Modbus MODBUS TCP 協(xié)議解析

Modbus和Modbus/TCP協(xié)議基礎(chǔ)介紹,EPA推廣應(yīng)用中心章雷,主要內(nèi)容,Modbus是MODICON公司于1979年開(kāi)發(fā)的一種通訊協(xié)議，是一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。1996年施耐德公司推出了基于以太網(wǎng)TCP/IP的Modbus協(xié)議ModbusTCP。Modbus協(xié)議是一項(xiàng)應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，包括ASCII、RTU、TCP三種報(bào)文類(lèi)型，協(xié)議本身并沒(méi)有定義物理層，只是定義了控制器能夠認(rèn)識(shí)和使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管他們是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議物理層接口有RS232、RS422、RS485和以太網(wǎng)口。采用Master/Slave（主/從）方式通信。Modbus在2004年成為我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。,Modbus技術(shù)規(guī)范的關(guān)系,Modbus應(yīng)用協(xié)議,Modbus是一種簡(jiǎn)單客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器應(yīng)用協(xié)議客戶(hù)機(jī)能夠向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求。服務(wù)器分析請(qǐng)求，處理請(qǐng)求，向客戶(hù)機(jī)發(fā)送應(yīng)答。,通用Modbus幀結(jié)構(gòu)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU),Modbus協(xié)議定義了一個(gè)與基礎(chǔ)通信層無(wú)關(guān)的簡(jiǎn)單協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），特定總線(xiàn)或網(wǎng)絡(luò)上的Modbus協(xié)議映射能夠在應(yīng)用數(shù)據(jù)單元（ADU）上引入一些附加域。,Modbus事務(wù)處理（無(wú)差錯(cuò)）,當(dāng)服務(wù)器對(duì)客戶(hù)機(jī)響應(yīng)時(shí)，它使用功能碼域來(lái)指示正常（無(wú)差錯(cuò)）響應(yīng)或者出現(xiàn)某種差錯(cuò)（稱(chēng)為異常響應(yīng)）。對(duì)于一個(gè)正常響應(yīng)來(lái)說(shuō)，服務(wù)器僅復(fù)制原始功能碼。,Modbus事務(wù)處理（異常響應(yīng)）,對(duì)于異常響應(yīng)，服務(wù)器將原始功能碼的最高有效位設(shè)置邏輯1后返回。異常碼指示差錯(cuò)類(lèi)型。,Modbus協(xié)議在串行鏈路上的實(shí)現(xiàn)模型,主要是在RS485和RS232等物理接口上實(shí)現(xiàn)Modbus協(xié)議。在Modbus鏈路層上客戶(hù)機(jī)的功能由主站提供而服務(wù)器的功能由從站實(shí)現(xiàn)。,Modbus主站-從站協(xié)議原理,Modbus串行鏈路協(xié)議是一個(gè)主-從協(xié)議。在同一時(shí)刻，只有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)連接與總線(xiàn)，一個(gè)或多個(gè)子節(jié)點(diǎn)（最大編號(hào)為247）連接于同一串行總線(xiàn)。Modbus通信由主節(jié)點(diǎn)發(fā)起，子節(jié)點(diǎn)在沒(méi)有收到來(lái)自主節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求時(shí)，從不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)。子節(jié)點(diǎn)之間互不通信。主節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)刻只會(huì)發(fā)起一個(gè)Modbus事務(wù)處理。主節(jié)點(diǎn)以?xún)煞N模式對(duì)子節(jié)點(diǎn)發(fā)送Modbus請(qǐng)求：廣播、單播。,主站工作狀態(tài)圖,從站工作狀態(tài)圖,主/從通信的三種典型情況,串行鏈路上的Modbus地址規(guī)則,Modbus尋址空間有256個(gè)不同地址地址0為廣播地址Modbus主節(jié)點(diǎn)沒(méi)有地址，子節(jié)點(diǎn)必須有一個(gè)唯一的地址,串行鏈路上的Modbus幀結(jié)構(gòu),Modbus串行鏈路協(xié)議是一個(gè)主/從協(xié)議網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)從站必須有唯一的地址（從1到247）從站地址用于尋址從站設(shè)備，由主站發(fā)起地址0用于廣播模式，不需要響應(yīng)RS-485和RS-232定義了標(biāo)準(zhǔn)的物理端口，提高互可操作性,兩種Modbus串行傳輸模式,ASCII模式：信息中的每個(gè)8Bit字節(jié)需2個(gè)ASCII字符,其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)許字符的傳輸間隔達(dá)到1s而不產(chǎn)生錯(cuò)誤;,RTU模式：每個(gè)8Bit字節(jié)包含兩個(gè)4Bit的十六進(jìn)制字符,其優(yōu)點(diǎn)是在同樣的波特率下,可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù),但是每個(gè)信息必須以連續(xù)的數(shù)據(jù)流傳輸。,優(yōu)點(diǎn)：公開(kāi)的協(xié)議，完全免費(fèi)。簡(jiǎn)單易用，性能穩(wěn)定。廣泛的知識(shí)資源支持。,Modbus的優(yōu)缺點(diǎn),缺點(diǎn)：自適應(yīng)性差，需合理組態(tài)。通信效率低。,ModbusTCP簡(jiǎn)介,ModbusTCP是運(yùn)行在TCP/IP上的Modbus報(bào)文傳輸協(xié)議。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。ModbusTCP是開(kāi)放的協(xié)議，IANA（InternetAssignedNumbersAuthority，互聯(lián)網(wǎng)編號(hào)分配管理機(jī)構(gòu)）給Modbus協(xié)議賦予TCP編口號(hào)為502，這是目前在儀表與自動(dòng)化行業(yè)中唯一分配到的端口號(hào)。ModbusTCP/IP協(xié)議模型,ModbusTCP通信結(jié)構(gòu),ModbusTCP/IP的通信設(shè)備：連接至TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的ModbusTCP/IP客戶(hù)機(jī)和服務(wù)器設(shè)備?；ミB設(shè)備，如：在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)和串行鏈路子網(wǎng)之間互連的網(wǎng)橋、路由器或網(wǎng)關(guān)等設(shè)備。,ModbusTCP數(shù)據(jù)幀,ModbusTCP數(shù)據(jù)幀與串行鏈路數(shù)據(jù)幀的區(qū)別,MBAP報(bào)文頭,ModbusTCP報(bào)文傳輸服務(wù)結(jié)構(gòu),通信應(yīng)用層,Modbus客戶(hù)機(jī)：允許用戶(hù)應(yīng)用控制與遠(yuǎn)程設(shè)備的信息交換。Modbus客戶(hù)機(jī)根據(jù)用戶(hù)應(yīng)用向Modbus客戶(hù)機(jī)接口的發(fā)送要求中所包含的參數(shù)來(lái)建立一個(gè)Modbus請(qǐng)求。Modbus客戶(hù)機(jī)接口：Modbus客戶(hù)機(jī)接口提供一個(gè)接口，使得用戶(hù)應(yīng)用能夠生成各類(lèi)Modbus服務(wù)的請(qǐng)求，該服務(wù)包括對(duì)Modbus應(yīng)用對(duì)象的訪(fǎng)問(wèn)。Modbus服務(wù)器：在收到一個(gè)Modbus請(qǐng)求以后，模塊激活一個(gè)本地操作進(jìn)行讀、寫(xiě)、或完成其他操作。,TCP管理層,連接管理：在客戶(hù)機(jī)和服務(wù)器的Modbus模塊之間的通信需要使用TCP連接管理模塊，負(fù)責(zé)全面管理報(bào)文傳輸TCP連接。訪(fǎng)問(wèn)控制：在某些至關(guān)重要的場(chǎng)合，必須禁止無(wú)關(guān)的主機(jī)對(duì)設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)。,管理通信的建立和結(jié)束以及管理在所建立的TCP連接上的數(shù)據(jù)流。,TCP/IP棧層,可以對(duì)TCP/IP的棧進(jìn)行參數(shù)配置，以適用于不同的產(chǎn)品或系統(tǒng)特定的約束條件，來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)流控制、地址管理和連接管理，使用BSD套接字接口來(lái)管理TCP連接。,TCP連接管理,MODBUS通信需要建立客戶(hù)機(jī)與服務(wù)器之間的TCP連接。連接的建立可以由用戶(hù)應(yīng)用模塊直接實(shí)現(xiàn)，也可以由TCP連接管理模塊自動(dòng)完成。在第一種情況下，用戶(hù)應(yīng)用模塊必須提供應(yīng)用程序接口，以便完全管理連接。這種方式為應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員提供了靈活性，但需要TCP/IP機(jī)制方面的專(zhuān)長(zhǎng)。在第二種情況，TCP連接管理完全不出現(xiàn)，用戶(hù)應(yīng)用僅需要發(fā)送和接受MODBUS報(bào)文。TCP連接管理模塊負(fù)責(zé)在需要時(shí)建立新的TCP連接。,TCP連接的建立,Modbus報(bào)文傳輸服務(wù)必須在502端口上提供一個(gè)監(jiān)聽(tīng)套接字，允許接收新的連接和與其他設(shè)備交換數(shù)據(jù)。當(dāng)報(bào)文傳輸服務(wù)需要與遠(yuǎn)程服務(wù)器交換數(shù)據(jù)時(shí)，它必須與遠(yuǎn)程502端口建立一個(gè)新的客戶(hù)機(jī)連接，以便于遠(yuǎn)距離地交換數(shù)據(jù)。本地端口必須高于1024，并且對(duì)每個(gè)客戶(hù)機(jī)的連接各不相同。,信息交換過(guò)程,完整的ModbusTCP通信過(guò)程：客戶(hù)機(jī)建立一個(gè)連接，向服務(wù)器發(fā)送3個(gè)MODBUS請(qǐng)求，而不等待第一個(gè)請(qǐng)求的應(yīng)答到來(lái)。在收到所有的應(yīng)答后，客戶(hù)機(jī)正常地關(guān)閉連接。,客戶(hù)機(jī)的通信過(guò)程如下:(1)用Connect命令建立與目標(biāo)設(shè)備的連接;(2)準(zhǔn)備Modbus報(bào)文包括7個(gè)字節(jié)的MBAP在內(nèi)的請(qǐng)求；(3)使用Send命令發(fā)送報(bào)文;(4)在同一連接下等待應(yīng)答;(5)用Recv命令讀取報(bào)文,完成一次數(shù)據(jù)交換過(guò)程。當(dāng)通信任務(wù)結(jié)束時(shí),關(guān)閉TCP連接,使ModbusTCP服務(wù)器可為其它客戶(hù)機(jī)服務(wù)。,優(yōu)點(diǎn)：用戶(hù)可免費(fèi)獲得協(xié)議及樣板程序；網(wǎng)絡(luò)實(shí)施價(jià)格低廉，可全部使用通用網(wǎng)絡(luò)部件；易于集成不同的設(shè)備，幾乎可以找到任何現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接到Modbus-TCP的網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力，100M以太網(wǎng)的傳輸結(jié)果為：每秒4000個(gè)ModbusTCP報(bào)文，而每個(gè)報(bào)文可傳輸125個(gè)字(16bit)，故相當(dāng)于4000125=500000個(gè)模擬量數(shù)據(jù)(8000000開(kāi)關(guān)量！)；,Modbus/TCP的優(yōu)缺點(diǎn),缺點(diǎn)：實(shí)時(shí)性較差,應(yīng)用行業(yè)規(guī)模,TCP/IP已成為信息行業(yè)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)：世界上93%的網(wǎng)絡(luò)