西門子CM PtP模塊Modbus RTU主站通信程序設(shè)計

薛春陽，尤麗靜，陳炳秋，冀衛(wèi)杰

（北京和利時系統(tǒng)集成有限公司，北京 100176）

Modbus RTU 作為一種開放高效的通信協(xié)議在眾多工業(yè)領(lǐng)域中的智能控制器以及智能儀表上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，它成功解決了現(xiàn)場智能控制器以及工業(yè)儀表與PLC 之間數(shù)據(jù)交換的問題，這樣不僅節(jié)省了傳統(tǒng)的大量通信電纜，而且其數(shù)據(jù)傳輸可靠性也得到了大幅度提升[1]。隨著科技的不斷發(fā)展和進步，工業(yè)以太網(wǎng)以其低成本、高效率及一網(wǎng)到底的便捷性，正在逐步取代傳統(tǒng)工業(yè)總線，在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域得到了迅速推廣和普及[2]。西門子ET200SP CM PtP 正是以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)下的串口通信模塊，相比傳統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)下的串口通信模塊，CM PtP的實現(xiàn)方法和資料還比較少，編程方法仍停留在基礎(chǔ)功能塊上，不滿足PLC 結(jié)構(gòu)化編程理念。

本文結(jié)合城市軌道交通地鐵BAS（環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)）機電設(shè)備和西門子STEP7 編程環(huán)境特點，對西門子ET200SP 串口通信模塊CM PtP 的Modbus RTU 主站通信程序的設(shè)計開發(fā)進行重點研究，其開發(fā)后的程序組織結(jié)構(gòu)規(guī)范、清晰、簡明，通用性和可讀性強，更容易被閱讀者理解，有利于對常用功能進行標準化，將難化簡，更適合多人分工合作共同編寫的復雜項目，且易于查錯、修改和調(diào)試[3]。

1 研究背景

城市軌道交通BAS 是對地鐵建筑物內(nèi)的環(huán)境與空氣條件、通風、給排水、照明、乘客導向、自動扶梯及電梯、屏蔽門、防淹門等建筑設(shè)備和系統(tǒng)進行集中監(jiān)視、控制和管理的系統(tǒng)，以確保設(shè)備處于安全、可靠、高效、節(jié)能的最佳運行狀態(tài)[4]。其中BAS 系統(tǒng)中有很多使用Modbus RTU 通信協(xié)議的設(shè)備，如隧道風機、空調(diào)機組、冷水機組、遠程水表、電保溫等。

在項目實際應(yīng)用中，Modbus 通信部分相關(guān)的硬件配置如圖1所示。

針對上述配置，Modbus 通信程序需設(shè)計為面向CM PtP 的通用程序塊，項目中每增加一個CM PtP的硬件，則在程序中增加一次對通用程序塊的調(diào)用，調(diào)用時只需修改塊的輸入?yún)?shù)，而不必修改其內(nèi)部程序。

2 設(shè)計思路

西門子編程環(huán)境STEP7 提供了串口通信的基礎(chǔ)程序Modbus_Comm_Load 和Modbus_Master。其中Modbus_Comm 用于設(shè)置PtP 參數(shù)，例如數(shù)據(jù)傳輸速率、奇偶校驗和數(shù)據(jù)流控制，Modbus_Master 用作Modbus 主站指令，與一個或更多的Modbus 從站設(shè)備進行通信。

在西門子技術(shù)手冊《ET 200MP/ET 200SP 用于S7-300/400 分布式I/O 的PtP 通信指令》中有如下要求：①Modbus_Comm_Load 來完成將用于Modbus通信的每個通信端口的組態(tài)。必須為使用的每個端口分配唯一的Modbus_Comm_Load 背景數(shù)據(jù)塊。②對于該端口，可以使用一個或多個Modbus_Master的實例。但是，所有版本的Modbus_Master 都必須為該端口使用相同的背景數(shù)據(jù)塊。鑒于西門子手冊的要求，每個PtP 不允許使用多個Modbus_Comm_Load以及不能在同一時間調(diào)用多個Modbus_Master，故在程序中設(shè)計一個功能塊FB（Sub_ModbusRTU），該FB 以Modbus_Comm_Load 和Modbus_Master 為基礎(chǔ)，能夠完成一次完整的發(fā)送查詢信息和接收響應(yīng)信息的過程，并且通過修改該FB 的輸入?yún)?shù)和觸發(fā)條件能夠完成下一次的通信。

在實際應(yīng)用中，一個PtP 可以和多個對象通信，每個通信對象根據(jù)數(shù)據(jù)量的大小和數(shù)據(jù)寄存器地址的分布情況，可能需要多次通信才能讀回和寫出全部數(shù)據(jù)，所以Sub_ModbusRTU 的功能是完成針對某個PtP 的全部通信過程，該過程需要調(diào)用一次或多次Modbus_Master 來實現(xiàn)?？紤]到程序的通用性，Sub_ModbusRTU 應(yīng)該是一個模塊化的程序，模塊內(nèi)部的程序是固定不變的，當用于不同的PtP 時只需要修改輸入?yún)?shù)即可。

在試驗對比梯形圖（LAD）、語句表（STL）、結(jié)構(gòu)化文本（SCL）三種編程語言之后，本文最終選擇了 結(jié)構(gòu)化文本（SCL）。結(jié)構(gòu)化文本（SCL）是用于SIMATIC S7 系列CPU 編程的類PASCAL 高級語言，特別適合復雜算法、數(shù)學函數(shù)、過程優(yōu)化、數(shù)據(jù)和配方管理等編程任務(wù)。

3 詳細設(shè)計

3.1 設(shè)計目標

Sub_ModbusRTU 作為供編程者直接應(yīng)用的通用程序，設(shè)計目標如下：①該程序要設(shè)計和封裝為一個面向?qū)ο蟮淖映绦?，及每個PtP 模塊調(diào)用一次，并為其分配一個背景數(shù)據(jù)塊，當PtP 模塊改變時，僅需修改通信參數(shù)即可實現(xiàn)功能。②該程序支持Modbus 協(xié)議中的8 個常用的功能碼01，02，03，04，05，06，15，16。③由于PtP 在BAS 系統(tǒng)中作為Modbus RTU 主站使用，所以Sub_ModbusRTU 還要能夠與多個Modbus RTU 從站通信，本次設(shè)計為最多帶8 個從站。④Modbus 協(xié)議具有問答式的通信特點，其通信過程是由多個問答過程組成的，在對這些過程的調(diào)度上，Sub_ModbusRTU 還要設(shè)計靈活的觸發(fā)方式，即：事件觸發(fā)，當前過程完成后，自動觸發(fā)下一個通信過程；輪詢方式，通過設(shè)置輪詢時間參數(shù)，控制通信過程之間的時間間隔。

3.2 接口參數(shù)

Sub_ModbusRTU 程序的接口參數(shù)設(shè)計如下：

輸入?yún)?shù)：

（1）LADDR：INT 型，在STEP7 中組態(tài)硬件時產(chǎn)生的CM PtP 模塊的地址。

（2）InPar：ARRAY［0..7，0..5，0..6］ OF INT，在程序中以InPar［k，x，y］的形式出現(xiàn)，三位數(shù)組類型，其中“k”用來區(qū)分接在同一PtP 上的不同從站設(shè)備，一個PtP 模塊設(shè)計最多帶8 個不同的從站，“x”用來區(qū)分同一從站下的不同通信過程，每個從站設(shè)計最多6 個不同的通信過程，“y”包含7 個參數(shù)，設(shè)置方法如下：

InPar［k，x，0］——ModbusRTU 從站ID 號；

InPar［k，x，1］——通訊模式選擇，該參數(shù)與西門子提供的Modbus_Master 的輸入?yún)?shù)MODE 一致；

InPar［k，x，2］——Modbus 數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域，標準Modbus 地址萬位上數(shù)字，例如40001，則取4設(shè)置；

InPar［k，x，3］——Modbus 數(shù)據(jù)起始地址；

InPar［k，x，4］——Modbus 數(shù)據(jù)長度；

InPar［k，x，5］——目標數(shù)據(jù)所在的DB 塊編號；

InPar［k，x，6］——目標數(shù)據(jù)所在的DB 塊內(nèi)的起始地址。

（3）TimePoll：INT 型；每次通訊過程的輪詢時間（以100 ms 為最小單位）。TimePoll=10 時，表示每隔1000 ms 進行一次通訊；TimePoll=0 時，表示上一次通訊過程結(jié)束后觸發(fā)本次通訊。

（4）PARITY：校驗方式，0 無校驗，1 奇校驗，2偶校驗。

（5）DataChange：BOOL 型；此變量為True 時，執(zhí)行寫命令，否則只執(zhí)行讀命令。

輸出參數(shù)：①CommOK，BOOL 型；Modbus 從站通信狀態(tài)，正常時為True，不正常時為False；②STATUS：WORD 型，錯誤代碼，該參數(shù)與西門子提供的Modbus_Master 的輸出參數(shù)STATUS 一致，在調(diào)試過程中遇到問題時可從西門子手冊中查找相關(guān)信息，判斷故障原因。

3.3 編程要點

Sub_ModbusRTU 程序的流程如圖2所示。

圖2 串口通信程序設(shè)計流程Fig.2 Serial communication program design flow chart

本程序核心思路是利用雙重循環(huán)依次完成每個從站設(shè)備的每個通信過程，外層循環(huán)以從站順序號為依據(jù)，內(nèi)層循環(huán)以從站內(nèi)的通信過程順序號為依據(jù)。程序從第一個從站的第一個通信過程開始執(zhí)行，當執(zhí)行完第一個從站的最后一個通信過程后，接著執(zhí)行第二個從站的第一個通信過程，依次類推，當執(zhí)行完最后一個從站的最后一個通信過程后，重新開始第一個從站的第一個通信過程，只要程序被使能，便如此循環(huán)下去。

具體的實現(xiàn)方法如下：

本程序的亮點：①將RTU 從站的通信參數(shù)存儲在三維數(shù)組中，在數(shù)組的基礎(chǔ)上充分結(jié)合循環(huán)的程序結(jié)構(gòu)特點，實現(xiàn)對通信過程的組織調(diào)度。程序結(jié)構(gòu)清晰明了，同時也縮減了代碼的體積，使代碼更加優(yōu)化。②本程序在處理Modbus_Master 不同從站通信過程的時候使用了西門子ANY 指針的方法給Modbus_Master 的DATA_PTR 管腳賦值[5]。該方法可以將Modbus 數(shù)據(jù)傳送到不同設(shè)備的背景DB 塊的指定位置中，省去了數(shù)據(jù)處理的問題。③利用Modbus_Master 的輸出參數(shù)Done 和Error 以及Modbus_Comm_Load 的輸出參數(shù)Error 來判斷Modbus每從站的通信狀態(tài)，并將錯誤代碼反饋輸出。④程序設(shè)置看門狗，用于程序第一次運行和模塊斷電后重新運行以及程序發(fā)生故障卡死時保障程序可靠性和穩(wěn)定性。⑤利用結(jié)構(gòu)化文本SCL 編程，可讀性以及可移植性更強，處理復雜數(shù)據(jù)更容易。

4 實例調(diào)用

Sub_ModbusRTU 將Modbus_Master 指令以及Modbus_Comm_Load 指令高效地整合在一起，使其直接作為通用子程序被調(diào)用，實現(xiàn)每個PtP 模塊只調(diào)用一次就可以實現(xiàn)全部功能。很適合地鐵BAS 這種通信設(shè)備數(shù)量多和種類多的大型機電項目PLC編程工作，Sub_ModbusRTU 的調(diào)用如圖3所示。

圖3 通信程序塊Sub_ModbusRTUFig.3 Communication block Sub ModbusRTU

每個CM PtP 模塊的Sub_ModbusRTU 輸入?yún)?shù)，即InPar 的賦值直接采用在SCL 中編寫初始化功能函數(shù)FC1000（Initialize）的方式來實現(xiàn)，輸入?yún)?shù)以每個CM PtP 模塊下每個Modbus 子站的每條讀寫命令為單位編寫設(shè)置，每個Modbus RTU 子站最多配置6 條讀寫命令，每條命令有7 個參數(shù)信息，分別對應(yīng)到Sub_ModbusRTU 的輸入?yún)?shù)InPar 中，編制方法簡單清晰，利于修改和調(diào)試維護，如圖4所示。

每個CM PtP 模塊調(diào)用Sub_ModbusRTU 后集中放到FC1040（Com_Modbus_RTU）中，在地鐵車站中，一個典型的S7-400H 系統(tǒng)中會存在多個CM PtP模塊，因此在實例調(diào)用時，會把通信塊集中到一個功能塊，將程序分為功能塊調(diào)用和參數(shù)初始化設(shè)置兩部分，如圖5所示。

5 結(jié)語

本文的設(shè)計成果已成功應(yīng)用在深圳地鐵2 號線三期、深圳地鐵8 號線一期、成都地鐵5 號線、北京地鐵新機場線中，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試驗證，程序運行穩(wěn)定可靠，通信效果良好。程序Sub_ModbusRTU 是面向通信模塊硬件的通用程序，編程時可根據(jù)項目的實際需要靈活調(diào)用，其它行業(yè)的工控系統(tǒng)也可借鑒使用，具有較大的實際應(yīng)用價值。