MODBUSTCPIP協(xié)議規(guī)范詳細(xì)介紹

1、MODBUS TCP/IP協(xié)議規(guī)范詳細(xì)介紹收藏此信息 打印該信息 添加：用戶發(fā)布 來(lái)源：未知1該規(guī)范的發(fā)展概況 原始版本1997年9月3日作為公共評(píng)論的草案。 再版1999年3月29日，即修訂版1.0。 沒有大的技術(shù)改動(dòng)，僅作了補(bǔ)充說(shuō)明。增加了附錄A和B作為對(duì)一些常用執(zhí)行問題的回應(yīng)。 該Modbus/TCP規(guī)范在萬(wàn)維網(wǎng)上公開發(fā)行。它表明開發(fā)者的意愿是把它作為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域具有互用性的標(biāo)準(zhǔn)。既然MODBUS和MODBUS/TCP作為事實(shí)上的“實(shí)際”標(biāo)準(zhǔn)，而且很多生產(chǎn)商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了它的功能，此規(guī)范主要是闡述在互連網(wǎng)上具有普遍可用性的基于TCP通訊協(xié)議的MODBUS報(bào)文的特殊編碼。2. 概 述 MOD

2、BUS/TCP是簡(jiǎn)單的、中立廠商的用于管理和控制自動(dòng)化設(shè)備的MODBUS系列通訊協(xié)議的派生產(chǎn)品。顯而易見，它覆蓋了使用TCP/IP協(xié)議的 “Intranet”和“Internet”環(huán)境中MODBUS報(bào)文的用途。協(xié)議的最通用用途是為諸如PLCs，I/O模塊，以及連接其它簡(jiǎn)單域總線或 I/O模塊的網(wǎng)關(guān)服務(wù)的。 MODBUS/TCP協(xié)議是作為一種（實(shí)際的）自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)發(fā)行的。既然MODBUS已經(jīng)廣為人知，該規(guī)范只將別處沒有收錄的少量信息列入其中。然而，本規(guī) 范力圖闡明MODBUS中哪種功能對(duì)于普通自動(dòng)化設(shè)備的互用性有價(jià)值，哪些部分是MODBUS作為可編程的協(xié)議交替用于PLCs的“多余部分”。 它通過(guò)將

3、配套報(bào)文類型“一致性等級(jí)”，區(qū)別那些普遍適用的和可選的，特別是那些適用于特殊設(shè)備如PLCs的報(bào)文。 2.1 面向連接 在MODBUS中，數(shù)據(jù)處理傳統(tǒng)上是無(wú)國(guó)界的，使它們對(duì)由噪音引起的中斷有高的抵抗力，而且在任一端只需要最小的維護(hù)信息。 編程操作，另一方面，期望一種面向連接的方法。這種方法對(duì)于簡(jiǎn)單變量通過(guò)唯一的“登錄”符號(hào)完成，對(duì)于Modbus Plus變量，通過(guò)明確的“程序路徑”容量來(lái)完成，而“程序路徑”容量維持了一種雙向連接直到被徹底擊穿。 MODBUS/TCP處理兩種情況。連接在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層很容易被辨認(rèn)，單一的連接可以支持多個(gè)獨(dú)立的事務(wù)。此外，TCP允許很大數(shù)量的并發(fā)連接，因而很多情況下，在

4、請(qǐng)求時(shí)重新連接或復(fù)用一條長(zhǎng)的連接是發(fā)起者的選擇。 熟悉MODBUS的開發(fā)者會(huì)感到驚訝：為什么面向連接TCP協(xié)議比面向數(shù)據(jù)報(bào)的UDP要應(yīng)用廣泛。主要原因是通過(guò)封裝獨(dú)立的“事務(wù)”在一個(gè)連接中，此連接 可被識(shí)別，管理和取消而無(wú)須請(qǐng)求客戶和服務(wù)器采用特別的動(dòng)作。這就使進(jìn)程具有對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能變化的適應(yīng)能力，而且容許安全特色如防火墻和代理可以方便的添加。 類似的推理被最初的萬(wàn)維網(wǎng)的開發(fā)者所采用，他們選用TCP及端口80去實(shí)現(xiàn)一個(gè)作為單一事務(wù)的最小的環(huán)球網(wǎng)詢問。 2.2 數(shù)據(jù)編碼 MODBUS 采用“big-endian”來(lái)表示地址和數(shù)據(jù)對(duì)象。 這就意味著當(dāng)一個(gè)數(shù)字表示的數(shù)量大于所傳輸?shù)膯我蛔止?jié)，最大有效字節(jié)將

5、首先被發(fā)送。例如： 16bits0x1234將為0x120x3432bits0xL將為0x120x340x560x78 2.3參考編號(hào)的解釋 MODBUS將其數(shù)據(jù)模型建立在一系列具有不同特征的表的基礎(chǔ)之上。這四個(gè)基本表如下 l 離散輸入 單比特，由I/O系統(tǒng)提供，只讀l 離散輸出 單比特，由應(yīng)用程序更改，讀寫l 輸入寄存器 16比特，數(shù)值，由I/O系統(tǒng)提供 ，只讀l 輸出寄存器 16比特，數(shù)值，由應(yīng)用程序更改，讀寫 輸入和輸出之間以及可尋址位和可尋址代碼的數(shù)據(jù)對(duì)象之間的差別并不意味著任何應(yīng)用性能的不同。如果這是我們所討論的目標(biāo)機(jī)械的最自然的解釋，那么認(rèn)為所有的四個(gè)基本表是相互覆蓋的看法也是非常

6、普通而完全可以接受的。 對(duì)于每一個(gè)基本表，協(xié)議允許單獨(dú)選擇65536個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象中的任何一個(gè)，而且對(duì)那些對(duì)象的讀寫操作可以跨越多個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)對(duì)象，直到達(dá)到基于處理事務(wù)功能代碼的數(shù)據(jù)大小限制。 這兒沒有假定數(shù)據(jù)對(duì)象代表一種真正鄰接的數(shù)據(jù)陣列，而這是大多數(shù)簡(jiǎn)單PLCs的解釋。 “讀寫常用參考”功能代碼被定義為攜帶32位的參考值并且能允許在“非?！贝蟮目臻g里可以直接訪問數(shù)據(jù)對(duì)象。現(xiàn)在沒有可以利用這一特點(diǎn)的PLC設(shè)備。 一個(gè)易造成混亂的潛在來(lái)源是用于MODBUS功能的參考值和用于Modicon PLCs的“寄存器值”之間的關(guān)系。由于歷史原因，用戶參考值使用從1開始的十進(jìn)制數(shù)表示。而MODBUS采用更普通

7、的從0開始的無(wú)符號(hào)整數(shù)進(jìn)行軟件數(shù) 據(jù)整理分析。 于是，請(qǐng)求從0讀取寄存器的Modbus消息將已知值返回建立在寄存器4：00001（存儲(chǔ)類型4=輸出寄存器，參考值00001）中的應(yīng)用程序。 2.4隱含長(zhǎng)度基本原則 所有的MODBUS 請(qǐng)求和響應(yīng)都被設(shè)計(jì)成在此種方法下工作，即接收者可確認(rèn)消息的完整性。對(duì)于請(qǐng)求和響應(yīng)為固定長(zhǎng)度的功能代碼，僅發(fā)送功能代碼就足夠了。對(duì)于在請(qǐng)求和響應(yīng)中 攜帶不定長(zhǎng)數(shù)據(jù)的功能代碼，數(shù)據(jù)部分前將加上一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。 當(dāng) Modbus通過(guò)TCP運(yùn)送，前綴中攜帶附加的長(zhǎng)度信息以便接收者識(shí)別消息的邊界，甚至消息被分成若干組進(jìn)行傳輸。外在的和隱含的長(zhǎng)度準(zhǔn)則的存在，以及 CRC-3

8、2檢錯(cuò)代碼（以太網(wǎng)）的使用使請(qǐng)求和響應(yīng)消息中發(fā)生未被識(shí)別的錯(cuò)誤的機(jī)率減至無(wú)限小。3. 一致性等級(jí)概述 當(dāng)從草稿開始定義一種新的協(xié)議，有可能加強(qiáng)編碼方式和闡述的一致性。MODBUS由于其先進(jìn)的特性，已經(jīng)在很多地方得到了實(shí)施，必須避免破壞它已經(jīng)存在的實(shí)施。 因此，已經(jīng)存在的成套的處理類型被劃分出一致性等級(jí)：等級(jí)0代表普遍使用且總體上一致的功能；等級(jí)2代表有用的功能，但帶有某些特性?，F(xiàn)存裝置的不適應(yīng)于互用性的功能也已確認(rèn)。 必須注意到，將來(lái)對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)充將定義附加的功能代碼來(lái)處理現(xiàn)存事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)不適用的情形。然而，被提議擴(kuò)充的詳細(xì)資料出現(xiàn)在本手冊(cè)中將會(huì)另人誤解。通過(guò)將代 碼“隨機(jī)的”發(fā)送或者即便是通過(guò)檢

9、查異常響應(yīng)的類型來(lái)確定特別的目標(biāo)裝置是否支持特別的功能代碼總是可能的，而且該方法將保證引入這些擴(kuò)充的現(xiàn)使用的 MODBUS設(shè)備的連續(xù)的互用性。事實(shí)上，這就是當(dāng)前功能代碼的分級(jí)原則。 3.1等級(jí)0 這是最小的有用功能，對(duì)主站和從站來(lái)說(shuō)。 讀乘法寄存器 (fc 3) 寫乘法寄存器 (fc 16) 3.2等級(jí) 1 這是附加的被普遍實(shí)現(xiàn)的和能共同使用的成套功能，正如前面介紹過(guò)的，許多從站把輸入，輸出，離散值和寄存器值作為同等的進(jìn)行處理。 l 讀線圈 (fc 1)l 讀離散輸入 (fc 2)l 讀寄存器輸入 (fc 4) l 寫線圈 (fc 5)l 寫單一寄存器 (fc 6)l 讀異常狀態(tài)字 (fc 7

10、) 此功能對(duì)于每一個(gè)從站系列顯然具有不同的含義。 3.3等級(jí) 2 這些是需要HMI和管理等例行操作的數(shù)據(jù)傳送功能。 l 強(qiáng)制型多路線圈 (fc 15)l 讀一般參考值 (fc 20) 該功能可以處理并發(fā)的多個(gè)請(qǐng)求，而且能接收32位的參考數(shù)值。當(dāng)前的584和984PLCs僅使用此功能接收類型6的參考值（擴(kuò)展的寄存器文件）。 該功能最適于擴(kuò)充以處理大的寄存器空間和缺少諸如“未定位”變量的參考值的數(shù)據(jù)對(duì)象。 l 寫一般參考值 (fc 21) 此功能可以處理并發(fā)的多個(gè)請(qǐng)求，也可接收32位的參考數(shù)值。當(dāng)前的584和984PLCs僅使用此功能接收類型6的參考值（擴(kuò)展的寄存器文件）。 該功能最適于擴(kuò)充以處理

11、大的寄存器空間和缺少諸如“未定位”變量的參考值的數(shù)據(jù)對(duì)象。 l 掩膜寫寄存器 (fc 22)l 讀/寫寄存器 (fc 23) 此功能把一定范圍的寄存器輸入和輸出當(dāng)作單一的處理事務(wù)。使用MODBUS是執(zhí)行規(guī)則的帶有I/O模塊的狀態(tài)影象交換的最好辦法。 如此，高性能的通用的數(shù)據(jù)采集裝置可以執(zhí)行功能3，16和23，從而把快捷的數(shù)據(jù)規(guī)則交換（23）和執(zhí)行特殊數(shù)據(jù)對(duì)象的需求詢問或更新的能力結(jié)合起來(lái)（3和16）。 l 讀FIFO隊(duì)列 (fc 24) 一個(gè)有點(diǎn)專用的功能，打算將表結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)象FIFO（用到584/984上的FIN和FOUT功能模塊）一樣傳送到主機(jī)。對(duì)于某種事件錄入軟件很有用。 3.4機(jī)器/廠

12、家/網(wǎng)絡(luò)的特殊功能 以下所有的功能，雖然在MODBUS協(xié)議手冊(cè)中提到，但由于它們有很強(qiáng)的機(jī)器依賴性，因而不適于互用性的目的。l 診斷 (fc 8)l 編程 (484) (fc 9)l 輪詢 (484) (fc 10)l 獲取通訊事件計(jì)數(shù)器值(Modbus) (fc 11)l 獲取通訊事件記錄(Modbus) (fc 12)l 編程 (584/984) (fc 13)l 輪詢(584/984) (fc 14)l 通告從站 ID (fc 17)l 編程 (884/u84) (fc 18)l 恢復(fù)通訊連接 (884/u84) (fc 19)l 編程 (原理) (fc 40)l 固件置換 (fc 12

13、5)l 編程 (584/984) (fc 126)l 通告本地地址 (Modbus) (fc 127)4. 協(xié)議結(jié)構(gòu) 本部分闡述了通過(guò)MODBUS/TCP網(wǎng)絡(luò)攜帶的MODBUS請(qǐng)求和或響應(yīng)封裝的一般格式。必須注意到請(qǐng)求和響應(yīng)本體（從功能代碼到數(shù)據(jù)部分的末尾）的結(jié)構(gòu)和其它MODBUS變量具有完全相同的版面格式和含義，如： MODBUS 串行端口 - ASCII 編碼MODBUS 串行端口 - RTU (二進(jìn)制) 編碼MODBUS PLUS 網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)通道 這些其它案例僅在組幀次序，檢錯(cuò)模式和地址描述等格式有所不同。所有的請(qǐng)求通過(guò)TCP從寄存器端口502發(fā)出。 請(qǐng)求通常是在給定的連接以半雙工的方式

14、發(fā)送。也就是說(shuō)，當(dāng)單一連接被響應(yīng)所占用，就不能發(fā)送其它的請(qǐng)求。有些裝置采用多條TCP連接來(lái)維持高的傳輸速率。 然而一些客戶端設(shè)備嘗試“流水線式”的請(qǐng)求。允許服務(wù)器以這種方式工作的技術(shù)在附錄A中闡述。MODBUS “從站地址”字段被單字節(jié)的“單元標(biāo)識(shí)符”替換，從而用于通過(guò)網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)等設(shè)備的通訊，這些設(shè)備用單一IP地址來(lái)支持多個(gè)獨(dú)立的終接單元。 請(qǐng)求和響應(yīng)帶有六個(gè)字節(jié)的前綴，如下：ModBus通信鏈路層格式： byte 0: 事務(wù)處理標(biāo)識(shí)符 由服務(wù)器復(fù)制 通常為 0 byte 1: 事務(wù)處理標(biāo)識(shí)符 由服務(wù)器復(fù)制 通常為 0 byte 2: 協(xié)議標(biāo)識(shí)符= 0 byte 3: 協(xié)議標(biāo)識(shí)符= 0 byt

15、e 4: 長(zhǎng)度字段 （上半部分字節(jié)） = 0 (所有的消息長(zhǎng)度小于256) byte 5: 長(zhǎng)度字段 (下半部分字節(jié)) = 后面字節(jié)的數(shù)量 byte 6: 單元標(biāo)識(shí)符 (原“從站地址”) byte 7: MODBUS 功能代碼 byte 8 on: 所需的數(shù)據(jù)因而處理示例“以4的偏移從UI 9讀1寄存器”返回5的值將是 請(qǐng)求：00 00 00 00 00 06 09 03 00 04 00 01 響應(yīng)：00 00 00 00 00 05 09 03 02 00 05一致性等級(jí)0-2的功能代碼的應(yīng)用的例子見后續(xù)部分 熟悉MODBUS的設(shè)計(jì)師將注意到MODBUS/TCP中不需要“CRC-16”或“

16、LRC”檢查字段。而是采用TCP/IP和鏈路層（以太網(wǎng)）校驗(yàn)和機(jī)制來(lái)校驗(yàn)分組交換的準(zhǔn)確性。5. 一致性等級(jí)的協(xié)議參考值 注意到在例子中，請(qǐng)求和響應(yīng)列在功能代碼字節(jié)的前面。如前所述，在MODBUS/TCP案例中有一個(gè)依賴傳輸?shù)陌?個(gè)字節(jié)的前綴。 ref ref 00 00 00 len unit前面兩個(gè)字節(jié)的“ref ref”在服務(wù)器中沒有具體的值，只是為方便客戶端而從請(qǐng)求和響應(yīng)中逐字的復(fù)制過(guò)來(lái)。單客戶機(jī)通常將該值置為0。 在這個(gè)例子中，請(qǐng)求和響應(yīng)的格式如下（例子是“讀寄存器”請(qǐng)求，詳述見后面部分）。 03 00 00 00 01 = 03 02 12 34 這表示給前綴加上一個(gè)十六進(jìn)制的串聯(lián)

17、的字節(jié)，這樣，TCP連接上的整個(gè)消息將是（假設(shè)單元標(biāo)識(shí)符還是09） 起始地址 讀取個(gè)數(shù) 請(qǐng)求： 00 00 00 00 00 06 09 03 00 00 00 01 響應(yīng)：00 00 00 00 00 05 09 03 02 12 34 長(zhǎng)度 16位值（1234H） (所有的這些請(qǐng)求和響應(yīng)通過(guò)查詢Modicon Quantum PLC規(guī)范采用自動(dòng)工具來(lái)進(jìn)行校驗(yàn)。 5.1等級(jí)0指令詳述5.1.1讀乘法寄存器(FC = 3) 請(qǐng)求 Byte 0: FC = 03 Byte 1-2: 參考數(shù)值 Byte 3-4: 指令數(shù)(1-125)響應(yīng) Byte 0: FC = 03 Byte 1: 響應(yīng)的字節(jié)

18、數(shù) (B=2 x指令數(shù)) Byte 2-(B+1): Register values異常 Byte 0: FC = 83 (hex)Byte 1: 異常代碼 = 01 or 02示例: 從偏移地址參考值為0 (Modicon 984中為40001)時(shí)的1個(gè)寄存器讀得一個(gè)到十六進(jìn)制的值1234H命令字 起始地址 讀取個(gè)數(shù) 命令字 長(zhǎng)度 16位值（1234H） 03 00 00 00 01 = 03 02 12 34 發(fā)送幀 響應(yīng)幀5.1.2 寫乘法寄存器(FC = 16) 請(qǐng)求 Byte 0: FC = 10 (hex) Byte 1-2: 參考數(shù)值 Byte 3-4: 指令數(shù) (1-100)

19、Byte 5: 字節(jié)數(shù) (B=2 x word count) Byte 6-(B+5): 寄存器值響應(yīng) Byte 0: FC = 10 (hex) Byte 1-2: 參考數(shù)值 Byte 3-4: 指令數(shù)異常 Byte 0: FC = 90 (hex) Byte 1: 異常代碼 = 01 or 02 示例: 對(duì)偏移地址為0(Modicon 984中為40001)的1個(gè)寄存器寫入十六進(jìn)制的值1234H命令字 起始地址 指定數(shù) 長(zhǎng)度 數(shù)值 命令字 起始地址 指定數(shù) 10 00 00 00 01 02 12 34 = 10 00 00 00 01 發(fā)送幀 響應(yīng)幀5.2等級(jí)1指令詳述5.2.1 讀線圈

20、 (FC 1) 請(qǐng)求 Byte 0: FC = 01 Byte 1-2: 參考數(shù)值 Byte 3-4: 比特?cái)?shù)(1-2000)響應(yīng) Byte 0: FC = 01 Byte 1: 響應(yīng)的字節(jié)數(shù) (B=(比特?cái)?shù)+7)/8) Byte 2-(B+1): 比特值(最小意義位首先繞線圈!)異常 Byte 0: FC = 81 (hex) Byte 1: exception code = 01 or 02示例讀參考值為0 (Modicon 984中為00001)時(shí)的1線圈得到的值1 01 00 00 00 01 = 01 01 01注意到返回的數(shù)據(jù)的格式和big-endian體系結(jié)構(gòu)不同。而且此請(qǐng)求如果

21、調(diào)用乘法指令字且這些指令不以16位為界排列，那么該請(qǐng)求將在從站得到計(jì)算強(qiáng)化。 5.2.2讀離散輸入 (FC 2) 請(qǐng)求 Byte 0: FC = 02 Byte 1-2: 參考數(shù)值 Byte 3-4: 比特?cái)?shù) (1-2000)響應(yīng) Byte 0: FC = 02 Byte 1: 響應(yīng)的字節(jié)數(shù) (B=(比特?cái)?shù)+7)/8) Byte 2-(B+1): 比特值 (最小意義位首先繞線圈!)異常 Byte 0: FC = 82 (16進(jìn)制) Byte 1: 異常代碼 = 01 or 02示例讀參考值為0 (Modicon 984中為10001)時(shí)的1離散輸入得到的值1 02 00 00 00 01 = 02 01 01 注意到返回的數(shù)據(jù)的格式和big-endian體系結(jié)構(gòu)不同。而且此請(qǐng)求如果調(diào)用乘法指令字且這些指令不以16位為界排列，那么該請(qǐng)求將在從站得到計(jì)算強(qiáng)化。 5.2.3 讀輸入寄存器 (FC 4) 請(qǐng)求 Byte 0: FC = 04 Byte 1-2: 參考數(shù)值 Byte 3-4: 指令數(shù) (1-125