ModBus网络及Modbus通讯协议
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2025-01-16 11:10
辽宁
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Modbus是一种广泛应用于工业自动化领域的通信协议，最初由Modicon公司（现为施耐德电气的一部分）于1979年开发。它允许设备之间通过串行线或以太网等不同类型的介质进行通信，并且由于其简单性、开放性和易于实现的特点，已经成为工业控制系统的热门选择。作为一个应用层报文传输协议，Modbus定义了一个与物理层无关的消息结构，这意味着它适应多种电气接口，如RS232、RS485、TCP/IP等。![]()
在一个典型的Modbus网络中，通常存在一个主节点（Master）和多个从节点（Slave）。主节点负责发起所有的通信请求，而每个从节点都有一个唯一的地址用于标识自身。当主节点向特定的从节点发送命令时，所有连接在网络上的设备都会接收到该命令，但只有被指定地址的从节点会执行相应的操作并返回结果给主节点。这种一主多从的架构确保了数据传输的有效性和安全性。此外，Modbus还支持两种主要的工作模式：RTU（远程终端单元）和ASCII（美国信息交换标准码）。前者采用紧凑的二进制格式表示数据，适合高效快速的应用场景；后者则使用人类可读的文字字符编码，便于调试但效率较低。对于基于以太网的连接，则有专门的Modbus/TCP版本，它不需要额外的校验和计算，直接利用TCP/IP协议栈来保证数据包的可靠传递。为了正确配置Modbus通信链路，需要设定一系列的关键参数：协议类型：确定是使用RTU还是ASCII模式，或者是针对以太网环境下的Modbus/TCP。波特率：指每秒钟传输的数据位数，在串行通信中非常重要。常见的速率包括9600bps、19200bps、38400bps等。数据位：规定每次传输的有效信息长度，一般为7或8位。停止位：用来标记一个字节结束的数量，可以是1位或2位。校验方式：用于检测传输过程中可能出现的错误。RTU模式下常用循环冗余校验(CRC)，而ASCII模式则倾向于纵向冗余校验(LRC)。主机/从机地址：分别指定发起通信的一方和其他响应的一方的身份。对于某些实现，可能还会涉及到更详细的寻址机制，比如16位的从站地址。假设构建一个简单的Modbus RTU系统，其中包含一台PLC作为主节点以及若干传感器作为从节点。首先，我们需要确保所有硬件组件都正确安装并且连接良好。接下来，按照上述提到的参数要求对各部分进行适当配置。例如，将波特率设为9600bps，数据位为8位，停止位为1位，并启用CRC校验功能。一旦完成了基本的硬件和软件准备工作之后，开始尝试一些基础的功能测试了。主机发送帧：[从机地址] [功能码] [起始寄存器高位] [起始寄存器低位]
[寄存器数量高位] [寄存器数量低位] [CRC低字节] [CRC高字节]假设读取地址为40001的第一个保持寄存器的内容，则实际发送的数据可能是这样的：01 03 00 00 00 01 C4 0B主机发送帧：[从机地址] [功能码] [目标寄存器高位] [目标寄存器低位]
[新数值高位] [新数值低位] [CRC低字节] [CRC高字节]如果希望将地址40001处的保持寄存器更新为数值1234，则对应的命令应该是：01 06 00 00 04 D2 3D 9A主机发送帧：[从机地址] [功能码] [起始线圈地址高位] [起始线圈地址低位] [线圈数量高位] [线圈数量低位]
[字节数] [线圈状态序列] [CRC低字节] [CRC高字节]要设置从地址00001开始的三个连续线圈分别为ON, OFF, ON，那么完整的请求将会是：01 0F 00 00 00 03 01
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Modbus协议是一套广泛应用在工业自动化领域的通信标准，它定义了一系列功能码（Function Codes），用于指定主设备与从设备之间要执行的具体操作。这些功能码分为读取数据、写入数据以及其他特殊用途的命令类型。01 (0x01) - 读线圈状态（Read Coil Status） 功能码01用于读取一个或多个逻辑线圈的状态，通常表示数字输出点（DO）。主机发送请求后，从机会返回所请求的线圈位信息，其中每个位代表一个线圈的状态（ON/OFF）。此功能码适用于读取诸如继电器触点、LED指示灯等元件的工作情况。02 (0x02) - 读离散输入状态（Read Discrete Inputs） 功能码02用来获取一组开关输入的状态，如按钮、传感器等。由于这类输入一般是只读属性，因此只有主机能读取它们的状态，而不能对其进行修改。03 (0x03) - 读保持寄存器（Read Holding Registers） 功能码03允许主站读取一个或多个保持寄存器中的内容，这些寄存器通常是可读写的，并且存储了设备配置参数或其他重要数据。每次读取时，主站需指明起始地址和所需读取的数量。04 (0x04) - 读输入寄存器（Read Input Registers） 功能码04的作用是从输入寄存器中读取数据，这些寄存器一般只读，用来保存来自外部传感器的数据或者其他类型的模拟量输入值。例如，温度传感器可能会将测量结果存放在这样的寄存器里供主站读取。05 (0x05) - 写单个线圈（Force Single Coil） 功能码05用于设置某个特定线圈的状态为ON或OFF。当需要控制一个简单的二进制输出时，比如开启/关闭一个电磁阀，就会使用到这个功能码。请求消息中包含目标线圈的地址以及希望设置的新状态。06 (0x06) - 写单个保持寄存器（Preset Single Register） 功能码06旨在向指定的保持寄存器写入一个新的数值。这对于调整某些设备参数非常有用，比如改变PID控制器的比例系数。同样地，主站必须提供要更新的寄存器地址及其新值。15 (0x0F) - 写多个线圈（Force Multiple Coils） 功能码15可以让主站一次性更改多个连续线圈的状态。这对于批量控制多组开关或者设置一系列指示灯很有帮助。命令格式要求明确指出首尾两个线圈的地址范围及所有新状态的信息。16 (0x10) - 写多个保持寄存器（Preset Multiple Registers） 功能码16提供了同时对多个连续保持寄存器进行赋值的能力。这在需要同步更新多个参数的情况下特别有效，例如初始化一组设定点或者上传新的程序代码片段。同样的，也需要给出起始地址和待写入的数据序列。除了上述常见的读写操作外，Modbus还定义了一些专门用于诊断、管理和维护目的的功能码：07 (0x07) - 读取异常状态（Read Exception Status） 此功能码用于读取8个内部线圈的状态，主要用于监控从机是否遇到了任何错误条件。它可快速检查系统健康状况而不必逐一查询各个寄存器。08 (0x08) - 回送诊断校验（Diagnostics） 功能码08是一种回送测试机制，用以验证通信链路的质量。主站可以通过发送特定模式的数据包并等待从站重复回来确认双方之间的连接正常工作。17 (0x11) - 报告从机标识（Report Slave ID） 功能码17使得主站能够获取有关从站的身份信息，包括制造商名称、型号编号等。这对于识别网络上的不同设备以及确保兼容性非常重要。![]()
Modbus作为一种广泛应用的工业通信协议，与其它类型的通信协议相比具有独特的特点和优势。Modbus：Modbus协议是完全开放的标准，没有版权要求，并且其规范文档公开可获取。这意味着任何制造商都自由地在其产品中实现该协议，从而促进了广泛的互操作性和市场上的普及度。其他协议：相比之下，某些专有或半封闭式的通信协议会限制第三方设备的接入，或者需要支付许可费用才能使用特定的功能特性。Modbus：它主要是一个应用层协议，专注于定义消息格式、数据表示方法以及如何通过各种物理介质（如串行线、以太网）进行信息交换。因此，Modbus本身并不直接处理底层网络连接管理的问题。TCP/IP：作为一套完整的互联网协议簇，TCP/IP不仅涵盖了应用层服务，还包括了传输层（例如TCP）、网络层（IP）甚至是数据链路层（Ethernet）。这使得TCP/IP能够提供更为复杂的服务，如端到端可靠性保证、流量控制等。Modbus：采用了一种典型的“一主多从”架构，在这种模式下只有一个主设备发起请求，而多个从设备则等待并响应这些请求。这样的设计简化了网络管理和冲突避免机制。BACnet 或PROFINET：这两种协议支持更加灵活的对等通信模型，允许多个节点平等地参与对话，甚至在不同时间扮演主站或从站的角色。这种灵活性对于构建分布式控制系统非常有用。Modbus：由于其相对简单的命令集和清晰的消息结构，Modbus非常适合初学者学习和快速部署。此外，因为不需要复杂的配置过程，所以维护成本也较低。CANopen 或EtherCAT：虽然这些协议提供了更高级别的功能和服务质量，但它们往往伴随着较高的复杂性和学习曲线。例如，EtherCAT是一种实时以太网技术，适用于需要极高同步精度的应用场景，但它涉及到更多的参数设置和技术细节。Modbus：支持多种物理接口，包括但不限于RS-232、RS-485以及以太网。其中，RS-485因其长距离传输能力和抗干扰性能成为工业环境中常用的选项之一。USB 或Wi-Fi：对于非工业领域而言，USB和Wi-Fi是更为常见的选择。前者通常用于个人电脑外设之间的短程通信；后者则广泛应用于智能家居、物联网等领域，提供无线连接的优势。Modbus RTU/TCP：尽管Modbus协议在大多数情况下都能满足工业自动化的需求，但在极端情况下无法确保绝对的实时性。特别是当网络负载较高时，延迟会增加。Modbus UDP 或TTEthernet：为了提高实时性和效率，一些变体如Modbus
UDP被开发出来。UDP是一种无连接的传输协议，比TCP节省了大量的握手时间和确认步骤，但同时也牺牲了一定程度的安全性和可靠性。TTEthernet则是另一种专门针对硬实时应用优化的以太网标准。
