基于S7-400冗余系统CPU集成PN口的Modbus-TCP通信快速入门

1、基于S7-400 PN-H 冗余系统CPU集成PN口的Modbus TCP通信快速入门显示订货号1 Modbus TCP通讯概述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。协议的最通用用途是为诸如PLCs，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 TC

2、P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1.1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：

3、应用层，Modbus协议报文.1.2 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 ApplicationProtocol、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

4、“ADDRESS”也被“UNIT ID”替代而加在MODBUS应用协议报文头中 1.3 Modbus TCP使用的通讯资源端口号在Moodbus服务器中按缺省协议使用Port 502 通信端口,在Modus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.1.4 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M认可；2) 用户自定义功能代码有两组，分别为6572和100110，无需认可，但不保证代码使用唯一性,如变为公共代

5、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/服务器最小可用子集：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

6、存器(fc.23)1.5 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 2  SIMATIC S7-PN-H冗余系统CPU集成PN口

7、 Modbus/TCP通讯概述2.1 S7-400 PN-H冗余系统CPU集成PN口 Modbus/TCP通讯机理概述S7-400 PN-H冗余系统控制器是西门子推出的基于Profinet系统冗余的解决方案，其中每个CPU上集成了两个Profinet接口，如下图2所示：图2：集成PN接口的S7-400 PN-H冗余系统现在可以通过S7-400 PN-H冗余系统CPU集成的PN接口进行冗余的Modbus TCP通信，该解决方案由基于S7-300/400单站系统CPU集成PN口的Modbus/TCP软件包“ModbusTCP PN-CPU V2.4”发展而来，其通信网

8、络架构如下图3所示：图3：S7-400 PN-H冗余系统CPU集成PN口的Modbus/TCP网络架构由基于S7-300/400单站系统CPU集成PN口的Modbus/TCP软件包“ModbusTCP PN-CPU V2.4”发展而来的S7-400  PN-H的Modbus/TCP软件包通讯机理及特点如下： 1）    对于通讯伙伴为单通信网卡(单边)的设备，需要在程序中分别调用2次modbus/tcp通讯块，对应于PN-H CPU的两个机架CPU的一个进程，对于通信伙伴为双通信网卡(双边)的设备，需要程序中分别调用4次modbus/

9、tcp通信块，其中一个机架CPU调用2次以匹配对方的冗余通信 2）    如果S7-400 PN-H CPU做Modbus/TCP Server，该解决方案能够允许通信伙伴通过任意一个机架CPU的PN口通信链路(图3中单边的链路为0A、1A；双边链路为0A、1A/0B、1B)建立通信及数据的一致性，链路的选择完全由客户端自行根据链路的通信状况决定，当任一链路中断、PN-H CPU冗余模式的切换均不会对通信造成任何影响 3）    如果S7-400 PN-H CPU做Modbus/TCP clie

10、nt，解决方案能够保证通过任意一个机架CPU的PN口通信链路(图3中单边的链路为0A、1A；双边链路为0A、1A/0B、1B)与通信伙伴建立通信及数据的一致性，当任一链路中断、PN-H CPU冗余模式的切换均不会对通信造成任何影响 4）    解决方案中提供了完整的TCP层及Modbus应用层的诊断 2.2  “ModbusTCP PN-CPU V2.4”软件选项包使用概述2.2.1“ModbusTCP PN-CPU V2.4”块库使用说明1) 该功能块库可以用于S7-300/400单站系统或ET200带

11、CPU的接口模块通过CPU的集成PN口进行ModbusTCP通讯2) 由于需要在SIMATIC站与其他通讯伙伴之间建立TCP连接用于Modbus通讯，而对于CPU的集成PN口来说使通过Open IE(开放式以太网通讯)的方式来建立TCP连接， 因此需要调用SIMATIC S7标准功能块，包括FB63(TSEND)、FB64(TRCV)、FB65(TCON)、FB66(TDISCON)完成TCP的连接管理和数据通讯需要注意的是对于用于Modbus TCP的功能块FB63/64/65/66有一定的版本要求如下：FB63(TSEND)    

12、0;  V2.1或更高FB64(TRCV)        V2.2或更高FB65(TCON)        V2.3或更高FB66(TDISCON)     V2.1或更高3) 通过 S7-CPU 的 PROFINET 接口 进行 Modbus TCP 通信时，需要使用通信块 FB65 "TCON"、FB66

13、 "TDISCON"、FB63 "TSEND" 和 FB64 "TRCV"，要进行 Modbus TCP 通信，必须在数据块中为每个连接指定相应的参数，因此通过 Modbus TCP Wizard向导软件，可以非常便捷地指定各连接的参数，通过 Modbus TCP Wizard ，只需指定各连接类型所需的相应参数，之后，该向导将包含有连接描述的所有参数的 DB 导入到 STEP 7 项目中，向导的安装界面如下图4所示，另外通过

14、软件包安装集成到Step7后也有参数DB，具体可以根据实际的项目情况来进行调整，详细地内容将在下面的配置章节中详细描述 图4: Modbus TCP Wizard起始界面 关于Modbus TCP Wizard的相关信息及下载可以参考以下连接:2.2.2” ModbusTCP PN-CPU V2.4”选项包硬件和软件需求所支持硬件和软件需求如下图5和图6所示:图5:” ModbusTCP PN-CPU V2.4”软件包硬件需求 图6:” ModbusTCP PN-CPU V2.4”软件包软件需求2.3 “ModbusTCP

15、PN-CPU V2.4”软件选项包与step7集成概况下面章节将介绍如何使用软件选项包” ModbusTCP PN-CPU V2.4 "的功能块库配置S7-400 PN-H冗余系统通过CPU的集成PN口与第三方模拟软件进行Modbus/TCP进行通讯的详细步骤，由于一些步骤和过程跟软件选项包” ModbusTCP PN-CPU V2.4 "的单站通讯功能是类似的，因此不再详述，本文中只描述一些必要的注意事项和过程步骤，常规的操作步骤请参考下载中心的A0401文档“基于S7-300,400CPU的集成PN口 Modbus TCP通讯快速入门(更新

16、版本V2.4)”，链接如下： 当将软件选项包安装完集成到Step7时可以在Step7安装文件的相应目录中找到块库、例程、英文手册，如下图7-9所示，在实际的项目调试过程中由于例子程序的各项功能比较完善，因此可以直接使用例子程序根据项目的实际情况修改相应的参数即可，可以节省大量的参数设置时间. 图7: 块库、例程、英文手册和软件注册的文件夹位置图8:例程(注:当找不到例程时可以通过”Browse.”按钮来进行查找) 图9:功能块库(注:当找不到块库时可以通过”Browse.”按钮来进行查找) 3  配置S7-400 PN-H冗

17、余系统通过CPU集成PN口作为Server进行Modbus TCP通讯下面主要以S7-400 PN-H冗余系统(单边链接)及Modscan32软件为例,介绍如何将S7-400 PN-H冗余系统通过CPU集成PN口配置为Server,Modscan32为Client进行Modbus TCP冗余通讯，其中主要描述一些必要的注意事项和过程步骤，常规的操作步骤请参考下载中心的A0401文档“基于S7-300,400CPU的集成PN口 Modbus TCP通讯快速入门(更新版本V2.4)”，链接如下： 注：Modscan32软件可以从网上免费下载得到，本例中使用的版本为V7.0版，由

18、于各版本的功能不尽相同，因此需要注意版本问题3.1例子中使用的硬件设备及软件  本例中所用的硬件设备如下表：名称数量订货号S7-400电源模块PS 407 10A26ES7407-0KA02-0AA0S7-400 CPU412-5H PN/DP26ES7414-5HK06-0AB0(V6.0.1)S7-400 机架16ES7400-2JA00-0AA0网线若干 笔记本电脑1          表1:服务器硬件清单所用到软件如下表：名称订货号STEP7 V5

19、.5 SP3程软件 英文版 “ModbusTCP PN-CPU V2.4”软件选项包2XV9450-1MB02Modscan32 V7.0      表2:服务器软件清单3.2  服务器项目编程步骤硬件组态完毕后，拷贝服务器例子程序到项目程序中，由于需要在程序(OB1,OB100)调用两次“FB102 ModbusPN”分别做初始化及循环执行使用，因此一些DB、FC块需要进行处理，分别如下：  1）对于链路控制数据块“CONTROL_DAT” 、通信参数设置数据块“MODBUS_PARAM”及F

20、B102的背景数据块 “IDB_MODBUS”需要分别拷贝两个。 2）   在程序中分别创建FC1,FC2,FC3用于OB1中的两个FB102的进程调用，创建FC100、FC101、FC102用于OB100初始化中的两个FB102的进程调用。 3）公用的通信数据区DB11-DB16无需拷贝以保证数据一致性。 创建完毕后如下图10所示：图10:S7-400 PN-H Modbus/TCP服务器编程步骤对于通信参数设置数据块“MODBUS_PARAM”，特别需要注意其中PN-H的TCP连接参数“local_device_id”设置于单站系

21、统不同，其中机架0的CPU设置为W#16#5；而机架1的CPU设置为W#16#15,而参数“id”也必须不同，如下图11所示:图11：PN-H CPU服务器通信参数设置数据块“MODBUS_PARAM” 之后分别在FC2-3及FC102-103中分别调用“FB102 ModbusPN”,注意相应的控制参数DB,背景DB及通信参数数据块都要做相应的调整，如下图12-13所示： 图12 服务器编程FC2中调用“FB102 ModbusPN”(OB1)图13：服务器编程FC3中调用“FB102 ModbusPN”(OB1)3.3 服务器通讯测试 &#

22、160;   下载程序到CPU中，在Step7的项目程序中新建一个变量监控表，插入需要监控的参数和数据区变量，可以看到Modscan32软件与CPU412-5H PN/DP的两个机架CPU的集成PN口均能建立通信，双方可以进行正常的保持寄存器数据读写操作，如下图14所示：图14：modscan32与S7-400 PN-H的两个机架CPU均能建立通信 下面来看一下链路冗余使用的过程，正常情况下通过任何的一个Modscan32窗口(对应IP 0和1)均可以与S7-400 PN-H冗余系统任何一个机架CPU的集成PN

23、口建立通讯，当断开其中的一个链路(比如可以拔掉网线或将CPU转到Stop状态，本例将IP为0断开)，可以看到IP为1链路仍保持正常通讯，从而不影响S7-400 PN-H冗余系统与对方的通讯，另外通过观察各链路连接参数也可监控其连接状态，如下图15所示:图15：通信链路中断测试  4          配置S7-400 PN-H冗余系统CPU集成PN口作为Client进行Modbus TCP通讯 下面以S7-400 PN-H

24、冗余系统及Modbus  Slave软件为例,介绍如何将S7-400 PN-H冗余系统CPU的集成PN口配置为Client,Modbus Slave为Server进行Modbus TCP通讯，其中主要描述一些必要的注意事项和过程步骤，常规的操作步骤请参考下载中心的A0401文档“基于S7-300,400CPU的集成PN口 Modbus TCP通讯快速入门(更新版本V2.4)”，链接如下：4.1例子中使用的硬件设备及软件 本例中所用的硬件设备如下表： 名称数量订货号S7-400电源模块PS 407 10A26ES7407-0KA02-0AA0S7-400

25、CPU412-5H PN/DP26ES7414-3HK06-0AB0(V6.0.1)S7-400 机架16ES7400-2JA01-0AA0网线若干 笔记本电脑1           表5:客户端硬件清单所用到软件如下表： 名称订货号STEP7 V5.5  SP3组态编程软件 英文版 “ ModbusTCP PN-CPU V2.4”软件选项包2XV9450-1MB02Modslave V4.3.0免授权版本可从网上免费获取&#

26、160;    表6:客户端软件清单  4.2  客户端项目编程步骤 硬件组态完毕后，拷贝客户端例子程序到项目程序中，由于需要在程序(OB1,OB100)调用两次“FB102 ModbusPN”分别做初始化及循环执行使用，因此一些DB、FC块需要进行处理，分别如下：1）    对于链路控制数据块“CONTROL_DAT” 、通信参数设置数据块“MODBUS_PARAM”及FB102的背景数据块 “IDB_MODBUS”需要分别拷贝两个。 2） &

27、#160;  在程序中分别创建FC1,FC2,FC3用于OB1中的两个FB102的进程调用，创建FC100、FC101、FC102用于OB100初始化中的两个FB102的进程调用。 3）    公用的通信数据区DB11-DB16无需拷贝以保证数据一致性。 创建完毕后如下图16所示： 图16:S7-400 PN-H Modbus/TCP 客户端编程步骤 对于通信参数设置数据块“MODBUS_PARAM”，特别需要注意其中PN-H的TCP连接参数“local_device_id”设置于单站

28、系统不同，其中机架0的CPU设置为W#16#5；而机架1的CPU设置为W#16#15,而参数“id”也必须不同，如下图17所示:图17：PN-H CPU客户端通信参数设置数据块“MODBUS_PARAM” 之后分别在FC2-3及FC102-103中分别调用“FB102 ModbusPN”,注意相应的控制参数DB,背景DB及通信参数数据块都要做相应的调整，如下图18-19所示： 图18 客户端编程FC2中调用“FB102 ModbusPN”(OB1)图18：客户端编程FC3中调用“FB102 ModbusPN”(OB1)4.3客户端通讯测试下载程序到CPU中，在St

29、ep7的项目程序中新建一个变量监控表，插入需要监控的参数和数据区变量，可以看到Modslave软件与CPU412-5H PN/DP的两个机架CPU的集成PN口均能建立通信，双方可以进行正常的保持寄存器数据读写操作，如下图19所示：图19：modslave与S7-400 PN-H的两个机架CPU均能建立通信 下面来看一下链路冗余使用的过程，正常情况下通过S7-400 PN-H冗余系统任何一个机架CPU的集成PN口(对应IP 0和1)均能够与Modslave窗口建立通信，当断开其中的一个链路(比如可以拔掉网线或将CPU转到Stop状态，本例将I

30、P为0断开)，可以看到IP为1链路仍保持正常通讯，从而不影响S7-400 PN-H冗余系统与对方的通讯，另外通过观察各链路连接参数也可监控其连接状态，如下图20所示:图20：通信链路中断测试 5基于S7-300/400单站系统“ModbusTCP PN-CPU V2.4” 选项包的S7-400 PN-H冗余系统modbus TCP解决方案使用总结 1)       该解决方案由基于S7-300/400单站系统“ModbusTCP PN-CPU V2.4

31、“发展而来，因此当应用于实际项目工程时，需要购买2套以获取2个S7-400 PN-H机架CPU的捆绑授权，如果未安装授权，软件包将工作在Demo模式，Demo版将会有通信时长限制，48小时后自动 断开，另外CPU的SF灯也会闪烁，诊断缓冲区提示W#16#A090,提示未安装授权，如下图21所示:图21：未安装授权时提示A090错误2)       本文档之后附带 Step7 Demo程序，供用户参考，Demo版本仅能用于测试，不能用于工程目的。 更多关于S7 Open Modbus/TCP

32、60;通讯的详细信息请参考西门子Industrial IT部门的以下连接：   更多关于Modbus TCP的相关信息请参考FAQ :“如何从SIMATIC建立OPEN MODBUS /TCP 通信，以及在哪可以找到更多信息?”  为了便于大家测试，同时提供演示版程序，参见如下链接：Demo_Mb_tcp_pn-h_RED.zip (488 KB) ( 488 KB )  附表一CPU集成PN口进行Modbus TCP通讯FB输出常见故障代码及处理STATUS(Hex)故障原因处理措施参数STATUS_MODBUS

33、代码含义A001数据块DB(MODBUS_PARAM)长度过短修改DB长度A002参数END_x小于Start_x修改参数END_x大于Start_xA003Modbus地址映射的DB块的数据区长度太短，最低长度:-寄存器:(START_ADDRESS  start_x + LENGTH) * 2-位(START_ADDRESS  start_x + LENGTH) / 8其他可能的原因:·参数初始化错误(CPU为Client时)·客户端请求报文时错误的地址区域(CPU为Server时)扩展DB区域当CPU为Client时：修改参数S

34、TART-ADRESS或者LENGTH当CPU为Server时：修改客户端的请求A004仅在CP为Client时才有此故障：参数DATA_TYPE及WRITE_READ设置不匹配，不可能对输入寄存器或离散输入进行写操作修改此两个参数A005CP为Client时：参数LENGTH设置无效CP为Server时：Client请求的寄存器号无效,合法的数据类型范围如下:读线圈/离散输入: 1 to 2000写线圈: 1 to 1968读寄存器: 1 to 125写保持寄存器: 1 to 123CPU为Client时：修改参数LENGTHCPU为Server时：修改Client请求的寄存器地址A006C

35、P为客户端时：数据区1-8中对应的Modbus地址范围(DATA_TYPE,START_ADDRESS和 LENGTH)不存在CP为服务器时：客户端请求的报文不正确CPU为Client时：修改参数DATA_TYPE,START-ADRESS或者LENGTHCPU为Server时：修改Client 请求或修改参数data_type_xA007CPU为Client时：参数RECV_TIME或CONN_TIME时间设置无效，RECV_TIME最少20ms, CONN_TIME为100ms修改此两参数A009仅在CPU为Client时发生，标示符TI与发送方不一致，连接中断修正通讯

36、伙伴的报文A00ACPU为Client时：接收参数UNIT 与发送的不一致A00BCPU为Client时：接收与发送功能码不一致CPU为Server时：无效的功能码被接收CPU为Client时：检查通讯伙伴的数据报文格式CPU为Server时：注意FB MODBUSPN仅支持功能码FC01，02，03，04，05，06、15，16A00C接收到的字节长度与寄存器地址+不匹配，连接中断检查通讯伙伴的数据报文格式 A00D仅在CPU 为Client 时发生:响应的MODBUS寄存器地址与请求的不一致A00EMODBUS报文报头的长度与寄存器地址不匹配，FB将

37、忽略A00F非0的协议标示符被接收,通讯中断A010参数DB1-DB8中有重复使用的DB块修改为单独的DBA011参数DATA_TYPE设置无效(范围为1-4)修改该参数A012数据区参数data_type_1和data_type_2设置重叠 统一类型的寄存器地址不能有叠加情况A013数据区参数data_type_1和data_type_3设置重叠A014数据区参数data_type_1和data_type_4设置重叠A015数据区参数data_type_1和data_type_5设置重叠A016数据区参数data_type_1和data_type_6设置重叠A017数据区参数dat

38、a_type_1和data_type_7设置重叠A018数据区参数data_type_1和data_type_8设置重叠A019当参数data_type_x设置不为0时，db_x被赋值0DB块号不能为0A01AModbus报头中错误的长度(1-253字节有效)检查通讯伙伴的数据报文格式A01FFB MODBUSPN处于无效的连接状态联系产品支持A023数据区参数data_type_2和data_type_3设置重叠 统一类型的寄存器地址不能有叠加情况 A024数据区参数data_type_2和data_type_4设置重叠A025数据区参数data_type_2和data_

39、type_5设置重叠A026数据区参数data_type_2和data_type_6设置重叠A027数据区参数data_type_2和data_type_7设置重叠A028数据区参数data_type_2和data_type_8设置重叠A034数据区参数data_type_3和data_type_4设置重叠A035数据区参数data_type_3和data_type_5设置重叠A036数据区参数data_type_3和data_type_6设置重叠A037数据区参数data_type_3和data_type_7设置重叠A038数据区参数data_type_3和data_type_8设置重叠A0

40、45数据区参数data_type_4和data_type_5设置重叠A046数据区参数data_type_4和data_type_6设置重叠A047数据区参数data_type_4和data_type_7设置重叠A048数据区参数data_type_4和data_type_8设置重叠A056数据区参数data_type_5和data_type_6设置重叠A057数据区参数data_type_5和data_type_7设置重叠A058数据区参数data_type_5和data_type_8设置重叠A067数据区参数data_type_6和data_type_7设置重叠A068数据区参数data_

41、type_6和data_type_8设置重叠A078数据区参数data_type_7和data_type_8设置重叠A079参数ID在DB(MODBUS_PARAM)中未定义修改参数IDA07A无效的参数ID(ID值范围为1-4095)A07B参数ID在DB(MODBUS_PARAM)中存在2次修改DB块DB(MODBUS_PARAM)A07C参数data_type_x无效(范围1-4)A07D参数data_type_1未定义，data_type_1为缺省的使用数据区，需要定义A07E参数DB_x与DB(MODBUS_PARAM)或FB102的背景DB号冲突A07FFB102接口参数PARAM_DB错误，非通讯参数DB指定正确的DB给接口参数PARAM_DBA080数据块DB(MODBUS_PARAM)更改但没有执行CPU重起数据块DB(MODBUS_PARAM)需要初始化，当更改时需要CPU重起A081CP为Client且使用FC05功能码时:接收的线圈状态与发送不一致通过抓包工具来分析和修正通讯伙伴的报文A082CP为Client且使用FC06功能码时:接收的寄存器值与发送不一致通