快速了解Modbus協(xié)議

? Modbus 是一種流行的低速串行通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化行業(yè)。 該協(xié)議由 Modicon（現(xiàn)已被施耐德電氣收購(gòu)）于 1979 年為其自己的可編程邏輯控制器開(kāi)發(fā)。 該協(xié)議充當(dāng) PLC 和智能自動(dòng)化設(shè)備之間的鏈接。 Modbus 現(xiàn)在是由 Modbus 組織維護(hù)的開(kāi)放協(xié)議，自誕生以來(lái)就深受自動(dòng)化工程師的歡迎。 該協(xié)議廣泛用于工業(yè)監(jiān)測(cè)和控制，特別是 PLC。

? 串行協(xié)議基于主從配置，能夠建立Modbus客戶端與最多247個(gè)Modbus服務(wù)器的通信。 設(shè)備上的物理接口通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) RS-485 或 RS-232 端口來(lái)實(shí)現(xiàn)。 總線是兩端均為 150 歐姆的屏蔽或非屏蔽雙絞線電纜。 該電纜可以使用 9 針 D 型外殼、螺絲端子或 RJ-45 連接器輕松連接到設(shè)備。

? Modbus 是使用菊花鏈或分接頭的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。 Modbus 網(wǎng)絡(luò)中的整個(gè)通信均由主站（即 Modbus 客戶端）控制和管理

? Modbus 廣泛用于將儀器儀表和控制設(shè)備與控制器或數(shù)據(jù)收集設(shè)備連接。 通常，數(shù)據(jù)收集設(shè)備或 Modbus 客戶端是人機(jī)界面 (HMI) 或監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集 (SCADA) 系統(tǒng)內(nèi)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)。 包括傳感器模塊、可編程邏輯控制器(PLC)或可編程自動(dòng)化控制器(PAC)的遠(yuǎn)程終端單元(RTU)是Modbus服務(wù)器。 幾乎所有商用 HMI、SCADA、OPC 服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集軟件都支持 Modbus，從而可以將 Modbus 兼容設(shè)備與任何工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng) (IAS) 或樓宇管理系統(tǒng) (BMS) 輕松集成。

1、為何 Modbus 如此受歡迎

? Modbus 被許多不同行業(yè)的制造商使用，并且因其簡(jiǎn)單性而變得相當(dāng)流行。 它是一個(gè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)； 因此，制造商可以將 RTU 版本的 Modbus 內(nèi)置到他們的設(shè)備中，而無(wú)需支付任何使用費(fèi)。 該協(xié)議甚至可以在 Arduino 等原型板上實(shí)現(xiàn)。 事實(shí)上，該通信協(xié)議可以在任何微控制器或計(jì)算機(jī)上輕松實(shí)現(xiàn)。 數(shù)據(jù)通信通過(guò)請(qǐng)求-響應(yīng)方式進(jìn)行，消息具有固定的幀格式。

? Modbus 協(xié)議最初是作為應(yīng)用層協(xié)議開(kāi)發(fā)的，用于通過(guò)串行層傳輸數(shù)據(jù)，目前有三個(gè)版本：兩個(gè)用于串行線路 — Modbus RTU 和 Modbus ASCII；兩個(gè)用于串行線路 — Modbus RTU 和 Modbus ASCII；兩個(gè)用于串行線路 — Modbus RTU 和 Modbus ASCII。 一種用于以太網(wǎng)（TCP/IP 和 UDP）——Modbus TCP。 雖然相對(duì)簡(jiǎn)單，該協(xié)議仍然能夠進(jìn)行消息檢查，并且準(zhǔn)確率超過(guò) 99%。 Modbus RTU 具有循環(huán)冗余校驗(yàn)和 (CRC)，Modbus ASCII 具有用于錯(cuò)誤檢查的縱向冗余校驗(yàn) (LRC)。

? 盡管該協(xié)議誕生于 20 世紀(jì) 70 年代，但其實(shí)施只需要極少的 RAM 和內(nèi)存資源。 在 20 世紀(jì) 70 年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及嵌入式技術(shù)還沒(méi)有今天那么先進(jìn)，像 Modbus 這樣的輕量級(jí)協(xié)議尤其有吸引力。 Modbus 的受歡迎程度從未下降。

2、范圍和數(shù)據(jù)速率

Modbus 的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)速率為 9600 b/s 或 19.2 kb/s。 通常，19.2 kb/s 是默認(rèn)速率。 數(shù)據(jù)速率可降低至4800 b/s、2400 b/s等。最大數(shù)據(jù)速率為115.2 kb/s。 在 9600 b/s 的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)速率下，Modbus 的最大范圍可達(dá) 1000 米。 如果數(shù)據(jù)速率增加，范圍就會(huì)減小。 龍頭長(zhǎng)度應(yīng)始終小于 20 米。

3、邏輯電平

在 Modbus 上，二進(jìn)制 0 由 +2 至 +6V 的電壓電平表示。 二進(jìn)制1由-2至-6V的電壓電平表示。

4、層數(shù)

最初，Modbus 是在串行層上實(shí)現(xiàn)的單一協(xié)議。 當(dāng)為以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)協(xié)議時(shí)，引入了應(yīng)用數(shù)據(jù)單元，以便能夠通過(guò)串行以及 TCP/IP 和 UDP 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。 該協(xié)議現(xiàn)在分為兩層——核心層和網(wǎng)絡(luò)層。 核心層定義協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)，而網(wǎng)絡(luò)層定義應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(ADU)。 即使沒(méi)有定義任何應(yīng)用數(shù)據(jù)單元，PDU也可以通過(guò)UDP網(wǎng)絡(luò)傳輸。

Modbus 的串行版本（即 Modbus RTU 和 Modbus ASCII）僅需要 PDU，而以太網(wǎng)版本（即 Modbus TCP）則需要 PDU 和 ADU。

5、網(wǎng)絡(luò)與通訊

Modbus 是一種以主從配置實(shí)現(xiàn)的請(qǐng)求-響應(yīng)協(xié)議。 有兩種類型的設(shè)備 - Modbus 客戶端和 Modbus 服務(wù)器。 Modbus 客戶端是主站，通常是 SCADA 系統(tǒng)或 HMI 中的監(jiān)控計(jì)算機(jī)。 Modbus 服務(wù)器是從站，通常是遠(yuǎn)程終端單元，例如傳感器模塊、PLC 和 PAC。

Modbus 的串行版本支持單個(gè)客戶端與最多 247 個(gè) Modbus 服務(wù)器的通信。 由于 RS-485 和 RS-232 端口都是 Modbus 實(shí)現(xiàn)的通用端口，如果使用 RS-232 端口，Modbus 服務(wù)器的最大數(shù)量可達(dá) 247 個(gè)，但如果使用 RS-485 端口，則最大 Modbus 服務(wù)器數(shù)量可達(dá) 247 個(gè)。 由于 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際限制，Modbus 服務(wù)器限制為 32 個(gè)。 可以有多個(gè)客戶端和無(wú)限的服務(wù)器，因?yàn)?Modbus 的以太網(wǎng)版本具有用于互聯(lián)網(wǎng)路由的附加 6 字節(jié)標(biāo)頭

整個(gè)數(shù)據(jù)通信由Modbus客戶端通過(guò)請(qǐng)求-響應(yīng)的方式控制。 在 Modbus 中，數(shù)據(jù)被傳輸為字節(jié)。 在 RTU 版本中，每個(gè)字節(jié)都編碼在一個(gè) 11 位異步幀中，該幀由起始位、數(shù)據(jù)字節(jié)、偶校驗(yàn)和一個(gè)停止位組成。 在 ASCII 版本中，每個(gè)字節(jié)都編碼在 10 位幀中，該幀由起始位、7 位數(shù)據(jù)、1 位偶數(shù)或奇數(shù)奇偶校驗(yàn)或無(wú)位（如果沒(méi)有奇偶校驗(yàn)）以及 1 個(gè)停止位（如果使用奇偶校驗(yàn)）組成 2 停止位。

主設(shè)備/客戶端和從設(shè)備/服務(wù)器之間傳遞的消息稱為協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）。 PDU 由從機(jī)地址、功能代碼（命令）、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)和（CRC 或 LRC）組成。

主設(shè)備向由從設(shè)備地址標(biāo)識(shí)的從設(shè)備之一發(fā)送請(qǐng)求。 從機(jī)地址為一字節(jié)長(zhǎng)，可以是 0 到 255 之間的值。根據(jù)協(xié)議，從機(jī)地址 0 保留用于廣播消息，標(biāo)識(shí)從機(jī)設(shè)備的從機(jī)地址不能超過(guò) 247。功能代碼也是一字節(jié) 長(zhǎng)，它告訴被尋址的從設(shè)備必須采取什么樣的操作。 1～255范圍內(nèi)的功能碼有效，其中128～255保留用于異常響應(yīng)。 該操作是讀取或?qū)懭氩僮?#xff0c;請(qǐng)求中的數(shù)據(jù)借此提供執(zhí)行該操作所需的附加信息。 例如，它可以指定從哪里開(kāi)始讀取以及必須讀取多少數(shù)據(jù)。 RTU 版本采用CRC 進(jìn)行錯(cuò)誤檢查，而ASCII 版本采用LRC 進(jìn)行錯(cuò)誤檢查。

當(dāng)主設(shè)備向?qū)ぶ返膹脑O(shè)備發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，它會(huì)發(fā)回響應(yīng)。 從機(jī)地址和功能代碼在同一響應(yīng)中回顯。 數(shù)據(jù)包含主站請(qǐng)求的值。 如果在執(zhí)行請(qǐng)求的操作時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤，則功能代碼將被修改，并且數(shù)據(jù)包含描述錯(cuò)誤的代碼。 同樣，分別根據(jù) RTU 或 ASCII 幀的 CRC 或 LRC 用于確保消息或 PDU 的完整性。

6、數(shù)據(jù)幀格式

在 RTU 成幀中，每個(gè)字節(jié)代表 11 位幀中的兩個(gè) 4 位十六進(jìn)制字符。 PDU 由 1 字節(jié)長(zhǎng)的從機(jī)地址、1 字節(jié)長(zhǎng)的功能碼、0 至 252 字節(jié)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)和 2 字節(jié)長(zhǎng)的 CRC 組成。

在 ASCII 幀中，每個(gè)字節(jié)代表 10 位幀中的兩個(gè) ASCII 字符。 PDU 由 1 個(gè)字符長(zhǎng)的起始字符、2 個(gè)字符長(zhǎng)的從機(jī)地址、2 個(gè)字符長(zhǎng)的功能代碼、0 至 504 個(gè)字符長(zhǎng)的數(shù)據(jù)、2 個(gè)字符長(zhǎng)的 LRC 和 2 個(gè)字符長(zhǎng)的結(jié)束字符組成。 起始字符始終為冒號(hào) (😃 或 ASCII 3A 十六進(jìn)制。 結(jié)束字符始終是帶有換行符的回車符（ASCII 0D 和 0A 十六進(jìn)制）。 RTU 中的每個(gè) PDU 以及 ASCII 版本均由 28 位或 3.5 個(gè)字符分隔。

Modbus 的 RTU 和 ASCII 版本幾乎相似，除了一些差異之外。 在 RTU 成幀中，字節(jié)以二進(jìn)制形式表示，而在 ASCII 成幀中，字節(jié)以可讀的 4 位 ASCII 字符表示。 ASCII 幀具有文本開(kāi)始和文本結(jié)束字符，而在 RTU 幀中，PDU/消息之間的 28 位分隔被解釋為檢測(cè)幀的開(kāi)始和結(jié)束。 由于 RTU 成幀使用較短的消息，因此它比 ASCII 版本更快。 ASCII 版本確實(shí)有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即消息中的字符之間最多可以間隔一秒。 如果間隔超過(guò)一秒，設(shè)備將視為傳輸錯(cuò)誤。

TCP版本的Modbus中的PDU由2字節(jié)長(zhǎng)的事務(wù)ID、2字節(jié)長(zhǎng)的協(xié)議字段、2字節(jié)長(zhǎng)的長(zhǎng)度字段、1字節(jié)長(zhǎng)的從機(jī)地址和1到252字節(jié)長(zhǎng)的協(xié)議字段組成。 消息字段。

事務(wù) ID 標(biāo)識(shí)事務(wù)，協(xié)議始終設(shè)置為 0 以指示 Modbus。 長(zhǎng)度表示后面的字節(jié)數(shù)。 接下來(lái)是 1 字節(jié)長(zhǎng)的從機(jī)地址。 消息字段是類似于Modbus幀的RTU版本，由功能代碼和數(shù)據(jù)組成。 消息字段的最大大小可以是 253 字節(jié)（即功能代碼為 1 字節(jié)，數(shù)據(jù)如 RTU 幀中最大為 252 字節(jié)）。

在所有版本（RTU、ASCII 和 TCP）中，最低有效位首先發(fā)送。Modbus 兼容設(shè)備無(wú)法自動(dòng)檢測(cè)波特率，因此需要在總線的客戶端和服務(wù)器端顯式設(shè)置相同的波特率。 Modbus PDU 支持的格式只能發(fā)送數(shù)據(jù)，無(wú)法跨通信設(shè)備發(fā)送參數(shù)。

7、數(shù)據(jù)類型

Modbus 中有兩種類型的數(shù)據(jù)——線圈（ Coils）和寄存器（Registers）。 線圈是單個(gè)位，可以是 0（關(guān)）或 1（開(kāi)）。 線圈可以是離散的輸出線圈或離散的輸入觸點(diǎn)。 離散輸入觸點(diǎn)是物理離散輸入的狀態(tài)，即“開(kāi)”或“關(guān)”。 離散輸出線圈是物理離散輸出信號(hào)的狀態(tài)，即 ON 或 OFF。

這些寄存器是 16 位無(wú)符號(hào)寄存器，可以包含表示浮點(diǎn)數(shù)、ASCII 文本、隊(duì)列或表的值。 寄存器本身僅存儲(chǔ) 0 到 65535 范圍內(nèi)的正值，即 0x0000 到 0xFFFF 十六進(jìn)制。 存儲(chǔ)在寄存器中的 16 位數(shù)據(jù)可以被 Modbus 客戶端解釋為 16 位無(wú)符號(hào)整數(shù)、16 位有符號(hào)整數(shù)、2 字符 ASCII 字符串或離散 ON/OFF 值。 存儲(chǔ)在寄存器中的 32 位數(shù)據(jù)可以被 Modbus 客戶端解釋為 32 位無(wú)符號(hào)整數(shù)、32 位有符號(hào)整數(shù)、4 個(gè)字符的 ASCII 字符串或 32 位雙精度浮點(diǎn)數(shù)。

有兩種類型的寄存器——模擬輸入寄存器和模擬輸出保持寄存器。 與離散輸入觸點(diǎn)（線圈）一樣，輸入寄存器將外部輸入的狀態(tài)存儲(chǔ)為 0 到 65535（0x0000 和 0xFFFF）之間的值。 過(guò)去，輸入寄存器通常用于存儲(chǔ)模擬輸入值的數(shù)字表示，這些模擬輸入值可以是電壓或電流信號(hào)。 輸出保持寄存器用于存儲(chǔ)設(shè)備上的數(shù)據(jù)。 現(xiàn)在，由于大多數(shù)Modbus兼容設(shè)備都不是輸入/輸出設(shè)備，因此輸入寄存器也用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

8、服務(wù)器如何存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

在傳感器模塊、PLC 或 PAC 等 Modbus 服務(wù)器上，數(shù)據(jù)被組織到四個(gè)表或數(shù)據(jù)庫(kù)中。 有兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)離散的開(kāi)/關(guān)值或線圈。 這些數(shù)據(jù)庫(kù)分別存儲(chǔ)離散輸出線圈和離散輸入觸點(diǎn)。 然后，有兩個(gè)存儲(chǔ)數(shù)值的數(shù)據(jù)庫(kù)或寄存器，分別存儲(chǔ)模擬輸入寄存器和模擬輸出保持寄存器。

每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)可存儲(chǔ) 9999 個(gè)值。 例如，離散輸出線圈和離散輸入觸點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫(kù)可以分別存儲(chǔ) 0000 到 270E 范圍內(nèi)的 9999 位。 模擬輸入寄存器和模擬輸出保持寄存器的數(shù)據(jù)庫(kù)可存儲(chǔ) 9999 個(gè)字，每個(gè)字的范圍為 0000 至 270E，每個(gè)字為 16 位長(zhǎng)。

離散量輸出線圈和模擬量輸出保持寄存器的數(shù)據(jù)庫(kù)是讀寫(xiě)型的，而離散量輸入觸點(diǎn)和模擬量輸入寄存器的數(shù)據(jù)庫(kù)是只讀型的。

數(shù)據(jù)庫(kù)中的值可以通過(guò)位置名稱來(lái)訪問(wèn)。 離散量輸出線圈、離散量輸入觸點(diǎn)、模擬量輸入寄存器和模擬量輸出保持寄存器的數(shù)據(jù)庫(kù)位置分別為 1_9999、1000119999、30001~39999 和 40001~49999。 下表總結(jié)了 Modbus 服務(wù)器上四個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

9、總結(jié)

Modbus 是一種廣泛使用的工業(yè)通信協(xié)議，通常與 PLC 一起使用。 該協(xié)議具有三個(gè)版本：RTU、ASCII 和 Modbus。 RTU 版本是開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)且速度最快，最常被制造商使用。 對(duì)于較短的消息，RTU 幀的 Modbus 消息可以以 100 毫秒的間隔更新。 幾乎所有商業(yè) HMI、SCADA、OPC 服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集軟件都支持 Modbus，因此可以輕松地將 Modbus 兼容設(shè)備集成到任何工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)或樓宇管理系統(tǒng)中。