Modbus的實(shí)現(xiàn)方法有哪些？Modbus網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案介紹

1.0 介紹

Modbus是由AEG-Modicon(莫迪康)公司開發(fā)的串行通信協(xié)議。它最初設(shè)計(jì)用于可編程邏輯控制器(PLC)。它是一種應(yīng)用層消息傳遞協(xié)議，運(yùn)行在開放系統(tǒng)互連(OSI)協(xié)議模型的第7層，提供連接在不同類型網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備之間的客戶端-服務(wù)器通信。

Modbus協(xié)議層如下圖所示，它定義了一種通過另一設(shè)備訪問和控制設(shè)備的方法，而不考慮所涉及的物理網(wǎng)絡(luò)的類型。

Modbus不需要接口，就像許多其他總線一樣。用戶可以選擇RS-422, RS-485或20 mA電流回路。與其他總線相比，Modbus速度相對(duì)較慢，但在控制儀表制造商和用戶中被廣泛接受，具有決定性優(yōu)勢(shì)。

自1979年以來,Modbus成為工業(yè)串行總線的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。Modbus沒有正式的認(rèn)證方式,制造商的責(zé)任是確認(rèn)他們的產(chǎn)品與Modbus設(shè)備兼容。協(xié)議描述了一個(gè)設(shè)備訪問另一個(gè)設(shè)備的方式，如何接收信息，以及如何響應(yīng)查詢。在出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況下，協(xié)議提供了一種向用戶發(fā)送相應(yīng)命令的機(jī)制。通過將Modbus協(xié)議作為數(shù)據(jù)包嵌入到其他網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議中，通信可以在Modbus網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行，也可以在其他網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng))上進(jìn)行。

Modbus串行通信協(xié)議基于主/從原理，由主設(shè)備發(fā)起事務(wù)。該協(xié)議提供一個(gè)主設(shè)備和多達(dá)247個(gè)從設(shè)備。

Modbus的一些特性是固定的，一些特性是用戶可以選擇的。固定的特征是幀格式、幀序列、通信錯(cuò)誤和異常條件的處理以及所執(zhí)行的功能?？蛇x擇的特性是傳輸介質(zhì)和傳輸特性。用戶特征一旦設(shè)置，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)就不能更改。

2.0 通信棧

Modbus的實(shí)現(xiàn)方法如下:

• 以太網(wǎng)上的傳輸控制協(xié)議(TCP)/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)。
• 異步串行傳輸在不同的媒質(zhì)，如:EIA/TIA-232E, EIA-422, EIA/TIA-485-A; 光纖, 無線通信等.
• Modbus Plus — 一種高速令牌傳遞方法。

下圖，展示了使用TCP/IP、主/從和Modbus Plus物理層實(shí)現(xiàn)Modbus通信棧的過程。

3.0 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Modbus網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案如下圖所示。

不同的設(shè)備，如PLC、人機(jī)界面(HMI)、輸入/輸出(I/O)等，可以通過單獨(dú)的網(wǎng)關(guān)連接到Modbus TCP/IP。不同的Modbus協(xié)議，即MB+上的Modbus, RS-232上的Modbus，RS-485上的Modbus通過TCP/IP發(fā)起遠(yuǎn)程通信。

4.0 通信事務(wù)

Modbus串行通信采用主/從協(xié)議。主站發(fā)起查詢，從站通過向主站提供必要的數(shù)據(jù)或根據(jù)請(qǐng)求采取適當(dāng)?shù)牟僮鱽眄憫?yīng)。 從站的響應(yīng)如下:

• 采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)
• 向主站提供必要的數(shù)據(jù)/信息
• 通知主站，必要的行動(dòng)無法執(zhí)行。

當(dāng)從站無法按照主站的請(qǐng)求執(zhí)行所需的操作時(shí)，將向主站發(fā)送一條錯(cuò)誤消息(稱為異常響應(yīng))。對(duì)主站的異常響應(yīng)包含以下內(nèi)容:

• 響應(yīng)從站的地址
• 從站被請(qǐng)求執(zhí)行的動(dòng)作和
• 說明行動(dòng)為什么不能執(zhí)行。

如果消息包含錯(cuò)誤，從站會(huì)忽略它。在這種情況下，因?yàn)樗鼰o法收到從響應(yīng)的響應(yīng)，主站將查詢重發(fā)給從站。

4.1. 主/從和廣播通信

主站可以一個(gè)一個(gè)地對(duì)從站尋址(單播模式)，也可以同時(shí)給所有從站尋址(廣播模式)。從站響應(yīng)單播消息，但不響應(yīng)多播消息。主/從通信和廣播通信方式分別如下圖所示：

4.2 查詢響應(yīng)周期

查詢由主站發(fā)起，從站響應(yīng)它。查詢響應(yīng)周期是Modbus網(wǎng)絡(luò)中所有通信事務(wù)的基礎(chǔ)。來自主站的查詢包含四部分:設(shè)備地址、功能碼、數(shù)據(jù)/消息和錯(cuò)誤檢查碼。從站的響應(yīng)結(jié)構(gòu)與主站的響應(yīng)結(jié)構(gòu)相同。下圖顯示了查詢響應(yīng)周期。

4.2.1 地址段

主站在其查詢中發(fā)送的地址字段包含消息所指向的從站的地址。取值范圍為 1到247。當(dāng)從站發(fā)送它的響應(yīng)時(shí)，它將自己的地址放在它的地址字段中，以便主站可以知道正確的從站正在響應(yīng)。地址0指定用于廣播。所有從站都讀取它們，但不向來自主站的查詢提供任何響應(yīng)。

4.2.2 功能段

雖然不是所有設(shè)備都支持所有的功能碼，但是功能碼的取值范圍是1 ~ 255。當(dāng)功能碼在查詢中從主站到達(dá)從站時(shí)，從站就會(huì)知道它必須采取的操作。從站所采取的動(dòng)作的例子可能包括:讀取輸入狀態(tài)，讀取寄存器內(nèi)容，改變從站內(nèi)的狀態(tài)，操作繼電器線圈等。

當(dāng)從站向主站發(fā)送響應(yīng)時(shí)，它重復(fù)接收到的佛南功能碼。它表示從站已經(jīng)理解了來自主站的查詢并采取了相應(yīng)的行動(dòng)。如果從站無法執(zhí)行指令，則生成異常響應(yīng)，從站使用功能碼和數(shù)據(jù)字段將異常的原因告知主站。

在生成異常響應(yīng)的情況下，從站將原始功能碼返回給主站，但將MSB設(shè)置為1。在這種情況下，從站的響應(yīng)消息的數(shù)據(jù)字段向主站指示所發(fā)生的錯(cuò)誤的性質(zhì)。因此，主站可以基于此采取適當(dāng)?shù)牟僮?。主站所采取的行?dòng)可能是重復(fù)原始消息，或嘗試診斷問題，或設(shè)置警報(bào)等。

4.2.3 數(shù)據(jù)段

查詢中從站接收到的數(shù)據(jù)字段通常包括寄存器值、寄存器地址或寄存器范圍。有些功能不需要數(shù)據(jù)字段，此時(shí)，來自主站的查詢中不包含d數(shù)據(jù)字段。

如果沒有發(fā)生錯(cuò)誤，則從站使用響應(yīng)的數(shù)據(jù)字段將數(shù)據(jù)傳遞回主主站。當(dāng)錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，從站的數(shù)據(jù)字段傳遞更多的信息，告知主站所檢測(cè)到的錯(cuò)誤的性質(zhì)。

Modbus本身不編碼數(shù)據(jù)，因此可以采用許多編碼方案。用戶可以就網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議做出選擇。

4.2.4 錯(cuò)誤校驗(yàn)段

錯(cuò)誤校驗(yàn)字段允許主站確認(rèn)從從站接收到的消息的完整性。所采用的錯(cuò)誤校驗(yàn)方法取決于所選擇的傳輸模式。在遠(yuǎn)程終端單元(RTU)模式下，可以采用循環(huán)冗余檢查(CRC)，或者，對(duì)ASCII模式的傳輸采用LRC。

接收設(shè)備收到完整消息后，計(jì)算錯(cuò)誤校驗(yàn)值，并與收到的消息中的錯(cuò)誤校驗(yàn)值進(jìn)行比較。如果兩者一致，則沒有發(fā)生錯(cuò)誤并采取相應(yīng)的行動(dòng)。如果兩個(gè)值不一致，接收到的消息將被拒絕。

5.0 協(xié)議說明：PDU 和 ADU

Modbus可以在不同類型的總線和網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)，但Modbus部分協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)必須包含該總線和網(wǎng)絡(luò)中。PDU由兩個(gè)字段組成:功能碼和數(shù)據(jù)。

兩種最常見的Modbus實(shí)現(xiàn)類型是以太網(wǎng)(TCP/IP)和串行通信，串行通信通可以是RS232、RS422或RS485。最常見的Modbus串行協(xié)議是Modbus-RTU。無論用于特定應(yīng)用程序的協(xié)議類型是什么，特定于應(yīng)用程序的尋址和錯(cuò)誤校驗(yàn)都附加到PDU上，從而產(chǎn)生應(yīng)用程序數(shù)據(jù)單元(ADU)。如下圖所示，ADU表示Modbus幀。

6.0 傳輸模式

在Modbus網(wǎng)絡(luò)中傳輸串行數(shù)據(jù)有兩種傳輸方式:RTU和ASCII。它們?cè)谠S多方面有所不同:在消息字段中包裝信息的方式、解釋消息的比特內(nèi)容的方式、解碼消息的方式以及在給定波特率下的操作速度。

不同的模式不能同時(shí)使用，用戶可以為特定的應(yīng)用程序選擇特定的模式。RTU模式比ASCII模式更快、更健壯。因此，在消息傳輸方面，它比ASCII形式有更多的應(yīng)用

RTU傳輸模式有時(shí)被稱為Modbus-B, ASCII傳輸模式被稱為Modbus-A。ASCII模式下的典型消息長(zhǎng)度大約是等效RTU消息長(zhǎng)度的兩倍。 在ASCII傳輸模式下，消息中的每個(gè)字節(jié)以兩個(gè)ASCII字符的形式傳輸，在RTU傳輸模式下，消息中的每個(gè)字節(jié)以一個(gè)包含兩個(gè)十六進(jìn)制數(shù)字的8位二進(jìn)制數(shù)的形式發(fā)送。

通過將Modbus數(shù)據(jù)封裝在TCP/IP報(bào)文中，Modbus報(bào)文也可以在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)中傳輸。

7.0 消息分幀

對(duì)于消息的傳輸，在其最終傳輸之前構(gòu)造一個(gè)幀。幀由開始字符和結(jié)束字符、單播設(shè)備地址或廣播設(shè)備地址、功能碼、數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤校驗(yàn)碼組成。

7.1 ASCII 分幀

Modbus ASCII 幀由六個(gè)字段組成，如下圖所示。

幀以冒號(hào)(:)開頭，它是ASCII字符3Ah, h表示十六進(jìn)制。幀以一個(gè)end結(jié)束，它是一個(gè)回車換行符，用兩個(gè)ASCII字符 0Dh和0Ah表示。中間其余四個(gè)字段用十六進(jìn)制字符 0-9和A-F表示。

ASCII模式允許兩個(gè)連續(xù)傳輸之間的間隔為1秒，而不會(huì)產(chǎn)生任何錯(cuò)誤。連接到Modbus網(wǎng)絡(luò)的所有設(shè)備持續(xù)監(jiān)視冒號(hào)字符，冒號(hào)字符將代表ASCII字符的開始。如果一個(gè)特定的設(shè)備發(fā)現(xiàn)與它自己的地址匹配，那么它將開始解碼功能代碼和其他字段，并采取相應(yīng)的行動(dòng)。

7.2 RTU 分幀

在這種模式下，消息幀以至少3.5倍字符長(zhǎng)度的靜默時(shí)間間隔開始。消息以相同的3.5倍字符長(zhǎng)度的時(shí)間間隔結(jié)束。在開始字段之后，接收設(shè)備將監(jiān)聽地址字段，以了解消息是否要發(fā)送到該設(shè)備。RTU幀格式如下圖所示。整個(gè)消息幀必須在一個(gè)連續(xù)流中傳輸，否則將產(chǎn)生錯(cuò)誤。

8.0 Modbus TCP/IP

開放的Modbus TCP/IP規(guī)范于1999年引入。使用Modbus TCP/IP協(xié)議有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，如簡(jiǎn)單、使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)、開放等。在單個(gè)站點(diǎn)上可以輕松實(shí)現(xiàn)超過1 kB/秒的傳輸速率。

Modbus TCP/IP是一種互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。它是一個(gè)TCP包裝過的Modbus協(xié)議。因此，Modbus設(shè)備可以通過Modbus TCP/IP進(jìn)行通信。網(wǎng)關(guān)設(shè)備只需要從物理層(RS-232、RS-485或其他)轉(zhuǎn)換到以太網(wǎng)，并將Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換為Modbus TCP/IP。

下圖 (a,b)顯示了Modbus TCP/IP協(xié)議層以及OSI層，以及分別封裝在Modbus TCP/IP框架中的Modbus幀：

常規(guī)的Modbus幀包含設(shè)備地址的任意兩個(gè)ASCII碼(在ASCII模式下)或8位十六進(jìn)制字節(jié)(在RTU模式下)，這里被替換為IP地址和設(shè)備網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符。此外，Modbus幀中的16位校驗(yàn)和被Modbus TCP/IP幀中的TCP的32位CRC所取代。

將Modbus協(xié)議的主/從架構(gòu)修改為Modbus TCP/IP中的客戶端-服務(wù)器架構(gòu)。由于TCP是面向連接的協(xié)議，對(duì)于Modbus TCP/IP中的每個(gè)查詢，都會(huì)有一個(gè)響應(yīng)。