基于西門子S7-1200 Modbus通信協(xié)議的應(yīng)用

周博遙

（九江賽晶科技股份有限公司，江西 九江 332000）

0 引 言

隨著近年來信息技術(shù)的不斷發(fā)展，用戶需要采集越來越多現(xiàn)場設(shè)備的各種數(shù)據(jù)。采集方式逐漸由以前單純的數(shù)字量輸入/輸出（Input/Output，I/O）及模擬量輸出模式逐漸轉(zhuǎn)變成直接與遠(yuǎn)方采集設(shè)備進(jìn)行通信處理。

現(xiàn)場儀表設(shè)備支持的通信協(xié)議眾多，但人們使用及支持最廣泛的是Modbus通信協(xié)議。由于Modbus協(xié)議是完全公開透明的，所需的軟硬件非常簡單，使其成為了一種通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。許多工業(yè)設(shè)備包括可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）、智能儀表等，普遍采用Modbus協(xié)議作為通信標(biāo)準(zhǔn)。

本文以西門子S7-1200 PLC與九江賽晶科技股份有限公司自研的JM810數(shù)控器進(jìn)行Modbus通信為例，對(duì)整個(gè)通信過程進(jìn)行探討。

1 S7-1200 PLC實(shí)現(xiàn)Modbus通信方式所需的硬件配置

S7-1200 PLC是西門子公司推出的新一代PLC，旨在替換老舊的S7-200和部分S7-300型號(hào)。S7-1200設(shè)計(jì)緊湊、組態(tài)靈活且具有功能強(qiáng)大的指令集，使其成為能夠控制各種應(yīng)用的完美方案。S7-1200的主模塊攜帶RJ45接口，支持PROFINET、Modbus-TCP、傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）協(xié)議，而現(xiàn)場設(shè)備大多采用基于RS485的Modbus協(xié)議，需要外加1塊通信模塊[1]。

S7-1200為了便于應(yīng)用RS485通信接口，需要外接擴(kuò)展模塊。有2種類型的通信模塊可供選擇，分別是CM1241 RS485通信模塊和CB1241 RS485通信信號(hào)板[2]。CM1241 RS485為通信擴(kuò)展模塊，是屬于附加在PLC主模塊左邊的擴(kuò)展模塊，緊挨著中央處理器（Central Processing Unit，CPU）主模塊裝在卡軌上，通過模塊右邊的插針與CPU左邊插針進(jìn)行連接。CB1241 RS485為信號(hào)通信板，是直接插在CPU的小板上。

CB1241 RS485模塊屬于通信信號(hào)板，掛在主CPU模塊上，只支持RS485通信協(xié)議。CM1241 RS485可支持RS485和RS422這2種通信協(xié)議[3]。雖然使用RS485時(shí)2種通信模塊并無任何差異，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中更傾向于選擇CM1241外接擴(kuò)展模塊進(jìn)行通信。本文探討的基于RS485通信方式的硬件環(huán)境均采用CM1241模塊進(jìn)行通信。

2 通信方案及軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)方案

現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。以公司自制數(shù)控器為例，應(yīng)用基于RS485的4個(gè)Modbus協(xié)議模塊并聯(lián)運(yùn)行進(jìn)行通信。

圖1 現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.2 S7-1200控制器與JM810數(shù)控器通信的設(shè)計(jì)

S7-1200控制器通過CM1241 RS485模塊進(jìn)行通信時(shí)，需要調(diào)用Modbus_Comm_Load功能塊對(duì)該模塊進(jìn)行初始化。

該功能塊只需要調(diào)用1次。正常進(jìn)行初始化操作后，DONE為1，ERROR位為0。其中：PORT對(duì)應(yīng)CM1241 RS485對(duì)應(yīng)的硬件標(biāo)識(shí)符（S7-1200可以攜帶多個(gè)通信擴(kuò)展模塊）；RESP_TO為通信從站響應(yīng)時(shí)間，超過該時(shí)間則報(bào)通信超時(shí)。該功能塊的其他更多設(shè)置選項(xiàng)在背景數(shù)據(jù)庫Modbus_Comm_Load_DB背景數(shù)據(jù)塊中進(jìn)行設(shè)置，其中MB_DB為后面Modbus通信功能塊的背景數(shù)據(jù)塊。

通信初始化成功后，正式進(jìn)行Modbus通信。PLC一般處于主站讀取從站數(shù)據(jù)的狀態(tài)，因此通常調(diào)用Modbus_Master功能塊進(jìn)行通信。若PLC作為從站，則調(diào)用Modbus_Slave功能塊進(jìn)行通信。

EN管腳為功能塊的啟動(dòng)開關(guān)，推薦在需要使用時(shí)再進(jìn)行接通。其中，REQ為脈沖觸發(fā)，推薦使用上升沿觸發(fā)。每次觸發(fā)過程會(huì)將數(shù)據(jù)送到CM1241 RS485模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，若在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中再次觸發(fā)，則不予響應(yīng)。如果不采用脈沖觸發(fā)，則很大幾率會(huì)導(dǎo)致該功能塊一直處于BUSY而造成網(wǎng)絡(luò)堵塞。MB_ADDR為Modbus協(xié)議的通信地址。MODE則將讀寫模式分為0、1、2、80、81以及104。

最常用的是功能碼03和功能碼05，分別對(duì)應(yīng)MODE的0和1。

DATA_ADDR為Modbus寄存器地址，DATA_LEN表示從DATA_ADDR開始訪問多少個(gè)字節(jié)，DATA_PTR為指向DB區(qū)的指針。如果MODE為0，則將讀取的內(nèi)容存入該DB區(qū)域。如果MODE為1，則將DB區(qū)的數(shù)據(jù)寫入DATA_ADDR的地址中。

如果寫入或讀取完成，則DONE引腳會(huì)輸出1并保持1個(gè)掃描周期。如果錯(cuò)誤，則ERROR位為1，且STATUS顯示出錯(cuò)誤代碼，并保持1個(gè)掃描周期。

因?yàn)镈ONE和ERROR位狀態(tài)及錯(cuò)誤代碼只保存一個(gè)周期，所以必須及時(shí)保存錯(cuò)誤代碼，以免下一個(gè)掃描周期將錯(cuò)誤代碼更新或清零而無法捕獲錯(cuò)誤代碼。

2.3 S7-1200控制器與從站通信的調(diào)度問題

第2.2節(jié)描述了讀1個(gè)控制器的通信過程，如果需要讀第2個(gè)控制器，則涉及通信調(diào)度問題。Modbus為半雙工通信，在發(fā)送過程中無法接收，在接收時(shí)無法發(fā)送，所以處理好通信調(diào)度是一個(gè)重要內(nèi)容。公司編程時(shí)主要考慮時(shí)間調(diào)度和以完成位進(jìn)行調(diào)度2種調(diào)度方式。

時(shí)間調(diào)度是指以1個(gè)固定的時(shí)間周期對(duì)1次通信過程進(jìn)行調(diào)度，如超過此時(shí)間，則放棄該次通信過程，啟動(dòng)下一個(gè)站點(diǎn)的通信。該種調(diào)度方式編程簡單，但通信效率并不高。每次通信過程需要等到該固定的時(shí)間周期結(jié)束。為了保證所有的正常通信過程都能在固定時(shí)間周期內(nèi)完成，固定的時(shí)間周期設(shè)置不會(huì)太小，一定程度上造成通信控制器在等待該固定周期結(jié)束才啟動(dòng)下一個(gè)站點(diǎn)通信，造成了資源浪費(fèi)。現(xiàn)階段，該方式主要適用于站點(diǎn)對(duì)時(shí)間響應(yīng)并不敏感的場景。

以完成位進(jìn)行調(diào)度的這種調(diào)度方式是指利用上次通信完成位來觸發(fā)下一次通信的過程。該種調(diào)度方式效率高，完成后可立刻進(jìn)行下一次通信處理。與時(shí)間調(diào)度方式相比，節(jié)省了等待時(shí)間，縮短了站點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)間，但編程較為復(fù)雜。

因?yàn)槭褂蒙弦粋€(gè)設(shè)備的完成位進(jìn)行下一次通信的觸發(fā)，所以編程過程中需要考慮各種異常處理方式，如從站斷線、從站地址沖突等通信錯(cuò)誤，以確保下一次通信的正常進(jìn)行[4]。

2.4 Modbus通信的討論

2.4.1 Modbus協(xié)議應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)

Modbus協(xié)議作為一種開放式協(xié)議，數(shù)據(jù)報(bào)文和實(shí)現(xiàn)均較為簡單，使其成為現(xiàn)場總線領(lǐng)域普及最廣的協(xié)議。但是，因?yàn)樵搮f(xié)議過于簡單，所以在應(yīng)用過程中存在很多局限性。

作為一種半雙工通信協(xié)議，Modbus協(xié)議無法同時(shí)進(jìn)行讀寫。當(dāng)處于多站點(diǎn)通信環(huán)境時(shí)，只能一個(gè)個(gè)輪詢采集，且讀寫操作無法同時(shí)進(jìn)行。當(dāng)同時(shí)需要對(duì)多個(gè)設(shè)備進(jìn)行寫入、讀取操作時(shí)，合理的安排讀寫順序顯得尤為重要。此外，Modbus協(xié)議對(duì)主從站有明顯區(qū)分。需要注意，一個(gè)設(shè)備只能作為主站或從站，無法既為A設(shè)備的主站又為B設(shè)備的從站。這些缺點(diǎn)使得應(yīng)用Modbus協(xié)議進(jìn)行通信時(shí)需要開展大量的優(yōu)化處理工作。

2.4.2 站點(diǎn)通信的讀寫優(yōu)化

在用戶現(xiàn)場，不少設(shè)備并不只是簡單需要監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)信息，還需要進(jìn)行設(shè)備操作和控制。這類設(shè)備不僅需要進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)的讀取，還需要進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)的寫入。

實(shí)際上，大多數(shù)設(shè)備的讀取需求是監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)，這就要求必須盡快采集設(shè)備數(shù)據(jù)并及時(shí)顯示出來。在每個(gè)輪詢周期里，必須要讀設(shè)備數(shù)據(jù)。但是，遠(yuǎn)方控制設(shè)備的需求并不是時(shí)刻都有，每個(gè)周期如果都進(jìn)行重復(fù)的寫操作（控制設(shè)備為對(duì)從站的寫操作），會(huì)浪費(fèi)輪訓(xùn)時(shí)間，此時(shí)可以采用選擇一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域緩存下發(fā)數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶需要操作或者控制設(shè)備時(shí)，用戶在操作后需要將這一次數(shù)據(jù)存入緩存。每次讀取完成后，需要檢查下發(fā)數(shù)據(jù)。如果與緩存數(shù)據(jù)一致，證明用戶并無在此周期進(jìn)行新的下發(fā)操作，則需要重新寫入；如果與緩存數(shù)據(jù)對(duì)比不一致，則將寫的操作插入到輪詢隊(duì)列中。

2.4.3 站點(diǎn)掉線時(shí)的處理方法

Modbus協(xié)議基于主從模式，所有從站設(shè)備均以輪詢方式工作。在單個(gè)設(shè)備通信故障或者掉線時(shí)，必須等待超時(shí)時(shí)間才能夠進(jìn)行下一個(gè)設(shè)備的通信工作。以完成標(biāo)志位進(jìn)行觸發(fā)時(shí)效率較高，但是仍然無法避免這個(gè)問題。單個(gè)設(shè)備掉線時(shí)，該超時(shí)時(shí)間尚可接受，但多個(gè)從站點(diǎn)同時(shí)掉線，1個(gè)周期內(nèi)的輪詢總時(shí)間就會(huì)大幅增加。針對(duì)這種情況，一般采取兩種處理方式。

方案1：增加幾個(gè)CM1241 RS485模塊，利用多模塊并聯(lián)開展工作。該方案將Modbus一個(gè)主站對(duì)多個(gè)從站的逐個(gè)輪詢模式變成多個(gè)主站對(duì)多個(gè)從站的輪詢模式。如果多加1個(gè)CM1241 RS485模塊，則整個(gè)輪詢時(shí)間減半。該方案能夠顯著縮短正常運(yùn)行時(shí)和發(fā)生掉線故障時(shí)的輪詢時(shí)間，具有編程實(shí)現(xiàn)簡單、可靠性高、輪詢時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。此外，該方案存在增加一個(gè)擴(kuò)展模塊便需要增加硬件成本和系統(tǒng)通信線路布設(shè)較為復(fù)雜等缺點(diǎn)[5]。

方案2：程序內(nèi)部進(jìn)行判斷處理，增加正常輪詢隊(duì)列和慢輪詢隊(duì)列。如果正常輪詢時(shí)發(fā)現(xiàn)某設(shè)備連續(xù)3次通信超時(shí)，則將該設(shè)備剔除正常輪詢隊(duì)列，并將其添加至慢輪詢隊(duì)列。整個(gè)輪詢順序?yàn)檎］喸冴?duì)列輪詢多次后輪詢一次慢輪詢隊(duì)列，找出其中由故障轉(zhuǎn)為正常的設(shè)備后，將其添加至正常輪詢隊(duì)列，并再次進(jìn)行正常輪詢過程。輪詢機(jī)制的流程如圖2所示。

圖2 輪詢機(jī)制流程

3 結(jié) 論

簡單分析S7-1200控制器與JM810數(shù)控器的通信后可知，Modbus協(xié)議具有實(shí)現(xiàn)簡單、硬件便宜、通用性強(qiáng)、使用方便以及容易開發(fā)和實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)存在通信實(shí)時(shí)性不高、通信響應(yīng)不可靠、無法同時(shí)讀寫以及從站之間無法相互通信等缺點(diǎn)。因此，在通信設(shè)計(jì)時(shí)考慮相關(guān)問題，以期更好地促進(jìn)工業(yè)現(xiàn)場總線及協(xié)議的完善與發(fā)展。