Modbus协议在TCP/IP上的运用

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1 Modbus规约

  1. Modbus规约是典型的一问一答的通信规约,支持多种电气接口,可在各种介质上传输,并且消息帧格式简单、紧凑、易懂,方便形成工业控制网络。

  2. 通用的Modbus帧由4个部分组成:地址域、功能码、数据和差错校验。整个帧被称为应用数据单元(ADU),功能码和数据组成协议数据单元(PDU)。如下图所示:
    Modbus协议在TCP/IP上的运用

  3. 通信连接方式主要分为2种,串口和TCP/IP物理层,而串口里又细分为RTU模式和ASCII模式。串口的报文都需要差错校验,但是TCP/IP不需要。
    Modbus协议在TCP/IP上的运用

  4. 对于串口部分本文不涉及,本文主要围绕Modbus TCP/IP规约的几种常见功能码进行介绍。

2 Modbus TCP/IP

2.1 概要

  1. Modbus TCP/IP最大帧数据长度为260字节,不需要校验功能,因为
    • 底层TCP/IP确保端到端的连接
    • TCP/IP链路层确保传输数据的准确性
  2. 其中,MBAP报文头占用7个字节,分别是:
    • 2个字节的传输标识符(Transaction Id),包序号,可设为0,也可每次通信自动+1,在同一时刻,这个标识符必须唯一;
    • 2个字节的协议标识符(Protocol Id),Modbus协议为0,所以值为0x0000;
    • 2个字节的字节长度(Length),记录后续的字节个数,由服务器应答时生成,其他三个都是复制
    • 1字节的单元标识符(Unit Id),识别从机设备,为从站地址,即Slave Id
  3. 报文头后,就是功能码+数据部分。如下图:
    Modbus协议在TCP/IP上的运用
  4. 下文是常见的功能码使用,所讲结构单指PDU部分。注意:当响应异常时,异常功能码=正常功能码+0x80

2.2 0x01读线圈

  1. 该功能码的功能是读取各离散输出的开关(ON/OFF)状态。一个寄存器是2个字节,一个字节有8比特位,该功能就是读每个比特位的状态0/1。
  2. 请求PDU结构为:1字节的功能码+2字节的起始地址+2字节的线圈数量,如下图所示:
    Modbus协议在TCP/IP上的运用
  3. 响应PDU结构为:1字节功能码+1字节数+N个字节的线圈状态,如下图所示:
    Modbus协议在TCP/IP上的运用
  4. 举例,请求读离散量输出20-38的实例:
    • 请求PDU为:01 0013 0013,功能码0x01;起始地址0x0013,从0开始寻址线圈;输出数量0x0013,从20-38一共19个点
    • 响应PDU:01 03 CD 6B 05,功能码0x01;字节数0x03,一字节8比特位,要知道19个状态,需要3个字节;输出状态27-20为0xCD;输出状态35-28为0x6B;输出状态38-36为0x05。用零填充剩余高比特位。

2.3 0x03读保持寄存器

  1. 功能:使用该功能码读取保持寄存器连续块的内容,从0开始寻址寄存器。
  2. 请求PDU结构:1字节功能码+2字节起始地址+2字节寄存器数量(从起始地址开始要读多少个寄存器)
    Modbus协议在TCP/IP上的运用
  3. 响应PDU:1字节功能码+1字节字节数+字节数个字节表示寄存器值。
    Modbus协议在TCP/IP上的运用
  4. 举例,请求读寄存器108-110的值
    • 请求PDU:03 006B 0003,功能码0x03;起始地址0x006B,因为从0开始寻址,所以108对应107;寄存器数量0x0003,108-110共3个寄存器
    • 响应PDU:03 06 023B 0000 0065,功能码0x03,字节数0x06,3个寄存器,每个寄存器有2个字节,所以6个字节;寄存器108值0x023B;寄存器109值0x0000;寄存器110值0x0065

2.4 0x05写单个寄存器

  1. 功能:使用该功能码写单个输出为ON或OFF,0xFF00表示ON,0x0000表示OFF,其余都为非法值。从0开始寻址线圈。
  2. 请求PDU:1字节功能码+2字节输出地址+2字节输出值
    Modbus协议在TCP/IP上的运用
  3. 响应PDU:1字节功能码+2字节输出地址+2字节输出值。当响应正常时,请求PDU和响应PDU是一样的;异常时,1字节异常功能码+1字节异常码组成。
  4. 举例,请求写线圈173为ON:
    • 请求PDU:05 00AC FF00,功能码0x05;输出地址0x00AC,因为从0开始寻址线圈,所以173对应172;输出值0xFF00表示ON
    • 响应PDU:05 00AC FF00

2.5 0x06写单个寄存器

  1. 功能:使用该功能码写单个保持寄存器,从0开始寻址寄存器

  2. 请求PDU:1字节功能码+2字节寄存器地址+2字节寄存器值
    Modbus协议在TCP/IP上的运用

  3. 响应PDU:1字节功能码+2字节寄存器地址+2字节寄存器值。当响应正常时,请求PDU和响应PDU是一样的;异常时,1字节异常功能码+1字节异常码组成。

  4. 举例,请求将0x0003写入寄存器2中:文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-508047.html

    • 请求PDU:06 0001 0003,功能码0x06;寄存器地址0x0001,从0开始寻址,所以寄存器2对应1;寄存器值0x0003
    • 响应PDU:06 0001 0003

2.6 0x10写多个寄存器

  1. 功能:使用该功能码写连续寄存器块。从0开始寻址。
  2. 请求PDU:1字节功能码+2字节起始地址+2字节寄存器数量+1字节的字节数+字节数个字节的寄存器值
    Modbus协议在TCP/IP上的运用
  3. 响应PDU:1个字节功能码+2字节起始地址+2字节寄存器数量
    Modbus协议在TCP/IP上的运用
  4. 举例,请求将0x000A和0x0102写入以2为开始的两个寄存器
    • 请求PDU:10 0001 0002 04 000A 0102,功能码0x10;起始地址0x0001;寄存器数量0x0002;字节数量0x04;写入值0x000A和0x0102
    • 响应PDU:10 0001 0002

3 实例(ADU)

  1. 客户端和服务端通过TCP/IP进行连接,下面为通信信息。
  2. 客户端请求:19B2 0000 0006 06 03 0027 0002
    • 0x19B2,MBAP报文头里的Transaction Id,服务端只要复制该内容,通常表示这一来回的序列号
    • 0x0000,MBAP报文头的Protocol Id,Modbus TCP/IP规定协议为0x0000,服务端只要复制该内容
    • 0x0006,MBAP报文头的Length,表示该字节以后的字节数量,服务器回时要自行计算。实例可见,该部分后06 03 0027 0002共有6个字节
    • 0x06,MBAP报文头的Unit Id,表示从站设备地址,slave Id
    • 0x03,功能码为0x03,读保持寄存器
    • 0x0027,起始地址,从寄存器40开始,因为从0寻址
    • 0x0002,寄存器数量,从起始寄存器开始读2个寄存器
  3. 服务端正常响应:19B2 0000 0007 06 03 04 0000 0000
    • 0x0007,表示其后的字节数,响应报文是7个字节,所以与请求报文的0x0006不同
    • 0x04,表示读寄存器的字节数,读2个寄存器,共4个字节
    • 0x0000 0000,读取的内容
  4. 服务端异常响应:19B2 0000 0003 06 83 02
    • 0x83,异常功能码是由正常功能码+0x80计算而来
    • 0x02,异常码,表示异常原因为非法数据地址。对于服务器(或从站)来说,询问中接收到的数据地址是不可允许的地址。比如:本次请求为读寄存器40-41的值,但是从站只有40个寄存器,这时将产生异常码0x02
    • 异常码还有许多,自行搜索查看

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