Modbus tcp 协议详解
Modbus tcp 协议详解
Modbus TCP是一种基于以太网TCP/IP的应用层协议，它保留了Modbus协议的核心功能和数据模型，但对消息封装进行了调整，使其符合TCP/IP的要求。本文将详细介绍Modbus TCP协议的基本概念、存储区、功能码、协议报文结构，并通过工具使用和Java代码示例展示如何模拟主站与从站之间的通信。
1. 相关概念
1.1 Modbus
Modbus是一种广泛应用于工业自动化领域的通信协议。它提供了通用的语言在设备之间建立主从式的通信。Modbus协议简单、开放、易于实现，且支持多种物理层通信介质（RS232、RS485、TCP/IP网络等），因此成为了工业领域通信协议的业界标准之一。我们今天要介绍的是一种基于以太网TCP/IP的应用层协议——Modbus TCP/IP协议。
1.2 Modbus TCP
Modbus TCP是Modbus协议在以太网上的一种实现，它保留了Modbus协议的核心功能和数据模型，但对消息封装进行了调整，使其符合TCP/IP的要求。在进行下一步之前我们首先对Modbus中的一些概念做一个了解。
1.3 存储区
存储的数据类型分为布尔量和寄存器
- 布尔量：如水阀的开关、灯的开关等数据。
- 寄存器：如流速、导电率、温湿度、空气浓度等数据。
Modbus规定了4个存储区，分别是0、1、3、4，对应下面表格内容，具体为：
- 0区：可读可写的布尔量
- 1区：只读布尔量
- 3区：只读寄存器
- 4区：可读可写的寄存器
1.4 功能码
Modbus定义了一系列的功能码，这些功能码表示了主站请求从站执行的具体操作，下面表格是一些常见的功能码，具体为：
读操作
0x01：读输出线圈状态。
0x02：读输入线圈状态。
0x03：读输出寄存器的值。
0x04：读输入寄存器的值。
写操作
0x05：写单个线圈状态。
0x06：写单个寄存器的值。
0x0F：写多个线圈状态。
0x10：写多个寄存器的值。
1.5 协议报文
Modbus TCP/IP的报文被封装在一个标准的TCP数据段内，而不是像串行通信那样直接在物理层上发送。TCP报文提供了端到端的可靠传输，包括数据分段、重传、流量控制和拥塞控制等机制。
Modbus TCP/IP的报文帧主要包括：
- MBAP头：包含事务标识符、协议标识符、消息长度、设备地址
- Modbus PDU：原始Modbus协议的数据部分，包括功能码、数据地址和数据值。
下面我们用一个表格来根据一段报文解释这两部分的具体内容：
从上面的报文中我们可以知道：
- 事务标识符：占2个字节，一次通信的过程中主站和从站的报文帧的事务标识符是一致的。
- 协议标识符：占2个字节，00 00表示Modbus TCP协议。
- 后面报文的长度：占2个字节，表示后面报文的长度。
- 从站地址：占1个字节，表示设备的地址，也就是Salve ID的值。
- 功能码：占1个字节，例子中的03表示的是读输出寄存器的值。
- 起始地址：占2个字节，表示从该设备的哪个位置开始读。
- 读取数量：占2个字节，表示从起始位置往后读的数量。
- 长度：占2个字节，表示后面还报文的长度。
- 对应的值：根据不同的存储类型所占的字节不同。
接下来我们通过工具来模拟Modbus TCP通讯。
2. 工具使用
2.1 Modbus Slave
打开软件之后点击菜单栏的Connection→Connect，如图所示：
在弹出的界面选择协议类型为Modbus TCP/IP，输入IP，端口号点击OK
随后点击Setup→Slave Definition...进入从站设置界面
下面我们新建四个不同存储区的窗口来为后面模拟通讯做准备
根据图中任意方式都可以新建窗口。
可以看到四个窗口在从站地址为2，功能码分别为01、02、03、04。
需要注意的是01、02表示的是读输出线圈和输入线圈，只有开关量，对应的数值为1=On，0=Off。
03、04表示的是读输出寄存器和输入寄存器。
好了，接下来我们去使用工具模拟主站来读取从站的数据。在此之前我们可以勾选Auto increment模拟数据处于变化状态。
2.2 Modbus Poll
使用和从站相同的方法连接之后新建四个窗口分别读取，可以看到读取实时数据成功。
也可以通过查看日志确保主机处于正常读取状态。
下面我们通过使用modbus-master-tcp模拟一个主站去和从站之间进行通信。
3. Java模拟主站
3.1 使用modbus-master-tcp库
modbus-master-tcp是基于Netty编写，支持异步与并发。
下面通过Java模拟主站读取从站线圈状态：
Modbus由MODICON公司于1979年开发，是一种工业现场总线协议标准。1996年施耐德公司推出基于以太网TCP/IP的Modbus协议，ModbusTCP。
Modbus通信的设备分为主站(mater)和从站(slave)，主站为主动方，从站为被动方。
通信过程
通信的过程为：
- 主站设备主动向从站设备发送请求
- 从站设备处理主站的请求后，向主站返回结果。
- 如果从站设备处理请求出现异常，则向主站设备返回异常功能码。
数据传输方式
modbus的数据传输被定义为对以下4个存储块的读写：
- 线圈(coils) 操作单位为1位字的开关量，PLC的输出位，在Modbus中可读可写
- 离散量(discreteinputs) 操作单位为1位字的开关量，PLC的输入位，在Modbus中只读
- 输入寄存器(inputregisters) 操作单位为16位字(两个字节)数据，PLC中只能从模拟量输入端改变的寄存器，在Modbus中只读
- 保持寄存器(holdingregisters) 操作单位为16位字(两个字节)数据，PLC中用于输出模拟量信号的寄存器，在Modbus中可读可写
MODBUS-TCP报文结构
modbus-tcp报文结构：
如上图所示：modbus-tcp的报文由MBAP+PDU组成。
MBAP报文头
其中MBAP报文头的组成为：
域 长度 描述
事务元标识符 2 个字节 MODBUS 请求/响应事务处理的识别码，主要用于在主站设备在接收到响应时能知道是哪个请求的响应
协议标识符 2 个字节 对于MODBUS 协议来说，这里恒为0
长度 2 个字节 以下字节的数量，也就是完整报文的字节数减去6
单元标识符 1 个字节 串行链路或其它总线上连接的远程从站的识别码，也就是要访问的从站的标识号，因为只有一个字节，所以一个主站最多只能访问256个从站设备
由上表可知，报文头为 7 个字节长。
PDU报文体
PDU的组成为功能码(一个字节)和数据(n个字节)
其中功能码为一个字节，modbus定义的功能码有：
- 01 读线圈(coils)状态，读取单个或多个
- 02 读离散输入(discreteinputs)状态，读取单个或多个
- 03 读保持寄存器(holdingregisters)，读取单个或多个
- 04 读输入寄存器(inputregisters)，读取单个或多个
- 05 写单个线圈(coils)状态，单个写入
- 06 写单个保持寄存器(holdingregisters)，单个写入
- 15 写多个线圈(coils)，多个写入
- 16 写多个保持寄存器(holdingregisters)，多个写入
另外，当响应报文的功能码最高位为1时（即：(function & 0x80) != 0），表示为异常响应，这时数据为一个字节的异常码，具体的异常码定义有：
- 01 功能码不能被从机识别
- 02 从机的单元标识符不正确
- 03 值不被从机接受
- 04 当从机试图执行请求的操作时，发生了不可恢复的错误。
- 05 从机已接受请求并正在处理，但需要很长时间。返回此响应是为了防止在主机中发生超时错误。主站可以在下一个轮询程序中发出一个完整的消息，以确定处理是否完成。
- 06 从站正在处理长时间命令。Master应该稍后重试。
- 07 从站不能执行程序功能。主站应该向从站请求诊断或错误信息。
- 08 从站在内存中检测到奇偶校验错误。主设备可以重试请求，但从设备上可能需要服务。
- 10 专门用于Modbus网关。表示配置错误的网关。
- 11 专用于Modbus网关的响应。当从站无法响应时发送。
PDU报文详情
1、读线圈
请求报文：
正常响应报文：
异常响应报文：
2、读离散输入
请求报文：
正常响应报文：
异常响应报文：
3、读保持寄存器
请求报文：
正常响应报文：
异常响应报文：
4、读输入寄存器
请求报文：
正常响应报文：
异常响应报文：
5、写单个线圈
请求报文：
正常响应报文：
异常响应报文：
6、写单个保持寄存器
请求报文：
正常响应报文：
异常响应报文：
7、写多个线圈
请求报文：
正常响应报文：
异常响应报文：
8、写多个保持寄存器
请求报文：
正常响应报文：
异常响应报文：