上位机与西门子S7-1200的Modbus TCP通讯定位控制程序案例

>引言

本文是一篇综合性比较强的文章，从PLC输入输出及步进电机接线开始，到PLC运动控制程序编写，再到后续的ModbusTCP通信协议及上位机编程实现最终控制，涉及知识面比较广，能够让我们很好地将所学知识结合起来。
开发平台

采用西门子TIA Portal V16编程软件编写运动控制程序，实现PLC（S7-1200系列：CPU1214C DC/DC/DC ）对步进电机的控制，再通过编写ModbusTCP程序，将控制地址进行映射，从而方便上位机（VS 2019开发）与PLC进行通信，最终实现步进电机的运动方向、速度及距离的灵活控制。
涉及硬件：开关电源、S7-1200PLC、步进驱动器、步进电机、单轴模组、限位开关
涉及软件：TIA Portal V16、VS2019、ModbusPoll（用于测试通信）
硬件接线

PLC编程

步   骤操作说明1通过博图软件创建一个新的PLC项目，
根据硬件型号插入新设备，这里为
CPU 1214C DC DC DC

2双击PLC的以太网口，设置IP地址，
这里设置为192.168.2.210

3双击CPU，在脉冲发生器PTO/PWM选项中设置信号类型为PTO，脉冲输出为Q0.0，方向输出为Q0.1

4新建一个工艺对象，名称为轴1，通过基本参数>驱动器，设置脉冲输出为Pulse1

5通过扩展参数>位置限制，设置上下限位分别为I0.1和I0.2

6通过扩展参数>回原点>主动，设置原点开关为I0.0

7程序段1，调用MC_Power使能，各个引脚填写如图所示，其中Asix选择轴1

8程序段2，调用MC_MoveRelative，各个引脚填写如图所示，该程序段主要用于执行相对运动

9程序段3，调用MC_MoveAbsolute，各个引脚填写如图所示，该程序段主要用于执行绝对运动

10程序段4，调用MC_MoveJog，各个引脚填写如图所示，该程序段主要用于执行前进和后退点动

11程序段5，调用MC_Home，各个引脚填写如图所示，该程序段主要用于执行归零

12程序段6，调用MC_Reset，各个引脚填写如图所示，该程序段主要用于执行复位功能

13程序段7，调用MC_Halt，各个引脚填写如图所示，该程序段主要用于执行暂停功能

14程序段8，调用MC_ReadParam，来读取相关参数，各个引脚填写如图所示，该程序段主要用于读取实时脉冲

上位机开发思路

为了便于操作，需要配一个HMI人机界面来进行使用。这个的HMI形式是比较多样化的，如触摸屏、组态软件等，但是这里，我们采用目前比较流行的方式——C#开发上位机，来供用户使用。C#开发上位机相对于传统的组态软件，各自都有自己的优缺点，主要体现在如下三个方面：

• 功能限制：组态软件对于一些特定的需求或者逻辑，会有一定的局限性，使用上也受到软件本身的约束；C#开发上位机完全自主开发，几乎不存在功能上的限制，并且扩展方便。
  
• 技术要求：组态软件最大的优势在于方便，因为它本身都集成了一些通用协议和元件，只需要按照使用说明进行组态配置即可；C#开发需要完全自己搭建框架和实现底层代码，对开发者的技术要求会更高一些。
  
• 价格成本：组态软件需要按套、按点位收费，意味着每个项目无形中都有一个基础成本；C#开发上位机自主开发，不需要二次授权费用，并且开发一套之后，可以快速应用到其他项目中。
  

采用C#上位机开发，首先需要考虑的是通信问题。西门子S7-1200支持很多种不同的通信协议，包括S7、ModbusTCP、TCP/IP、UDP、OPC等，从开发成本上来说，我们优先考虑S7和ModbusTCP，对于S7和ModbusTCP通信协议，比较一下两者的优缺点：

• S7协议为西门子内部协议，协议本身不公开，需要调用或者自己开发通信库，使用S7通信协议需要勾选CPU中的允许来自远程对象的PUT/GET通信访问。
  
• ModbusTCP为公开、免费协议，可以自己开发通信库或者使用开源库，使用ModbusTCP通信协议需要编写一定的PLC程序来实现地址映射。
  

从公开免费和使用范围的角度来考虑，这里采用ModbusTCP通信协议，因为你学会了ModbusTCP，意味着市场上的大部分仪表、PLC通信你都可以搞得定，PLC程序编写如下所示：
1、创建DB块
这里首先创建一个DB块，里面包含了常用的一些操作和参数设置，值得注意的是，由于Modbus保持型寄存器的Bit位操作比较麻烦，因此这里我们统一使用Word类型来代替Bit。

2、Modbus地址与PLC地址的映射（控制位）

3、Modbus地址与PLC地址的映射（参数地址）

4、ModbusServer程序编写

5、上位机UI界面设计

6、ModbusTCP通信库
上位机开发功能实现的核心在于ModbusTCP通信库编写，由于Modbus协议是公开免费，可以自己根据Modbus协议来开发，也可以使用开源的Modbus库，如NModbus等，有了ModbusTCP通信库之后，我们可以将更多的精力放在业务处理及逻辑处理上面。
7、ModbusTCP通信点表

上位机开发功能

1、首先创建一个Windows窗体应用项目，项目名称为thinger.cn.MotionPro。
2、日志显示功能：日志显示采用ListView进行显示，绑定一个ImageList用来区分信息、报警、错误，添加日志方法的参数包含日志等级及日志内容。
3、自己开发ModbusTCP通信库或者使用开源库，该库应该具备建立连接、断开连接、预置寄存器、读取寄存器的功能。
4、建立连接和断开连接：这里通过按钮实现建立连接和断开连接2个功能。
5、相对位置运动：设置相对运动速度和相对运动位置，实现电机的相对运动。
6、绝对位置运动：设置绝对运动速度和绝对运动位置，实现电机的相对运动。
7、点动运动模式：设置点动运动速度，按住正向点动或者反向点动，实现电机的点动运动。
8、回原点模式：点击回原点，可以控制物体回到原点位置并停止。
9、运动停止、运动暂停、复位相关功能。
写在最后

这个项目整体来说难度不是很大，但是涉及的知识面比较广，非常适合上位机初学者进行学习和练手。
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