「ModbusTCP协议详解」内容有点多，但讲得很详细

简介

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协议是一项应用层报文传输协议，包括ASCII、RTU、TCP 三种报文类型。

标准的Modbus协议物理层接口有RS232、RS422、RS485和以太网 接口，采用master/slave 方式通信。

ModbusTCP数据帧

ModbusTCP的数据帧可分为两部分：MBAP +PDU 。

报文头MBAP

MBAP为报文头，长度为7字节，组成如下：

事务处理标识

协议标识

长度

单元标识符

2字节

2字节

2字节

1字节

内容

解释

事务处理标识

可以理解为报文的序列号，一般每次通信之后就要加1以区别不同的通信数据报文。

协议标识符

00 00表示ModbusTCP协议。

长度

表示接下来的数据长度，单位为字节。

单元标识符

可以理解为设备地址。

帧结构PDU

PDU由功能码+数据 组成。功能码为1字节，数据长度不定，由具体功能决定。

功能码

Modbus的操作对象有四种：线圈、离散输入、保持寄存器、输入寄存器。

对象

含义

线圈

PLC的输出位，开关量，在Modbus中可读可写

离散量

PLC的输入位，开关量，在Modbus中只读

输入寄存器

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

PLC中用于输出模拟量信号的寄存器，在Modbus中可读可写

根据对象的不同，Modbus的功能码有：

功能码

含义

0x01

读线圈

0x05

写单个线圈

0x0F

写多个线圈

0x02

读离散量输入

0x04

读输入寄存器

0x03

读保持寄存器

0x06

写单个保持寄存器

0x10

写多个保持寄存器

说明更详细的表

代码

中文名称

英文名

位操作/字操作

操作数量

01

读线圈状态

READ COIL STATUS

位操作

单个或多个

02

读离散输入状态

READ INPUT STATUS

位操作

单个或多个

03

读保持寄存器

READ HOLDING REGISTER

字操作

单个或多个

04

读输入寄存器

READ INPUT REGISTER

字操作

单个或多个

05

写线圈状态

WRITE SINGLE COIL

位操作

单个

06

写单个保持寄存器

WRITE SINGLE REGISTER

字操作

单个

15

写多个线圈

WRITE MULTIPLE COIL

位操作

多个

16

写多个保持寄存器

WRITE MULTIPLE REGISTER

字操作

多个

PDU详细结构

0x01：读线圈

在从站中读1~2000个连续线圈状态，ON=1,OFF=0

请求：MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 数量H 数量L（共12字节）响应：MBAP 功能码 数据长度 数据（一个地址的数据为1位）如：在从站0x01中，读取开始地址为0x0002的线圈数据，读0x0008位00 01 00 00 00 06 01 01 00 02 00 08回：数据长度为0x01个字节，数据为0x01，第一个线圈为ON，其余为OFF00 01 00 00 00 04 01 01 01 01

0x05：写单个线圈

将从站中的一个输出写成ON或OFF，0xFF00请求输出为ON,0x000请求输出为OFF

请求：MBAP 功能码 输出地址H 输出地址L 输出值H 输出值L（共12字节）响应：MBAP 功能码 输出地址H 输出地址L 输出值H 输出值L（共12字节）如：将地址为0x0003的线圈设为ON00 01 00 00 00 06 01 05 00 03 FF 00回：写入成功00 01 00 00 00 06 01 05 00 03 FF 00

0x0F：写多个线圈

将一个从站中的一个线圈序列的每个线圈都强制为ON或OFF，数据域中置1的位请求相应输出位ON，置0的位请求响应输出为OFF

请求：MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 输出数量H 输出数量L 字节长度 输出值H 输出值L响应：MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 输出数量H 输出数量L

0x02：读离散量输入

从一个从站中读1~2000个连续的离散量输入状态

请求：MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 数量H 数量L（共12字节）响应：MBAP 功能码 数据长度 数据（长度：9+ceil（数量/8））如：从地址0x0000开始读0x0012个离散量输入00 01 00 00 00 06 01 02 00 00 00 12回：数据长度为0x03个字节，数据为0x01 04 00，表示第一个离散量输入和第11个离散量输入为ON，其余为OFF00 01 00 00 00 06 01 02 03 01 04 00

0x04：读输入寄存器

从一个远程设备中读1~2000个连续输入寄存器

请求：MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 寄存器数量H 寄存器数量L（共12字节）响应：MBAP 功能码 数据长度 寄存器数据(长度：9+寄存器数量×2)如：读起始地址为0x0002，数量为0x0005的寄存器数据00 01 00 00 00 06 01 04 00 02 00 05回：数据长度为0x0A，第一个寄存器的数据为0x0c，其余为0x0000 01 00 00 00 0D 01 04 0A 00 0C 00 00 00 00 00 00 00 00

0x03：读保持寄存器

从远程设备中读保持寄存器连续块的内容

请求：MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 寄存器数量H 寄存器数量L（共12字节）响应：MBAP 功能码 数据长度 寄存器数据(长度：9+寄存器数量×2)如：起始地址是0x0000，寄存器数量是 0x000300 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 03回：数据长度为0x06，第一个寄存器的数据为0x21，其余为0x0000 01 00 00 00 09 01 03 06 00 21 00 00 00 00

0x06：写单个保持寄存器

在一个远程设备中写一个保持寄存器

请求：MBAP 功能码 寄存器地址H 寄存器地址L 寄存器值H 寄存器值L（共12字节）响应：MBAP 功能码 寄存器地址H 寄存器地址L 寄存器值H 寄存器值L（共12字节）如：向地址是0x0000的寄存器写入数据0x000A00 01 00 00 00 06 01 06 00 00 00 0A回：写入成功00 01 00 00 00 06 01 06 00 00 00 0A

0x10：写多个保持寄存器

在一个远程设备中写连续寄存器块（1~123个寄存器）

请求：MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 寄存器数量H 寄存器数量L 字节长度 寄存器值（13+寄存器数量×2）响应：MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 寄存器数量H 寄存器数量L（共12字节）如：向起始地址为0x0000，数量为0x0001的寄存器写入数据，数据长度为0x02，数据为0x000F00 01 00 00 00 09 01 10 00 00 00 01 02 00 0F回：写入成功00 01 00 00 00 06 01 10 00 00 00 01

Modbus TCP 示例报文

ModBusTcp与串行链路Modbus的数据域是一致的，具体数据域可以参考串行Modbus。这里给出几个ModbusTcp的链路解析说明，辅助新人分析报文。

功能码 0x10：写多个保持寄存器，上面2个图片都写错了

ModbusTCP通信

通信方式

Modbus设备可分为主站(poll)和从站(slave)。主站只有一个，从站有多个，主站向各从站发送请求帧，从站给予响应。在使用TCP通信时，主站为client端，主动建立连接；从站为server端，等待连接。

主站请求：功能码+数据从站正常响应：请求功能码+响应数据从站异常响应：异常功能码+异常码，其中异常功能码即将请求功能码的最高有效位置1，异常码指示差错类型注意：需要超时管理机制，避免无期限的等待可能不出现的应答

IANA（Internet Assigned Numbers Authority，互联网编号分配管理机构）给Modbus协议赋予TCP端口号为502 ，这是目前在仪表与自动化行业中唯一分配到的端口号。

通信过程

connect 建立TCP连接准备Modbus报文使用send命令发送报文在同一连接下等待应答使用recv命令读取报文，完成一次数据交换通信任务结束时，关闭TCP连接

仿真软件

Modbus poll 和Modbus slave是一组Modbus仿真软件，可以实现Modbus RTU、TCP、串口仿真等。仿真软件网址：https://modbustools.com/download.html在ModbusTCP中，Modbus poll 作为客户端请求数据，Modbus slave 作为服务器端处理请求。使用c语言编写客户端连接Modbus slave时，注意数据格式，一条指令一次性发出，否则连接会出错。使用软件时，需要指定功能码，在setup->slave definition或者poll definition中进行设置。– slave ID：从站编号（事务标识符）– function：功能码，0x01对应线圈操作，0x02对应离散量操作，0x03对应保持寄存器操作，0x04对应输入寄存器操作– address：开始地址– quantity：寄存器/线圈/离散量 的数量

一些概念

在工业自动化控制中，经常会遇到开关量，数字量，模拟量，离散量，脉冲量等各种概念，而人们在实际应用中，对于这些概念又很容易混淆。现将各种概念罗列如下：

1.开关量：

一般指的是触点的“开”与“关”的状态，一般在计算机设备中也会用“0”或“1”来表示开关量的状态。开关量分为有源开关量信号和无源开关量信号，有源开关量信号指的是“开”与“关”的状态是带电源的信号，专业叫法为跃阶信号，可以理解为脉冲量，一般的都有220VAC, 110VAC,24VDC,12VDC等信号，无源开关量信号指的是“开”和“关”的状态时不带电源的信号，一般又称之为干接点。电阻测试法为电阻0或无穷大。

2.数字量：

很多人会将数字量与开关量混淆，也将其与模拟量混淆。数字量在时间和数量上都是离散的物理量，其表示的信号则为数字信号。数字量是由0和1组成的信号，经过编码形成有规律的信号，量化后的模拟量就是数字量。

3.模拟量：

模拟量的概念与数字量相对应，但是经过量化之后又可以转化为数字量。模拟量是在时间和数量上都是连续的物理量，其表示的信号则为模拟信号。模拟量在连续的变化过程中任何一个取值都是一个具体有意义的物理量，如温度，电压，电流等。

4.离散量：

离散量是将模拟量离散化之后得到的物理量。即任何仪器设备对于模拟量都不可能有个完全精确的表示，因为他们都有一个采样周期，在该采样周期内，其物理量的数值都是不变的，而实际上的模拟量则是变化的。这样就将模拟量离散化，成为了离散量。

5.脉冲量：

脉冲量就是瞬间电压或电流由某一值跃变到另一值的信号量。在量化后，其变化持续有规律就是数字量，如果其由0变成某一固定值并保持不变，其就是开关量。

综上所述，模拟量就是在某个过程中时间和数量连续变化的物理量，由于在实际的应用中，所有的仪器设备对于外界数据的采集都有一个采样周期，其采集的数据只有在下一个采样周期开始时才有变动，采样周期内其数值并不随模拟量的变化而变动。

这样就将模拟量离散化了，例如：某设备的采样周期为1秒，其在第五秒的时间采集的温度为35度，而第六秒的温度为36度，该设备就只能标称第五秒时间温度35度，第六秒时间温度36度，而第五点五秒的时间其标称也只是35度，但是其实际的模拟量是35.5度。这样就将模拟信号离散化。其采集的数据就是离散化了，不再是连续的模拟量信号。

由于计算机只识别0和1两个信号，即开关量信号，用其来表示数值都是使用数字串来表示，由于计算能力的问题，其数字串不能无限长，即其表达的精度也是有限的，同样的以温度为例，由于数字串限制，其表达温度的精度只能达到0.1度，小于该单位的数值则不能被标称，这样就必须将离散量进行量化，将其变为数字量。即35.68度的温度则表示为35.6度。

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跟我学：西门子1200PLC之间的Modbus_TCP通信

西门子1200PLC通过以太网通讯与其它设备进行数据交互，

西门子1200PLC可以和西门子系列plc进行通讯，例如S7-300/S7-1200/S7-1500等，使用ModbusTCP、s7、Profinet等通讯协议

西门子1200PLC支持1个编程设备（PG）的连接，

西门子1200PLC支持12个HMI设备的连接

西门子1200PLC可以和机器人、相机等第三方设备进行通讯，使用ModbusTCP、Profinet等通讯协议

西门子1200PLC使用ModbusTCP通讯时，1200PLC可以做客户端主站，也可以做服务器从站，做客户端时主动请求连接并发送命令，做服务器时被动等待连接并反馈状态

客户端使用MB_CLIENT指令，服务器使用MB_SERVER指令。

1200PLC ModbusTCP通讯编程，打开博途软件，创建新项目，添加两个1200PLC，一个做客户端一个做服务器，添加两个触摸屏

在客户端PLC中，创建一个函数块并命名，再创建两个数据块并命令，数据块属性中勾掉“优化的块访问”选项，在数据块中分别定义8个整型数据类型的变量。

在指令中找到ModbusTCP客户端通讯指令MB_CLENT，这里要注意通讯指令的版本，V4.0以上版本的指令使用方法与V3.1版本是不同的，具体使用方法请参考相关的帮助文件。

创建两个相同背景数据块的MB_CLIENT指令，输入个引脚关联的变量。

MB_CLIENT指令每个引脚的功能说明：

触摸屏上组态8个数值输入框，关联PLC中“发送”数据中的变量，用于输入要发送到服务器的数据，

组态8个数值显示框，关联PLC“接收”数据块中的变量，用于显示从服务器读取到的数据

在服务器PLC中，创建一个函数块并命名，再创建一个数据块并命令，数据块属性中勾掉“优化的块访问”选项，在数据块中定义16个整型数据类型的变量。

创建ModbusTCP服务器通讯指令MB_SERVER，输入个引脚关联的变量

MB_SERVER指令每个引脚的功能说明：

服务器Modbus数据寄存器的长度要大于等于客户端收发数据的总长度。

触摸屏上组态8个数值输入框，关联PLC中“通讯”数据中的S1-S8变量，用于输入要发送到客户端的数据，组态8个数值显示框，关联PLC“通讯”数据块中的G1-G8变量，用于显示接收到客户端的数据，

下载PLC程序和触摸屏程序

PLC编程完成后，进行通讯测试，

客户端触摸屏上输入发送的数据，查看服务器触摸屏上接收到的数据

服务器触摸屏上输入发送的数据，查看客户端触摸屏上接收到的数据，数据正确说明两个1200PLC之间使用ModbusTCP通讯正常。

本文由 @豆豆牵着蜗牛在散步 原创，欢迎关注，帮您一起长知识！

跟我学：西门子1200PLC之间的Profinet通讯

跟我学：西门子1200 PLC之间的S7通讯

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