行业常识_Modbus

news2025/1/18 17:05:22

文章目录

- 1 Modbus
- - 1.1 Modbus是啥
  - 1.2 应用
  - 1.3 协议变体及区别
  - - 1.3.1 物理层
    - 1.3.2 帧结构
    - 1.3.3 传输速率
    - 1.3.4 连接方式
    - 1.3.5 网络依赖性
    - 1.3.5 安全性
  - 1.4 传输方式
  - - 1.4.1 协议数据单元
  - 1.5 Modbus协议数据模型
  - 1.6 Modbus地址模式

1 Modbus

1.1 Modbus是啥

Modbus是一种协议。
其名称源于Modicon + Bus，其中Modicon是现在施耐德公司旗下的品牌，Bus是总线的意思。所以Modbus是Modicon公司在1979年为PLC通信而发表的一种串行通信协议。

1.2 应用

通过此协议，控制器（如PLC）可以相互之间、也可以经由网络（以太网）和其他设备之间通信。由于它早期的开放、公开、无版权要求、免费，并且使用简单，现在已经成为了通用的工业标准。有了它，不同厂商生产的设备可以连成工业网络，进行集中监控。

该协议采用主从通信的模式，典型的主设备（master）包括现场仪表、工控机、显示面板，典型的从设备（slave）为可编程逻辑控制器（PLC）。

1.3 协议变体及区别

Modbus协议包括ASCII、RTU、TCP，并没有规定物理层。
此协议定义了控制器能够识别和使用的消息结构，而不管它是经过何种网络进行通信的。

Modbus的两种常见变体：Modbus RTU和Modbus TCP。下面讨论一下两者的区别。

1.3.1 物理层

Modbus RTU采用串行通信方式，利用RS-232或RS-485进行数据传输（规定了传输的电气标准、机械接口标准等）。它使用二进制编码来实现通信。与之相反，Modbus TCP采用以太网的通信方式，使用TCP/IP协议栈在网络上进行数据传输。（由此可见，Modbus协议是在物理层之上的，它不依赖于具体的物理实现；也是网络层之上的，因为它可以用TCP/IP传输；它是应用层的协议）

1.3.2 帧结构

Modbus RTU采用紧凑的二进制格式对数据帧进行封装。每个数据帧包含从站地址、功能码、数据和错误校验等字段。而Modbus TCP则采用基于TCP/IP的报文结构，将Modbus数据帧封装在TCP报文中，然后通过IP网络进行传输。

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1.3.3 传输速率

由于Modbus RTU是基于串行通信的，因此其传输速率受限于串行接口的性能。通常情况下，Modbus RTU的传输速率较低，在几千比特每秒到几十千比特每秒之间。与之相比，Modbus TCP使用以太网作为物理介质，支持更高的传输速率，可以达到以太网的标准速率，如10Mbps、100Mbps或1Gbps。

1.3.4 连接方式

Modbus RTU采用点对点的连接方式，也就是一对一的通信模式。一个主站可以连接多个从站，但每次只能与一个从站进行通信。相反，Modbus TCP采用基于IP的客户端-服务器模型，支持多对多的连接方式。多个客户端可以同时与一个Modbus TCP服务器进行通信。

1.3.5 网络依赖性

Modbus RTU不依赖于网络基础设施，可以在简单的串行连接上进行通信，适用于较小的局域网。Modbus TCP则依赖于TCP/IP网络，需要可靠的网络基础设施支持，适用于更大规模的分布式系统。

1.3.5 安全性

Modbus RTU没有内置的安全机制，通信数据未经加密，因此容易受到安全威胁。Modbus TCP可以利用TCP/IP的安全特性，例如加密和认证，提供更高的安全性。

1.4 传输方式

1.4.1 协议数据单元

Protocol Data Unit，即协议数据单元，缩写PDU，由功能码+数据组成，
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功能码——1字节，表示要执行的功能；
数据长度——表示要读取的地址或要写入的值，不同的功能码对应的数据有所不同。

PDU有三种类型：

请求型协议数据单元（Request PDU）；
应答型协议数据单元（Response PDU）；
异常应答型协议数据单元（Exception Response PDU）。

PDU是Modbus协议通用数据结构，它与底层物理结构无关。但通信时，需要依赖于物理网络。因此要把PDU映射到物理网络上，这就形成了应用数据单元（Application Data Unit，ADU）。由于底层网络不同，RTU应用数据单元的结构与TCP应用数据单元的结构不通。
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TCP ADU在PDU的基础上，添加了一个叫MBAP头的结构，即 ModBus Application 应用数据单元。

名称	长度	描述	客户端	服务器
Transaction Identifier /传输标识符	2字节	用来标识请求/应答帧	由客户端初始化	服务器拷贝该标识
Protocol Identifier 协议标识符	2字节	0 = Modbus	由客户端初始化	服务器拷贝该标识
Length 长度	2字节	接下来发送数据的长度	由客户端初始化	服务器拷贝该标识
Unit Identifier 单元标识符	1字节	串行链路或其他总线上的站标识	由客户端初始化	服务器拷贝该标识

其中：

传输标识符：用于标识ADU，即请求和应答之间的配对；客户端对该部分进行初始化，服务端将其拷贝到自己的ADU中；
协议标识符：系统间的协议标识，0代表Modbus；
长度：接下来要发送的数据长度，即：单元标识符+PDU的总长度，以字节为单位；
单元标识符：用于系统间的站寻址，比如在以太网+串行链路中，远程站的地址；

1.5 Modbus协议数据模型

Modbus协议允许设备将四种数据分别映射到不同的存储区中，各个区块之间相互独立，使用不同的功能码可以读取到相应的数值，如下图：
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Modbus数据模型映射到不同的存储区块
协议也允许设备将四种数据映射到同一存储区块中，这样通过不同的功能码读取数据可能会得到相同的数据（比如：输入寄存器和保持寄存器位于同一物理区块）。