Modbus MODBUS TCP 協議解析

Modbus和Modbus/TCP協議基礎介紹,EPA推廣應用中心章雷,主要內容,Modbus是MODICON公司于1979年開發(fā)的一種通訊協議，是一種工業(yè)現場總線協議標準。1996年施耐德公司推出了基于以太網TCP/IP的Modbus協議ModbusTCP。Modbus協議是一項應用層報文傳輸協議，包括ASCII、RTU、TCP三種報文類型，協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構，而不管他們是經過何種網絡進行通信的。標準的Modbus協議物理層接口有RS232、RS422、RS485和以太網口。采用Master/Slave（主/從）方式通信。Modbus在2004年成為我國國家標準。,Modbus技術規(guī)范的關系,Modbus應用協議,Modbus是一種簡單客戶機/服務器應用協議客戶機能夠向服務器發(fā)送請求。服務器分析請求，處理請求，向客戶機發(fā)送應答。,通用Modbus幀結構協議數據單元(PDU),Modbus協議定義了一個與基礎通信層無關的簡單協議數據單元（PDU），特定總線或網絡上的Modbus協議映射能夠在應用數據單元（ADU）上引入一些附加域。,Modbus事務處理（無差錯）,當服務器對客戶機響應時，它使用功能碼域來指示正常（無差錯）響應或者出現某種差錯（稱為異常響應）。對于一個正常響應來說，服務器僅復制原始功能碼。,Modbus事務處理（異常響應）,對于異常響應，服務器將原始功能碼的最高有效位設置邏輯1后返回。異常碼指示差錯類型。,Modbus協議在串行鏈路上的實現模型,主要是在RS485和RS232等物理接口上實現Modbus協議。在Modbus鏈路層上客戶機的功能由主站提供而服務器的功能由從站實現。,Modbus主站-從站協議原理,Modbus串行鏈路協議是一個主-從協議。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247）連接于同一串行總線。Modbus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)送數據。子節(jié)點之間互不通信。主節(jié)點在同一時刻只會發(fā)起一個Modbus事務處理。主節(jié)點以兩種模式對子節(jié)點發(fā)送Modbus請求：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個不同地址地址0為廣播地址Modbus主節(jié)點沒有地址，子節(jié)點必須有一個唯一的地址,串行鏈路上的Modbus幀結構,Modbus串行鏈路協議是一個主/從協議網絡上的每個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備，由主站發(fā)起地址0用于廣播模式，不需要響應RS-485和RS-232定義了標準的物理端口，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8Bit字節(jié)需2個ASCII字符,其優(yōu)點是準許字符的傳輸間隔達到1s而不產生錯誤;,RTU模式：每個8Bit字節(jié)包含兩個4Bit的十六進制字符,其優(yōu)點是在同樣的波特率下,可比ASCII方式傳送更多的數據,但是每個信息必須以連續(xù)的數據流傳輸。,優(yōu)點：公開的協議，完全免費。簡單易用，性能穩(wěn)定。廣泛的知識資源支持。,Modbus的優(yōu)缺點,缺點：自適應性差，需合理組態(tài)。通信效率低。,ModbusTCP簡介,ModbusTCP是運行在TCP/IP上的Modbus報文傳輸協議。通過此協議，控制器相互之間通過網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信。ModbusTCP是開放的協議，IANA（InternetAssignedNumbersAuthority，互聯網編號分配管理機構）給Modbus協議賦予TCP編口號為502，這是目前在儀表與自動化行業(yè)中唯一分配到的端口號。ModbusTCP/IP協議模型,ModbusTCP通信結構,ModbusTCP/IP的通信設備：連接至TCP/IP網絡的ModbusTCP/IP客戶機和服務器設備?；ミB設備，如：在TCP/IP網絡和串行鏈路子網之間互連的網橋、路由器或網關等設備。,ModbusTCP數據幀,ModbusTCP數據幀與串行鏈路數據幀的區(qū)別,MBAP報文頭,ModbusTCP報文傳輸服務結構,通信應用層,Modbus客戶機：允許用戶應用控制與遠程設備的信息交換。Modbus客戶機根據用戶應用向Modbus客戶機接口的發(fā)送要求中所包含的參數來建立一個Modbus請求。Modbus客戶機接口：Modbus客戶機接口提供一個接口，使得用戶應用能夠生成各類Modbus服務的請求，該服務包括對Modbus應用對象的訪問。Modbus服務器：在收到一個Modbus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。,TCP管理層,連接管理：在客戶機和服務器的Modbus模塊之間的通信需要使用TCP連接管理模塊，負責全面管理報文傳輸TCP連接。訪問控制：在某些至關重要的場合，必須禁止無關的主機對設備內部數據的訪問。,管理通信的建立和結束以及管理在所建立的TCP連接上的數據流。,TCP/IP棧層,可以對TCP/IP的棧進行參數配置，以適用于不同的產品或系統(tǒng)特定的約束條件，來進行數據流控制、地址管理和連接管理，使用BSD套接字接口來管理TCP連接。,TCP連接管理,MODBUS通信需要建立客戶機與服務器之間的TCP連接。連接的建立可以由用戶應用模塊直接實現，也可以由TCP連接管理模塊自動完成。在第一種情況下，用戶應用模塊必須提供應用程序接口，以便完全管理連接。這種方式為應用開發(fā)人員提供了靈活性，但需要TCP/IP機制方面的專長。在第二種情況，TCP連接管理完全不出現，用戶應用僅需要發(fā)送和接受MODBUS報文。TCP連接管理模塊負責在需要時建立新的TCP連接。,TCP連接的建立,Modbus報文傳輸服務必須在502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備交換數據。當報文傳輸服務需要與遠程服務器交換數據時，它必須與遠程502端口建立一個新的客戶機連接，以便于遠距離地交換數據。本地端口必須高于1024，并且對每個客戶機的連接各不相同。,信息交換過程,完整的ModbusTCP通信過程：客戶機建立一個連接，向服務器發(fā)送3個MODBUS請求，而不等待第一個請求的應答到來。在收到所有的應答后，客戶機正常地關閉連接。,客戶機的通信過程如下:(1)用Connect命令建立與目標設備的連接;(2)準備Modbus報文包括7個字節(jié)的MBAP在內的請求；(3)使用Send命令發(fā)送報文;(4)在同一連接下等待應答;(5)用Recv命令讀取報文,完成一次數據交換過程。當通信任務結束時,關閉TCP連接,使ModbusTCP服務器可為其它客戶機服務。,優(yōu)點：用戶可免費獲得協議及樣板程序；網絡實施價格低廉，可全部使用通用網絡部件；易于集成不同的設備，幾乎可以找到任何現場總線連接到Modbus-TCP的網關；網絡的傳輸能力，100M以太網的傳輸結果為：每秒4000個ModbusTCP報文，而每個報文可傳輸125個字(16bit)，故相當于4000125=500000個模擬量數據(8000000開關量！)；,Modbus/TCP的優(yōu)缺點,缺點：實時性較差,應用行業(yè)規(guī)模,TCP/IP已成為信息行業(yè)的事實標準：世界上93%的網絡