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PLC-S7-200 SMART ModbusRTU

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本科PLC原理及应用课程——课程实验报告

实验目的

  1. 掌握Modbus RTU协议应用：
  2. 实现S7-200 SMART作为主站（Master）与从站（Slave）间的串行通信。
  3. 验证PLC对工业设备的标准通信控制能力。
  4. 熟悉西门子Modbus库指令：
  5. 实践MBUS_CTRL、MBUS_MSG（主站）和MBUS_INIT、MBUS_SLAVE（从站）的配置与调用方法。
  6. 构建主从数据交换逻辑：
  7. 主站读取从站保持寄存器（功能码03）和写入线圈（功能码15）的操作。
  8. 从站实现数据响应及I/O映射。
  9. 理解状态机设计：
  10. 通过位标志（M3.0、M3.1等）实现多步骤通信流程控制，避免指令冲突。

实验项目

PLC主从通讯实验，测试和验证两台西门子S7-200 SMART系列PLC之间的数据通信。最终实现了主站对从站的周期性读写轮询（读线圈→写寄存器→读线圈...）。

实验实现的数据交换如下：

  • 主站读从站线圈（10001~10016）→ 存储到VB0（16位=2字节）
  • 主站写5个寄存器到从站40001 → 从站VB0~VB9（5字=10字节）
  • 从站将VW0（VB0+VB1）映射到物理输出QW0

关于Modbus通信

  • Modbus：由 Modicon（现为施耐德电气）在 1979 年开发的开放协议，是工业领域最常用的通信协议之一。
  • RTU（Remote Terminal Unit）：Modbus 的一种传输模式，采用二进制编码，数据传输效率高，相比 ASCII 模式更节省带宽。
  • RS485（EIA-485）是一种工业串行通信标准，定义了物理层的电气特性，用于实现设备间的数字通信。通过差分信号传输，抗干扰能力强。

通信特点

  • 物理层：通常基于 RS-485 或 RS-232 串口，支持半双工通信。

  • 拓扑结构：主从式架构，一个主站（Master）与多个从站（Slave）通信，从站地址范围 1-247。

由于轮询时间、信号干扰、阻抗等因素，实际应用中最多不超过32台。

  • 传输介质：常用屏蔽双绞线，通信距离可达 1200 米（RS-485）。

  • 波特率：常见 9600、19200、38400 等，需主从设备一致。

  • 校验方式：使用 CRC（循环冗余校验）确保数据准确性。

数据模型

Modbus 将数据分为 4 种基本寄存器类型：

  • 0x 线圈（Coil）：布尔值（ON/OFF），可读写，对应 PLC 的输出点（Q）。
  • 1x 离散输入（Discrete Input）：布尔值，只读，对应 PLC 的输入点（I）。
  • 3x 输入寄存器（Input Register）：16 位整数，只读，通常用于传感器数据。
  • 4x 保持寄存器（Holding Register）：16 位整数，可读写，用于配置参数或控制值。

功能码

Modbus 通过功能码指示要执行的操作，常见功能码包括：

  • 01：读线圈状态（0x）
  • 02：读离散输入（1x）
  • 03：读保持寄存器（4x）
  • 04：读输入寄存器（3x）
  • 05：写单个线圈
  • 06：写单个保持寄存器
  • 15：写多个线圈
  • 16：写多个保持寄存器

报文格式

RTU 模式的报文以二进制形式传输，每个字节包含 8 位数据，格式如下：

  • 从站地址（1 字节）：标识接收设备。
  • 功能码（1 字节）：指示操作类型。
  • 数据域（N 字节）：包含寄存器地址、数量或要写入的数据。
  • CRC 校验（2 字节）：用于错误检测。

示例报文： 主站请求读取从站 1 的 40001-40003 保持寄存器： 01 03 00 00 00 03 C5 CD

  • 01：从站地址
  • 03：功能码（读保持寄存器）
  • 00 00：起始地址（40001 对应地址 0x0000）
  • 00 03：读取 3 个寄存器
  • C5 CD：CRC 校验值

S7-200 SMART中的MODBUS

根据西门子官方提供的s7-200_SMART_system_manual_zh-CHS技术手册。

对于通过 CPU 串口进行的 Modbus RTU 通信，STEP 7-Micro/WIN SMART 和 S7-200 SMART CPU 通过包含预组态的子例程和中断例程，使得与 Modbus 设备的通信更为便捷。

  • Modbus寻址：Modbus 地址为五到六位数，包含了数据类型和地址值。所有 Modbus 地址均从 1 开始。

image-20250626001535607

Modbus RTU 主站指令使用如下所示的 Modbus 功能读取或写入特定的 Modbus 地址。Modbus RTU 从站设备必须支持相应的 Modbus 功能，从而读取或写入特定 Modbus 地址。

image-20250626001632259

S7-200 SMART CPU 支持的 Modbus 消息为每条最多 240 个字节（1920 位或 120 个寄存器）的数据。有些从站设备支持的数据可能小于 240 个字节。

Modbus RTU库

MBUS_CTRL/MB_CTRL2 指令用于初始化、监视或禁用 Modbus 通信。

在执行 MBUS_MSG/MB_MSG2 指令前，程序必须先执行 MBUS_CTRL/MB_CTRL2 且不出现错误。该指令完成后，将“完成”(Done) 位置为 ON，然后再继续执行下一条指令。 EN 输入接通时，在每次扫描时均执行该指令。

MBUS_MSG/MB_MSG2 指令，用于启动对 Modbus 从站的请求并处理响应。

EN 输入和 First 输入同时接通时，MBUS_MSG/MB_MSG2 指令会向 Modbus 从站发起主站请求。发送请求、等待响应和处理响应通常需要多个 PLC 扫描时间。EN 输入必须接通才能启用发送请求，并且必须保持接通状态，直到指令为 Done 位返回接通。

某一时间只能有一条 MBUS_MSG 或 MB_MSG2 指令处于激活状态。如果程序启用多条 MBUS_MSG 指令或多条 MB_MSG2 指令，则 CPU 将处理第一条 MBUS_MSG 指令或 MB_MSG2 指令，所有后续 MBUS_MSG 或 MB_MSG2 指令将中止并生成错误代码 6。

MBUS_INIT 指令用于启用，初始化或禁用 Modbus 通信。

在使用 MBUS_SLAVE 指令之前，必须先无错误地执行 MBUS_INIT。该指令完成后，立即置位“ 完成”(Done) 位，然后继续执行下一条指令。 EN 输入接通时，会在每次扫描时执行该指令 。

MBUS_SLAVE 指令用于处理来自 Modbus 主站的请求，并且必须在每次扫描时执行 ，以便检查和响应 Modbus 请求。

电气原理图

image-20250625220821949

  • 使用RS485 通信端子线对两台PLC进行串口连接，实验中所使用的是引脚3和引脚8。

S7-200 SMART CPU 上的 RS485 通信端口是 RS485 兼容的九针超小 D 型连接器，符合欧洲标准 EN 50170 中定义的 PROFIBUS 标准。下表列出了为通信端口提供物理连接的连接器，并介绍了通信端口的引脚分配。

image-20250626130057144

Modbus主站程序

LAD STL 说明
image-20250625222533457 LD Always_On:SM0.0
= L60.0
LD Always_On:SM0.0
= L63.7
LD L60.0
CALL MBUS_CTRL:SBR1, L63.7, 9600, 2, 0, 1000, M0.0, MB1		 初始化Modbus主站通信参数
M0.0：初始化完成标志（1=成功）
MB1：错误代码（0=无错误）
参数：Baud=9600，Parity=2（偶校验），Timeout=1000ms
image-20250625222553126 LD First_Scan_On:SM0.1
S M3.0, 1
R M3.1, 2		 程序启动时初始化状态机
M3.0=1：触发读操作 M3.1/M3.2=0：复位其他状态
image-20250625222622892 LD M3.0
O M3.1
= L60.0
LD M3.0
EU
LD M3.1
EU
OLD
= L63.7
LD L60.0
CALL MBUS_MSG:SBR2, L63.7, 3, 0, 10001, 16, &VB0, M0.1, MB2		 读取从站数据
Slave=3（从站地址）
RW=0（读操作）
Addr=10001（Modbus线圈起始地址）
Count=16（读取16个线圈状态）
DataPtr=&VB0（数据存储到VB0开始的区域）
M0.1：操作完成标志 MB2：错误代码
状态机：M3.0触发读请求，完成后通过后续逻辑切换到写操作。
image-20250625222655884 LD M0.1
R M3.0, 1
R M3.1, 1
R M0.2, 1
S M3.2, 1		 读写状态切换
读取操作完成后：
清除读状态（M3.0=0）
激活写状态（M3.2=1）
image-20250625222749032 LD M3.2
= L60.0
LD M3.2
EU
= L63.7
LD L60.0
CALL MBUS_MSG:SBR2, L63.7, 3, 1, 40001, 5, &VB10, M0.2, MB3		 向从站写入数据
RW=1（写操作）
Addr=40001（保持寄存器起始地址）
Count=5（写入5个寄存器）
DataPtr=&VB10（数据来源为VB10~VB19）
M0.2：写操作完成标志
MB3：错误代码
image-20250625222804340 LD M0.2
R M3.2, 1
R M0.1, 1
S M3.1, 1		 写操作完成后重新激活读状态（M3.1=1），形成持续轮询

Modbus从站程序

LAD STL 说明
image-20250625223115935 LD First_Scan_On:SM0.1
CALL MBUS_INIT:SBR1, 1, 3, 9600, 2, 0, 0, 256, 16, 100, &VB0, M10.0, MB11		 初始化为从站（地址=3）
Mode=1（从站模式）
Addr=3（从站地址）
Baud=9600，Parity=2（偶校验）
Delay=0，Timeout=100ms
&VB0：保持寄存器起始地址（对应主站40001）
M10.0：初始化状态
MB11：错误代码
image-20250625223138631 LD Always_On:SM0.0
CALL MBUS_SLAVE:SBR2, M10.1, MB12		 持续处理Modbus请求
M10.1：请求处理状态
MB12：错误代码
image-20250625223200115 LD Always_On:SM0.0
MOVW VW0, QW0		 将保持寄存器VW0（VB0+VB1）映射到物理输出端子
主站写入40001会影响VW0，进而控制PLC的实际输出。
  • 主从站波特率（9600）、校验（偶校验）、从站地址（3）需要保持一致。
  • 主站读地址10001对应从站线圈，写地址40001对应从站VB0开始的保持寄存器。

主从通信交互流程图

sequenceDiagram
    participant 主站
    participant 从站

    主站->>从站: 1. 端口初始化(MBUS_CTRL)
    从站-->>主站: 响应初始化完成

    loop 数据交换循环
        主站->>从站: 2. 读请求(MBUS_MSG)<br>功能码03: 读10001-10016
        从站-->>主站: 返回从机输入映像寄存器数据

        主站->>从站: 3. 写请求(MBUS_MSG)<br>功能码15: 写40001线圈
        从站-->>主站: 确认写入成功

        从站->>从站: 4. 实时更新输出<br>MOVW VW0→QW0
    end

心得体会

本次基于西门子S7-200 SMART PLC的ModbusRTU通信实验，使我深入理解了工业现场总线协议的实际应用与PLC主从站协同工作机制。通过PLC课程实验，使我入门了解了基础的PLC程序设计与编写的过程。

这里，笔者就PLC与单片机开发的差异谈谈一些自己的理解与观点。

在PLC程序设计中，LAD是工业控制领域专用语言，将物理继电器符号数字化（如| |表示常开触点），让电气工程师无需编程基础即可设计逻辑，其设计思想是图形化继电器逻辑。梯形图的这种特性，让电气工程师无需编程基础即可设计逻辑，降低工业控制逻辑的实现门槛。但对于软件工程师来说，这种逻辑思维转变是较为抽象且具有一定门槛的。

单片机的开发更加接近传统软件开发的思维，如果学习者学过Python或者其他编程语言，上手单片机C/C++开发十分迅速，并且单片机开发生态目前也在拓展支持Rust、Micro python等开发方式。

以一个定时闪烁点灯任务为例，使用单片机开发（这里指通过硬件抽象层HAL库进行开发，非寄存器开发），逻辑代码在10行以内，且有编程经验的开发者，即使从未接触过单片机开发，也能通过代码注释，完全理解函数含义，理解代码实现的状态逻辑切换。在这种开发模式中，循环判断等基本概念与普通的软件开发并无差别。通过HAL库对单片机进行硬件操作，其体验是与桌面软件开发中调用系统API十分相近的。

而在同样的任务中，PLC编程需要搭建数段梯形图逻辑网络，这种电气工程师思维需要一定时间的学习。对于没有任何电气基础的学习者而言，初次上手仅靠注释读懂逻辑是十分困难的，这种电流流动 → 逻辑结果的开发思维并不比状态迁移 → 硬件动作的开发思维转换更容易。在梯形图学习中，笔者走进过把常开触点当做是逻辑判断的误区，使用梯形图进行复杂的逻辑开发重新学习成本相对更高。且笔者认为在可读性方面，梯形图是没有带来提升的。

网上经常有的一种论调是，PLC开发比单片机开发更容易上手。可能在几年前确实是这样的，单片机开发往往面临硬件碎片化的特点，想要实现简单的功能，都需要编写冗余的寄存器控制程序。但是近年来HAL库（抽象硬件层开发）正在逐步推开，STM32的最新系列都不再支持传统的寄存器和基础库开发。以ST、TI、海思在内MCU厂商都提供了图形化开发界面的支持，国内也有很多厂家在做有关的技术跟进。单片机开发的门槛是在不断降低的，图形化+HAL库使得开发者仅需要鼠标点点确定，就能完成底层硬件的系统配置，从而使得开发者能够专注于逻辑功能的开发实现。在现今的技术背景下，PLC编程并不见得会比单片机更加快速和便捷。

但是话说回来了，在嵌入式开发中，软件开发仅仅只是一部分，单片机开发想要实现具体的功能，离不开对应的硬件电路，缺一不可。PLC是工业场景优化后的单片机系统，专为工业而生，其软硬件架构为可靠性牺牲了部分灵活性，却大幅提升了稳定性。软件上，PLC循环扫描的工作模式，无需考虑时序竞争。硬件上，PLC提供了各种工业级的保护条件（信号隔离/电源冗余设计）。

综上所述，PLC开发与单片机开发其实没有任何可比性（虽然对于在校学生做的实验来说，看起来PLC在做与单片机相同的逻辑开发）。笔者认为PLC的诞生就是工业标准化规范化的产物，提供了一套现场开发的逻辑范式，故PLC与开关电源、各种接线电缆、低压电器等彼此适配，现场维护简单。而单片机开发则更加定制化，需要根据功能是进行硬件设计，单片机开发能裁剪出任何形态，但使用效果取决于持刀者功力。

PLC 与单片机的差异本质上是 “工业标准化” 与 “通用灵活性” 的区别，一个主打工业自动化控制、一个主打消费电子场景。因而在大多数场景下，两者没有对比的必要性。这完全是两种不一样的市场，学习PLC亦或是选择单片机，需要取决于个人的就业选择​。​