Modbus-MODBUS-TCP-協(xié)議

1、SUPCONSUPCONModbus 和和Modbus/TCP協(xié)議協(xié)議基礎(chǔ)介紹基礎(chǔ)介紹EPA推廣應(yīng)用中心 章雷 SUPCONSUPCONModbus協(xié)議在串行鏈路上的實現(xiàn)協(xié)議在串行鏈路上的實現(xiàn)3Modbus 協(xié)議規(guī)范協(xié)議規(guī)范2概概 述述1Modbus協(xié)議在協(xié)議在TCP/IP上的實現(xiàn)上的實現(xiàn)4主要內(nèi)容主要內(nèi)容SUPCONSUPCON 概概 述述1SUPCONSUPCONv ModbusModbus是是MODICONMODICON公司于公司于19791979年開發(fā)的一種通訊協(xié)議年開發(fā)的一種通訊協(xié)議，是一種工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標準。是一種工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標準。19961996年施耐德公司年施耐德公司推出

2、推出了了基于以太網(wǎng)基于以太網(wǎng)TCP/IPTCP/IP的的ModbusModbus協(xié)議協(xié)議ModbusTCPModbusTCP。v ModbusModbus協(xié)議是一項應(yīng)用層報文傳輸協(xié)議，包括協(xié)議是一項應(yīng)用層報文傳輸協(xié)議，包括ASCIIASCII、RTURTU、TCPTCP三種報文類型，協(xié)議本身并沒有定義物理層，三種報文類型，協(xié)議本身并沒有定義物理層，只是定義了控制器能夠認識和使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管只是定義了控制器能夠認識和使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管他們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進行通信的。他們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進行通信的。v 標準的標準的ModbusModbus協(xié)議物理層接口有協(xié)議物理層接口有RS232RS232、

3、RS422RS422、RS485RS485和以太網(wǎng)口。采用和以太網(wǎng)口。采用Master/SlaveMaster/Slave（主（主/ /從）方式通信。從）方式通信。v ModbusModbus在在20042004年成為我國國家標準。年成為我國國家標準。SUPCONSUPCONModbus 協(xié)議規(guī)范協(xié)議規(guī)范2SUPCONSUPCONModbusModbus技術(shù)規(guī)范的關(guān)系技術(shù)規(guī)范的關(guān)系 Modbus 應(yīng)用層 在 TCP/IP 上的 Modbus 映射 TCP/IP IETF RFC 793 IP IETF RFC 791 Ethernet II /802.3 IEEE 802.2 以太網(wǎng)物理層 T

4、IA/EIA-232-F 串行鏈路主站/從站 TIA/EIA-485-A Modbus 協(xié)議在 TCP/IP 上的實現(xiàn)指南 Modbus應(yīng)用協(xié)議規(guī)范 Modbus 協(xié)議在串行鏈路上的實現(xiàn)指南 SUPCONSUPCONModbus應(yīng)用協(xié)議應(yīng)用協(xié)議 ModbusModbus是一種簡單客戶機是一種簡單客戶機/ /服務(wù)器應(yīng)用協(xié)議服務(wù)器應(yīng)用協(xié)議v 客戶機能夠向服務(wù)器發(fā)送請求?？蛻魴C能夠向服務(wù)器發(fā)送請求。v 服務(wù)器分析請求，處理請求，向客戶機發(fā)送應(yīng)答。服務(wù)器分析請求，處理請求，向客戶機發(fā)送應(yīng)答。SUPCONSUPCON通用通用Modbus幀結(jié)構(gòu)幀結(jié)構(gòu)協(xié)議數(shù)據(jù)單元協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (PDU) (PDU)Modb

5、usModbus協(xié)議定義了一個與基礎(chǔ)通信層無關(guān)的簡單協(xié)議數(shù)協(xié)議定義了一個與基礎(chǔ)通信層無關(guān)的簡單協(xié)議數(shù)據(jù)單元（據(jù)單元（PDUPDU），特定總線或網(wǎng)絡(luò)上的），特定總線或網(wǎng)絡(luò)上的ModbusModbus協(xié)議映射協(xié)議映射能夠在應(yīng)用數(shù)據(jù)單元（能夠在應(yīng)用數(shù)據(jù)單元（ADUADU）上引入一些附加域。）上引入一些附加域。 附加地址 功能碼 數(shù)據(jù) 差錯校驗 ADU PDU SUPCONSUPCONModbus事務(wù)處理（無差錯）事務(wù)處理（無差錯）v 當(dāng)服務(wù)器對客戶機響應(yīng)時，它使用功能碼域來指示正常當(dāng)服務(wù)器對客戶機響應(yīng)時，它使用功能碼域來指示正常（無差錯）響應(yīng)或者出現(xiàn)某種差錯（稱為異常響應(yīng)）。（無差錯）響應(yīng)或者出現(xiàn)某

6、種差錯（稱為異常響應(yīng)）。v 對于一個正常響應(yīng)來說，服務(wù)器僅復(fù)制原始功能碼。對于一個正常響應(yīng)來說，服務(wù)器僅復(fù)制原始功能碼。 功能碼功能碼 數(shù)據(jù)請求數(shù)據(jù)請求 客戶機 服務(wù)器 啟動請求啟動請求 執(zhí)行操作執(zhí)行操作 啟動響應(yīng)啟動響應(yīng) 接收響應(yīng)接收響應(yīng) 功能碼功能碼 數(shù)據(jù)響應(yīng) SUPCONSUPCONModbus事務(wù)處理（異常響應(yīng)）事務(wù)處理（異常響應(yīng)） 客戶機 服務(wù)器 啟啟動動請請求求 在在操操作作中中檢檢測測差差錯錯 啟啟動動差差錯錯 異異常常功功能能碼碼 接接收收響響應(yīng)應(yīng) 異異常常碼碼 功功能能碼碼 數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)請請求求 v 對于異常響應(yīng)，服務(wù)器將原始功能碼的最高有效位設(shè)置對于異常響應(yīng)，服務(wù)器將原始功能碼

7、的最高有效位設(shè)置邏輯邏輯1 1后返回。后返回。v 異常碼指示差錯類型。異常碼指示差錯類型。SUPCONSUPCONModbus協(xié)議在串行鏈路上的實現(xiàn)協(xié)議在串行鏈路上的實現(xiàn)3SUPCONSUPCONModbus協(xié)議在串行鏈路上的實現(xiàn)模型協(xié)議在串行鏈路上的實現(xiàn)模型v 主要是在主要是在RS485RS485和和RS232RS232等物理接口上實現(xiàn)等物理接口上實現(xiàn)ModbusModbus協(xié)議。協(xié)議。v 在在ModbusModbus鏈路層上客戶機的功能由主站提供而服務(wù)器的功鏈路層上客戶機的功能由主站提供而服務(wù)器的功能由從站實現(xiàn)。能由從站實現(xiàn)。層ISO/OSI 模型 7應(yīng)用層Modbus應(yīng)用協(xié)議6表示層空5

8、會話層空4傳輸層空3網(wǎng)絡(luò)層空2數(shù)據(jù)鏈路層Modbus串行鏈路協(xié)議 1物理層EIA/TIA-485 (或 EIA/TIA232) EIA/TIA-485 (或 EIA/TIA-232) Modbus 主站/從站 Modbus 應(yīng)用協(xié)議層 客戶機/服務(wù)器 SUPCONSUPCONModbus主站主站-從站協(xié)議原理從站協(xié)議原理v ModbusModbus串行鏈路協(xié)議是一個主串行鏈路協(xié)議是一個主- -從協(xié)議。在同一時刻，只有從協(xié)議。在同一時刻，只有一個主節(jié)點連接與總線，一個或多個子節(jié)點（最大編號為一個主節(jié)點連接與總線，一個或多個子節(jié)點（最大編號為247247）連接于同一串行總線。）連接于同一串行總線。

9、v ModbusModbus通信由主節(jié)點發(fā)起，子節(jié)點在沒有收到來自主節(jié)點的通信由主節(jié)點發(fā)起，子節(jié)點在沒有收到來自主節(jié)點的請求時，從不會發(fā)送數(shù)據(jù)。請求時，從不會發(fā)送數(shù)據(jù)。v 子節(jié)點之間互不通信。子節(jié)點之間互不通信。v 主節(jié)點在同一時刻只會發(fā)起一個主節(jié)點在同一時刻只會發(fā)起一個ModbusModbus事務(wù)處理。事務(wù)處理。v 主節(jié)點以兩種模式對子節(jié)點發(fā)送主節(jié)點以兩種模式對子節(jié)點發(fā)送ModbusModbus請求：廣播、單播。請求：廣播、單播。SUPCONSUPCONv 主站工作狀態(tài)圖主站工作狀態(tài)圖SUPCONSUPCONv 從站工作狀態(tài)圖從站工作狀態(tài)圖SUPCONSUPCONv 主主/ /從通信的三種典

10、型情況從通信的三種典型情況SUPCONSUPCON串行鏈路上的串行鏈路上的Modbus地址規(guī)則地址規(guī)則v ModbusModbus尋址空間有尋址空間有256256個不同地址個不同地址v 地址地址0 0為廣播地址為廣播地址v ModbusModbus主節(jié)點沒有地址，子節(jié)點必須有一個唯一的地址主節(jié)點沒有地址，子節(jié)點必須有一個唯一的地址SUPCONSUPCON串行鏈路上的串行鏈路上的Modbus幀結(jié)構(gòu)幀結(jié)構(gòu)v M Modbusodbus串行鏈路協(xié)議是一個主串行鏈路協(xié)議是一個主/ /從協(xié)議從協(xié)議v 網(wǎng)絡(luò)上的每個從站必須有唯一的地址（從網(wǎng)絡(luò)上的每個從站必須有唯一的地址（從1 1到到247247）v 從站

11、地址用于尋址從站設(shè)備，由主站發(fā)起從站地址用于尋址從站設(shè)備，由主站發(fā)起v 地址地址0 0用于廣播模式，不需要響應(yīng)用于廣播模式，不需要響應(yīng)v RS-485RS-485和和RS-232 RS-232 定義了標準的物理端口，提高互可操作性定義了標準的物理端口，提高互可操作性 地址域 功能碼 數(shù)據(jù) CRC (或 LRC) Modbus 串串行行鏈鏈路路 ADU Modbus PDU SUPCONSUPCON兩種兩種Modbus串行傳輸模式串行傳輸模式 從站 地址 功能碼 數(shù)據(jù) CRC 1 字節(jié) 1 字節(jié) 0 至 252 字節(jié) 2 字節(jié) CRC 高位 CRC 低位 ASCII ASCII模式：模式：信息中

12、的每個信息中的每個8 Bit8 Bit字節(jié)需字節(jié)需2 2個個ASCIIASCII字符字符, ,其其優(yōu)點是準許字符的傳輸間隔達到優(yōu)點是準許字符的傳輸間隔達到1 1 s s而不產(chǎn)生錯誤而不產(chǎn)生錯誤; ; RTU RTU模式：模式：每個每個8 Bit8 Bit字節(jié)包含兩個字節(jié)包含兩個4 Bit4 Bit的十六進制字符的十六進制字符, ,其優(yōu)點是在同樣的波特率下其優(yōu)點是在同樣的波特率下, ,可比可比ASCIIASCII方式傳送更多的數(shù)方式傳送更多的數(shù)據(jù)據(jù), ,但是每個信息必須以連續(xù)的數(shù)據(jù)流傳輸?shù)敲總€信息必須以連續(xù)的數(shù)據(jù)流傳輸。 起始 地址 功能碼 數(shù)據(jù) LRC 結(jié)束 1個 字符 : 2個字符 2個字

13、符 2個字符 2個字符 CR、LF 0至2x252個字符 SUPCONSUPCON 優(yōu)點優(yōu)點：v 公開的協(xié)議，公開的協(xié)議，完全免費。完全免費。v 簡單易用簡單易用，性能穩(wěn)定。，性能穩(wěn)定。 v 廣泛的知識資源支持廣泛的知識資源支持。Modbus 的優(yōu)缺點的優(yōu)缺點 缺點：缺點：v 自適應(yīng)性差，需合理組態(tài)。自適應(yīng)性差，需合理組態(tài)。v 通信效率低。通信效率低。SUPCONSUPCONModbus協(xié)議在協(xié)議在TCP/IP上的實現(xiàn)上的實現(xiàn)4SUPCONSUPCONModbusTCP簡介簡介v ModbusTCPModbusTCP是運行在是運行在TCP/IPTCP/IP上的上的Modbus Modbus 報

14、文傳輸協(xié)議。通過報文傳輸協(xié)議。通過此協(xié)議，控制器相互之間通過網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)此協(xié)議，控制器相互之間通過網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。備之間可以通信。v ModbusTCPModbusTCP是開放的協(xié)議，是開放的協(xié)議，IANAIANA（Internet Assigned Internet Assigned Numbers AuthorityNumbers Authority，互聯(lián)網(wǎng)編號分配管理機構(gòu)）給，互聯(lián)網(wǎng)編號分配管理機構(gòu)）給ModbusModbus協(xié)議賦予協(xié)議賦予TCPTCP編口號為編口號為502502，這是目前在儀表與自動化行業(yè)中，這是目前在儀表與自動化行業(yè)中唯一分配

15、到的端口號。唯一分配到的端口號。v ModbusTCP/IPModbusTCP/IP協(xié)議模型協(xié)議模型SUPCONSUPCONModbusTCP通信結(jié)構(gòu)通信結(jié)構(gòu) Modbus 客戶機 TCP/IP Modbus 服務(wù)器 TCP/IP Modbus 服務(wù)器 TCP/IP Modbus 服務(wù)器 串行鏈路 Modbus 服務(wù)器 串行鏈路 Modbus 客戶機 串行鏈路 Modbus 客戶機TCP/IP Modbus TCP / IP 客客戶戶機機 TCP/IP 網(wǎng)網(wǎng)關(guān)關(guān) 服服務(wù)務(wù)器器 TCP/I 網(wǎng)網(wǎng)關(guān)關(guān) Modbus 串串行行鏈鏈路路 v ModbusModbus TCP/IPTCP/IP的通信設(shè)備

16、：連接至的通信設(shè)備：連接至TCP/IPTCP/IP網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)的 ModbusModbus TCP/IPTCP/IP客戶機和服務(wù)器設(shè)備。客戶機和服務(wù)器設(shè)備。 v 互連設(shè)備，如：在互連設(shè)備，如：在TCP/IPTCP/IP網(wǎng)絡(luò)和串行鏈路子網(wǎng)之間互連網(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。的網(wǎng)橋、路由器或網(wǎng)關(guān)等設(shè)備。SUPCONSUPCONModbusTCP數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀v ModbusTCPModbusTCP數(shù)據(jù)幀與串行鏈路數(shù)據(jù)幀的區(qū)別數(shù)據(jù)幀與串行鏈路數(shù)據(jù)幀的區(qū)別SUPCONSUPCONMBAP報文頭報文頭域長度描述客戶機服務(wù)器事務(wù)處理標識符2字節(jié)Modbus請求/響應(yīng)事務(wù)處理的識別客

17、戶 機 啟動服務(wù)器從接收的請求中重新復(fù)制協(xié)議標識符2字節(jié)0=Modbus協(xié)議客 戶 機 啟動服務(wù)器從接收的請求中重新復(fù)制長度2字節(jié)隨后字節(jié)的數(shù)量客 戶 機 啟動（請求）服務(wù)器（響應(yīng)）啟動單元標識符1字節(jié)串行鏈路或其它總線上連接的遠程從站的識別客 戶 機 啟動服務(wù)器從接收的請求中重新復(fù)制SUPCONSUPCONModbusTCP報文傳輸服務(wù)結(jié)構(gòu)報文傳輸服務(wù)結(jié)構(gòu)用戶應(yīng)用通訊應(yīng)用層MODBUS客戶接口MODBUS客戶接口MODBUS客戶機MODBUS服務(wù)器TCPTCP管理層棧參數(shù)化連接管理訪問控制TCP/IP棧資源管理與流量控制SUPCONSUPCON通信應(yīng)用層通信應(yīng)用層v ModbusModbus

18、客戶機：允許用戶應(yīng)用控制與遠程設(shè)備的信息交換?？蛻魴C：允許用戶應(yīng)用控制與遠程設(shè)備的信息交換。ModbusModbus客戶機根據(jù)用戶應(yīng)用向客戶機根據(jù)用戶應(yīng)用向ModbusModbus客戶機接口的發(fā)送要客戶機接口的發(fā)送要求中所包含的參數(shù)來建立一個求中所包含的參數(shù)來建立一個ModbusModbus請求。請求。v ModbusModbus客戶機接口：客戶機接口：ModbusModbus客戶機接口提供一個接口，使客戶機接口提供一個接口，使得用戶應(yīng)用能夠生成各類得用戶應(yīng)用能夠生成各類ModbusModbus服務(wù)的請求，該服務(wù)包括服務(wù)的請求，該服務(wù)包括對對ModbusModbus應(yīng)用對象的訪問。應(yīng)用對象的訪

19、問。v ModbusModbus服務(wù)器：在收到一個服務(wù)器：在收到一個ModbusModbus請求以后，模塊激活一請求以后，模塊激活一個本地操作進行讀、寫、或完成其他操作。個本地操作進行讀、寫、或完成其他操作。SUPCONSUPCONTCP管理層管理層v 連接管理：連接管理： 在客戶機和服務(wù)器的在客戶機和服務(wù)器的ModbusModbus模塊之間的通信需要使用模塊之間的通信需要使用TCPTCP連接管理模塊，負責(zé)全面管理報文傳輸連接管理模塊，負責(zé)全面管理報文傳輸TCPTCP連接。連接。v 訪問控制：訪問控制： 在某些至關(guān)重要的場合，必須禁止無關(guān)的主機對設(shè)備在某些至關(guān)重要的場合，必須禁止無關(guān)的主機對設(shè)

20、備內(nèi)部數(shù)據(jù)的訪問。內(nèi)部數(shù)據(jù)的訪問。 管理通信的建立和結(jié)束以及管理在所建立的管理通信的建立和結(jié)束以及管理在所建立的TCPTCP連接上的連接上的數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流。SUPCONSUPCONTCP/IP棧層棧層v 可以對可以對TCP/IPTCP/IP的棧進行參數(shù)配置，以適用于不同的產(chǎn)品或的棧進行參數(shù)配置，以適用于不同的產(chǎn)品或 系統(tǒng)特定的約束條件，來進行數(shù)據(jù)流控制、地址管理和連系統(tǒng)特定的約束條件，來進行數(shù)據(jù)流控制、地址管理和連 接管理，使用接管理，使用BSDBSD套接字接口來管理套接字接口來管理TCPTCP連接連接。SUPCONSUPCONTCP連接管理連接管理v MODBUSMODBUS通信需要建立客戶

21、機與服務(wù)器之間的通信需要建立客戶機與服務(wù)器之間的TCPTCP連接。連接。v 連接的建立可以由用戶應(yīng)用模塊直接實現(xiàn)，也可以由連接的建立可以由用戶應(yīng)用模塊直接實現(xiàn)，也可以由TCPTCP連接連接管理模塊自動完成。管理模塊自動完成。v 在第一種情況下，用戶應(yīng)用模塊必須提供應(yīng)用程序接口，以在第一種情況下，用戶應(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)用開發(fā)人員提供了靈活性，便完全管理連接。這種方式為應(yīng)用開發(fā)人員提供了靈活性，但需要但需要TCP/IPTCP/IP機制方面的專長。機制方面的專長。v 在第二種在第二種情況情況，TCP TCP 連接管理完全不出現(xiàn)，用戶應(yīng)用僅需要連接管理完全不出

22、現(xiàn)，用戶應(yīng)用僅需要發(fā)送和接受發(fā)送和接受MODBUS MODBUS 報文。報文。TCP TCP 連接管理模塊負責(zé)在需要時建連接管理模塊負責(zé)在需要時建立新的立新的TCPTCP連接。連接。SUPCONSUPCONTCP連接的建立連接的建立v ModbusModbus報文傳輸服務(wù)必須在報文傳輸服務(wù)必須在502502端口上提供一個監(jiān)聽套接端口上提供一個監(jiān)聽套接字，允許接收新的連接和與其他設(shè)備交換數(shù)據(jù)。字，允許接收新的連接和與其他設(shè)備交換數(shù)據(jù)。v 當(dāng)報文傳輸服務(wù)需要與遠程服務(wù)器交換數(shù)據(jù)時，它必須當(dāng)報文傳輸服務(wù)需要與遠程服務(wù)器交換數(shù)據(jù)時，它必須與遠程與遠程502502端口建立一個新的客戶機連接，以便于遠距離

23、端口建立一個新的客戶機連接，以便于遠距離地交換數(shù)據(jù)。本地端口必須高于地交換數(shù)據(jù)。本地端口必須高于10241024，并且對每個客戶，并且對每個客戶機的連接各不相同機的連接各不相同 。設(shè)備設(shè)備客戶機端口服務(wù)器端口502n(n1024)服務(wù)器端口客戶機端口502n(n1024)連接( IP1 n, IP2502) IP1 IP2SUPCONSUPCON信息交換過程信息交換過程 完整的完整的M ModbusTCPodbusTCP通信過程通信過程： 客戶機建立一個連接，客戶機建立一個連接，向向服務(wù)器發(fā)送服務(wù)器發(fā)送3 3 個個MODBUSMODBUS請請求，而不等待第一個請求的求，而不等待第一個請求的應(yīng)答

24、到來。在收到所有的應(yīng)應(yīng)答到來。在收到所有的應(yīng)答后，客戶機正常地關(guān)閉連答后，客戶機正常地關(guān)閉連接。接。SUPCONSUPCONv 客戶機客戶機的通信過程如下的通信過程如下: : (1)(1)用用 ConnectConnect 命令建立與目標設(shè)備的連接命令建立與目標設(shè)備的連接; ; (2) (2)準備準備 Modbus Modbus 報文包括報文包括 7 7個字節(jié)的個字節(jié)的 MBAP MBAP 在在 內(nèi)的請求內(nèi)的請求； (3) (3)使用使用 Send Send 命令發(fā)送報文命令發(fā)送報文; ; (4) (4)在同一連接下等待應(yīng)答在同一連接下等待應(yīng)答; ; (5)(5)用用 Recv Recv 命令讀取報文命令讀取報文, , 完成一次數(shù)據(jù)交換過程。當(dāng)完成一次數(shù)據(jù)交換過程。當(dāng)通信任務(wù)結(jié)束時通信任務(wù)結(jié)束時, , 關(guān)閉關(guān)閉 TCP TCP 連接連接, , 使使 Modbus TCP Modbus TCP服務(wù)器服務(wù)器可為其它可為其它客戶機客戶機服務(wù)