ModbusRTU协议介绍

Modbus通信协议是Modicon公司提出的一种报文传输协议，Modbus协议在工业控制中得到了广泛的应用，例如PLC、变频器、人机界面、DCS和自动化仪表等，它已经成为一种通用的工业标准。

Modbus串行链路协议是一个主-从协议，采用请求-响应方式，总线上只有一个主站，主站发送带有从站地址的请求帧，具有该地址的从站接收到后发出响应帧进行应答。子站没有收到来自主站的请求时，不会发送数据，子站之间也不会互相通信。

根据传输网络类型的不同，分为串行链路上的Modbus和基于TCP/IP的Modbus。

Modbus串行通信可以使用RS 485接口，短距离点对点通信也可以使用RS 232接口。

Modbus协议有ASCII和RTU（远程终端单元）这两种报文传输模式，S7-1200采用RTU模式。报文以字节为单位进行传输，采用循环冗余校验（CRC）进行错误检查，报文最长为256B。STEP 7 Basic为Modbus RTU通信设计了专用的指令。

使用Modbus通信功能代码1、2、4、5和15，主站可以读写PLC输入/输出过程映像中的位和字（见表7-3）。

表7-3 MODBUS地址与CPU的过程映像的映射关系

使用Modbus通信功能代码3、6和16，主站可以读写Modbus保持寄存器（即数据块）中的字（见表7-4）。

表7-4 MODBUS保持寄存器与PLC的保持寄存器DB地址的映射关系

S7-1200 MB_SLAVE Modbus的诊断功能见表7-5。

表7-5 S7-1200 MB_SLAVE Modbus的诊断功能

MB_SLAVE支持来自其他Modbus主站的广播写入请求。不管请求是否有效，MBSLAVE都不对Modbus主站的广播请求做出任何响应。

在本次实例中，计算机作主站，S7-1200作从站，使用CM 1241 RS 232通信模块通信，硬件接线如图7-29所示。

1.组态通信模块

在STEP 7 Basic的项目视图中生成一个名为“计算机作主站的Modbus通信”的新项目（见随书光盘中的同名例程），CPU的型号为CPU 1214C。

图7-29 硬件接线图

打开设备视图，将右边的硬件目录窗口的文件夹“\通信模块\RS232”中的模块拖放到CPU左边的101号槽。选中该模块后，选中下面的巡视窗口的“属性”选项卡左边窗口中的“端口组态”（见图7-30），在右边的窗口设置通信接口的波特率为19.2 kbit/s、无奇偶校验、数据位为8位、停止位为1位，不使用流控制，等待时间为0。

图7-30 组态通信模块

2.指令参数

（1）MB_COMM_LOAD指令

用于Modbus通信的每个通信模块的通信接口，都必须在初始化组织块OB100中调用一次MB_COMM_LOAD指令（FB1080），来对通信接口组态。必须为每个接口分配一个唯一的背景数据块。应在CPU进入RUN模式时调用一次该指令来初始化通信接口（见图7-31）。

执行该指令后，就可以调用MB_SLAVE或MB_MASTER指令来进行Modbus通信。只有在需要修改参数时，才再次调用该指令。

输入参数PORT是通信端口标识符，可以在PLC变量表的“常数”选项卡中查找到数据类型为Port的该常数。

BAUD（波特率）可选300～115200 bit/s。

PARITY（奇偶校验位）为0、1、2时，分别为不使用校验、奇校验和偶校验。

FLOW CTRL（流控制）为0、1、2时，分别为无流控制、RTS始终为ON的硬件流控制和或带R/S切换的硬件流控制，硬件流控制仅适用于RS 232接口。

图7-31 MB_COMM_LOAD指令

RTS_ON_DLY是从RTS激活直到传送报文的第一个字符之前的延迟时间，RTS_OFF_DLY是从传送最后一个字符直到RTS转入非活动状态之前的延迟时间，默认值为0（无延迟），RS 485接口不使用这两个参数。非零时（1～65535ms）将使用上述的RTS延迟，而与FLOW_CTRL的值无关。

RESP_TO是响应超时时间（5～65535ms，默认值为1000ms），如果从站在这一时间段内未响应，主站将在发送指定次数的重试请求后终止请求，并提示错误。

MB_DB是调用MB_MASTER或MB_SLAVE指令时分配的背景数据块。

ERROR为0表示未检测到错误，为1表示检测到错误，并且参数STATUS的错误代码有效。

（2）MB_SLAVE指令

MB_SLAVE（FB1082，见图7-32）指令用于为Modbus主设备发出的请求服务，Modb-usRTU主站发出请求后，从站通过执行MB-SLAVE来响应。应先执行MB_COMM_LOAD指令来初始化通信接口，MB_SLAVE指令才能通过该接口通信。某个通信接口同时只能作Modbus主站或作Modbus从站。

图7-32 MB_SLAVE指令

Modbus指令不是通过中断事件来控制通信过程，用户程序必须通过轮询MB_SLAVE指令来控制通信过程。

MB_SLAVE必须以一定的速率周期地执行，以便能及时响应来自Modbus主站的请求。

MB_SLAVE的执行频率取决于Modbus主站的响应超时时间。响应超时时间是Modbus主站等待Modbus从站开始响应的时间，它是Modbus主站的参数。在该时间内至少应执行两次MB_SLAVE。

1）MB_SLAVE指令的输入参数。

MB_ADDR是Modbus RTU从站的地址（1～247），如图7-32所示。

MB_HOLD_REG是指向Modbus保持寄存器数据块的指针，该数据块是全局数据块，用来保存供主站读写的数据值。生成数据块时，不能激活“仅符号地址”属性。保持寄存器可以使用下面的数据结构：标准的字数组、指定的字结构和指定的复杂结构。

2）MB_SLAVE指令的输出参数

NDR为1表示Modbus主站已写入新数据，反之没有新数据。

DR为1表示Modbus主站已读取数据，反之没有读取。

ERROR为1表示检测到错误，参数STATUS中的错误代码有效。

3.RTU通信帧的基本结构

如图7-33是Modbus RTU通信帧的基本结构，从站地址为1～16，它和功能码均占一个字节，主站发出的命令帧中，PLC地址区的起始地址和CRC各占一个字，数据以字或字节为单位（与功能码有关），以字为单位时高字节在前，低字节在后（与S7-1200的规定相同）。但是值得注意的是发送时CRC的低字节在前，高字节在后（见图7-33）。(www.xing528.com)

图7-33 RTU通信帧的基本结构

帧中的数据均为十六进制数，在下面的叙述中，帧内各字节的十六进制数据前面未加16#。

4.通信实验

（1）功能15

功能15用来改写多个数字量输出点。8位输出组成一个字节，请求帧（见图7-33）的起始位写入第一个数据字节的最低位。起始的输出位必须是一个字节的最低位（例如Q2.0），所写的输出点数（即位数）必须为8的整倍数。位数占一个字，字节数占一个字节。

【例7-1】用功能15改写1号站从Q0.0开始的8点输出值。15对应的十六进制数为16#0F，Q0.0的Modbus地址为16#0000，改写的点数为16#0008，如果写入的数据为16#38，请求帧为十六进制数010F 000000080138（不包括CRC，可以不输入右边的无效0）。

打开串口通信调试软件后（见图7-34），执行菜单命令“串口设置”→“串口属性”，设置计算机串口的波特率为19200 bit/s、8位数据位、无奇偶校验和1位停止位。执行菜单命令“串口设置”→“打开/关闭串口”命令，打开串口。

图7-34 串口通信调试软件

将010F 000000080138输入“发送帧”文本框，用空格分隔各字节。

单击“计算校验码”按钮，在出现的对话框（见图7-34中的当前对话框）的“校验内容”中，将自动显示出“发送帧”文本框中的数据。单击“CRC”按钮，生成的校验字为16#47FF。在“发送帧”文本框中，将CRC校验字添加到发送帧的末尾（低字节在前）。这样就生成了完整的十六进制数请求帧“010F 000000080138 FF 47”。

单击“发送”按钮，数据被发送到PLC。响应帧（见图7-33和图7-34）为十六进制数1 F 000854 D。可以用“清空”按钮清除“通信记录”文本框中的数据。

（2）功能1与功能2

功能1用来读单个或多个数字量输出点的ON/OFF状态，图7-35是请求帧的格式。响应帧（见图7-36）中PLC返回的输出位按每8位一个字节打包，第一位在返回的起始数据字节的最低位（第0位），如果请求读取的输出点数不能被8整除，返回的最后一个数据字节的高位用0填充。

图7-35 功能1的请求帧

图7-36 功能1的响应帧

【例7-2】用功能1读取1号站中Q0.0开始的8点输出值，Q0.0对应的Modbus地址为16#0000（占一个字），读取的点数为16#0008，CRC为16#CC3D，则请求帧为十六进制数1 10 0 0 8 3D CC，注意CRC的低字节在前。假设读出的QB0为16#38，则响应帧为十六进制数11 1 38 50 5A。

功能2用来读单个或多个数字量输入点的ON/OFF状态，帧格式和返回的输入位的数。

（3）功能5

功能5将某一个数字量输出点（Q）置位或复位。数据字16#FF00表示将输出置位为1，数据字16#0000表示令输出为0，其他的数据无效，响应帧与请求帧（见图7-37）相同。

【例7-3】用功能5将1号站的Q1.0置为1，Q1.0的Modbus地址为16#0008，请求帧与响应帧均为十六进制数1508 FF 0 D F8。

图7-37 功能5的请求帧与响应帧

用功能5将1号站的Q1.0复位为0，请求帧与响应帧均为十六进制数1508004C 8。

（4）功能16

双击“程序块”文件夹中的“添加新的块”，单击打开的对话框中的“数据块”按钮，生成一个全局数据块（DB3），名称为“Data block 1”，不要选中“仅符号访问”多选框。双击打开DB3，生成一个名为Aray的数组，数据类型为“Aray[0..9]of WORD”。Modbus功能3、6、16中的Modb us地址与该数组中的元素方括号中的下标相同。

功能16写多个保持寄存器字，一个请求帧（见图7-38）最多可写120个字。字数占一个字，字节数占一个字节。

图7-38 功能16的请求帧

图7-39 功能16的响应帧

【例7-4】用功能16将数据16#1234、16#5678、16#ABCD和16#EEFF写入1号站中的Aray[2]～Aray[5]，16对应的十六进制数为16#10，Aray[2]对应的Modbus地址为16#0002，请求帧为十六进制数1100204812345678 AB CD EF AA AC（见图7-40），响应帧（见图7-38和图7-39）为十六进制数110020460 A。

图7-40 串口通信调试软件

打开数据块Data block 1（见图7-41），单击按钮，打开数组Array。单击按钮，启动程序状态功能。在“监视值”列，可以看到被主站写入的数据。

（5）功能3

功能3读取单个或多个保持寄存器的内容，最多可以读120个字。

【例7-5】用功能3读取1号站的DB3中的数组元素Aray[2]～Aray[3]，Aray[2]对应的Modbus地址为16#0002，请求帧（见图7-42）为十六进制数13020265 CB，Aray[2]～N Aray[3]的值如果为16#1234和16#5678，响应帧（见图7-43）为十六进制数13 412345678817。

图7-41 数据块中主站写入的数据

图7-42 功能3的请求帧

图7-43 功能3的响应帧

（6）功能6

功能6将一个数据字写入保持寄存器，响应帧与请求帧相同（见图7-44）。

图7-44 功能6的请求帧与响应帧

【例7-6】用功能6将数据16#AA55写入1号站中的DB3中的数组元素Aray[4]，其Modbus地址为16#0004，请求帧和响应帧均为十六进制数1604 AA 557694。用程序状态功能监视DB3，可以观察写入是否成功。