简述西门子PLC的S7-1200的MODBUS/TCP通信的客户端及服务器设置
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摘要：MODBUS/TCP是MODBUS 通讯中的一种以太网通讯方式，MODBUS/TCP通讯对使用硬件要求低，应用广泛。西门子PLC的S7-200可以设置为MODBUS/TCP通信方法，其中使用了两个MODBUS/TCP命令“MB_CLIENT”指令和“MB_SERVER”指令，它们分别将PLC设置MODBUS客户端和MODBUS服务器，本文重点介绍这两个命令的设置方法。
Abstract： MODBUS/TCP is an Ethernet communication method in MODBUS communication. MODBUS/TCP communication has low hardware requirements and a wide range of uses. The Siemens PLC S7-1200 can be set to the MODBUS/TCP communication method， in which two MODBUS/TCP commands "MB_CLIENT" and "MB_SERVER" are used， which respectively set the PLC as a MODBUS client for industrial robots and MODBUS server for MES manufacturing process execution and management system. This paper focuses on the setting methods of these two commands.
关键词：MODBUS/TCP;S7-1200;客户端;服务器
Key words： MODBUS/TCP;S7-1200;client;server
中图分类号：TP368.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）30-0204-03
0 引言
自动化系统包括多种通讯协定，它们是可以应用于工业控制器上的通用语言。通过多种协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它们有一定的成为工业标准。有了它们，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。
常见的通讯协定，例如三菱PLC常用的CC-LINK，西门子常用的PROFIBUS和PROFINET IO通讯方式，施耐德公司的MODBUS通讯方式，等等。西门子PLCS7-1200CPU可以使用的一种通讯方式是MODBUS/TCP方式，在西门子CPU中它是结合了MODBUS通讯方式和PROFINET通讯方式，可以使用PROFINET通讯来连接MODBUS客户端或服务器。
在工业4.0信息技术产业时代的大背景下，借助互联网或其他网络，变革了全新的智能制造模式，网络下单点单按需生产制造模式成为工业制造发展趋势。MES制造企业生产过程执行管理系统可以成为其中的一环，结合西门子S7-1200CPU控制器，以及工业4.0必备的工业机器人搬运机构、料库机构、机床生产机构共同组成智能化生产体系，本文中它们之间的主要通讯方式采用MODBUS/TCP通讯方式。
1 Modbus 协议的简单介绍
Modbus 协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它是一种集散控制，工业控制器可以通过连网进行MODBUS通讯，它服从工业控制器网络协议，是公开发表的，对外开放，易于操作，是工业控制设备之间比较常用的通讯方式。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。
当在一MODBUS网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用MODBUS协议发出。在其它网络上，包含了MODBUS协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。
标准的MODBUS网络通信，能设置为两种传输模式（ASCII或RTU）中的任何一种，MODBUS/TCP采用了RTU传输模式。当控制器设为在MODBUS网络上以RTU（遠程终端单元）模式通信，在消息中的每个8Bit字节包含两个4Bit的十六进制字符。这种方式的主要优点是：在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据。
2 MES制造企业生产过程执行管理系统
MES系统能根据不同操作者的用户名和密码登陆生成不同系统加工任务，即具有管理用户的功能，并能判别纠错;可以在工作任务中的进行零件的选择以筛选零件类型，并能视具体情况进行零件加工任务的增减;
自动化智能制造系统应实现全自动化机器人生产线，云制造以及基于RFID的智慧工厂。MES系统的任务应包括项目管理、智能设计、智能工艺、智能编程、智能制造、智能测量、OEE设备监控、APS排产等多项业务及功能。
3 搬运工业机器人生产系统
工业机器人作为现代信息工业产业柔性制造系统重要的组成部分，在本例中负责搬运物料在仓库与各机场设备之间，采用的是华中工控机器人，能与PLC使用MODBUS/TCP连接，交换数据，根据PLC提供的数据进行流程判断每步的工作目的，是整个系统的重要执行部分，同时也是系统最主要的控制中心，MES系统在本例中只提供数据，PLC负责各部分的数据信息连接传送，和少量对MES数据的分析，工业机器人负责将PLC输送来的数据，通过流程进行分析，形成仓库产品的加工轨迹，由它来生成整个加工过程的流程图。
4 西门子PLCS7-1200CPU控制系统的选型介绍
本例使用了S7-1200 1215C DC/DC/DC的CPU的PLC，它的性能为有100 KB的工作存储器;24VDC电源，板载DI14x24VDC漏型/源型，DQ10x24VDC及AI2和 AQ2，即14个数字量输入，10个数字量输出，2个模拟量输入和2个模拟量输出;板载6个高速计数器和4个脉冲输出;信号板扩展板载I/O;多达3个通信模块用于串行通信;多达8个信号模块用于I/O扩展;0.04ms/1000条指令;2个PROFINET端口用于编程，HMI和PLC间的通信，本例中通过PROFINET接口连接MODBUS/TCP，作为MODBUS/TCP客户端与工业机器人相连，再作为MODBUS/TCP服务器与MES制造过程管理系统相连接。
5 柔性制造系统MODBUS/TCP的程序实例
西门子PLC在工控方面性能可靠，本文介绍针对S7-1200的在MODBUS/TCP通讯方式，其中主要使用分别了两个指令，“MB_CLIENT”指令负责作为MODBUS/TCP客户端通过S7-1200 CPU的PROFINET连接工业机器人，能进行通信的通讯方式进行主动的连接。使用以太网系统可以在客户端和服务器之间建立连接、发送请求、接收响应并控制Modbus TCP服务器的连接终端。而另一个指令“MB_SERVER”指令作为MODBUS/TCP服务器，通过S7-1200 CPU的PROFINET连接进行通信。“MB_SERVER”指令将处理MODBUS/TCP客户端MES制造企业生产过程执行系统的连接请求、接收MODBUS功能的请求并发送响应，客户端可以对其数据进行访问和更改。使用这两个指令，无需其它任何硬件模块。
第一种“MB_CLIENT”指令，西门子S7-1200为客户端，访问工业机器人数据的MODBUS/TCP通讯方式。
S7-1200读取工业机器人数据：西门子PLC的以太网地址设为192.168.8.1，工业机器人的以太网地址设为192.168.8.2，将机器人内部的地址的1-16号数据（数据可以包括机器人的位置、状态等）送到为机器人与PLC相互通讯时MB_CLIENT中PLC的数据块的的全局数据块DB2的DBW0至DBW30的16个字中，设M50.0的常开触点为PLC读取机器人数据的MODBUS/TCP服务器的通讯请求信号，其程序见图1。
“MB_CLIENT”指令中输入参数 MB_MODE、MB_DATA_ADDR 和 DATA_LEN 与相关 Modbus 功能的关系表如表1。
由表1可知MB_MODE=0、MB_DATA_ADDR=30001、DATA_LEN=16的组合指定MODBUS功能代码为04，从机器人地址读入16个字。
S7-1200向工業机器人写入数据：以太网地址同读取，将全局数据块DB2的DBW32至DBW64（包括存于PLC中其他设备数据，如MES数据，仓库数据，机床数据或命令）写入到工业机器人MODBUS地址中，M50.1的常开触点为PLC写入机器人数据的MODBUS/TCP服务器的通讯请求信号，其程序如图2。
由关系表可以读出，MB_MODE=1、MB_DATA_ADDR
=40001、DATA_LEN=16的组合指定MODBUS功能代码为16，向机器人地址写入16个字。
第二种“MB_SERVER”指令，西门子S7-1200为MODBUS服务器，由MES系统访问PLC数据的MODBUS/TCP通讯方式。本例中我们仅做MES发送命令给PLC的程序，“MB_SERVER”指令本身是可以允许到达的Modbus 功能（1、2、4、5和15）直接读取和写入访问S7-1200 CPU 的过程映像输入和输出，但在本例中我们还是使用全局数据块DB8来实现数据的读写，且由于数据块的读写超过一个字，还是使用Modbus的功能3和16来读写数据块，MB_SERVER指令中的MB_HOLD_REG参数中输入的数据块指针和长度对应了MODBUS客户端从头开始的地址数据，例如MB_HOLD_REG参数写入P#DB8.DBX0.0 WORD 20，则DB8.DBW0对应MES的MODBUS首地址数据，之后共20个字的长度一一对应，见图3。
为了能够对不同状态情况下的不同的数据进行按条件顺序传输，建立一个通讯规则，可以使系统和各个设备之间能有序的进行沟通，按照操作步骤依次进行传输，回应，清零进行周期工作，使传输的数据更可靠，做以下的设置：第一步，先在MES中设置代表不同工作状态的命令码如0为复位，1为启动，2为停止，3为设备运行，将它放入MODBUS首地址中传入DB8.DBW0中，可在后续其他的地址中添加一些设备号，位置等数据信息，这步称为MES发给PLC指令。第二步，将DB8.DBW0的数据传入DB8.DBW10，将DB8.DBW10回传给MES，这步称为PLC响应MES的指令。第三步，MES对回应进行处理，确认命令码正确传输后，送复位用的命令码0给PLC，PLC清除DB8.DBW10，称为MES清除PLC步骤数据，完成某步骤的数据传输共需这三步。以命令码为3的数据传输为例的实际程序如图4。
此程序完成了MES向PLC传输命令码3，PLC回呼MES，MES传回清零码，进行清零的三个步骤，能使数据的传输更加有层次，更可靠。
可靠而方便的通讯方式，使自动化电气设备与设备之间能更灵活的联系起来，MODBUS通讯方式本身使应用比较自由而广泛的，结合MES系统，西门子PLC控制器和工业机器人完成了三者之间的自动化系统通讯联系。可以预计随着移动互联和工业4.0的推进，自动化通讯技术也将不断的发展创新，未来的通讯方式会更广泛，更灵活，更迅速，更准确。
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