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概述
在工业自动化领域，有效的通信协议是确保生产线顺畅运行的关键。其中，Modbus 485协议因其可靠性、灵活性和简单性，成为了众多自动化系统的首选。本文将深入探讨Modbus 485协议的核心特性、工作原理及其在工业环境中的应用。
Modbus 485协议概述
Modbus 485是一种基于Modbus协议运行在RS-485物理层的通信方式。Modbus协议本身是一个简单的应用层协议，设计用于客户端和服务器之间的通信。而RS-485则是一种差分式串行通信标准，特别适合于工业环境。
- 差分信号传输
RS-485的核心在于其差分信号传输方式，能显著减少电磁干扰，提高长距离通信的可靠性。在Modbus 485网络中，所有的数据通信都是通过这种方式进行的。
- 多点网络
与其他通信标准不同的是，RS-485支持多点网络。这意味着在一个Modbus 485网络中，可以有多达32个设备同时连接，从而形成一个复杂的自动化控制网络。
- 网络拓扑
Modbus 485通常采用总线型拓扑结构，所有设备通过一根双绞线连接。这种结构简化了布线要求，降低了建立大型网络的成本。
在工业自动化中的应用
- 可靠性和灵活性
在嘈杂的工业环境中，Modbus 485的可靠性尤为重要。差分信号传输减少了干扰，确保了信号的准确传输。同时，Modbus协议的简单性使得它易于实现和维护，适用于各种不同的应用场景。
- 易于扩展和集成
由于Modbus协议的开放性，许多制造商的设备都支持Modbus 485，这使得不同品牌和型号的设备能够轻松集成到同一个网络中。同时，网络的扩展也变得非常简单。
通信模式
- Modbus RTU：在串行通信中最常用，基于二进制，使用CRC校验。
- Modbus ASCII：同样用于串行通信，基于ASCII字符，使用LRC校验。
- Modbus TCP：用于以太网通信，基于TCP/IP协议，更适合现代网络环
数据模型
Modbus协议使用一个简单的数据模型，包括四种基本的对象类型：
- 线圈（Coils）：可读写的二进制值，通常用于表示开/关状态。
- 离散输入（Discrete Inputs）：只读的二进制值，通常用于传感器或开关状态的读取。
- 输入寄存器（Input Registers）：只读的16位寄存器，用于存储模拟输入如温度、压力等。
- 保持寄存器（Holding Registers）：可读写的16位寄存器，用于设置模拟输出或存储变量。
功能码
Modbus协议定义了一系列功能码（Function Codes），用于执行不同的操作。以下是一些常见的功能码：
- 读线圈（Read Coils, 功能码 01）：读取一个或多个线圈的状态。
- 读离散输入（Read Discrete Inputs, 功能码 02）：读取一个或多个离散输入的状态。
- 读保持寄存器（Read Holding Registers, 功能码 03）：读取一个或多个保持寄存器的内容。
- 读输入寄存器（Read Input Registers, 功能码 04）：读取一个或多个输入寄存器的内容。
- 写单个线圈（Write Single Coil, 功能码 05）：写入单个线圈的状态。
- 写单个寄存器（Write Single Register, 功能码 06）：写入单个保持寄存器的内容。
- 写多个线圈（Write Multiple Coils, 功能码 15）：写入多个线圈的状态。
- 写多个寄存器（Write Multiple Registers, 功能码 16）：写入多个保持寄存器的内容。
- 诊断（Diagnostics, 功能码 08）：包括子功能码，用于测试和诊断。
- 掩码写寄存器（Mask Write Register, 功能码 22）：修改保持寄存器中特定位的内容，而不改变其他位。
Modbus RTU
Modbus RTU（Remote Terminal Unit）是Modbus协议的一种实现，它是基于串行通信的，并使用二进制数据编码。在Modbus RTU模式下，数据包（报文）由一系列的二进制字节组成，每个字节由8位组成。Modbus RTU报文具有紧凑的结构，使得通信更加高效。以下是Modbus RTU报文的主要组成部分：
1. 设备地址（Slave Address）
- 长度：1个字节
- 描述：这是报文的第一个字节，用于指定目标设备（从站）的地址。在Modbus网络中，每个从站都有一个唯一的地址（1到247）。地址0用于广播消息，所有从站都会接收但不会响应。
2. 功能码（Function Code）
- 长度：1个字节
- 描述：功能码定义了请求的类型或要执行的操作，如读取或写入数据。常见的功能码包括读取线圈、读取输入寄存器、写入单个寄存器等。
3. 数据（Data）
- 长度：可变
- 描述：数据字段的长度和内容取决于功能码。它可能包含要读取或写入的寄存器的地址、要读取或写入的数据量，以及实际要写入的数据。
4. 校验和（Error Check）
- 长度：2个字节
- 描述：Modbus RTU报文使用循环冗余校验（CRC）作为错误检测机制。CRC字段位于报文的末尾，用于检测报文在传输过程中是否发生错误。
示例 1：读取保持寄存器
假设一个主站（Master）向地址为1的从站（Slave）发送一个请求，要求读取从地址30001开始的3个保持寄存器。
- 设备地址: 0x01
- 功能码: 0x03（读取保持寄存器）
- 起始地址: 0x0000（寄存器地址从30001开始，但在Modbus中，地址从0开始计数，因此30001对应0x0000）
- 数量: 0x0003（读取3个寄存器）
- CRC: 假设为0xC40B
完整的请求报文为：01 03 00 00 00 03 C4 0B
假设从站的响应报文包含这3个寄存器的值，分别为0x000A, 0x000B和0x000C。
- 设备地址: 0x01
- 功能码: 0x03
- 字节数: 0x06（因为返回3个寄存器，每个寄存器2字节）
- 数据: 0x000A 0x000B 0x000C
- CRC: 假设为0x9B4E
完整的响应报文为：01 03 06 00 0A 00 0B 00 0C 9B 4E
示例 2：写入单个线圈
假设主站要向地址为2的从站发送一个请求，以打开（设置为ON或True）地址20001处的单个线圈。
- 设备地址: 0x02
- 功能码: 0x05（写单个线圈）
- 线圈地址: 0x0000（线圈20001在Modbus中对应地址0x0000）
- 线圈值: 0xFF00（0xFF00表示ON，0x0000表示OFF）
- CRC: 假设为0xF8 0x2B
完整的请求报文为：02 05 00 00 FF 00 F8 2B
从站的响应报文将会回显此请求。
- 设备地址: 0x02
- 功能码: 0x05
- 线圈地址: 0x0000
- 线圈值: 0xFF00
- CRC: 假设为0xF8 0x2B
完整的响应报文为：02 05 00 00 FF 00 F8 2B
示例 3：写入多个保持寄存器
假设主站想向地址为3的从站写入两个保持寄存器，起始地址为40001。
- 设备地址: 0x03
- 功能码: 0x10（写多个寄存器）
- 起始地址: 0x0000（40001对应0x0000）
- 寄存器数量: 0x0002
- 字节数: 0x04（写入2个寄存器，每个寄存器2字节）
- 数据: 0x1234 0x5678（要写入的寄存器值）
- CRC: 假设为0xC3F9
完整的请求报文为：03 10 00 00 00 02 04 12 34 56 78 C3 F9
从站的响应报文将会回显此请求，但不包含寄存器的实际值。
- 设备地址: 0x03
- 功能码: 0x10
- 起始地址: 0x0000
- 寄存器数量: 0x0002
- CRC: 假设为0xD0FA
完整的响应报文为：`03 10
报文传输
在Modbus RTU中，报文之间有一个时间间隔，用于区分连续的报文。如果在预定的时间内没有检测到新的报文开始，那么接收方将认为当前报文已经结束。
Modbus ASCII
1. 起始字符（Start Character）
- 字符：“:”
- 描述：每个Modbus ASCII报文以冒号（“:”）开始，表示报文的开始。
2. 设备地址（Slave Address）
- 长度：2个ASCII字符（1个字节的十六进制表示）
- 描述：这部分指定目标设备（从站）的地址。地址是以两个ASCII字符表示的十六进制数。
3. 功能码（Function Code）
- 长度：2个ASCII字符（1个字节的十六进制表示）
- 描述：功能码定义了请求的类型或要执行的操作，如读取或写入数据。
4. 数据（Data）
- 长度：可变，每个字节由2个ASCII字符表示
- 描述：数据字段包含与功能码相关的额外信息，如寄存器地址、数量或要写入的值。
5. 校验和（Error Check）
- 长度：2个ASCII字符（1个字节的LRC校验和的十六进制表示）
- 描述：Modbus ASCII使用纵向冗余校验（LRC）作为错误检测机制。LRC字段位于报文的末尾，用于校验报文的完整性。
6. 结束字符（End Character）
- 字符：CR LF（回车和换行）
- 描述：每个Modbus ASCII报文以一对字符CR（回车，ASCII 0x0D）和LF（换行，ASCII 0x0A）结束，表示报文的结束。
报文示例
假设一个主站向地址为1的从站发送请求，要求读取从地址30001开始的3个保持寄存器。
- 起始字符: “:”
- 设备地址: “01”
- 功能码: “03”（读取保持寄存器）
- 数据：包含起始寄存器地址"0000"和要读取的寄存器数量"0003"
- LRC校验和：假设为"0A"
- 结束字符：CR LF
完整的请求报文为：“:0103000000030ACRLF”
报文传输
Modbus ASCII模式提供了一种以文本形式传输数据的方法，这在某些应用中可能更方便。由于其数据以ASCII字符形式表示，因此报文较易于阅读和调试，但由于每个数据字节需要两个字符来表示，其数据传输效率低于RTU模式。尽管如此，Modbus ASCII仍然是工业通信中一种重要的选项。
Modbus TCP
Modbus TCP是Modbus协议的一种实现，它运行在TCP/IP网络上，使Modbus协议能够在以太网环境中使用。与Modbus RTU和ASCII相比，Modbus TCP不依赖于串行通信，因此能够更好地适应现代网络基础设施。在Modbus TCP中，Modbus报文被封装在TCP/IP帧中进行传输。以下是Modbus TCP报文的主要组成部分：
1. 事务标识符（Transaction Identifier）
- 长度：2个字节
- 描述：事务标识符用于唯一标识主站的请求。这对于处理并发请求特别重要，因为它允许从站将响应正确地关联到相应的请求。
2. 协议标识符（Protocol Identifier）
- 长度：2个字节
- 描述：在Modbus TCP中，此字段始终为0x0000，用于标识Modbus协议。
3. 长度字段（Length Field）
- 长度：2个字节
- 描述：长度字段表示接下来的整个Modbus报文长度，包括单元标识符、功能码和数据字段的长度。
4. 单元标识符（Unit Identifier）
- 长度：1个字节
- 描述：单元标识符用于标识远程从站，类似于Modbus RTU和ASCII中的从站地址。在直接连接到以太网的设备中，通常设置为0xFF。
5. 功能码（Function Code）
- 长度：1个字节
- 描述：功能码定义了请求的类型或要执行的操作，如读取或写入数据。
6. 数据（Data）
- 长度：可变
- 描述：数据字段包含与功能码相关的附加信息，如寄存器地址、数量或要写入的值。
报文示例
假设一个主站发送一个请求到从站，要求读取从地址30001开始的3个保持寄存器。在Modbus TCP中，该请求的报文可能如下所示：
- 事务标识符: 0x0001
- 协议标识符: 0x0000
- 长度: 0x0006
- 单元标识符: 0xFF
- 功能码: 0x03（读取保持寄存器）
- 数据: 包括起始寄存器地址0x0000和要读取的寄存器数量0x0003
完整的请求报文为：0001 0000 0006 FF 03 0000 0003
从站的响应报文将包含所请求寄存器的值。
报文传输
Modbus TCP使Modbus协议能够适应现代网络环境，提供了基于TCP/IP的工业通信解决方案。它保留了Modbus协议的简单和灵活性，并通过以太网提高了通信速度和范围。随着工业互联网（IIoT）和工业4.0的发展，Modbus TCP在现代工业自动化系统中变得越来越重要。