步，建议一个数组的数据类型，以便通信中存放数据，请参考图8所示：

图8. MB_DATA_PTR 数据缓冲区结构

注意：MB_DATA_PTR指定的数据缓冲区可以为DB块或M存储区地址中。DB块可以为优化的数据块，也可以为标准的数据块结构。若为优化的数据块结构，编程时需要以符号寻址的方式填写该引脚；若为标准的数据块结构（可以右键单击DB块，“属性”中将“优化的块访问”前面的勾去掉，如下图9所示），需要以地址的方式填写该引脚。本文以标准的数据块（默认）为例进行编程。

图9. 修改 DB 块属性为标准的块结构

4. 客户端侧完成指令块编程

调用 MB_CLIENT 指令块，实现从 Modbus TCP 通信服务器中读取2个保持寄存器的值，如图10所示：

图10. MB_CLIENT 指令块编程

5. 将整个项目下载到S7-1200

待Modbus TCP 服务器侧准备就绪，给MB_CLIENT指令块的REQ引脚一个上升沿，将读取到的数据放入 MB_DATA_PTR引脚指定的DB 块中。具体的实验结果可以查看S7-1200 服务器侧编程。

常见问题

 MB_CLIENT 指令的背景数据块中的 "MB_Unit_ID" 有什么功能？

S7-1200 CPU 作为 Modbus TCP 客户端与 Modbus TCP 服务器通信，当尝试访问比 Modbus TCP 服务器更低端的串行子网中的设备，会有报错 "无法建立连接"。

这种情况下， Modbus TCP 服务器作为 Modbus RTU 协议中的网关，"MB_Unit_ID" 参数相当于 Modbus RTU 协议中的从站地址。

Modbus TCP 客户端直接向 Modbus TCP 服务器发送请求，Modbus TCP 服务器通过识别 "MB_UNIT_ID" 参数，将请求转发到从站设备。

在 S7-1200 项目中，选择系统块，双击打开 MB_CLIENT 指令的背景数据块“MB_CLIENT_DB”, 在静态变量Static下可以找到 MB_Unit_ID (默认起始值16#FF，等于十进制 255)。如下图 11 所示：

图 11. MB_Unit_ID

例如，当 S7-1200 做客户端与电脑上的 Modbus TCP 调试软件 Modsim 通信时，会遇到如上“无法建立连接”的问题。

这时，修改调试软件 Modsim 中Device Id 为255，使之等于 MB_Unit_ID 的值，即可建立联系。如下图 12 所示：

图 12. Device Id

 注意：如果 Modbus TCP 服务器无法更改 Device Id 的值, 则修改S7-1200 项目中MB_Unit_ID数值， 使双方的参数一致。

=========================================

补充知识:

描述 在 Modbus TCP 通信实例中，Modbus  块 'MB_CLIENT' 的背景数据块中的 'MB_UNIT_ID' 并不是很重要，因为通过 IP 地址就可以寻址到 Modbus TCP 服务器。该参数有默认值 'MB_CLIENT' 0xFF。......

描述
在 Modbus TCP 通信实例中，Modbus  块 "MB_CLIENT" 的背景数据块中的 "MB_UNIT_ID" 并不是很重要，因为通过 IP 地址就可以寻址到 Modbus TCP 服务器。该参数有默认值 "MB_CLIENT" 0xFF。

图 01

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。

图 02

注意事项
一些 Modbus TCP 设备在某些范围内进行初始化是需要使用 "MB_UNIT_ID" 参数。

====

Modbus TCP通信概述

MODBUS/TCP是简单的、中立厂商的用于管理和控制自动化设备的MODBUS系列通讯协议的派生产品，显而易见，它覆盖了使用TCP/IP协议的“Intranet”和“Internet”环境中MODBUS报文的用途。协议的Zui通用用途是为诸如PLC’s，I/O模块，以及连接其它简单域总线或I/O模块的网关服务的。

MODBUS/TCP 使MODBUS_RTU协议运行于以太网，MODBUS TCP使用TCP/IP和以太网在站点间传送MODBUS报文，MODBUS TCP结合了以太网物理网络和网络标准TCP/IP以及以MODBUS作为应用协议标准的数据表示方法。MODBUS TCP通信报文被封装于以太网TCP/IP数据包中。与传统的串口方式，MODBUS TCP插入一个标准的MODBUS报文到TCP报文中，不再带有数据校验和地址。

1. 通讯所使用的以太网参考模型

Modbus TCP传输过程中使用了TCP/IP以太网参考模型的5层：

第一层：物理层，提供设备物理接口，与市售介质/网络适配器相兼容

第二层：数据链路层，格式化信号到源/目硬件址数据帧

第三层：网络层，实现带有32位IP址IP报文包

第四层：传输层，实现可靠性连接、传输、查错、重发、端口服务、传输调度

第五层：应用层，Modbus协议报文

2. Modbus TCP数据帧

Modbus数据在TCP/IP以太网上传输，支持Ethernet II和802.3两种帧格式，Modbus TCP数据帧包含报文头、功能代码和数据3部分，MBAP报文头(MBAP、Modbus Application Protocol、Modbus应用协议)分4个域，共7个字节，如图1所示：

图1： MODBUS TCP报文

由于使用以太网TCP/IP数据链路层的校验机制而保证了数据的完整性，MODBUS TCP 报文中不再带有数据校验”CHECKSUM”，原有报文中的“ADDRESS”也被“UNIT ID”替代而加在MODBUS应用协议报文头中。

3. Modbus TCP使用的通讯资源端口号

在Modbus服务器中按缺省协议使用Port 502 通信端口，在Modbus客户器程序中设置任意通信端口，为避免与其他通讯协议的冲突一般建议2000开始可以使用。

4. Modbus TCP使用的功能代码

按照使用的通途区分，共有3种类型分别为：

1) 公共功能代码：已定义好功能码，保证其唯一性，由Modbus.org认可；

2) 用户自定义功能代码有两组，分别为65～72和100～110，无需认可，但不保证代码使用唯一性,如变为公共代码，需交RFC认可；

3) 保留功能代码，由某些公司使用某些传统设备代码，不可作为公共用途。

按照应用深浅，可分为3个类别：

1) 类别0，客户机/服务器Zui小可用子集：读多个保持寄存器(fc.3)；写多个保持寄存器(fc.16)。

2) 类别1，可实现基本互易操作常用代码：读线圈(fc.1)；读开关量输入(fc.2)；读输入寄存器(fc.4)；写线圈(fc.5)；写单一寄存器(fc.6)。

3) 类别2，用于人机界面、监控系统例行操作和数据传送功能：强制多个线圈(fc.15)；读通用寄存器(fc.20)；写通用寄存器(fc.21)；屏蔽写寄存器(fc.22)；读写寄存器(fc.23)。

5. Modbus TCP通讯应用举例

在读寄存器的过程中，以Modbus TCP请求报文为例,具体的数据传输过程如下：

1) Modbus TCP客户端实况，用Connect()命令建立目标设备TCP 502端口连接数据通信过程；

2) 准备Modbus报文，包括7个字节MBAP内请求；

3) 使用send()命令发送；

4) 同一连接等待应答；

5) 同recv()读报文，完成一次数据交换过程；

6) 当通信任务结束时，关闭TCP连接，使服务器可以为其他服务。