CN109450756A - 一种基于SIMATIC S7-200 SMART的ModbusRTU通信程序 - Google Patents

一种基于SIMATIC S7-200 SMART的ModbusRTU通信程序 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于SIMATIC S7‑200 SMART的ModbusRTU通信程序，属于计算机程序技术领域，通过指针间接寻址将不连续的从站设备寄存器Modbus地址通过转换变成连续的Modbus地址，仅使用一条MBUS_MSG指令完成整个轮询工作，通过配置Count参数和DataPtr参数提高CPU的内存利用率。本发明将指针间接寻址和循环嵌套结合应用，极大的减少了编程人员的工作量，大幅缩减程序体积，精简优化的程序故障率更低，更易于调试，编程效率得到显著提高。

Description

一种基于SIMATIC S7-200 SMART的ModbusRTU通信程序
技术领域
本发明涉及一种ModbusRTU通信程序，特别是涉及一种基于SIMATIC S7-200SMART的ModbusRTU通信程序，属于计算机程序技术领域。
背景技术
建筑设施智能化集成管理系统，简称IBFMs，是一套建立在各项建筑智能化子系统之上的开放式的、广泛兼容的信息化集成管理平台，该平台基于设备互联及网络技术将多地域、多楼宇、多系统的建筑设备设施的监测与控制管理集成在一个管理界面上，可分别面向集团总部管理员、区域公司管理员及建筑物业管理员等不同层面提供先进的设备监控、能效提升、业务管理、安全应急管理整体解决方案。
SIMATIC S7-200 SMART是自动化控制产品，S7-200 SMART设计精良且性能可靠，具备强大的通信功能，每个S7-200 SMART CPU都提供一个以太网端口和一个RS485端口，标准型CPU额外支持SB CM01信号板，信号板可通过STEP 7-Micro/WIN SMART软件组态为RS232通信端口或RS485通信端口。
IBFMs系统中有大量的设备，比如热泵机组、新风机组、板换机组等设备的各种状态参数，这些设备需要通过Modbus RTU通信协议接入信息管理平台，现场同样有大量的开关量设备需要分散监管，如各种阀门的状态反馈和输出控制。
S7-200 SMART标准CPU自带的两个RS485端口最大可以挂载64个Modbus从站设备，DI、DO可以采集开关量输入和控制开关量输出，以太网口支持程序上下载和在线监控、Modbus TCP通讯。
使用S7-200 SMART CPU作为Modbus主站访问IBFMs系统中的从站设备需要调用西门子标准Modbus RTU主站协议库指令，以端口0为例，该指令库包含主站初始化指令(MBUS_CTRL)和从站控制指令(MBUS_MSG)，MBUS_MSG指令的数量可以是一条或者多条。
主站初始化指令(MBUS_CTRL)完成后可以开始调用从站控制指令(MBUS_MSG)对从站设备进行读写操作，当从站设备数量较多，每个从站需要访问的地址较多，并且地址不连续时通常需要调用多条MBUS_MSG指令来完成读写操作，由于某一时间只能有一条MBUS_MSG指令处于激活状态，因此通常使用当前MBUS_MSG指令的“读写功能完成位:Done”来作为下一条MBUS_MSG“使能:EN”的触发条件。由于需要循环使能所有MBUS_MSG指令以便访问所有从站的所有地址，因此使用最后一条MBUS_MSG指令的“读写功能完成位:Done”来作为第一条MBUS_MSG“使能:EN”的触发条件。
这种通信方式固然能够完成通信工作，但是只适用于从站数量较少，并且从站需要访问的寄存器数量较少的情况，当从站设备数量较多，每个从站需要访问的寄存器较多，并且这些寄存器的地址不连续时这种通信方式就存在如下三个缺陷：1)编程工作量巨大；2)CPU内存利用率低，存储方式不合理；3)通信速率低。
例如有24个从站需要被循环访问，每个从站有6个寄存器需要被读取，其Modbus地址分别为40002、40003、40005、40016、40017、40019，基于MBUS_MSG指令的工作原理，可以使用以下两种配置方式完成通信，同样通过这两种通信方式分析其缺陷：
1)为每个从站分配4条MBUS_MSG指令，累计使用96条MBUS_MSG指令；读取寄存器40002、40003使用一条MBUS_MSG指令，读取寄存器40005使用一条MBUS_MSG指令，读取寄存器40016、40017使用一条MBUS_MSG指令，读取寄存器40019使用一条MBUS_MSG指令；以第一个从站为例，寄存器Modbus地址和CPU内存地址映射关系如图1A，由于这6个寄存器的数据被连续有序的存储在CPU内存中，内存利用率为100％，但是编程工作量和程序体积较大；首先必须为每一条MBUS_MSG指令分配EN和Done以及Error的存储空间，这些存储空间严禁重复和交叉引用，这是整个轮询能够正常进行的前提条件；在编程时再将这些地址配置给每条MBUS_MSG指令的各个管脚，这项工作内容需要机械的重复96次，如果每个从站的寄存器数量是10个甚至20个，那类似的编程工作量将成倍增加，这使得编程效率下降，程序故障率升高，程序的体积也会随之增加，后期难以维护更新。
2)为每个从站分配一条MBUS_MSG指令，累计使用24条MBUS_MSG指令；每条指令都是从当前从站的Modbus地址为40002开始的寄存器读取数据，一次性读取18个寄存器的数据，依次存储在DataPtr指向的18个内存单元中；以第一个从站为例，寄存器Modbus地址和CPU内存地址映射关系如图1B，从图1B中可以发现大量无关的数据被读取存储在CPU内存单元中，仅VW1000、VW1002、VW1006、VW1028、VW1030、VW1034这6个内存单元的数据是我们需要的数据，其余12个内存单元被重复循环存储着无关的数据，这12个内存单元不能再被其他程序使用，否则会出现数据混乱，程序故障的现象；使用该通信方式虽然指令数为24条，编程工作量相对较少，但是CPU的内存利用率仅为30％，并且存储这些有效数据的CPU内存地址也分散，程序中二次寻址和使用相当麻烦，极易出错。
3)通信速率低，随着MBUS_MSG指令数量的增加，通信速率和质量呈反比下降，这个缺陷在实例测试中证实。
在实际项目应用中，使用SIMATIC S7-200 SMART通过Modbus RTU访问多从站多寄存器的案例相当常见，如何在减少编程工作量，减少程序体积，优化CPU内存利用率，优化CPU存储结构，提高通信速率的前提下完成通信工作意义重大。
发明内容
本发明的主要目的是为了提供一种应用于IBMS系统基于SIMATIC S7-200 SMART指针间接寻址的能够适应从站数量较多、从站寄存器数量较多、从站寄存器地址不连续的ModbusRTU通信程序，使编程效率更高、CPU内存利用率更高、存储分配更合理、通信效率更高。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种基于SIMATIC S7-200 SMART的ModbusRTU通信程序，通过指针间接寻址将不连续的从站设备寄存器Modbus地址通过转换变成连续的Modbus地址，仅使用一条MBUS_MSG指令完成整个轮询工作，通过配置Count参数和DataPtr参数提高CPU的内存利用率。
进一步的，该基于SIMATIC S7-200 SMART的ModbusRTU通信程序，包括如下步骤：
步骤1：在SIMATIC S7-200 SMART的内存中开辟存储空间；
步骤2：创建一个Modbus地址指针，把前面开辟的存储空间赋值给此Modbus地址指针，创建一个CPU内存地址指针；
步骤3：创建两个计数器，分别为内循环计数器和外循环计数器；
步骤4：将创建的Modbus地址指针配置给MBUS_MSG指令，将创建的CPU内存地址指针配置给MBUS_MSG指令；
步骤5：启动MBUS_MSG指令，对某个从站的某个寄存器执行一次读取或者写入操作；
步骤6：将Modbus地址指针加4，将CPU内存地址指针加2，内循环计数器加1；
步骤7：访问下一个寄存器，重复步骤6后再次执行步骤7，如此循环，直到当前从站的所有寄存器访问完毕，再次重复以上的步骤5至步骤7，直到当前从站的所有寄存器访问完毕，如此循环直到访问完所有从站的所有寄存器。
进一步的，步骤1中，在SIMATIC S7-200 SMART的内存中开辟出一块连续的存储空间，以双字大小为一个单元，然后把这些离散的设备寄存器Modbus地址有序的存储在S7-200 SMART的这些双字内存单元中。
进一步的，步骤2中，创建一个Modbus地址指针，把前面开辟的双字单元的第一个单元内存地址赋值给此Modbus地址指针，此时该Modbus地址指针指向了第一个双字单元，创建一个CPU内存地址指针，用于指示读取或者写入从站数据的CPU内存单元。
进一步的，步骤3中，创建两个计数器，一个用于当前从站已访问寄存器数量的计数，记为内循环计数器，另一个用于已访问从站设备数量的计数，记为外循环计数器。
进一步的，步骤4中，将创建的Modbus地址指针配置给MBUS_MSG指令的参数Addr，将创建的CPU内存地址指针配置给MBUS_MSG指令的参数DataPtr，Count配置为1。
进一步的，步骤6中，将Modbus地址指针加4，用于指向另一个CPU内存单元，间接寻址后得到下一个离散的寄存器Modbus地址，将CPU内存地址指针加2，为下一次读写操作指明存储区域，内循环计数器加1。
进一步的，步骤7中，访问下一个寄存器，重复步骤6后再次执行步骤7，如此循环，直到当前从站的所有寄存器访问完毕，此时外循环计数器加1，表示当前从站已经访问完毕，可以访问下一个从站的寄存器，此时需要把Modbus地址指针初始化，重新指向双字单元的第一个存储空间，间接寻址后得到第一个寄存器的Modbus地址，还需要把内循环计数器清零，用于统计当前从站寄存器访问数量，再次重复以上的步骤5至步骤7，直到当前从站的所有寄存器访问完毕，如此循环直到访问完所有从站的所有寄存器。
进一步的，完成一轮完整的从站轮询，为了能够重复循环的访问所有从站的所有寄存器，把Modbus地址指针初始化、CPU内存地址指针初始化、内循环计数器清零和外循环计数器清零，然后再次循环步骤5至步骤7，按照先执行内循环访问当前从站的所有寄存器，再执行外循环访问下一个从站的顺序完成对整个轮询通信操作。
本发明的有益技术效果：
1、本发明提供的基于SIMATIC S7-200 SMART的ModbusRTU通信程序，将指针间接寻址和循环嵌套结合应用，极大的减少了编程人员的工作量，大幅缩减程序体积，精简优化的程序故障率更低，更易于调试，编程效率得到显著提高。
2、本发明提供的基于SIMATIC S7-200 SMART的ModbusRTU通信程序，通过有序的规范化的数据存储，极大的提高了S7-200 SMART CPU内存空间的率用率，并且合理有序的存储数据同样便于数据的二次寻址应用。
3、本发明提供的基于SIMATIC S7-200 SMART的ModbusRTU通信程序，显著的提高了轮询的通信效率和通信质量，对比传统轮询通信方式，通信速率提高50％以上。
附图说明
图1A为现有技术中寄存器Modbus地址和CPU内存地址映射关系图；
图1B为现有技术中寄存器Modbus地址和CPU内存地址映射关系图；
图1C为现有技术中传统通信方式实际测试的结果；
图2为按照本发明的基于SIMATIC S7-200 SMART的ModbusRTU通信程序的一优选实施例的程序执行流程图；
图3为按照本发明的基于SIMATIC S7-200 SMART的ModbusRTU通信程序的一优选实施例的MBUS_MSG指令的参数配置图；
图4为按照本发明的基于SIMATIC S7-200 SMART的ModbusRTU通信程序的一优选实施例的寄存器Modbus地址和CPU内存地址映射关系图；
图5为按照本发明的基于SIMATIC S7-200 SMART的ModbusRTU通信程序的一优选实施例的指针间接寻址通信方式实际测试结果图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图2所示，本实施例提供的基于SIMATIC S7-200 SMART的ModbusRTU通信程序，通过指针间接寻址将不连续的从站设备寄存器Modbus地址通过转换变成连续的Modbus地址，仅使用一条MBUS_MSG指令完成整个轮询工作，通过配置Count参数和DataPtr参数提高CPU的内存利用率，具体包括如下步骤：
步骤1：在SIMATIC S7-200 SMART的内存中开辟存储空间；
步骤2：创建一个Modbus地址指针，把前面开辟的存储空间赋值给此Modbus地址指针，创建一个CPU内存地址指针；
步骤3：创建两个计数器，分别为内循环计数器和外循环计数器；
步骤4：将创建的Modbus地址指针配置给MBUS_MSG指令，将创建的CPU内存地址指针配置给MBUS_MSG指令；
步骤5：启动MBUS_MSG指令，对某个从站的某个寄存器执行一次读取或者写入操作；
步骤6：将Modbus地址指针加4，将CPU内存地址指针加2，内循环计数器加1；
步骤7：访问下一个寄存器，重复步骤6后再次执行步骤7，如此循环，直到当前从站的所有寄存器访问完毕，再次重复以上的步骤5至步骤7，直到当前从站的所有寄存器访问完毕，如此循环直到访问完所有从站的所有寄存器。
在某IBMS系统单元楼内有24个露点控制器需要通信，考虑到布线成本和施工难度不使用星型网络拓扑结构，而采用“手拉手”串联的总线形式接入S7-200 smart CPU端口0，物理层为RS485，每个控制器需要访问的寄存器单元都是相同的(40005＝温度设定值、40016＝干球温度实测值、40017＝相对湿度实测值、40019＝露点温度值)。
如图2所示，考虑到实际测试环境和测试设备，本实施例现使用4个露点控制器作为实验对象接入S7-200 smart CPU的端口0。4个露点控制器累计有16个Modbus寄存器需要访问，设备的从站地址从6到9，使用西门子官方提供的Modbus库指令对S7-200 smart CPU进行编程，本实施例仅使用一条MBUS_MSG指令，使用指针间接寻址和双循环结合，以实现对16个寄存器的高速高效访问，程序执行流程如图2，该流程图大体反应了程序的执行过程。
程序开始需要做初始化，初始化分为两种，一种是供电初始化，一种是用户需求初始化，通信初始化的部分内容为：
1.从站地址变量VB20赋值为6，每次轮询都是从6号从站开始访问；
2.把从站需要被访问的寄存器Modbus地址存入S7-200 smart CPU中连续的内存单元：V40＝40005、VD44＝40016、VD48＝40017、VD52＝40019；
3.Modbus地址指针初始化，将双字单元VD40的第一个字节VB40的内存地址(16#08000028)存放在Modbus地址指针VD22中，此时Modbus地址指针VD22指向了内存单元VB40；
4.CPU内存地址指针初始化，将字单元VW1000的第一个字节VB1000的内存地址(16#080003E8)存放在S7-200 smart CPU内存指针VD28中，此时该内存地址指针指向了CPU的内存单元VB1000。
如图3和图4所示，主站(S7-200 smart CPU)初始化完成后启动通讯，开始访问从站。MBUS_MSG指令的参数配置为：
Slave＝VB20、RW＝0、Addr＝*VD22、Count＝1、DataPtr＝VD28,如图3。在访问第一个从站的第一个寄存器时，几个重要参数为：Slave＝6、Addr＝40005、DataPtr＝&VB1000，其中参数Addr和参数DataPtr都是通过指针间接寻址得到。
在完成此次访问后，首先需要对MBUS_MSG指令的启动位进行复位，即复位M24.0，然后将Modbus地址指针VD22加4，即VB40的内存地址(16#08000028)加4得到VB44的内存地址(16#0800002C)，用于指向下一个内存单元VD44。
将CPU内存指针VD28加2，即VB1000的内存地址(16#080003E8)加2得到VB1002的内存地址(16#080003EA)，用于指向下一个内存单元VW1002。
内循环计数器VW32加1。再次启动MBUS_MSG指令访问当前从站的下一个寄存器，此时Addr＝40016、DataPtr＝&VB1002。参数Addr已通过指针间接寻址得到了第二个寄存器的Modbus地址，从该寄存器读取的数据将存储在VW1002中，内循环计数器VW32再次加1。
当VW32计数到4表明当前从站的所有寄存器访问完毕，当前从站的内循环结束，需要进入外循环，开始访问下一个从站。
此时需要再次把Modbus地址指针VD22初始化，用于指向下一个从站的第一个寄存器Modbus地址。
CPU内存指针VD28不需要处理，因为当前从站的数据是接着上一个从站连续存储的。
内循环计数器需要清零。
然后重复上面的操作，以访问当前从站的所有寄存器。
当外循环计数器(从站地址变量)VB20计数到10时，说明所有从站的所有寄存器都已经访问完毕，此番通信结束，4个从站的16个寄存器数据被有序连续的存储在CPU内存单元VW1000至VW1030这段区域中。
此时需要初始化所有通信参数，以便开启新一轮的轮询。本实施例的寄存器Modbus地址和CPU内存地址映射关系如图4。
如图5所示，为测试传统通信方式和指针间接寻址通信方式的效率差异，现统计每100次轮询所用时间(T)，再计算出单次轮询所用时间的平均值(T/100)，累计采样20组平均值，20组平均值存储在VW2000到VW2038这段内存单元中，传统通信方式实际测试结果如图1C，指针间接寻址通信方式实际测试结果图5。对比传统通信方式和指针间接寻址方式，后者通信效率提高61.12％。
综上所述，在本实施例中，本实施例提供的基于SIMATIC S7-200 SMART的ModbusRTU通信程序，将指针间接寻址和循环嵌套结合应用，极大的减少了编程人员的工作量，大幅缩减程序体积，精简优化的程序故障率更低，更易于调试，编程效率得到显著提高；通过有序的规范化的数据存储，极大的提高了S7-200 SMART CPU内存空间的率用率，并且合理有序的存储数据同样便于数据的二次寻址应用；显著的提高了轮询的通信效率和通信质量，对比传统轮询通信方式，通信速率提高50％以上。
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于SIMATIC S7-200SMART的ModbusRTU通信程序，其特征在于，通过指针间接寻址将不连续的从站设备寄存器Modbus地址通过转换变成连续的Modbus地址，仅使用一条MBUS_MSG指令完成整个轮询工作，通过配置Count参数和DataPtr参数提高CPU的内存利用率。
2.根据权利要求1所述的一种基于SIMATIC S7-200SMART的ModbusRTU通信程序，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在SIMATIC S7-200SMART的内存中开辟存储空间；
步骤2：创建一个Modbus地址指针，把前面开辟的存储空间赋值给此Modbus地址指针，创建一个CPU内存地址指针；
步骤3：创建两个计数器，分别为内循环计数器和外循环计数器；
步骤4：将创建的Modbus地址指针配置给MBUS_MSG指令，将创建的CPU内存地址指针配置给MBUS_MSG指令；
步骤5：启动MBUS_MSG指令，对某个从站的某个寄存器执行一次读取或者写入操作；
步骤6：将Modbus地址指针加4，将CPU内存地址指针加2，内循环计数器加1；
步骤7：访问下一个寄存器，重复步骤6后再次执行步骤7，如此循环，直到当前从站的所有寄存器访问完毕，再次重复以上的步骤5至步骤7，直到当前从站的所有寄存器访问完毕，如此循环直到访问完所有从站的所有寄存器。
3.根据权利要求2所述的一种基于SIMATIC S7-200SMART的ModbusRTU通信程序，其特征在于，步骤1中，在SIMATIC S7-200SMART的内存中开辟出一块连续的存储空间，以双字大小为一个单元，然后把这些离散的设备寄存器Modbus地址有序的存储在S7-200SMART的这些双字内存单元中。
4.根据权利要求3所述的一种基于SIMATIC S7-200SMART的ModbusRTU通信程序，其特征在于，步骤2中，创建一个Modbus地址指针，把前面开辟的双字单元的第一个单元内存地址赋值给此Modbus地址指针，此时该Modbus地址指针指向了第一个双字单元，创建一个CPU内存地址指针，用于指示读取或者写入从站数据的CPU内存单元。
5.根据权利要求4所述的一种基于SIMATIC S7-200SMART的ModbusRTU通信程序，其特征在于，步骤3中，创建两个计数器，一个用于当前从站已访问寄存器数量的计数，记为内循环计数器，另一个用于已访问从站设备数量的计数，记为外循环计数器。
6.根据权利要求5所述的一种基于SIMATIC S7-200SMART的ModbusRTU通信程序，其特征在于，步骤4中，将创建的Modbus地址指针配置给MBUS_MSG指令的参数Addr，将创建的CPU内存地址指针配置给MBUS_MSG指令的参数DataPtr，Count配置为1。
7.根据权利要求6所述的一种基于SIMATIC S7-200SMART的ModbusRTU通信程序，其特征在于，步骤6中，将Modbus地址指针加4，用于指向另一个CPU内存单元，间接寻址后得到下一个离散的寄存器Modbus地址，将CPU内存地址指针加2，为下一次读写操作指明存储区域，内循环计数器加1。
8.根据权利要求7所述的一种基于SIMATIC S7-200SMART的ModbusRTU通信程序，其特征在于，步骤7中，访问下一个寄存器，重复步骤6后再次执行步骤7，如此循环，直到当前从站的所有寄存器访问完毕，此时外循环计数器加1，表示当前从站已经访问完毕，可以访问下一个从站的寄存器，此时需要把Modbus地址指针初始化，重新指向双字单元的第一个存储空间，间接寻址后得到第一个寄存器的Modbus地址，还需要把内循环计数器清零，用于统计当前从站寄存器访问数量，再次重复以上的步骤5至步骤7，直到当前从站的所有寄存器访问完毕，如此循环直到访问完所有从站的所有寄存器。
9.根据权利要求8所述的一种基于SIMATIC S7-200SMART的ModbusRTU通信程序，其特征在于，完成一轮完整的从站轮询，为了能够重复循环的访问所有从站的所有寄存器，把Modbus地址指针初始化、CPU内存地址指针初始化、内循环计数器清零和外循环计数器清零，然后再次循环步骤5至步骤7，按照先执行内循环访问当前从站的所有寄存器，再执行外循环访问下一个从站的顺序完成对整个轮询通信操作。
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