工業(yè)以太網(wǎng)與Modbus-TCP

工業(yè)以太網(wǎng)與ModbusTCP/IP一以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)是一種局域網(wǎng)。早期標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.3，數(shù)據(jù)鏈路層使用CSMA/CD，10Mb/s速度物理層有：(1)10Base5粗同軸電纜，RG-8，一段最長為500m；(2)10Base2細(xì)同軸電纜，RG-58，一段最長為185m；(3)10BaseT雙絞線，UTP或STP，一段最長為100m。快速以太網(wǎng)為100Mb/s，標(biāo)準(zhǔn)為802.3a，介質(zhì)為100BaseTx雙絞線、100BaseFx光纖。目前10/100M以太網(wǎng)使用最為普遍，很多企事業(yè)用戶已實(shí)現(xiàn)100M到以太網(wǎng)桌面，確實(shí)體驗(yàn)到高速“沖浪〞的快感，另外從距離而言，非屏蔽雙絞線(UTP)為100m，多模光纖可達(dá)2～3km，單模光纖可大于100km。千兆以太網(wǎng)1000Mb/s為802.3z/802.3ab，萬兆以太網(wǎng)10Gb/s為802.3ae，將為新一輪以太網(wǎng)的開展帶來新的機(jī)遇與沖擊。二工業(yè)以太網(wǎng)與商用以太網(wǎng)的區(qū)別什么是工業(yè)以太網(wǎng)？技術(shù)上，它與IEEE802.3兼容，故從邏輯上可把商用網(wǎng)和工業(yè)網(wǎng)看成是一個(gè)以太網(wǎng)，而用戶可根據(jù)現(xiàn)場情況，靈活裝配自己的網(wǎng)絡(luò)部件，但從工業(yè)環(huán)境的惡劣和抗干擾的要求，設(shè)計(jì)者希望采用市場上可找到的以太網(wǎng)芯片和媒介，兼顧考慮下述工業(yè)現(xiàn)場的特殊要求：首先要考慮高溫、潮濕、振動(dòng)；二是對工業(yè)抗電磁干擾和抗輻射有一定要求，如滿足EN50081-2、EN50082-2標(biāo)準(zhǔn)，而辦公室級(jí)別的產(chǎn)品未經(jīng)這些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測試，表1列出了一些常用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為改善抗干擾性和降低輻射，工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品多使用多層線路板或雙面電路板，且外殼采用金屬如鑄鋁屏蔽干擾；三是電源要求，因集線器、交換機(jī)、收發(fā)器多為有源部件，而現(xiàn)場電源的品質(zhì)又較差，故常采用雙路直流電或交流電為其供電，另外考慮方便安裝，工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品多數(shù)使用DIN導(dǎo)軌或面板安裝；四是通信介質(zhì)選擇，在辦公室環(huán)境下多數(shù)配線使用UTP，而在工業(yè)環(huán)境下推薦用戶使用STP(帶屏蔽雙絞線)和光纖。三TCP/IP1.為什么使用TCP/IP？最主要的一個(gè)原因在于它能使用在多種物理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上，包括局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)技術(shù)。TCP/IP協(xié)議的成功很大程度上取決于它能適應(yīng)幾乎所有底層通信技術(shù)。

20世紀(jì)80年代初，先在X.25上運(yùn)行TCP/IP協(xié)議；而后又在一個(gè)撥號(hào)語音網(wǎng)絡(luò)(如系統(tǒng))上使用TCP/IP協(xié)議，又有TCP/IP在令牌環(huán)網(wǎng)上運(yùn)行成功；最后又實(shí)現(xiàn)了TCP/IP遠(yuǎn)程分組無線網(wǎng)點(diǎn)與其他Internet網(wǎng)點(diǎn)間TCP/IP通信。所以TCP/IP協(xié)議極其靈活，具備連接不同網(wǎng)絡(luò)的能力。另外，使用TCP/IP也簡化了OSI模型，因?yàn)樗÷粤吮硎緦雍蜁?huì)話層。如果現(xiàn)在把以太網(wǎng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層加到OSI模型就構(gòu)成了基于以太網(wǎng)的TCP/IP網(wǎng)，如圖1所示。用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)TCP/IP也是經(jīng)濟(jì)的一種方式。2.InternetProtocol(IP)IP是Internet最根本的協(xié)議，用戶可從下載RFC79來得到其文件，(要求評(píng)論RFC:RequestForComments：一系列備忘錄的名稱，包括概述、評(píng)價(jià)、意見、技術(shù)和研究，以及所提出的和被接受的互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn))。IP層主要目的是找到IP報(bào)文的“下一個(gè)連接點(diǎn)〞，它可以是路由器、計(jì)算機(jī)、控制器甚至I/O，關(guān)鍵該設(shè)備須有自己的IP地址。凡在網(wǎng)絡(luò)層使用IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，都通過IP地址尋址，所以使用時(shí)首先要進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)置，每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少需一個(gè)“IP地址〞、一個(gè)“子網(wǎng)掩碼〞、一個(gè)“默認(rèn)網(wǎng)點(diǎn)〞和一個(gè)“主機(jī)名〞，如此復(fù)雜的設(shè)置，對于一些初識(shí)網(wǎng)絡(luò)的用戶來說確實(shí)帶來不便，不過隨著對網(wǎng)絡(luò)熟悉，有許多IP地址配置工具，可方便進(jìn)行IP設(shè)置，甚至是自動(dòng)設(shè)置。IP是面向報(bào)文的協(xié)議，它獨(dú)立處理每個(gè)報(bào)文包，每個(gè)報(bào)文包必須含有完整的尋址信息。IP報(bào)文包的格式如圖2所示。IP地址的類型共有4種(如圖3所示)：A類用于處理超大型網(wǎng)絡(luò)，最多16387064個(gè)主機(jī)(1～126)；B類網(wǎng)絡(luò)最多可有64516個(gè)主機(jī)(網(wǎng)絡(luò)地址的第一段為128～191)；C類用于小型網(wǎng)絡(luò)，最多可有254個(gè)主機(jī)(網(wǎng)絡(luò)地址的第一段為192～223)；D類用于多點(diǎn)播送，用于多目的信息的傳輸。全零(“”)地址對應(yīng)于當(dāng)前主機(jī)，全1地址(“255.255.3.TransmissionControlProtocol(TCP)TCP是基于傳輸層的協(xié)議(如圖4所示)，協(xié)議文件可從RFC793得到，使用廣泛，面向連接的可靠協(xié)議。它能把報(bào)文分解為數(shù)段，在目的站再重新裝配這些段，支持重新發(fā)送未被收到的段，提供兩臺(tái)設(shè)備間的全雙工連接，允許它們高效地交換大量數(shù)據(jù)。TCP使用滑動(dòng)窗口協(xié)議來高效使用網(wǎng)絡(luò)。由于TCP很少干預(yù)底層投遞系統(tǒng)的工作，它適應(yīng)各種投遞系統(tǒng)；且提供流量控制，能使各種不同速率的系統(tǒng)進(jìn)行通信。報(bào)文段是TCP所使用的根本傳輸單元，用于傳輸數(shù)據(jù)或控制信息。開放的MODBUSTCP〔一〕1

以太網(wǎng)的由來最早的以太網(wǎng)應(yīng)該追溯到施樂公司〔Xerox〕的PARC〔PaloAltoResearchCenter〕研究工程，當(dāng)時(shí)為20世紀(jì)70年代初，速度2.94Mbps。到了1980年，由數(shù)字設(shè)備公司〔DEC〕、英特爾公司〔Intel〕和施樂公司公布了DIXV1.0標(biāo)準(zhǔn)，把以太網(wǎng)的速度提升到10Mbps，但仍采用同軸“粗纜〞作為傳輸介質(zhì)。在1982年，DIXV2.0標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，這就是人們目前最常用，也最熟悉的EthernetII。

在DIX標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布的同時(shí)，電氣與電子工程協(xié)會(huì)〔IEEE〕也方案由802委員會(huì)制定開放網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。1985年，由IEEE公布了“IEEE802.3載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測〔CSMS/CD〕的訪問方法和物理層標(biāo)準(zhǔn)〞，由于DIX2.0和802.3的幀格式略有差異，故在泛談以太網(wǎng)時(shí)，要注意二者之間的細(xì)微差異，因?yàn)橛杏脩粢蜻x錯(cuò)幀格式而造成網(wǎng)絡(luò)連接不上的情況。

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以太網(wǎng)的連接

圖1

最早版本的太網(wǎng)連接圖最著名的以太網(wǎng)連接圖，莫過于BobMetcalfe繪制的最早版本的圖了〔如圖1所示〕。由圖1中看出，以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)十分簡單，干纜被稱之為“以太〞〔Ether〕，兩端有終端頭〔Terminator〕結(jié)尾，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由分支器〔Tap〕引出，然后是收發(fā)器〔Transceiver〕接分支電纜〔Interfacecable〕到計(jì)算機(jī)或控制器的接口卡〔Interface〕。重畫后的圖如圖2所示。

圖2

重畫后的圖圖2中的以太網(wǎng)使用粗纜，即同軸電纜，并需要收發(fā)器，通過AUI電纜與計(jì)算機(jī)或控制器相連。

隨著以太網(wǎng)技術(shù)的開展，現(xiàn)在的以太網(wǎng)已由過去的總線式連接，變?yōu)樾切芜B接。

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以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)

以太網(wǎng)是一種局域網(wǎng)(LAN，LocalAreaNetwork),早期的標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.3，數(shù)據(jù)鏈路層使用CSMA/CD，10Mbps速度。物理層有：

10Base5粗同軸電纜，RG-8，一段最長為500米。

10Base2細(xì)同軸電纜，RG-58，一段最長為185米。

10BaseT雙絞線，UTP或STP，一段最長為100米。

快速以太網(wǎng)為100Mbps，標(biāo)準(zhǔn)為802.3u，介質(zhì)為：

100BaseTx雙絞線；

100BaseFx光纖。

目前10M/100M的以太網(wǎng)使用最為普遍，很多企事業(yè)的用戶已經(jīng)實(shí)現(xiàn)100M以太網(wǎng)到桌面，確實(shí)體驗(yàn)到高速“沖浪〞的快感，另外從距離而言，非屏蔽雙絞線〔UTP〕可達(dá)100米，多模光纖可達(dá)2～3公里，單模光纖可大于100公里。

千兆以太網(wǎng)，1000Mbps為802.3z/802.3ab，萬兆以太網(wǎng)10Gbps為802.3ae，將為新一輪以太網(wǎng)的開展帶來機(jī)遇與沖擊。

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為什么要使用以太網(wǎng)？以下幾個(gè)因素促使了以太網(wǎng)的快速開展：

(1)

實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的造價(jià)最經(jīng)濟(jì)

從現(xiàn)有和實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，無疑以太網(wǎng)是造價(jià)最經(jīng)濟(jì)的，無論計(jì)算機(jī)的網(wǎng)卡，很多主板〔Motherboard〕已經(jīng)集成了以太網(wǎng)口，單買PCI或ISA的以太網(wǎng)卡，售價(jià)低于100元人民幣。而有些專用網(wǎng)卡的價(jià)格那么高達(dá)萬元人民幣〔如某些工業(yè)網(wǎng)絡(luò)〕，超五類的雙絞線也是各類網(wǎng)絡(luò)線中最廉價(jià)的，甚至多模光纜的價(jià)格也跌破10元/米，這對工業(yè)行業(yè)的用戶更是一個(gè)好消息，而且市面上有琳瑯滿目的集線器〔Hub〕、交換機(jī)〔Switch〕、路由器〔Router〕、收發(fā)器〔Transceiver〕等連接設(shè)備可供選擇，更不會(huì)受某個(gè)廠商的約束。

(2)

以太網(wǎng)的性能最優(yōu)

早期的以太網(wǎng)速度為10Mbps，傳送一幅標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀〔1518字節(jié)〕，需要1.2ms，100Mbps需要120ns，1Gbps需12ns，而今天10Gbps只要1.2ns，所以比起其他網(wǎng)絡(luò)來說，性能相差極大。

(3)

操作系統(tǒng)的支持

無論是使用Windows，還是使用Unix或者Linux，以太網(wǎng)都是操作系統(tǒng)當(dāng)然支持的網(wǎng)絡(luò)。

(4)

以太網(wǎng)的市場分額最大

電子類產(chǎn)品的特點(diǎn)是：數(shù)量越大，價(jià)格也越廉價(jià)，所以說選擇以太網(wǎng)并非是商家的選擇，而是用戶的選擇，應(yīng)用的選擇，市場的選擇。

(5)

以太網(wǎng)的拓?fù)湫问蕉鄻?/p>

除了是總線型和星型的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)外，還可以構(gòu)成環(huán)型、雙環(huán)型、雙總線型和混合型多種結(jié)構(gòu)。

(6)

以太網(wǎng)的速度可按需進(jìn)行“分配〞

在主干網(wǎng)上，交換機(jī)口端口速度可達(dá)10G，背板總線可達(dá)幾百個(gè)G，而到桌面或現(xiàn)場I/O可使用10M以太網(wǎng)，這也是以太網(wǎng)所獨(dú)有的特點(diǎn)，可按照使用需要，選用不同速度的產(chǎn)品，這一特點(diǎn)也可以保護(hù)老用戶的投資，老用戶的產(chǎn)品仍可使用，而一般專用網(wǎng)絡(luò)速度是一樣的。

(7)

以太網(wǎng)擴(kuò)展靈活

用戶可以隨時(shí)構(gòu)建新的以太網(wǎng)，并把它參加到原來的網(wǎng)絡(luò)之中，這種引入甚至在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)即可進(jìn)行。

(8)

以太網(wǎng)的伸展距離巨大

由于光纜的使用，使得局域網(wǎng)的范圍大大增加了，原來百米的距離現(xiàn)在可擴(kuò)至幾公里到百公里。

(9)

以太網(wǎng)與其他網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接非常方便

通過路由器，以太網(wǎng)很容易同X.25、ISDN、PSTN、ADSL、FR、ATM等網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。

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工業(yè)以太網(wǎng)與商用以太網(wǎng)的區(qū)別

表1

一些常用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)測試方法

描述

EN55024

EN61000-4-2

靜電放電

EN55024

EN61000-4-3

抗輻射干擾EN55024

EN61000-4-4

快速瞬態(tài)脈沖

EN55024

EN61000-4-5浪涌電壓

EN55024

EN61000-4-6傳導(dǎo)干擾

EN55024

EN61000-4-11瞬降瞬斷電壓

EN55022CISPR22

輻射放射

EN55022

CISPR22傳導(dǎo)輻射

什么是工業(yè)以太網(wǎng)？技術(shù)上它與IEEE802.3兼容，故從邏輯上可把商用和工業(yè)網(wǎng)看成是一個(gè)以太網(wǎng)，而用戶可以根據(jù)現(xiàn)場情況，靈活裝配自己的網(wǎng)絡(luò)部件，但從工業(yè)環(huán)境的惡劣和抗干擾的要求，設(shè)計(jì)者希望采用市場上可以找到的以太網(wǎng)芯片和媒介，兼顧考慮工業(yè)現(xiàn)場的特殊要求，首先要考慮的是高溫、潮濕、震動(dòng)；第二是對工業(yè)抗電磁干擾和抗輻射有一定要求，比方滿足EN50081-2、EN50082-2標(biāo)準(zhǔn)，而辦公室級(jí)別的產(chǎn)品未經(jīng)過這些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測試。為了改善抗干擾性和降低輻射，工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品多使用多層線路板或雙面電路板，并且外殼采用金屬，如鑄鋁來屏蔽干擾；第三是電源要求，因?yàn)榧€器、交換機(jī)、收發(fā)器多為有源部件，而現(xiàn)場電源的品質(zhì)又較差，故通常都采用雙路的直流電或交流電為其供電。另外考慮方便安裝，工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品多數(shù)使用DIN導(dǎo)軌或面板安裝；第四是通訊介質(zhì)的選擇，在辦公室環(huán)境下，多數(shù)配線多使用UTP，而在工業(yè)環(huán)境下，推薦用戶使用STP〔帶屏蔽雙絞線〕和光纖〔OpticalFiber〕。

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如何提高工業(yè)以太網(wǎng)的可靠性？

傳統(tǒng)的以太網(wǎng)是總線型結(jié)構(gòu)或星型結(jié)構(gòu)，而且很少談及冗余問題，由于工業(yè)以太網(wǎng)對其有可靠性的要求，故很多廠商對其進(jìn)行了進(jìn)一步的開發(fā)，目前已經(jīng)可以滿足用戶的各種要求。

如果用戶擔(dān)憂網(wǎng)卡或網(wǎng)絡(luò)模塊的問題，可選用雙網(wǎng)卡或雙網(wǎng)絡(luò)模板，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口的冗余，如果擔(dān)憂網(wǎng)線不可靠，可選用雙總線、雙分支線、單環(huán)、雙環(huán)結(jié)構(gòu)，而實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)段的雙重冗余和四重冗余，如果擔(dān)憂網(wǎng)絡(luò)接線設(shè)備出故障可選擇集成器和交換機(jī)雙重冗余或熱備，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的冗余。

由于采用上述各種平安技術(shù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生一個(gè)或多個(gè)故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)仍能正常工作，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)非常嚴(yán)重的故障時(shí)，由于智能交換設(shè)備內(nèi)置了高速的冗余算法，通常在300ms之內(nèi)可以完成切換，使網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常，有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備甚至可在網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新配置，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)和擴(kuò)展。

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如何保證工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性？

如果在應(yīng)用層使用Modbus這樣小巧的協(xié)議，它的報(bào)文〔幀〕比標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)的報(bào)文小許多〔ModbusTCP的報(bào)文長度為256個(gè)字節(jié)，而以太網(wǎng)的報(bào)文長度為1518字節(jié)，兩者相差5倍〕，所以減少了碰撞幾率。

采用交換式以太網(wǎng)取代共享式以太網(wǎng)。使用集成器的以太網(wǎng)，所有連在其上面的設(shè)備都共享這一以太網(wǎng)的帶寬，所有設(shè)備都位于同一沖突域內(nèi)，所以它們之間很容易發(fā)生沖突。如果采用交換機(jī)，那么每個(gè)端口之間是相互隔離的，也就是說，每個(gè)端口都獨(dú)享帶寬，直到與另一個(gè)口發(fā)生連接時(shí)〔虛擬連按〕才產(chǎn)生一個(gè)沖突域，且和其它端口無關(guān)，這樣看來，交換機(jī)自動(dòng)把原來的一個(gè)沖突域劃分成多個(gè)沖突域，故減少了沖突的發(fā)生。

提高網(wǎng)絡(luò)帶寬也可降低沖突的發(fā)生，如把10M的以太網(wǎng)升級(jí)到100M，把半雙工變?yōu)槿p工，都可降低可能的沖突。

另外，IEEE802.1P工作組研究出一種機(jī)制，為那些對時(shí)間敏感的數(shù)據(jù)提供更高的傳送優(yōu)先級(jí)，這主要針對是多點(diǎn)傳送幀的發(fā)送。

最重要的就是在設(shè)計(jì)以太網(wǎng)時(shí)，遵照設(shè)計(jì)規(guī)那么把要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，比方可把它們采集速率，分為快速、一般、慢速，對網(wǎng)段進(jìn)行合理的劃分，并按工藝和功能對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，確保網(wǎng)絡(luò)負(fù)載小于某個(gè)百分比〔如35%〕，這樣才能確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。1為什么要用TCP/IP？

TCP/IP〔TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，傳送控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議〕之所以強(qiáng)大的最主要的一個(gè)原因在于它可以使用在多種物理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上，包括局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)技術(shù)，并能適應(yīng)幾乎所有的底層通信技術(shù)。20世紀(jì)80年代初，先在X.25上運(yùn)行TCP/IP協(xié)議，而后，又在一個(gè)撥號(hào)語音網(wǎng)絡(luò)〔例如系統(tǒng)〕上使用TCP/IP協(xié)議，又有TCP/IP在令牌環(huán)網(wǎng)上運(yùn)行成功，最后，又實(shí)現(xiàn)了TCP/IP遠(yuǎn)程分組無線網(wǎng)點(diǎn)與其他Internet網(wǎng)點(diǎn)之間進(jìn)行TCP/IP的通信。所以說，TCP/IP協(xié)議是及其靈活的，幾乎所有的底層技術(shù)都可以用于傳輸TCP/IP的通信，也就是說，TCP/IP具備連接不同網(wǎng)絡(luò)的能力。另外，使用TCP/IP也簡化了OSI的模型，因?yàn)樗÷粤吮硎緦雍蜁?huì)話層。如果現(xiàn)在把以太網(wǎng)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層加到OSI的模型之中，如圖1所示，就構(gòu)成了基于以太網(wǎng)的TCP/IP網(wǎng)。事實(shí)上用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)TCP/IP也是最經(jīng)濟(jì)的一種方式。

圖1

簡化的OSI模型2

協(xié)議的功能

組建網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必須選擇一種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，使得用戶之間能夠相互進(jìn)行“交流〞。協(xié)議〔Protocol〕是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用來通信的一套規(guī)那么，這套規(guī)那么可以理解為一種彼此都能聽得懂的公用語言。如果在網(wǎng)絡(luò)層使用IP協(xié)議，在傳輸層使TCP協(xié)議，就構(gòu)成了目前最常用的TCP/IP，現(xiàn)在幾乎所有的廠商和操作系統(tǒng)都支持它，同時(shí)，TCP/IP也是Internet的根底協(xié)議。如果在應(yīng)用層使用工業(yè)上事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議，就構(gòu)成了完整的工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用。3

開放和標(biāo)準(zhǔn)的ModbusTCPModbus是開放的協(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)，Modbus協(xié)議可免費(fèi)從得到。Modbus是標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，Modbus協(xié)議已提交給IETF〔InternetEngineeringTaskForce，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)部〕，將成為Internet標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)閺?978年以來，在工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)，已安裝了百萬計(jì)的串口Modbus設(shè)備和10萬計(jì)的ModbusTCP/IP設(shè)備，擁有超過300多個(gè)Modbus兼容設(shè)備廠商，還有90%的第三廠家的I/O支持ModbusTCP/IP，所以是使用最廣泛的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。Modbus的普及得益于使用它的門坎很低，無論用串口還是用以太網(wǎng)，硬件本錢低廉，Modbus和ModbusTCP都可以免費(fèi)收到，不需交納任何費(fèi)用。而且在網(wǎng)上有很多免費(fèi)資源，如C/C++，JAVA樣板程序，ActiveX控件，各種測試工具等等，所以用戶使用很方便。另外，幾乎可以找到任何現(xiàn)場總線連接到ModbusTCP的網(wǎng)關(guān)，方便用戶實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)。4

InternetProtocol(IP)

IP是Internet最根本的協(xié)議，用戶可以下載RFC791〔RFC:RequestForComments，要求評(píng)論：一系列備忘錄的名稱，它們包括概述、評(píng)價(jià)、意見、技術(shù)和研究，以及所提出的和被接受的互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)〕，來得到其文件。IP層的主要目的是找到IP報(bào)文的“下一個(gè)連接點(diǎn)〞，它可以是路由器，計(jì)算機(jī)，控制器甚至是I/O，關(guān)鍵是這個(gè)設(shè)備必須有自己的IP地址。但凡在網(wǎng)絡(luò)層使用IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)都是通過IP地址來進(jìn)行尋址的，所以使用時(shí)首先要進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)置，每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少需要一個(gè)“IP地址〞、一個(gè)“子網(wǎng)掩碼〞、一個(gè)“默認(rèn)網(wǎng)關(guān)〞和一個(gè)“主機(jī)名〞。如此復(fù)雜的設(shè)置，對于一些初識(shí)網(wǎng)絡(luò)的用戶來說確實(shí)帶來了不便。不過，隨著對網(wǎng)絡(luò)的熟悉，有許多IP地址配置工具，可以方便進(jìn)行IP設(shè)置，甚至是自動(dòng)設(shè)置。IP是面向報(bào)文的協(xié)議，它獨(dú)立處理每個(gè)報(bào)文包，每個(gè)報(bào)文包必須含有完整的尋地信息。IP報(bào)文包的格式如圖2所示。

圖2

IP報(bào)文包的格式5

IP地址的類共有四種地址類型，如圖3所示。A類地址用于處理超大型網(wǎng)絡(luò)，最多16387064個(gè)主機(jī)〔網(wǎng)絡(luò)地址的第一段為1~126〕。B類地址的網(wǎng)絡(luò)最多可有64516個(gè)主機(jī)〔網(wǎng)絡(luò)地址的第一段為128~191〕。C類地址用于小型網(wǎng)絡(luò)，最多可有254主機(jī)〔網(wǎng)絡(luò)地址的第一段為192~223〕。D類地址用于多點(diǎn)播送，用于多目的地信息的傳輸，全零〔“0，0，0，0”〕地址對應(yīng)于當(dāng)前主機(jī)，全“1〞的IP地址〔“225，225，225，225”〕是當(dāng)前子網(wǎng)的播送地址。

圖3

IP地址的四種類型6

TransmissionControlProtocol(TCP)

TCP是基于傳輸層的協(xié)議，協(xié)議文件可從RFC793得到，它也是Internet中使用最廣泛的協(xié)議之一。TCP是面向連接的、可靠的協(xié)議，它能把報(bào)文分解為數(shù)段，在目的站再重新裝配這些段，支持重新發(fā)送沒有被收到的段，TCP提供兩臺(tái)設(shè)備之間的全雙工連接，允許它們高效地交換大量數(shù)據(jù)。TCP使用滑動(dòng)窗口協(xié)議來高效地使用網(wǎng)絡(luò)，由于TCP很少干預(yù)底層投遞系統(tǒng)的工作，它可以適應(yīng)各種報(bào)遞系統(tǒng)，由于它提供流量控制，所以TCP能夠使各種不同速度的系統(tǒng)進(jìn)行通信。報(bào)文段是TCP所使用的根本傳輸單元，用于傳輸數(shù)據(jù)或控制信息。

圖4

TCP報(bào)文段7

TCP端口

TCP是使用端口〔Socket〕號(hào)把信息傳到上層，為用戶提供不同的效勞，端口號(hào)用來跟蹤同一時(shí)間內(nèi)通過網(wǎng)絡(luò)的不同會(huì)話。RFC1700中定義了眾所周知的特殊編口號(hào)，常用的端口如表1所示。表1

常用端口號(hào)十進(jìn)制數(shù)關(guān)鍵字說明20ftp-data文件傳輸協(xié)議〔數(shù)據(jù)〕21ftp文件傳輸協(xié)議23telnet遠(yuǎn)程登錄25Smtp簡單郵件傳輸協(xié)議53Domain域名效勞器67bootps啟動(dòng)協(xié)議效勞器80超文本傳輸協(xié)議110pop3郵件接收協(xié)議502Modbus自動(dòng)化信息傳輸502端口目前是所有自動(dòng)化公司中，唯一用于自動(dòng)化信息傳輸?shù)亩丝谔?hào)。8

ModbusTCP/IPModbusTCP/IP使用以太網(wǎng)OSI模型中的五層，如圖5所示。第一層：物理層，提供設(shè)備的物理接口，與市售的介質(zhì)/網(wǎng)絡(luò)適配器相兼容。第二層：數(shù)據(jù)鏈路層，格式化信號(hào)到包含源/目的硬件地址的數(shù)據(jù)幀。第三層：網(wǎng)絡(luò)層，實(shí)現(xiàn)帶有32位IP地址的IP報(bào)文包。第四層：傳輸層，實(shí)現(xiàn)可靠性連接，傳輸，查錯(cuò)，重發(fā)，端口效勞，傳輸調(diào)度等。第五層：應(yīng)用層，Modbus協(xié)議報(bào)文。圖5

ModbusTCP/IP的五層OSI模型9

ModbusTCP/IP

在TCP/IP的以太網(wǎng)上傳輸，支持EthernetII和802.3兩種幀格式。如圖6所示，ModbusTCP數(shù)據(jù)幀包含了報(bào)文頭，功能代碼和數(shù)據(jù)三局部。

圖6

ModbusTCP數(shù)據(jù)幀1

MBAP報(bào)文頭〔MBAP:ModbusApplicationProtocol，Modbus應(yīng)用協(xié)議〕

分四個(gè)域，共7個(gè)字節(jié)，見表1。

表1域

長度

描述客戶端

效勞器端

傳輸標(biāo)志

2字節(jié)標(biāo)志某個(gè)Modbus

詢問/應(yīng)答的傳輸由客戶端生成

應(yīng)答時(shí)復(fù)制該值

協(xié)議標(biāo)志

2字節(jié)

0=Modbus協(xié)議

1=UNI-TE協(xié)議由客戶端生成

應(yīng)答時(shí)復(fù)制該值

長度2字節(jié)

后續(xù)字節(jié)計(jì)數(shù)

由客戶端生成應(yīng)答時(shí)由效勞器

端重新生成

單元標(biāo)志

1字節(jié)定義連接于目的

節(jié)點(diǎn)的其它設(shè)備

由客戶端生成

應(yīng)答時(shí)復(fù)制該值2

Modbus功能代碼

共有三種類型分別為：

·

公共功能代碼

已定義好的功能碼，保證其唯一性，由M認(rèn)可。

·

用戶自定義功能代碼

有兩組，分別為65~72和100~110，不需要認(rèn)可，但不保證代碼使用的唯一性，如想變?yōu)楣泊a，需要RFC認(rèn)可。

·

保存的功能代碼

由某些公司使用在某些傳統(tǒng)設(shè)備的代碼，不可作為公共用途。

常用公共功能代碼見表2。常用公共功能代碼

功能碼

十進(jìn)碼

子碼

十六進(jìn)制位

操

作

開關(guān)量輸入

讀輸入點(diǎn)

02

02

內(nèi)部位或開關(guān)量輸出

讀線圈

01

01

寫單個(gè)線圈

05

05

寫多個(gè)線圈

15

0F16

位

操

作

模擬量輸入

讀輸入存放器

04

04

內(nèi)部存放器或輸出存放器〔模擬量輸出〕

讀多個(gè)存放器

03

03

寫單個(gè)存放器

06

06

寫多個(gè)存放器

16

10

讀/寫多個(gè)存放器

23

17

屏蔽寫存放器

22

16

文件記錄

讀文件記錄

20

6

14

封裝接口

寫文件記錄

21

6

15

讀設(shè)備標(biāo)識(shí)

43

14

2B表2

常用公共功能代碼功能代碼劃按應(yīng)用深淺分，可分為三個(gè)類別：

(1)

類別0，對于客戶機(jī)/效勞器最小的可用子集。

·

讀多個(gè)保持存放器〔fc.3〕；

·

寫多個(gè)保持存放器〔fc.16〕。(2)

類別1，可實(shí)現(xiàn)根本互易操作的常用代碼。

·

讀線圈〔fc.1〕；

·

讀開關(guān)量輸入〔fc.2〕；

·

讀輸入存放器〔fc.4〕；

·

寫線圈〔fc.5〕；

·

寫單一存放器〔fc.6〕。(3)

類別2，用于人機(jī)界面、監(jiān)控系統(tǒng)的例行操作和數(shù)據(jù)傳送功能。

·

強(qiáng)制多個(gè)線圈〔fc.15〕；

·

讀通用存放器〔fc.20〕；

·

寫通用存放器〔fc.21〕；

·

屏蔽寫存放器〔fc.22〕；

·

讀寫存放器〔fc.23〕。3

Modbus應(yīng)用舉例：讀存放器

請求

功能碼

1字節(jié)

0x03

起始地址

2字節(jié)

0x0000到0xFFFF

存放器數(shù)

2字節(jié)

1到125〔0x7D〕

應(yīng)答

功能碼

1字節(jié)

0x03

字節(jié)數(shù)

1字節(jié)

2xN

存放器的值

Nx2字節(jié)

〔N為存放器的數(shù)量〕

出錯(cuò)

出錯(cuò)碼

1字節(jié)

0x83

例外碼

1字節(jié)

01或02或03或044

ModbusTCP請求報(bào)文舉例，見表3。

表3

描述

大小〔字節(jié)〕例如

備注

MBAP傳輸標(biāo)志Hi1

0x15傳輸標(biāo)志用于和應(yīng)答配合使用傳輸標(biāo)志Lo10x01每對傳輸使用唯一的標(biāo)志協(xié)議標(biāo)志20x0000該域可用作尋址Modbus/

Modbus+子網(wǎng)絡(luò)的路由，這

時(shí)，此值含有目的設(shè)備的地址長度20x0006單元標(biāo)志20xFFModbus

請求功能代碼10x03讀存放器起始地址20x0005

存放器數(shù)20x00015

ModbusTCP客戶端的實(shí)現(xiàn)

用Connect()命令建立對目標(biāo)設(shè)備TCP502端口的連接。

數(shù)據(jù)通訊的過程如下：

(1)

準(zhǔn)備Modbus報(bào)文，包括7個(gè)字節(jié)的MBAP在內(nèi)的請求；

(2)

使用Send()命令發(fā)送；

(3)

在同一連接等待應(yīng)答；

(4)

用recv()讀報(bào)文，完成一次數(shù)據(jù)交換過程。

當(dāng)通訊任務(wù)結(jié)束時(shí)，關(guān)閉TCP連接，使效勞器可以為其它設(shè)備效勞。6

ModbusTCP的樣板程序

用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)下載。

(1)

基于WIN32系統(tǒng)下，C的應(yīng)用程序。

(2)

基于UNIX系統(tǒng)下，C的應(yīng)用程序。

(3)

JAVA的應(yīng)用程序。7

ModbusTCP協(xié)議

協(xié)議文本的英文版可從下載。8

Modbus的應(yīng)用

Modbus是一種通訊協(xié)議，于1979年由Modicon公司創(chuàng)造，并將其公開，推向市場，是基于主站從站/