Modbus RTU V3 及以上版本指令集基本功能介紹

TIA Portal V13 SP1 版本開始軟件中提供了兩個版本的 Modbus RTU 指令集，如圖 1 所示。

圖 1. 兩個版本 Modbus RTU 指令集

早期版本的 Modbus RTU 指令集（圖 1 中 MODBUS （V2.2））僅可通過主機架 CM1241 通信模塊或 CB1241 通信板進行 Modbus RTU 通信。 具體使用請參見文檔 ：主站、從站。主要用于早期項目和 V4.0 之前版本的 CPU。

新版本的 Modbus RTU 指令集（圖 1 中紅框指令集）擴展了 Modbus RTU 的功能，該指令集除了支持主機架 CM1241 通信模塊、CB1241 通信板，還支持 PROFINET 或 PROFIBUS 分布式 I/O 機架上的點對點通信模塊實現(xiàn) Modbus RTU 通信。從這個版本開始 S7-1200 與 S7-1500 在 Modbus RTU 指令集開始一致，并且之后版本更新也是基于該版本，建議 V4.0 以后的 CPU 和串口模塊使用該版本指令集。

硬件要求：

• S7-1200 CPU 的固件版本不能低于 V4.1
• CM1241 通信模塊不能低于 V2.1
• CB1241 沒有要求
• 分布式上的串口模塊包括：
• ET200SP 的 CM PtP
• ET200MP 的 CM PtP RS232 HF
• ET200MP 的 CM PtP RS422/485 HF

新版本 Modbus RTU 指令集所支持的點對點模塊如圖 2 所示。

圖 2. 新版本 Modbus RTU 指令集所支持的點對點模塊

Modbus RTU 指令的使用

新版本 Modbus RTU 指令集中包含 Modbus RTU 主站指令和從站指令。

本文以 CPU1217C + CM1241 RS422/485 + ET200SP CM PtP 模塊為例，介紹新版本 Modbus RTU 指令主從通信的編程步驟。 其中 CPU 機架 CM1241 RS422/485 作為 Modbus RTU 從站，分布式機架 ET200SP 中 CM PtP 模塊作為 Modbus RTU 主站。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖 3 所示。

圖 3. Modubs RTU 網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)圖

本項目中使用到的硬件和軟件如下：

1. 設(shè)備組態(tài)

a. 組態(tài) CM1241 RS422/485 模塊

打開設(shè)備視圖，添加 S7-1200CPU，并在硬件目錄里找到“通信模塊”→“點到點”→“CM1241（RS422/485）”，拖拽此模塊至 CPU 左側(cè)即可，如圖 4 所示：

圖 4. 添加 CM 1241 RS422/485 模塊

注意：

固件版本>=V2.1 的 CM 1241 RS422/485 模塊，才支持新版本 Modbus RTU 指令集。

在“設(shè)備視圖”中用鼠標選中 CM1241（RS422/485） 模塊，在“屬性”→“端口組態(tài)”中配置此模塊硬件接口參數(shù)， 本例以傳輸率 = 9.6 kbps，奇偶校驗 = 無，數(shù)據(jù)位 = 8 位字符，停止位 = 1 為例。

CM 1241 端口組態(tài)設(shè)置如圖 5 所示。

圖 5. CM1241 RS422/485 模塊端口組態(tài)

在“硬件標識符”里確認一下硬件標識符為 269（該參數(shù)在程序編程中會被使用），如圖 6 所示。

圖 6. 硬件標識符

另外，S7-1200 還提供了系統(tǒng)和時鐘存儲器功能，為了便于后續(xù)指令方便使用，建議使能該功能。在 CPU “屬性”→“常規(guī)”→“系統(tǒng)和時鐘存儲器”使能系統(tǒng)和時鐘存儲器功能，如圖 7 所示。

圖 7. 系統(tǒng)和時鐘存儲器功能

b. 組態(tài) ET200 SP CM PtP 模塊

（1） 插入一個 ET200SP 分布式站點。

打開網(wǎng)絡(luò)視圖并拖入一個 ET200SP 站點，并將其分配給相應(yīng)的 IO 控制器（本例 CPU1217C 為 IO 控制器），如圖 8 所示。

圖 8. 插入 ET200SP 站點

（2） 組態(tài) ET200SP 站點。

在 ET200SP 的"設(shè)備視圖"環(huán)境下，為 ET200SP 站點添加信號、通信模塊和服務(wù)模塊，在本例中只添加了 CM PtP 模塊和服務(wù)模塊。

注意：

ET200SP 站點中，服務(wù)模塊是必須組態(tài)的。服務(wù)模塊隨接口模塊一起采購，無需單獨購買。

ET200SP 接口模塊需要為其分配 IP 地址和設(shè)備名稱，有關(guān) ET200SP 分布式 IO 組態(tài)詳細步驟，請參考文檔。

在 ET200SP "設(shè)備視圖"中用鼠標選中 CM PtP，在“屬性”→“常規(guī)”→“接口”→“操作模式”中配置此模塊硬件接口參數(shù)， 本例設(shè)定“指定工作模式"："半雙工（RS485）2 線制操作"；"接收線路的初始狀態(tài)"："無"。如圖 9 所示。

圖 9. CM PtP 操作模式

接下來，在“屬性”→“常規(guī)”→“接口”→“端口組態(tài)”中配置此模塊端口組態(tài)參數(shù)， 本例設(shè)定"協(xié)議"："Freeport/Modbus"；"端口參數(shù)"設(shè)置：傳輸率 = 9600 bps，奇偶校驗 = 無，數(shù)據(jù)位 = 8 位字符，停止位 = 1 為例。端口組態(tài)設(shè)置如圖 10 所示。

圖 10. CM PtP 端口組態(tài)

最后需要在“硬件標識符”里確認一下 CM PtP 模塊硬件標識符，該參數(shù)在程序編程中會被使用。如圖 11 所示。

圖 11. 系統(tǒng)常量

2. 軟件編程

a. Modbus RTU 主站編程

Modbus RTU 主站編程需要調(diào)用 Modbus_Comm_Load 指令和 Modbus_Master 指令，其中 Modbus_Comm_Load 指令通過 Modbus RTU 協(xié)議對通信模塊進行組態(tài)，Modbus_Master 指令可通過由 Modbus_Comm_Load 指令組態(tài)的端口作為 Modbus 主站進行通信， Modbus_Comm_Load 指令的 MB_DB 參數(shù)必須連接到 Modbus_Master 指令的（靜態(tài)）MB_DB 參數(shù)。

本例中分布式機架 ET200SP 中 CM PtP 模塊作為 Modbus RTU 主站，其相關(guān)編程步驟如下：

（1） OB1 中插入一個 FC，并在 FC 中拖入 Modbus_Comm_Load 指令和 Modbus_Master 指令。如圖 12 所示。

圖 12. Modbus RTU 主站指令

Modbus_Comm_Load 指令各參數(shù)意義如表 1 所示：

表 1. Modbus_Comm_Load 指令參數(shù)意義

Modbus_Master 指令各參數(shù)意義如表 2 所示。

表 2. Modbus_Master 指令參數(shù)意義

注意：

① Modbus_Comm_Load 指令不建議在啟動組織塊 OB100 中調(diào)用，建議在 OB1 中調(diào)用。

Modbus_Comm_Load 指令在 OB1 中調(diào)用時，其輸入位“REQ”需使用上升沿觸發(fā)，本例中該輸入位采用 “FirstScan” 系統(tǒng)存儲器位。

② Modbus_Comm_Load 指令背景數(shù)據(jù)塊中的靜態(tài)變量 “MODE” 用于描述點對點模塊的工作模式，有效的工作模式包括：

• 0 = 全雙工 （RS232）
• 1 = 全雙工 （RS422） 四線制模式（點對點）
• 2 = 全雙工 （RS422） 四線制模式（多點主站）
• 3 = 全雙工 （RS422） 四線制模式（多點從站）
• 4 = 半雙工 （RS485） 二線制模式

該靜態(tài)變量 “MODE” 默認數(shù)據(jù)為 0（RS232 全雙工模式），需要根據(jù)點對點模塊實際組態(tài)修改該數(shù)值，本例中 CM PtP 模塊工作在 RS485 半雙工模式需要將該數(shù)值修改為 4，如圖 13 所示。

圖 13. Modbus_Comm_Load 背景數(shù)據(jù)塊靜態(tài)變量 “MODE” 修改為 4

③ Modbus_Master 指令的 “DATA_PTR” 參數(shù)用于指向要進行數(shù)據(jù)寫入或數(shù)據(jù)讀取的數(shù)據(jù)區(qū)域地址，該數(shù)據(jù)區(qū)域在 V3.0 支持非優(yōu)化（標準的）數(shù)據(jù)塊。一般建議使用指針方式填寫，例如程序中的 P#DB3.DBX0.0 WORD 5，此外也可以使用基本數(shù)據(jù)類型數(shù)組方式填寫。指針的含義參見鏈接。

從 V4.0 版本開始支持優(yōu)化 DB 塊，具體參見鏈接。

在數(shù)據(jù)塊的屬性中取消“優(yōu)化的塊訪問”即可將數(shù)據(jù)塊修改為非優(yōu)化訪問的數(shù)據(jù)塊（鼠標右鍵數(shù)據(jù)塊，選擇“屬性”，取消“優(yōu)化的塊訪問”），如圖 14 所示。

圖 14. 設(shè)置數(shù)據(jù)塊為非優(yōu)化訪問

④ 當 Modbus RTU 網(wǎng)絡(luò)中存在多個 modbus RTU 從站或一個 modbus RTU 從站同時需要多個作業(yè)，例如需要讀和寫或者讀多個區(qū)域等，則需要調(diào)用多個 Modbus_Master 指令，Modbus_Master 指令之間需要采用輪詢方式調(diào)用，并且使用相同背景數(shù)據(jù)塊。

如圖 15 所示，用于描述兩個 Modbus_Master 指令輪詢調(diào)用的方式。

圖 15. Modbus_Master 輪詢調(diào)用方式

⑤ MB_MODE、MB_DATA_ADDR、MB_DATA_LEN、 Modbus RTU 功能碼等之間的關(guān)系，如表 3 所示。

注：

• 對于擴展尋址，讀寫最大長度減少一個字（訪問字）或一個字節(jié)（訪問位）。
• 當 MB_ADDR = 0 為廣播模式，此時只允許寫操作

表 3. 對應(yīng)關(guān)系

⑥ 對于一般的支持 Modbus RTU 設(shè)備，可能無法在其設(shè)備手冊中查找到諸如 40001、30001 這種數(shù)據(jù)地址，而是以功能碼 + 十六進制數(shù)形式的變量地址，就需要這樣解決：

通過判斷功能碼決定是讀是寫，決定 MB_MODE 為 0 讀還是 1 寫（2 寫比較特殊，只用于不支持 5、6 號功能碼的設(shè)備），然后將十六進制地址數(shù)轉(zhuǎn)化為十進制數(shù)，然后對于不同的功能碼，十進制數(shù)增加不同的偏移量，對于功能碼 1、5、15 偏移量為 1，對于功能碼 2 偏移量為 10001，對于功能碼 3、6、16 偏移量為 40001（對于超過 9999 的地址，偏移量為 400001），對于功能碼 4 偏移量為 30001。例如從站設(shè)備使用 0x03 功能碼，地址 0x00FF ，因為是讀，所以 MB_MODE = 0， 0x00FF 轉(zhuǎn)換為十進制為 255，加上偏移量 40001 就是 40256，這樣 MB_DATA_ADDR = 40256。

此外對于功能碼 4，如果十進制地址數(shù)超過 9998 的，加上偏移量 30001 將超過 39999，此時可以使用 MB_MODE = 104，然后 MB_DATA_ADDR 使用不增加偏移量的十進制地址數(shù)也是可以的。例如從站設(shè)備使用 0x04 功能碼，地址 0x4000 ， 0x4000 轉(zhuǎn)換為十進制為 16384，加上偏移量 30001 將超過 39999，此時使用 MB_MODE = 104，MB_DATA_ADDR = 16384。

⑦ 對于分布式 IO 上的串口模塊，還需要考慮模塊拔出或者掉站的情況。

b. Modbus RTU 從站編程

Modbus RTU 從站編程需要調(diào)用 Modbus_Comm_Load 指令和 Modbus_Slave 指令，其中 Modbus_Comm_Load 指令通過 Modbus RTU 協(xié)議對通信模塊進行組態(tài)，Modbus_Slave 指令可通過由 Modbus_Comm_Load 指令組態(tài)的端口作為 Modbus 從站進行通信，Modbus_Comm_Load 指令的 MB_DB 參數(shù)必須連接到 Modbus_Slave 指令的（靜態(tài)）MB_DB 參數(shù)。

本例中 CPU 機架 CM1241 RS422/485 作為 Modbus RTU 從站，其相關(guān)編程步驟如下：

OB1 中插入一個 FC，并在函數(shù)中拖入 Modbus_Comm_Load 指令和 Modbus_Slave 指令。如圖 16 所示。

圖 16. 拖入Modbus RTU 從站指令

Modbus_Slave 指令各參數(shù)意義如表 4 所示：

表 4. Modbus_Slave 指令參數(shù)意義

注意：

① Modbus_Comm_Load 指令不建議在啟動組織塊 OB100 中調(diào)用，建議在 OB1 中調(diào)用。

Modbus_Comm_Load 指令在 OB1 中調(diào)用時，其輸入位“REQ”需使用上升沿觸發(fā)，本例中該輸入位采用 “FirstScan” 系統(tǒng)存儲器位。

② Modbus_Comm_Load 指令背景數(shù)據(jù)塊中的靜態(tài)變量 “MODE” 用于描述點對點模塊的工作模式，有效的工作模式包括：

• 0 = 全雙工 （RS232）
• 1 = 全雙工 （RS422） 四線制模式（點對點）
• 2 = 全雙工 （RS422） 四線制模式（多點主站）
• 3 = 全雙工 （RS422） 四線制模式（多點從站）
• 4 = 半雙工 （RS485） 二線制模式

該靜態(tài)變量 “MODE” 默認數(shù)據(jù)為 0（RS232 全雙工模式），需要根據(jù) CM PtP 模塊實際組態(tài)修改該數(shù)值，本例中 CM PtP 模塊工作在 RS485 半雙工模式需要將該數(shù)值修改為 4，參考圖 13 。

③ Modbus_Slave 指令的 “MB_HOLD_REG” 用于定義 CPU 的 Modbus 保持寄存器的數(shù)據(jù)區(qū)域地址，該數(shù)據(jù)區(qū)域在 V3.0 支持非優(yōu)化（標準的）數(shù)據(jù)塊。一般建議使用指針方式填寫，例如程序中的 P#DB6.DBX0.0 WORD 100，此外也可以使用基本數(shù)據(jù)類型數(shù)組方式填寫。

在數(shù)據(jù)塊的屬性中取消“優(yōu)化的塊訪問”即可將數(shù)據(jù)塊修改為非優(yōu)化訪問的數(shù)據(jù)塊（鼠標右鍵數(shù)據(jù)塊，選擇“屬性”，取消“優(yōu)化的塊訪問”），參考圖 14 。

④ Modbus RTU 從站數(shù)據(jù)區(qū)定義，參見表 5。

表 5. 數(shù)據(jù)區(qū)定義

⑤ 如果是分布式 IO 上的串口模塊，還需要考慮模塊拔出或者掉站的情況。

c. 編譯下載

之后將程序和組態(tài)編譯下載到 PLC 中，即可測試 Modbus RTU 通信了。

3. 常見問題 FAQ

1. 新版本 Modbus RTU 指令的使用是否存在些限制條件?

新版本 Modbus RTU 指令通過 CM1241 通信模塊或 CB1241 通信板進行 Modbus RTU 通信時，需要滿足如下條件：

• S7-1200 CPU 的固件版本不能低于 V4.1
• CM1241 通信模塊不能低于 V2.1
• CB1241 沒有要求
• 分布式上的串口模塊包括：
• ET200SP 的 CM PtP
• ET200MP 的 CM PtP RS232 HF
• ET200MP 的 CM PtP RS422/485 HF

S7-1200 V4.0 固件 CPU 可以通過固件更新到 V4.1 及以上版本，V2.0 固件的 CM1241 通信模塊也可以通過固件更新的方式更新到 V2.1 及以上版本。 相關(guān)固件更新的方法請參考 S7-1200 固件更新 。

2. Modbus_Comm_Load 指令背景數(shù)據(jù)塊中的靜態(tài)變量 “MODE” 的作用是什么?為什么一般項目中，都需要對該變量進行修改？

新版本的 Modbus RTU 指令擴展了 Modbus RTU 的功能，該指令除了支持 CM1241 通信模塊、CB1241 通信板還支持 PROFINET 或 PROFIBUS 分布式 I/O 機架上的點對點通信模塊實現(xiàn) Modbus RTU 通信。 而分布式 I/O 機架上的點對點通信模塊可以支持多種工作模式，以 ET200SP CM PtP 模塊（訂貨號：6ES7137-6AA0x-0BA0）為例，其可以支持 RS232、RS485 以及 RS422 等多種工作模式。

Modbus_Comm_Load 指令背景數(shù)據(jù)塊中的靜態(tài)變量 “MODE” 則用于定義點對點模塊的工作模式，具體如下說明。 “MODE” 的默認數(shù)值為 0，代表“全雙工 （RS232）”工作模式，實際項目組態(tài)中則需要根據(jù)實際工作模式對該變量進行修改。

• 0 = 全雙工 （RS232）
• 1 = 全雙工 （RS422） 四線制模式（點對點）
• 2 = 全雙工 （RS422） 四線制模式（多點主站）
• 3 = 全雙工 （RS422） 四線制模式（多點從站）
• 4 = 半雙工 （RS485） 二線制模式

3. Modbus_Comm_Load 指令能否在啟動組織塊 OB100 中調(diào)用?

Modbus_Comm_Load 指令可以但不建議在啟動組織塊 OB100 中調(diào)用。

新版本的 Modbus RTU 指令擴展了 Modbus RTU 的功能，該指令支持 PROFINET 或 PROFIBUS 分布式 I/O 機架上的點對點通信模塊實現(xiàn) Modbus RTU 通信。 操作系統(tǒng)需要調(diào)用讀取數(shù)據(jù)記錄和寫入數(shù)據(jù)記錄等指令來實現(xiàn)與分布式 I/O 機架上點對點模塊的 Modbus RTU 通信。讀取數(shù)據(jù)記錄和寫入數(shù)據(jù)記錄指令為異步讀寫指令，指令需要多次執(zhí)行，所以不建議 Modbus_Comm_Load 指令在啟動組織塊 OB100 中調(diào)用。如果需要，可以參考常見問題 5 中的方式，在 OB100 中反復(fù)執(zhí)行 Modbus_Comm_Load 指令，直到指令完成。

4. 如何查詢 Modbus RTU 通信錯誤時的錯誤代碼?

以 Modbus_Master 指令為例，當通信出現(xiàn)錯誤時，Modbus_Master 指令的 “ERROR” 輸出位將變?yōu)?TRUE 但是只保持一個掃描周期，所以通過 TIA Portal 軟件程序監(jiān)控時無法查詢到錯誤。 Modbus_Master 指令 “STATUS” 參數(shù)中的錯誤代碼僅在 “ERROR” = TRUE 的掃描周期內(nèi)有效，為了獲取了 Modbus RTU 通信錯誤的錯誤代碼可以采用如圖 17 所示方式編程。

圖 17. 獲取 STATUS

5. 對于分布式 IO 上的串口模塊，如果出現(xiàn)從站掉站或者模塊拔出應(yīng)該怎么辦？

對于分布式 IO 的串口模塊，一旦出現(xiàn)故障以及故障恢復(fù)，系統(tǒng)會自動執(zhí)行相關(guān) OB，拔出插入會執(zhí)行 OB83，掉站與恢復(fù)會執(zhí)行 OB86。所以需要在相應(yīng) OB 中重新觸發(fā) Modbus_Comm_Load 指令，方法如下：

1. 插入"Pull or plug of modules" 中斷 OB83。

分布式 IO 站點中插出、拔入模塊時，操作系統(tǒng)都會調(diào)用一次 OB83。通過 OB83 接口區(qū)的輸入變量 “Event_Class” 判斷故障的模塊和類型：事件類型16#39表示模塊被拔出，事件類型16#38表示模塊被插入。

CM PtP 模塊被重新插入的時候，需要在中斷 OB83 中調(diào)用 Modbus_Comm_Load 指令對通信模塊進行重新組態(tài)，如圖 18 所示。

圖 18. OB83 中再次調(diào)用 Modbus_Comm_Load 指令

注意：

① OB83 中調(diào)用 Modbus_Comm_Load 指令的背景數(shù)據(jù)塊需要與 OB1 中調(diào)用的 Modbus_Comm_Load 指令的背景數(shù)據(jù)塊相同。

② CM PtP 模塊的硬件標識符需要在"PLC 變量"--->"系統(tǒng)常數(shù)"中查詢，參考圖 12 所示。

2. 插入"Rack or Station failure" 中斷 OB86。

分布式 IO 站點故障和恢復(fù)時，操作系統(tǒng)都會調(diào)用一次 OB86。通過 OB86 接口區(qū)的輸入變量 “#Event_Class” 判斷故障的模塊和類型：事件類型 16#39 表示站點故障，事件類型 16#38 表示站點恢復(fù)。

CM PtP 模塊所在的 IO 站點恢復(fù)時，需要在中斷 OB86 中調(diào)用 Modbus_Comm_Load 指令對通信模塊進行重新組態(tài)，如圖 19 所示。

圖 19. OB86 中調(diào)用 Modbus_Comm_Load 指令

注意：

① OB86 中調(diào)用 Modbus_Comm_Load 指令的背景數(shù)據(jù)塊需要與 OB1 中調(diào)用的 Modbus_Comm_Load 指令的背景數(shù)據(jù)塊相同。

② 分布式 IO 站點的硬件標識符需要在"PLC 變量"--->"系統(tǒng)常數(shù)"中查詢，參考圖 12 所示。

6. CM 1241 RS422/485 如何與 CM PtP 連接？

對于 CM1241 RS422/485 模塊，RS485 模式接線是 3+ 8-，而對于 CM PtP，RS485 模式接線是 14+ 12-，所以本例中連接是將 CM1241 的 3 和 CM PtP 的 14 連接，CM1241 的 8 和 CM PtP 的 12 連接，如圖 20 所示。

圖 20. 連接示意