Modbus学习总结

2020-05-08 10:21:26 栏目:kepware使用 TAG标签: Modbus 通信 网络 协议 控制器 Slave Master Server Client 查看()

一、介绍

Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信。Modbus协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程,如果回应来自其它设备的请求,以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。

Modbus 是一个请求/应答协议。也叫做Slave和Master与Server和Client。

同一种设备在不同领域的不同叫法。

Slave:工业自动化用语;响应请求;

Master:工业自动化用语;发送请求;

Server:IT用语;响应请求;

Client:IT用语;发送请求;

在Modbus中,Slave和Server意思相同,Master和Client意思相同。

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modbus结构示意图

二、协议分类

ModBus协议是应用层报文传输协议(OSI模型第7层),它定义了一个与通信层无关的协议数据单元(PDU),即PDU=功能码+数据域。

ModBus协议能够应用在不同类型的总线或网络。对应不同的总线或网络,Modbus协议引入一些附加域映射成应用数据单元(ADU),即ADU=附加域+PDU。目前,

Modbus有下列三种通信方式:

1.以太网,对应的通信模式是MODBUS TCP。

2.异步串行传输(各种介质如有线RS-232-/422/485/;光纤、无线等),对应的通信模式是MODBUS RTU或MODBUS ASCII。

3.高速令牌传递网络,对应的通信模式是Modbus PLUS。

ASCII模式

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RTU模式

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所选的ASCII或RTU方式仅适用于标准的Modbus网络,它定义了在这些网络上连续传输的消息段的每一位,以及决定怎样将信息打包成消息域和如何解码。“数据数量”字段只有在响应包中才有。

三、Modbus消息帧

两种传输模式中(ASCII或RTU),传输设备以将Modbus消息转为有起点和终点的帧,这就允许接收的设备在消息起始处开始工作,读地址分配信息,判断哪一个设备被选中(广播方式则传给所有设备),判知何时信息已完成。部分的消息也能侦测到并且错误能设置为返回结果。

1、ASCII帧

使用ASCII模式,消息以冒号(:)字符(ASCII码 3AH)开始,以回车换行符结束(ASCII码 0DH,0AH)。

其它域可以使用的传输字符是十六进制的0...9,A...F。网络上的设备不断侦测“:”字符,当有一个冒号接收到时,每个设备都解码下个域(地址域)来判断是否发给自己的。

消息中字符间发送的时间间隔最长不能超过1秒,否则接收的设备将认为传输错误。一个典型消息帧如下所示:

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2、RTU帧

使用RTU模式,消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始。在网络波特率下多样的字符时间,这是最容易实现的(如下图的T1-T2-T3-T4所示)。传输的第一个域是设备地址。可以使用的传输字符是十六进制的0...9,A...F。网络设备不断侦测网络总线,包括停顿间隔时间内。当第一个域(地址域)接收到,每个设备都进行解码以判断是否发往自己的。在最后一个传输字符之后,一个至少3.5个字符时间的停顿标定了消息的结束。一个新的消息可在此停顿后开始。

整个消息帧必须作为一连续的流转输。如果在帧完成之前有超过1.5个字符时间的停顿时间,接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域。同样地,如果一个新消息在小于3.5个字符时间内接着前个消息开始,接收的设备将认为它是前一消息的延续。这将导致一个错误,因为在最后的CRC域的值不可能是正确的。一典型的消息帧如下所示:

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消息帧的地址域包含两个字符(ASCII)或8Bit(RTU)。可能的从设备地址是0...247 (十进制)。单个设备的地址范围是1...247。主设备通过将要联络的从设备的地址放入消息中的地址域来选通从设备。当从设备发送回应消息时,它把自己的地址放入回应的地址域中,以便主设备知道是哪一个设备作出回应。地址0是用作广播地址,以使所有的从设备都能认识。当Modbus协议用于更高水准的网络,广播可能不允许或以其它方式代替。

应答包中,数据包括了数据字节长度+数据值,请求包中数据只包含数据值。

Modbus TCP/IP数据帧结构

Modbus TCP/IP数据帧除了TCP已经有的包头外,还有modbus TCP协议数据单元(ADU),包括MBAP帧头以及与RTU数据内容相同的应用数据单元(PDU),地址码除外。

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其中与单纯的TCP/IP或是modbus-RTU相比,多的内容就是一个MBAP报文头:

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MBAP报文头定义

可以看出来,MBAP报文头主要添加了以下附加信息,为了识别是请求还是响应而设置的事务元标识符(2个字节,通常为0,客户端发出的检验信息,服务器端只是需要将这两个字节的内容复制以后再放到回复报文的相应位置就可以)、为了判断协议类型设置的协议标识符(2个字节,0=MODBUS协议)、为了区分可变长度数据帧结束的数据帧长度(从下一个字节起至结束的长度,2个字节)、还有用于标识从站地址的单元标识符(1个字节,即从站地址),与RTU不同的是,从站地址放在了MBAP帧头里。这个里面的2个字节默认都是大端对齐(高字节、低字节)。

PDU单元与MODBUS RTU数据内容基本相同,由于有TCP/IP和链路层(以太网)校验和机制所以去掉了CRC校验码,从站地址也放在了MBAP帧头里。

另外Modbus TCP/IP默认端口为502。

例子:

Modbus 控制命令为:

00 01 00 00 00 09 04 10 00 00 00 01 02 00 01

MBAP PDU

上述命令可简单的解释为:00 01(事务标识符)00 00(协议标识符)00 09(后续字节数)04(设备标识符,即从站地址)10(功能码,写多个保持寄存器值)00 00(第一个地址,即地址 1)00 01(写寄存器的个数,1个)02(后续所写数据的长度)00 01(具体写的数据)。

Modbus RTU与Modbus TCP读指令对比

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指令的涵义:从地址码为01(TCP协议单元标志为00)的模块0x18E(01 8E)寄存器地址开始读(03)四个(00 04)寄存器。

Modbus RTU与Modbus TCP写指令对比

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指令的涵义:从地址码为01(TCP协议单元标志为00)的模块0x18E(01 8E)寄存器地址开始写(10)一个(00 01)寄存器,具体数据长度为2个字节(02),数据正文内容为00 00(00 00)。

MODBUS ASCII和RTU两种模式的区别、优缺点

MODBUS ASCII协议和RTU协议的比较:

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MODBUS的ASCII协议和RTU协议相比,MODBUS ASCII协议拥有开始和结束标记,而MODBUS RTU却没有,所以ASCII协议的程序中对数据包的处理能更加方便。MODBUS ASCII协议的DATA域传输的都是可见的ASCII字符,因此在调试阶段就显得更加直观,另外它的LRC校验程序也比较容易编写,这些都是MODBUS ASCII的优点。MODBUS ASCII的主要缺点是传输效率低,因为它传输的都是可见的ASCII字符,原来用RTU传输的数据每一个字节,用ASCII的话都要把这个字节拆分两个字节,比如RTU传输一个十六进制数0xF9,ASCII就需要传输字符'F'和字符'9',对应的ASCII码0x46和0x39两个字节,这样它的传输的效率肯定就比RTU低。所以一般来说,如果所需要传输的数据量较小可以考虑使用ASCII协议,如果所需传输的数据量比较大,最好能使用RTU协议。

另外,由于ASCII协议有开始标志和结束标志,所以一个数据包之间的各字节间的传输间隔时间可以大于1秒,而MODBUS RTU方式下,由于没有规定开始和结束标记,所以协议规定每两个字节之间发送或者接收的时间间隔不能超过3.5倍字符传输时间。如果两个字符时间间隔超过了3.5倍的字符传输时间,就认为一帧数据已经接收,新的一帧数据传输开始,所以RTU方式下两个字节间传输间隔有时间要求。MODBUS 的ASCII和RTU两种协议的这一区别可能决定某些应用场合只能选用其中一种协议。

四、modbus功能码

下表列出MODBUS支持的部分功能代码:以十进制表示。

表1.1 MODBUS部分功能码

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modbus协议的数据主要分为四类:离散量输入、线圈状态、输入寄存器、保持寄存器。离散量输入对应开入(遥信),线圈状态对应哪开出(遥控),输入寄存器对应只读的模拟量(遥测),保持寄存器对应可读可写的模拟量(遥调)。

1.1功能码说明

功能码可以分为位操作和字操作两类。位操作的最小单位为BIT,字操作的最小单位为两个字节。

【位操作指令】 读线圈状态01H,读(离散)输入状态02H,写单个线圈06H和写多个线圈0FH。

【字操作指令】 读保持寄存器03H,写单个寄存器06H,写多个保持寄存器10H。

1.2Modbus数据模型

Modbus中,数据可以分为两大类,分别为Coil和Register,每一种数据,根据读写方式的不同,又可细分为两种(只读,读写)。

Modbus四种数据类型:

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1.3寄存器地址分配

表1.3 MODBUS寄存器地址分配

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1.4寄存器种类说明

表1.4 MODBUS寄存器种类说明

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1.5 PLC地址和协议地址区别

PLC地址可以理解为协议地址的变种,在触摸屏和PLC编程中应用较为广泛。

1.5.1寄存器PLC地址

寄存器PLC地址指存放于控制器中的地址,这些控制器可以是PLC,也可以使触摸屏,或是文本显示器。PLC地址一般采用10进制描述,共有5位,其中第一位代码寄存器类型。第一位数字和寄存器类型的对应关系如表1所示。PLC地址例如40001、30002等。

1.5.2寄存器协议地址

寄存器协议地址指指通信时使用的寄存器地址,例如PLC地址40001对应寻址地址0x0000,40002对应寻址地址0x0001,寄存器寻址地址一般使用16进制描述。再如,PLC寄存器地址40003对应协议地址0002,PLC寄存器地址30003对应协议地址0002,虽然两个PLC寄存器寄存器通信时使用相同的地址,但是需要使用不同的命令访问,所以访问时不存在冲突。