随着工业自动化技术的快速发展，高效、可靠的通信协议成为实现设备互联的关键。ModBus TCP 作为一种基于以太网的开放式协议，凭借其简单性、兼容性和低成本优势，在 PLC 工业通信领域得到了广泛应用。本文以西门子 TIA（博图）平台为背景，探讨 ModBus TCP 协议的实现原理、配置方法及典型应用场景，旨在为工业自动化系统集成提供技术参考，并分析其在实时数据传输、设备监控及系统协同中的实践价值。
什么是 TIA（博图）？
TIA（Totally Integrated Automation，全集成自动化） 是西门子推出的工业自动化软件平台，集成了 PLC 编程（如 S7-1200/1500）、HMI 设计（如 WinCC）、驱动配置（如 G120/SINAMICS）及网络通信等功能，提供统一的工程开发环境。其核心软件 TIA Portal（博图） 采用模块化设计，支持从硬件组态、程序编写到仿真调试的全流程，并具备高效的协同工程能力。TIA Portal 以直观的界面、高效的代码复用和强大的兼容性著称，广泛应用于智能制造、过程控制等领域，显著提升工业自动化系统的开发效率与灵活性。
ModBus TCP 程序块
在 TIA 软件中新建项目后，可以通过路径 PLC设备 -> 程序块 -> Main（OB*） 来添加 ModBus TCP 程序块。
在 指令 -> 通讯 -> 其他 -> MODBUS TCP 中找到对应的程序块。
一、ModBus TCP 客户端
1.1 核心参数
| 参数 | 声明 | 数据类型 | 说明 |
|---|---|---|---|
| REQ | Input | BOOL | 发送请求的触发信号（1=发送查询，执行期间数据块被锁定，重复触发无效） |
| DISCONNECT | Input | BOOL | 连接状态：0=建立连接，1=断开连接（成功后，STATUS=0003） |
| MB_MODE | Input | USINT | 功能模式选择（读/写/诊断），功能码 23 无效。 |
| MB_DATA_ADDR | Input | UDINT | 数据地址（功能码 23 无效） |
| MB_DATA_LEN | Input | UINT | 数据长度（位数/字数，功能码 23 无效） |
| MB_DATA_PTR | InOut | VARIANT | 数据缓存指针（功能码 23 无效） |
| CONNECT | InOut | VARIANT | 可以使用以下结构（系统数据类型）： TCON_IP_v4：包括建立指定连接时所需的所有地址参数。使用 TCON_IP_v4 时，可通过调用指令“MB_CLIENT”建立连接。 TCON_Configured：包括所组态连接的地址参数。使用 TCON_Configured 时，将使用下载硬件配置后由 CPU 创建的已有连接。 |
| DONE | Out | BOOL | 最后一个 ModBus 操作成功完成时，设置为 1。 |
| BUSY | Out | BOOL | 请求状态： 0：无进行中的请求。 1：正在处理请求。 注意：连接建立/断开期间不设定状态。 |
| ERROR | Out | BOOL | 错误状态：0：无错误；1：发生错误。 |
| STATUS | Out | WORD | 状态码 |
1.2 关键说明
- 功能码 23 的限制：在使用功能码 23 时，
MB_DATA_ADDR、MB_DATA_LEN、MB_DATA_PTR参数不适用，需保持默认值。 - 连接类型：
CONNECT支持多种结构，具体取决于指令版本和固件的支持（如安全通信需特定版本）。 - 状态控制：
BUSY仅反映请求状态，不包括连接操作；DONE和ERROR状态需结合STATUS一起分析。
1.3 ModBus 地址设置
添加 ModBus TCP 程序块后，会自动生成一个对应的系统块。您可以在 程序块 -> 系统块 -> 程序资源 中找到相应的块。在 系统块 中，找到 MB_Unit_ID，用来设置 ModBus 通讯地址。
二、ModBus TCP 服务端
1.1 核心参数
| 参数 | 声明 | 数据类型 | 说明 |
|---|---|---|---|
| DISCONNECT | Input | BOOL | 用于管理与伙伴模块的连接。 0: 建立连接； 1: 终止连接（此时不进行其他操作）。 成功终止后，STATUS 输出 0003。 |
| MB_HOLD_REG | InOut | VARIANT | 指向 Modbus 保持寄存器的指针，必须大于两个字节。存储区可通过 Modbus 功能 3、6、16 和 23 访问。可使用全局数据块或位存储器。 |
| CONNECT | InOut | VARIANT | 指向连接描述的指针。支持结构: TCON_IP_v4: 包含建立连接所需的地址参数（默认 0.0.0.0）。 TCON_Configured: 组态连接的地址参数。 |
| NDR | Output | BOOL | 新数据是否就绪： 0: 无新数据； 1: 有新数据来自 Modbus 客户端。 |
| DR | Output | BOOL | 数据读取状态： 0: 未读取数据； 1: 数据已从 Modbus 客户端读取。 |
| ERROR | Output | BOOL | 指令执行出错时设置为 1，错误原因由 STATUS 参数提供。 |
| STATUS | Output | WORD | 状态信息。 |
三、 连接参数（CONNECT 参数）
PLC 的 ModBus TCP 可使用配置连接和组态连接两种模式。在使用前需要手动添加一个 数据块（DB*）
并手动输入 数据类型 来生成对应的参数。
通俗总结
- 设定连接：手动输入 IP 和端口，适用于灵活的场景。
- 组态连接：直接引用 CPU 已配置的连接，适用于固定的场景。
- 共同要求：每个指令需独立连接，仅使用 TCP，避免使用禁用的端口。
3.1 两种连接方式对比
| 类型 | 描述 | 适用场景 |
|---|---|---|
| 设定连接 | 通过 TCON_IP_v4 结构手动配置连接参数（如 IP、端口等）。 |
需要动态指定连接参数的场景。 |
| 组态连接 | 使用 CPU 中已配置好的连接（通过 TCON_Configured 结构引用）。 |
连接参数固定且已预先组态的场景。 |
3.2 设定连接（TCON_IP_v4 结构）
| 字节位置 | 参数名 | 数据类型 | 默认值 | 说明 |
|---|---|---|---|---|
| 0-1 | InterfaceID |
UINT (HW_ANY) | - | 本地网卡标识（0-65535）。 |
| 2-3 | ID |
UINT (CONN_OUC) | - | 唯一连接 ID（范围 1-4095），不同指令实例不得重复。 |
| 4 | ConnectionType |
BYTE | 11 | 必须为 11（TCP） ，其他值会报错。 |
| 5 | ActiveEstablished |
BOOL | TRUE | TRUE 表示主动发起连接（客户端模式）。 |
| 6-9 | RemoteAddress |
ARRAY[1..4] of BYTE | - | 服务器 IP 地址 例如 192.168.0.1 对应为:ADDR[1]:192 ADDR[2]:168 ADDR[3]:0 ADDR[4]:1 |
| 10-11 | RemotePort |
UINT | 502 | 服务器端口（1-49151），Modbus 默认 502。 |
| 12-13 | LocalPort |
UINT | 0 | 本地端口（范围 1-49151），0 表示随机分配。 |
V2.1 版本迁移提示
CONNECT_ID→IDIP_PORT→RemotePortIP_OCTET_1~4→RemoteAddress[1..4]
3.3 组态连接（TCON_Configured 结构）
| 字节位置 | 参数名 | 数据类型 | 默认值 | 说明 |
|---|---|---|---|---|
| 0-1 | InterfaceID |
UINT | - | 本地网卡标识（范围 0-65535）。 |
| 2-3 | ID |
UINT | - | 输入 CPU 中已组态连接的 ID（1-4095）。 |
| 4 | ConnectionType |
BYTE | 254 | 必须为 254，表示使用组态连接。 |
实验演示：基于 ModBus TCP 的 PLC 与分布式 IO 通信控制
演示采用 PLC 连接 IO 设备，并且 PLC 连接两个开关用于控制 PLC 允许通过 ModBus 连接 IO 设备，以及发送控制指令。IO 端连接 LED 指示灯，用以直观显示控制指令是否被接收。
一、硬件配置
1.1 主要设备清单
| 设备类型 | 型号规格 |
|---|---|
| PLC 控制器 | S7-1200(1214C DC/DC/DC) |
| 分布式 IO 模块 | M31-AXAX8080G |
| 控制开关 | 自锁开关（常开型）、点动开关 |
| 状态指示 | DC 12V LED 指示灯 |
1.2 硬件连接示意
-
PLC 输入端口接入两个开关：
- 自锁开关连接至 I0.0（通信使能开关）
- 点动开关连接至 I0.1（触发指令发送）
-
PLC 数字输出 DO 连接至 LED 指示灯，用于显示被控 IO 输出状态。
-
PLC 和分布式 IO通过以太网连接，确保在同一子网内。
二、演示环境
2.1 通信架构
-
网络环境：PLC 与分布式 IO 设备处于同一局域网（同一子网）。
-
通信角色分配：
- 分布式 IO模块工作于 ModBus TCP 服务器（Server）模式，监听端口502。
- S7-1200 PLC工作于 ModBus TCP 客户端（Client）模式，主动发起连接。
2.2 控制逻辑实现
-
通信使能控制：
- 自锁开关联接 PLC 输入点 I0.0
- 当开关闭合，PLC启动并保持与 IO 设备的 TCP 连接
- 当开关断开，PLC断开通信连接，停止控制命令发送
-
指令触发控制：
- 点动开关联接 PLC 输入点 I0.1
- 每次按下开关，PLC发送一次 ModBus TCP 控制命令
- 控制命令实现分布式 IO 数字输出（DO）状态翻转（0 ↔ 1）
-
状态反馈：
- IO 模块的 DO 端口驱动连接的 LED 指示灯
- LED 亮灭状态实时反映当前 DO 输出状态，便于观察控制效果
三、ModBus TCP获取连接参数与设置
3.1 获取分布式 IO 通信参数
确保分布式 IO模块已设置为 ModBus TCP 工作模式，记录以下关键通信参数：
| 参数 | 示例值 | 说明 |
|---|---|---|
| IP 地址 | 10.100.165.100 | IO 设备的局域网 IP |
| 端口号 | 502 | 标准 ModBus TCP 端口 |
| ModBus 地址 | 1 | 设备单元标识号（Unit ID） |
3.2 PLC 通信参数及程序配置
3.2.1 PLC初始化
在 TIA Portal 新建项目，选择对应的 PLC 型号及版本（例如 S7-1200 1214C DC/DC/DC）。
根据实际需求设置 PLC 安全配置，演示时可选择关闭以简化操作。
3.2.2 PLC 网络设置
- 进入 设备组态 ，选中 PLC 设备，找到 “PROFINET 接口” 中的 “以太网地址” 配置。
- 手动设置 PLC 的固定内网 IP 地址和子网掩码，例如：
IP地址:10.100.1.110
子网掩码:255.255.0.0
3.2.3 添加 ModBus TCP 客户端程序块
进入 PLC 程序块编辑，打开主程序块 Main（OB1）。
在“指令”->“通讯”->“其他”中找到“ModBus TCP 客户端”指令，添加到程序中。
系统将自动生成对应的数据块（DB），用户可根据需要修改名称和编号。
3.2.4 创建 TCON_IP_v4 数据块
新建一个全局数据块（DB），命名自定义。
将数据类型设置为 TCON_IP_v4 （支持 ModBus TCP 连接所需的 IP 配置结构）。
TCON_IP_v4
设置并赋值通信参数，重点填写如下内容：
远程设备 IP 地址（例：10.100.165.100）
远程端口号（502）
连接相关标志位
3.2.5 配置 ModBus 设备地址
- 在系统块对应的 ModBus 客户端数据块（例如 MB_CLIENT_DB）中，找到
MB_Unit_ID字段。 - 将其设为分布式 IO 模块的 ModBus 地址（例如
1），确保指令发送的目标设备正确。
3.2.6 建立连接及初始化通信参数
在主程序块 Main（OB1）中，填充 ModBus 客户端数据块相关控制参数：
MB_MODE: 1 // 客户端模式
MB_DATA_ADDR: 1 // 数据寄存器起始地址
MB_DATA_LEN: 8 // 读取或写入长度（字）
CONNECT: "CONNECT".Static_1 // 连接控制信号
指定数据缓冲区内存区域：
MB_DATA_PTR: P#M100.0 WORD 1 // 内存起始地址及长度
3.3 编写控制程序逻辑
- 监测输入开关 I0.0，自锁开关为通信使能信号，控制是否建立/维持 ModBus TCP 连接。
- 监测点动开关 I0.1，每次按下即触发 DO 状态反转（读当前状态反转后写入 IO）。
- 通过 ModBus TCP 发送控制指令，驱动分布式 IO 端口输出。
- 根据 DO 输出状态控制 LED 灯亮灭，完成状态反馈。
四、调试与演示
4.1 程序编写完成后
- 进行完整编译，确保无任何编译错误。
- 通过以太网将程序下载到 PLC。
- 运行 PLC，观察系统响应。
4.2 运行验证
- 合上自锁开关，确保与 IO 设备的 ModBus TCP 连接成功。
- 按下点动开关，每次观察 LED 灯状态变化，实现远程 IO 控制。
- 断开自锁开关，PLC 断开连接，停止 ModBus 通信。
