Modbus Tcp Server编程(codesys2.3)（含完整源程序）

剑指工控星期三, 05/30/2018 - 07:00 发表

PLC_OPEN 是工业自动化编程领域的一个标准， Codesys是德国3S 公司开发的软件系统平台，它是完整支持PLC_OPEN标准的软件系统平台（即IEC61131-3标准）。支持标准IL 、ST、 FBD 、LD、 CFC、 SFC 六种PLC编程语言，用户可以在同一项目中选择不同的语言编辑子程序，功能模块等。

目前许多公司的自动化控制器都是基于这个平台开发的，例如施耐德,倍福，ABB,易福门,派芬,和利时等。

使用Codesys编程实现Modbus Tcp Server的功能，方便了客户使用带以太网接口的控制器和HMI或PC的通讯。降低了客户的成本，增强了系统使用的灵活性。

Modbus Tcp 应用层协议及数据帧介绍

Modbus-TCP已成为当今开放的互联网标准之一，并为互联网标准的组织IETF(互联网工程任务委员会)认可。由于Modbus协议部分未经改动，众所周知的Modbus服务和对象模式依然有效，只是将它的作为传输层协议移植到TCP/IP上。

Modbus Tcp应用层的协议是独立于通讯媒介，根据客户/服务器原理组织的。客户发送请求帧来请求服务，服务器回应响应帧。请求帧和响应帧包含了参数和/或数据。在图 1中显示了标准Modbus Tcp帧格式。标准的Modbus通讯中从站地址和CRC校验的处理优先于功能码，但在Modbus Tcp中地址和校验由底层的Tcp协议完成。

Modbus Tcp和Modbus_RTU 在数据报文的结构上存在的差异是报文帧头由MBAP 替换了Slave ID。

MBAP由7个字节组成，并且出现在每个Modbus Tcp 信息帧的头部，这7个字节分别由Transaction Identifier（2个字节，传输标志），Protocol Identifier（2个字节，协议标志），Length（2个字节），Unit Identifier（一个字节，设备站号）。

图 1: 使用Modbus-TCP，命令和用户数据可不经任何修改而封装在TCP/IP的数据容器中

图 2: Modbus-TCP ADU在经过以太网TCP/IP协议封装之后的结构

1. 实现MODBUS_TCP SERVER 的硬件及软件配置

1.1该项目选择LTI 公司的MOTION ONE PAC控制器

（型号：LACP242,INTEL_ATOM CPU ,1.1GHZ）

硬件资源：ETHERNET 10/100M 接口，软件CODESYS2.3 软件平台(图3)

图3.Codesys2.3软件配置平台

1.2 选择3S公司CODESYS2.3软件平台内的TCP/IP通讯库函数SyslibSockets.lib ，同时主要使用到的功能函数如下：

SysSockInetAddr(ip)：绑定指定的以太网接口的IP地址，控制器本体上的以太网端口的IP 地址
SysSockHtons(port)：绑定以太网端口，MODBUS_TCP 通常使用502端口
SysSockCreate(SOCKET_AF_INET,SOCKET_STREAM,0)：Tcp/IP Socket的创建
SysSockBind(socketId, ADR(), SIZEOF())：Tcp/IP Socket绑定指定端口和IP 地址
SysSockListen(socketId, 255)：Tcp/IP Socket进行端口监听
SysSockSelect(SOCKET_FD_SETSIZE, ADR(), 0, 0, ADR())：TCP/IP client的选择
SysSockAccept(socketId, ADR(), ADR()):TCP/IP Socket 接受client 设备的链接
SysSockRecv(SocketHandle,ADR(),SIZEOF(),1)：TCP/IP Socket 接收client 设备的数据包
SysSockSend(SocketHandle,ADR(),(),1)：TCP/IP Socket 返回数据包，发送至Client设备
SysSockClose(socketId): 关闭TCP/IP Socket。

1.3 MODBUS_TCP server的创建过程

创建MODBUS_TCP server的过程主要分为以下几个步骤：

1.3.1 TCP/IP Socket库文件的安装

在CODESYS2.3软件平台的library manager 栏目下添加SyslibSockets.lib。之后则可以正常调用以太网通讯函数。

1.3.2 申明各种通讯参数变量及数据结构,例如MODBUS_TCP SERVER IP地址及端口，收发数据的数组：

Var_Global

addressPointer:POINTER TO SOCKADDRESS;

address:SOCKADDRESS;

ip:STRING:='192.168.39.100'; （*控制器本体 IP 地址*）

……

port: WORD:=502; （*MODBUS-TCP 端口*）

objectArray:ARRAY[0..6] OF REAL;

tcp_connect_state:BOOL;（*TCP/IP连接状态字*）

protocol_id:INT; （*协议标志ID，modbus id=00 00*）

device_id:INT; （*设备站号ID*）

END_VAR

1.3.3 MODBUS_TCP SERVER 主程序说明。

主程序结构框图及部分程序如下：

主程序通过调用SyslibSockets.lib库内部的Sockets函数完成端口绑定，并实施对应端口的监听，当Modbus Tcp客户端请求建立连接时候，服务器端建立连接，并进行数据的交换读写，为了便于判断客户端和服务器端的连接状态，程序做了实时的报文刷新，当通讯建立连接之后，服务器端没有接收到新的报文，且维持一段时间后，则按照通讯中断处理，关闭Sockets，并重新初始化参数，服务器端再次进入监听状态，这种控制模式可以辨识网络物理断线和客户端异常断开这些情况。

address.sin_addr:=SysSockInetAddr(ip);

IF terminate=FALSE THEN

CASE tcp_state OF

socketId := SysSockCreate(SOCKET_AF_INET,SOCKET_STREAM,0);

IF socketId <> SOCKET_INVALID THEN

SysSockSetOption(socketId, SOCKET_SOL, SOCKET_SO_REUSEADDR, ADR(dwValue), SIZEOF (dwValue));

tcp_state := 10;

END_IF

10:bResult := SysSockBind(socketId, ADR(address), SIZEOF(address));

IF bResult THEN

tcp_state := 20;

END_IF

……

50:

SocketHandle := SlaveSocketList.fd_array[TCPindex];

IF SocketHandle = socketId THEN

diSize := SIZEOF(Address);

SocketHandle:=SysSockAccept(socketId, ADR(Address), ADR(address));

tcp_state := 100;

END_IF

100:

(* SysSockSend(socketId,ADR(send),SIZEOF(send),1);*)

SysSockRecv(SocketHandle,ADR(receive1),SIZEOF(receive1),1);

……

IF protocol_id=0 AND device_id>=0 AND receive1[1]<>0 THEN (*modbus_tcp,protocol_id=0*)

frame_process();

tcp_state := 120;

END_IF;

END_CASE;

END_IF;

1.3.4 创建MODBUS_TCP SERVER 报文处理程序（部分子程序）

当服务器端接收到客户端的报文之后，经过了Modbus Tcp 协议ID和功能码有效性判断之后，调用报文处理程序，在报文处理程序中，主要是根据01，02，03，04，05，06，15，16 MODBU-TCP读写字，读写位功能码分别进行处理。例如进行写寄存器功能的处理时，先判断写入寄存器的起始地址和写入寄存器个数，再进行带地址偏移的赋值，在赋值过程中要进行高低字节的转换，以保证数据的正确性。

Frame_process （*MODBUS_TCP报文处理*）

IF (send_do =FALSE )THEN

CASE input_byte1[2] OF

03:(*读寄存器*)

……

address_temp:=SHL(BYTE_TO_INT(input_byte1[3]),8) + ( BYTE_TO_INT(input_byte1[4]));

……

FOR move_to_send:=address_temp TO address_temp+(length_temp)*2 DO

output_byte[4+move_to_send-address_temp]:=mw_area[move_to_send+address_temp+1];

END_FOR;

……

END_CASE;

END_IF;

2 .MODBUS_TCP server 的验证使用

在MODBUS_TCP sever通讯程序完成之后，通过wireshark以太网抓包软件分析MODBUS-TCP报文，并使用Easybuilder800触摸屏软件实现了触摸屏和PAC控制器的MODBUS_TCP通讯。

图4. wireshark以太网抓包软件分析的MODBUS-TCP报文

图5. 使用Easybuilder800触摸屏软件配置通讯接口

图6. 使用Easybuilder800触摸屏软件监控控制器变量状态

结论

使用Codesys软件平台的sockets 编程可以实现PAC控制器和任意公开协议的以太网设备进行通讯，Codesys内部的库函数的功能丰富，PAC控制器通讯编程的灵活性远比PLC强大。

程序配置及源代码

MODBUS TCP SERVER 在LTI MOTION ONE 控制器上的实现 (Codesys)

一．功能简要概述：

由于客户的成本需求，客户想选择第三方的触摸屏幕和LTI 的MOTION ONE 进行通讯（以太网），通讯接口选择了控制器本体的以太网接口，由于MODBUS TCP SERVER 通讯软件功能块不是CODESYS内核自有的块，需要另外购买，所以我利用CODESYS内部原有的底层功能块（SYSockets.LIB）开发了一个MODBUS TCP SERVER DEMO 程序，这样MOTION ONE 就可以和市面上几乎所有的触摸屏进行以太网通讯了。

二．程序配置及源代码：

经过和MODSCAN和威伦触摸屏的实际MODBU-TCP通讯，验证了这个程序的功能，这个程序支持01，03，05，06，15，16 MODBU-TCP读写字，读写位功能码。
VAR_GLOBAL
   VIRTUALPOS: LREAL;
   TEST_T:INT;
   can_encoder_pos:UDINT;
   input_byte:ARRAY[1..250] OF BYTE;
   input_byte1:ARRAY[1..250] OF BYTE;
mw_area AT %MB1000:ARRAY[1..500] OF BYTE; /***%mw交换区域***/
mx_area : ARRAY[1..512] OF BOOL; /***%mx交换区域***/
output_byte: ARRAY[1..250]OF BYTE;
mw_temp AT%MW1000: ARRAY[1..500] OF INT;
   write_len:INT;
   send_do: BOOL;
mw_area_use AT %MW2000:ARRAY[1..500] OF INT;
   ton2: TON;
test_trigger: BOOL;
   t1: TON;
receive1_tmp:BYTE;
flag:BOOL;
test_lreal AT%MD1000 :LREAL;
EN_READ: BOOL;
en_camin: BOOL;
EN_CAM: BOOL;
addressPointer:POINTER TO SOCKADDRESS;
address:SOCKADDRESS;
ip:STRING:='192.168.39.100'; （*PLC IP ADDRESS*）
send:STRING:='0001t';
receive:STRING;
   receive1:ARRAY[1..300] OF BYTE;
port: WORD:=502; （*MODBUS——TCP 端口*）
objectArray:ARRAY[0..6] OF REAL;
tcp_connect_state:BOOL;
   tcp_connect_time1:TON;
   tcp_connect_time2:TON;
   get_last: BOOL;
protocol_id:INT;
device_id:INT;
   send1:ARRAY[1..300] OF BYTE;
torque_real AT%MD2012:REAL;
   acttorque: LREAL;
   actvelocity:LREAL;
virtual_speed AT %MD2016:DINT;
tttt AT %MD2000:ARRAY[1..100] OF DINT;
Master_axis_ref:axis_ref;
switch_master:INT;
start_syn:BOOL;
in_syn:BOOL;
end_of_profile:BOOL;

END_VAR

PROGRAM TCP_socket_test
VAR
   result: BOOL;
socketId: DINT;
terminate: BOOL;
   dwValue: DINT;
   bResult: BOOL;
   test_state: BOOL;
   send: STRING;
   error_now: BOOL;
   time_trigger: BOOL;
   SysSockGetLastError1:SysSockGetLastError;
MasterSocketList:SOCKET_FD_SET;
   SlaveSocketList:SOCKET_FD_SET;
SelectTimeOut:SOCKET_TIMEVAL;
   TCPindex: INT;
   diSize: DINT;
   TCPMax: DINT;

   tcp_state: INT;
   SocketHandle:DINT;
   move_ref: INT;
END_VAR

PROGRAM ：TCP_socket_test

address.sin_addr:=SysSockInetAddr(ip);//**初始化本机IP，端口//
address.sin_family:=SOCKET_AF_INET;
address.sin_port:=SysSockHtons(port);
addressPointer:=ADR(address);//**地址指针赋值//

IF terminate=FALSE THEN
CASE tcp_state OF
0:
socketId := SysSockCreate(SOCKET_AF_INET,SOCKET_STREAM,0);//**初始化sockets//
IF socketId <> SOCKET_INVALID THEN
dwValue := 1;
(*Set the option that we can reuse 'old' port addresses *)
SysSockSetOption(socketId, SOCKET_SOL, SOCKET_SO_REUSEADDR, ADR(dwValue), SIZEOF (dwValue));
tcp_state := 10;
END_IF

10:bResult := SysSockBind(socketId, ADR(address), SIZEOF(address));//**绑定端口//
IF bResult THEN
tcp_state := 20;
END_IF

20:
bResult := SysSockListen(socketId, 255);//**监听端口状态//
IF bResult THEN
MasterSocketList.fd_count := 1;
MasterSocketList.fd_array[0] := socketId;
tcp_state := 30;
END_IF

30:
SlaveSocketList:=MasterSocketList;
SelectTimeOut.tv_sec := 30;
SelectTimeOut.tv_usec := 0;
diSize := SysSockSelect(SOCKET_FD_SETSIZE, ADR(SlaveSocketList), 0, 0, ADR(SelectTimeOut));
IF diSize > 0 THEN
tcp_state := 50;
TCPindex := 0;
END_IF

50:
SocketHandle := SlaveSocketList.fd_array[TCPindex];
IF SocketHandle = socketId THEN
diSize := SIZEOF(Address);
SocketHandle:=SysSockAccept(socketId, ADR(Address), ADR(address));
IF SocketHandle <> SOCKET_INVALID THEN
TCPMax := SocketHandle;
MasterSocketList.fd_array[MasterSocketList.fd_count] := SocketHandle;
MasterSocketList.fd_count := MasterSocketList.fd_count + 1;
END_IF
tcp_state := 100;
END_IF

100:

(* SysSockSend(socketId,ADR(send),SIZEOF(send),1);*)
SysSockRecv(SocketHandle,ADR(receive1),SIZEOF(receive1),1);
FOR move_ref:=7 TO receive1[6]+7 DO
input_byte1[move_ref-6] :=receive1[move_ref];
END_FOR;
protocol_id:=BYTE_TO_INT(receive1[4]);
device_id:=BYTE_TO_INT(receive1[7]);
IF protocol_id=0 AND device_id>=0 AND receive1[1]<>0 THEN (*modbus_tcp,protocol_id=0*)
frame_process();
tcp_state := 120;
END_IF;

120:
IF send_do THEN
send1[1]:=receive1[1];send1[2]:=receive1[2];
send1[3]:=0;send1[4]:=0;
send1[5]:=0;send1[6]:=INT_TO_BYTE(write_len-2);
FOR move_ref:=7 TO 7+(write_len-2) DO
send1[move_ref]:=output_byte[move_ref-6];
END_FOR;

SysSockSend(SocketHandle,ADR(send1),(write_len-1+6),1);
receive1[1]:=0;
send_do:=FALSE;
END_IF;
tcp_state := 100;
END_CASE;
END_IF;

IF terminate = TRUE THEN (* close socket *)
SysSockClose(socketId);
socketId := 0;
tcp_state:=0;
result := FALSE;
END_IF

PROGRAM frame_process
VAR
   length_check:INT;
crc_out:WORD;
crc_temp:WORD;
address_temp:INT;
move_to_send:INT;
byte_len:INT;
mod_state:INT;
   length_temp: INT;
   length_check1: INT;
   crc_out1: WORD;
write_area:ARRAY[1..250] OF BYTE;
x:INT;
   control_temp: WORD;
offset_temp:INT;
END_VAR
Frame_process
IF (( input_byte1[1]<16#FF) AND( input_byte1[1]>=0)) AND( (input_byte1[2]=01) OR (input_byte1[2]=05) OR( input_byte1[2]=03 ) OR( input_byte1[2]=6 )OR(input_byte1[2]=16)OR(input_byte1[2]=15)) THEN
(*CRC16 check action *)
IF input_byte1[2]=03 OR input_byte1[2]=06 OR input_byte1[2]=01 OR input_byte1[2]=05 THEN
length_check:=6;
END_IF;

IF input_byte1[2]=16 OR input_byte1[2]=15 THEN
length_check:=7+input_byte1[7];
END_IF;

(* crc_check( lengthcrc:= length_check,
inbyte:=input_byte1,
CRC16CVT=>crc_out );
crc_temp:=SHL(BYTE_TO_WORD(input_byte1[length_check+1] ),8) OR BYTE_TO_WORD(input_byte1[length_check+2] );*)

(* CRC16 check OK then the process is going on ,judge the function code to response *)
IF (* ( crc_out = crc_temp<>0) AND*) (send_do =FALSE )THEN
CASE input_byte1[2] OF
01:(*read the coils*) //**读取线圈状态**//
output_byte[1]:=17; output_byte[2]:=01;
address_temp:=SHL(BYTE_TO_INT(input_byte1[3]),8) + ( BYTE_TO_INT(input_byte1[4]));
length_temp:=SHL(BYTE_TO_INT(input_byte1[5]),8) +(BYTE_TO_INT(input_byte1[6]));
mod_state:=length_temp MOD 8;
IF mod_state<>0 THEN
byte_len:=1+length_temp/8;
ELSE
byte_len:=length_temp/8;
END_IF;
output_byte[3]:=INT_TO_BYTE(byte_len);
FOR move_to_send:=4 TO byte_len+3 DO
IF mod_state=0 THEN
output_byte[move_to_send].0:=mx_area[address_temp+1+(move_to_send-4)*8]; output_byte[move_to_send].1:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+2];
output_byte[move_to_send].2:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+3]; output_byte[move_to_send].3:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+4];
output_byte[move_to_send].4:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+5]; output_byte[move_to_send].5:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+6];
output_byte[move_to_send].6:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+7]; output_byte[move_to_send].7:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+8];
ELSE
IF move_to_send=byte_len+3 THEN
CASE mod_state OF
1: output_byte[move_to_send].0:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+1];output_byte[move_to_send]:=output_byte[move_to_send] AND 16#0001;
2: output_byte[move_to_send].0:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+1];output_byte[move_to_send].1:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+2];
output_byte[move_to_send]:=output_byte[move_to_send] AND 16#0003;

3: output_byte[move_to_send].0:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+1];output_byte[move_to_send].1:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+2];
output_byte[move_to_send].2:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+3]; output_byte[move_to_send]:=output_byte[move_to_send] AND 16#0007;

4: output_byte[move_to_send].0:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+1];output_byte[move_to_send].1:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+2];
output_byte[move_to_send].2:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+3]; output_byte[move_to_send].3:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+4];
output_byte[move_to_send]:=output_byte[move_to_send] AND 16#000F;

5:output_byte[move_to_send].0:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+1];output_byte[move_to_send].1:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+2];
output_byte[move_to_send].2:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+3]; output_byte[move_to_send].3:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+4];
output_byte[move_to_send].4:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+5]; output_byte[move_to_send]:=output_byte[move_to_send] AND 16#001F;

6:output_byte[move_to_send].0:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+1];output_byte[move_to_send].1:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+2];
output_byte[move_to_send].2:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+3]; output_byte[move_to_send].3:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+4];
output_byte[move_to_send].4:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+5]; output_byte[move_to_send].5:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+6];
output_byte[move_to_send]:=output_byte[move_to_send] AND 16#003F;

7:output_byte[move_to_send].0:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+1];output_byte[move_to_send].1:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+2];
output_byte[move_to_send].2:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+3]; output_byte[move_to_send].3:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+4];
output_byte[move_to_send].4:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+5]; output_byte[move_to_send].5:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+6];
output_byte[move_to_send].6:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+7]; output_byte[move_to_send]:=output_byte[move_to_send] AND 16#007F;

END_CASE;
ELSE
output_byte[move_to_send].0:=mx_area[address_temp+1+(move_to_send-4)*8]; output_byte[move_to_send].1:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+2];
output_byte[move_to_send].2:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+3]; output_byte[move_to_send].3:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+4];
output_byte[move_to_send].4:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+5]; output_byte[move_to_send].5:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+6];
output_byte[move_to_send].6:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+7]; output_byte[move_to_send].7:=mx_area[address_temp+(move_to_send-4)*8+8];
END_IF;
END_IF;
END_FOR;
length_check1:=3+byte_len;
(* crc_check( lengthcrc:= length_check1,
inbyte:=output_byte,
CRC16CVT=>crc_out1 );
output_byte[4+byte_len]:= WORD_TO_BYTE(SHR((crc_out1 AND 16#FF00 ),8));
output_byte[5+byte_len]:= WORD_TO_BYTE(crc_out1 AND 16#FF );*)
write_len:= 5+byte_len;send_do:=TRUE;

15:(*force multi coils*)//**强制多线圈状态**//
address_temp:=SHL(BYTE_TO_INT(input_byte1[3]),8) + ( BYTE_TO_INT(input_byte1[4]));
length_temp:=SHL(BYTE_TO_INT(input_byte1[5]),8) +(BYTE_TO_INT(input_byte1[6]));

mod_state:=length_temp MOD 8;

FOR move_to_send:=address_temp TO address_temp+length_temp-1 BY 8 DO
offset_temp:=move_to_send-address_temp;
IF mod_state=0 THEN
mx_area[move_to_send+1]:=input_byte[offset_temp/8+8].0;