西门子模块6ES7221-1EF22-0XA0详细使用

一、概述

很多自动化工程师在实际应用中使用组态软件与PLC进行modbus通讯，组态软件作为主站PLC作为从站。组态软件来采集PLC数据使用这种方式是比较常见的。但是反向的利用modbus协议让PLC去读组态软件里的数据确有着特殊的意义，在某些工控场合也是很好解决方案。紫金桥软件在组态软件行业里首先推出了modbus server，既紫金桥modbus server可以作为modbus从机为其他软件和硬件设备提供数据，在这篇文章中对此功能我们详细地加以介绍。

二、S7-200 Modbus主站的实现

1、S7-200 Modbus 通信协议介绍

Modbus 是一种单主站的主/从通信模式。Modbus 网络上只能有一个主站存在，主站在 Modbus 网络上没有地址，从站的地址范围为 0 - 247，其中 0 为广播地址，从站的实际地址范围为 1 - 247。在 S7-200 CPU 通信口上实现的是 RS485 半双工通信，使用的是 S7-200 的自由口能。S7-200支持 Modbus 通信协议： S7-200 CPU 上的通讯口 0 和 1 （Port 0 和 Port 1）通过指令库支持 Modbus RTU 主站模式。

2、S7-200 Modbus主站的配置

西门子在 Micro/WIN V4.0 SP5 中正式推出 Modbus RTU 主站协议库（西门子标准库指令）。要使用 Modbus RTU 主站指令库，须遵循下列步骤：

⑴安装西门子标准指令库

⑵按照要求编写用户程序调用 Modubs RTU 主站指令库 Modbus RTU 主站功能编程使用 SM0.0 调用 MBUS_CTRL 完成主站的初始化，并启动其功能控制：

具体参数的解释如下：

EN使能：必须保证每一扫描周期都被使能（使用SM0.0)

Mode模式：常为1，使能 Modbus 协议功能；为0 时恢复为系统 PPI 协议

Baud波特率：设为9600，要与从站波特率对应

Parity校验：校验方式选择 0＝无校验

Timeout超时：主站等待从站响应的时间，以毫秒为单位，典型的设置值为1000毫秒（1秒），允许设置的范围为 1－32767。注意：这个值必须设置足够大以保证从站有时间响应。

Done完成位：初始化完成，此位会自动置1。可以用该位启动 MBUS_MSG 读写操作

Error初始化错误代码（只有在 Done 位为1时有效）：

0＝无错误

1＝校验选择非法

2＝波特率选择非法

3＝模式选择非法

⑶调用 Modbus RTU 主站读写子程序MBUS_MSG，发送一个Modbus 请求；

如图1所示，具体参数设置如下：

Slave从站地址：可选择的范围 1－247

RW读写操作：0＝读， 1＝写

注意：1. 开关量输出和保持寄存器支持读和写功能

2. 开关量输入和模拟量输入只支持读功能

Addr读写从站的数据地址：选择读写的数据类型 00001至0xxxx－开关量输出10001至1xxxx－开关量输入

30001至3xxxx－模拟量输入

40001至4xxxx－保持寄存器

Count通讯的数据个数（位或字的个数）

注意： Modbus主站可读/写的大数据量为120个字（是指每一个 MBUS_MSG 指令）

DataPtr数据指针：1. 如果是读指令，读回的数据放到这个数据区中

2. 如果是写指令，要写出的数据放到这个数据区中

Done读写功能完成位

 

图1西门子Modbus RTU 主站协议库

 

三、紫金桥软件Modbus从站的实现

1、紫金桥modbus server的设置

Modbus 服务器可以把紫金桥数据库中的点映射为Modbus 设备的HR 寄存器，当前版本为3.0，支持串口和TCP/IP访问方式，支持HR区的读和写方式。也就是说支持03、06、16 号命令。

具体操作是先在紫金桥软件的安装目录中找到 ModbusSerSet.exe 并运行。其中左侧为变量配置显示区，它分为三列，分别是序号、数据库位号和Modbus 地址。后两列的意义是把某一个数据库位号和一个Modbus 地址建立映射关系。然后再调出系统设置对话框配置从机地址、串口等参数或以太网端口号、数据格式等。

2、通讯过程

配置完成后，先运行紫金桥软件然后在紫金桥软件的安装目录中找到 ModbusServer.exe 并运行。

从上面的通讯过程看到，S7-200与紫金桥modbus server通讯的响应速度为毫秒级的

中央控制单元 ccu(central control unit type 3)
                    
　　ccu是整个系统的核心单元，机车的控制、调节和监视由ccu实施和控制。hxd1机车的ccu采用type 3型32位微处理器，由网关gateway、中央处理器cpu、mvb32－4、电源组成可以实现2台(4节)机车的重联。ccu采用冗余设计，每节车有2个ccu，一个主ccu，另一个为从ccu，结构功能*相同，一个故障后另一个可以继续工作，不影响机车正常运行。
                    
　　ccu的主要功能是为本节机车参数设置存储、本节机车事件记录、重联机车事件显示、整车通讯检测、通过rs232接口读或转储数据，并且作为机车中央控制单元系统软件上载的输入端口。
            
　　3.2 牵引控制单元 tcu(traction control unit)
                    
　　tcu是机车牵引的核心控制单元，由中央处理器模块、存储器模块、斩波器控制模块、数字接口模块、数字输入/输出模块、模拟接口模块、控制系统检测模块、列车控制信号输入变换模块、数字信号输入转换模块、接触器驱动模块、igbt触发模块、启动单元等组成。其作用是控制和调节机车牵引、再生制动，从电气上实现防空转/滑行保护，并且实现了开闭环控制、速度频率同步、故障处理与监测等功能。

电气与电子工业及相关产业。

多种性能等级的 CPU，具有用户友好功能的全系列模块，可允许用户根据不同的应用选取相应模块。任务扩展时，可通过使用附加模块随时对控制器进行升级。

西门子 S7-300 是一个通用的控制器：

具有高电磁兼容性和抗震性，可大限度地用于工业领域。

S7-300自动化系统采用模块化设计。它拥有丰富的模块，且这些模块均可以独立地组合使用。

一个系统包含下列组件：

CPU：
不同的 CPU 可用于不同的性能范围，包括具有集成 I/O 和对应功能的 CPU 以及具有集成 PROFIBUS DP、PROFINET 和点对点接口的 CPU。

用于数字量和模拟量输入/输出的信号模块 (SM)。

用于连接总线和点对点连接的通信处理器 (CP)。

用于高速计数、定位（开环/闭环）及 PID 控制的功能模块（FM）。

根据要求，也可使用下列模块：

用于将 SIMATIC S7-300 连接到 120/230 V AC 电源的负载电源模块(PS)。

接口模块 (IM)，用于多层配置时连接中央控制器 (CC) 和扩展装置 (EU)。
通过分布式中央控制器 (CC) 和 3 个扩展装置 (EU)，SIMATIC S7-300 可以操作多达 32 个模块。所有模块均在外壳中运行，并且无需风扇。

SIPLUS 模块可用于扩展的环境条件：
适用于 -25 至 +60℃ 的温度范围及高湿度、结露以及有雾的环境条件。防直接日晒、雨淋或水溅，在防护等级为 IP20 机柜内使用时，可直接在汽车或室外建筑使用。不需要空气调节的机柜和 IP65 外壳。

设计西门子模拟量输入模块(2路，多种信号)

简单的结构使得 S7-300 使用灵活且易于维护：

安装模块：
只需简单地将模块挂在安装导轨上，转动到位然后锁紧螺钉。

集成的背板总线： 
背板总线集成到模块里。模块通过总线连接器相连，总线连接器插在外壳的背面。

模块采用机械编码，更换极为容易：
更换模块时，必须拧下模块的固定螺钉。按下闭锁机构，可轻松拔下前连接器。前连接器上的编码装置防止将已接线的连接器错插到其他的模块上。

现场证明可靠的连接：
对于信号模块，可以使用螺钉型、弹簧型或绝缘刺破型前连接器。

TOP 连接：
为采用螺钉型接线端子或弹簧型接线端子连接的 1 线 - 3 线连接系统提供预组装接线另外还可直接在信号模块上接线。

规定的安装深度：
所有的连接和连接器都在模块上的凹槽内，并有前盖保护。因此，所有模块应有明确的安装深度。

无插槽规则:
信号模块和通信处理器可以不受限制地以任何方式连接。系统可自行组态。

扩展

若用户的自动化任务需要 8 个以上的 SM、FM 或 CP 模块插槽时，则可对 S7-300（除 CPU 312 和 CPU 312C 外）进行扩展：

中央控制器和3个扩展机架多可连接32个模块：
总共可将 3 个扩展装置（EU）连接到中央控制器（CC）。每个 CC/EU 可以连接八个模块。

通过接口模板连接：
每个 CC / EU 都有自己的接口模块。在中央控制器上它总是被插在 CPU 旁边的插槽中，并自动处理与扩展装置的通信。

通过 IM 365 扩展：
1 个扩展装置远扩展距离为 1 米；电源电压也通过扩展装置提供。

通过 IM 360/361 扩展：
3 个扩展装置， CC 与 EU 之间以及 EU 与 EU 之间的远距离为 10m。

单独安装：
对于单独的 CC/EU，也能够以更远的距离安装。两个相邻 CC/EU 或 EU/EU 之间的距离：长达 10m。

灵活的安装选项：
CC/EU 既可以水平安装，也可以垂直安装。这样可以大限度满足空间要求。

通信

S7-300 具有不同的通信接口：

连接 AS-Interface、PROFIBUS 和 PROFINET/工业以太网总线系统的通信处理器。

用于点到点连接的通信处理器

多点接口 (MPI), 集成在 CPU 中；
是一种经济有效的方案，可以同时连接编程器/PC、人机界面系统和其它的 SIMATIC S7/C7 自动化系统

模拟量输出模块用于从PLC向过程变量输出模拟量信号。适用于连接模拟量执行器。

模拟量输出模块将控制器的数字信号转换成过程所需的模拟量信号（电流或电压）。

该模块具有如下特点：

分辨率：12 ~ 15 位

多种电压和电流范围：
使用参数赋值软件可以对每个通道进行单独的量程设置。

中断能力：
出现错误时，模块将诊断中断发送到控制器的 CPU。

诊断：
该模块将综合诊断信息发送到 CPU。

DI（Digital Input）开关量输入，     亦称数字量输入。以开关状态为输出的传感器，如水流开关、风速开关、压差开关等，将高/低电平（相当于开关）两种状态输入到控制器，控制器将其转换为数字量1或0，进而对其进行逻辑分析和计算，这种控制器通道即为DI通道。      

DO（Digital Output）开关量输出，     亦称数字量输出，它可由控制软件将输出通道变成高电平或低电平，通过驱动电路即可带动继电器或其他开关元件动作，也可驱动指示灯显示状态。开关量输出DO信号可用来控制开关、交流接触器、变频器以及可控硅等执行元件动作。      

AI（Analogy Input）模拟量输入，     模拟量输入的物理量有温度、压力、流量等，这些物理量由相应的传感器感应测得，往往经过变送器转变为电信号送入控制器的模拟输入口。

西门子电源模块6EP1334-3BA10

用户程序运行在CPU模块中，CPU模块内没有程序装载存储器，程序存储在的存储卡中里，概念同S7-300。存储卡需要单独订货。CPU目前有三种型号：

•CPU 1511-1 PN

•CPU 1513-2 PN

•CPU 1516-3 PN/DP

三个CPU型号从上至下性能由低到高排列，区别于指令执行速度，各种地址空间尺寸，内存大小，集成通讯口种类个数等等方面，具体请参考对应的CPU手册。

2.对于PLC系统，用户程序处理的是输入/输出(I/O)信号直接的逻辑关系。那么往往系统需配置I/O模块，S7-1500的CPU模块自身没有集成I/O，I/O信号输入通过拓展I/O模块进行输入输出。常见I/O信号有，

•数字量输入(DI)：也就是开关量(还有称作离散量)信号输入

•数字量输出(DQ)：开关量信号输出

•模拟量输入(AI)：连续量输入，如电压-10V ～ +10V, 4 ～ 20mA等

•模拟量输出(AQ)：连续量输出

•还有脉冲输入(PI)， 脉冲输出(PQ)等

3.S7-1500的数字量输入模块

•DI 32x24VDC HF

•DI 16x24VDC HF

•DI 16x230VAC BA

•DI 16x24VDC SRC BA

型号简介：

DI： Digital input，数字量输入

32x24VDC：共32个输入通道 (点) ，电压规格为直流24V

16x230VDC：共16个输入通道 (点) ，电压规格为交流230V

BA：Basic，基本型

HF：High feature, 高性能型

SRC： Source Input， 源型输入 ，未标识为漏型。

4.S7-1500的数字量输出模块

•DQ 16x24VDC/0.5A ST

•DQ 32x24VDC/0.5A ST

•DQ 8x24VDC/2A HF

•DQ 8x230VAC/2A ST

•DQ 8x230VAD/5A ST

型号简介，以*个型号为例：

DQ： Digital Ouput, 数量输出

16x24VDC：共16个输出通道，输出电压为DC24V, 容量每个通道大0.5A。

HF：High Feature, 高性能型，通常意味着模块带诊断功能。相对应的是ST(Standard，标准)型，无诊断功能。

5.S7-1500的模拟量输入模块

•AI 8xU/I HS

•AI 8xU/I/RTD/TC ST

以*个型号为例，型号简介：

AI： Analogue input，模拟量输入模块

8xU/I：8个通道，支持电压或电流型号输入

6.S7-1500的模拟量输出模块

•AQ 4xU/I ST

•AQ 8xU/I HS

同样以*个型号为例，型号简介：

AQ：Analogue Output，模拟量输出模块

4xU/I：共4个通道，支持电压，电流输出

ST：标准型

7.选定CPU和I/O模块之后，要确定系统的供电，选择电源模块，电源模块选型需要注意S7-1500有两种背板供电方式：

•PM模块： 不提供机架的背板工作电源，由CPU提供

PM 70 W 120/230 VAC

PM 190 W 120/230 VAC

•PS模块：连接到机架背板，提供背板工作电压，有诊断功能

PS 25W 24VDC

PS 60W 120/230V AC/DC

S7-1500电源选型按模块消耗的功率选，TIA 博途软件提供电源计算：

根据软件提供的模块功率可以选电源模块， 需要提一下是上图的选项：

“Supply voltage L+ connected"选中，意思是CPU的电源端子有输入，CPU(也)提供背板的电源供电。

8.S7-1500安装需要导轨，导轨按长度分，有这么几种规格：

160mm，482mm，530mm，830mm，2000mm。

9.编程使用的工具是TIA博途软件，使用以太网网线直接连接计算机网卡与CPU1500就可以下载程序。

软件：SIMATIC STEP 7 Professional V12

10.后简单介绍一个S7-1500的选型配置。

假设需要选一个S7-1500本地站，包含24VDC DI 40点，24VDC DQ28点，0～10V电压模拟量输入3个点，4～20mA电流输入3个点，4～20mA电流输出5个点