MODBUS TCP协议简介

目录

一、协议概述

二、协议结构

三、功能码

四、通信过程

五、注意事项

六、应用实例

七、优点

八、缺点

MODBUS TCP协议是一种基于TCP/IP协议的Modbus变种，它允许Modbus协议在以太网网络上运行，使得设备之间可以通过IP网络交换数据。以下是MODBUS TCP协议输出的完整使用说明：

一、协议概述

MODBUS TCP协议是Modbus协议的一种网络传输方式，采用客户端/服务器（Master/Slave）模式进行通信。客户端（Master）发送请求给服务器（Slave），服务器响应这些请求。这种通信方式广泛应用于工业自动化领域，用于连接控制系统和现场设备，如传感器、执行器、变频器等。

二、协议结构

MODBUS TCP协议的数据帧由MBAP（Modbus Application Protocol）头和PDU（Protocol Data Unit）两部分组成：

1. MBAP头：
   • 事务标识符：占2个字节，用于标识事务的唯一性，每次通信过程中主站和从站的报文帧的事务标识符需保持一致。
   • 协议标识符：占2个字节，固定值为0x0000，表示使用Modbus TCP协议。
   • 长度：占2个字节，表示MBAP头之后PDU的长度。
   • 单元标识符：占1个字节，表示目标从站的地址（Slave ID）。
2. PDU：
   • 功能码：占1个字节，用于指示请求的具体操作类型，如读线圈、写寄存器等。
   • 数据：长度不定，根据功能码的不同而有所区别，包含要操作的数据地址和数据值等。

三、功能码

MODBUS TCP协议定义了多种功能码，用于实现不同的操作。以下是一些常用的功能码及其说明：

• 0x01：读线圈状态（Read Coils），用于从从站中读取一系列线圈的当前状态。
• 0x02：读离散输入状态（Read Discrete Inputs），用于从从站中读取一系列离散输入的当前状态。
• 0x03：读保持寄存器（Read Holding Registers），用于从从站中读取一系列保持寄存器的值。
• 0x04：读输入寄存器（Read Input Registers），用于从从站中读取一系列输入寄存器的值。
• 0x05：写单个线圈（Write Single Coil），用于将从站中的一个线圈设置为ON或OFF状态。
• 0x06：写单个保持寄存器（Write Single Register），用于将单个保持寄存器的值写入从站。
• 0x10：写多个保持寄存器（Write Multiple Registers），用于将一系列保持寄存器的值写入从站。

四、通信过程

1. 建立连接：
   • 客户端（Master）使用TCP协议与服务器（Slave）建立连接，通常使用IANA分配的Modbus TCP端口号502。
2. 发送请求：
   • 客户端构造包含MBAP头和PDU的MODBUS TCP报文，并通过TCP连接发送给服务器。
3. 接收响应：
   • 服务器接收到请求后，根据请求的功能码和数据执行相应的操作，并构造响应报文发送给客户端。
   • 响应报文同样包含MBAP头和PDU，其中PDU部分包含操作结果或数据。
4. 关闭连接（可选）：
   • 通信任务完成后，客户端可以关闭TCP连接。在某些情况下，连接可能会保持打开状态以进行后续的通信。

五、注意事项

• 超时管理：在通信过程中，需要实现超时管理机制，以避免无期限地等待可能不出现的应答。
• 字节序：在发送和接收数据时，需要注意字节序的问题。不同系统可能采用不同的字节序（大端或小端），因此在跨系统通信时需要进行字节序的转换。
• 错误处理：服务器在无法执行请求的操作时，会返回异常响应。客户端需要能够解析异常响应，并根据异常码进行相应的错误处理。

六、应用实例

在实际应用中，可以使用Modbus仿真软件（如Modbus Poll和Modbus Slave）来模拟主站和从站之间的通信过程。通过配置软件中的参数（如IP地址、端口号、功能码等），可以模拟不同的通信场景，并观察通信结果是否符合预期。

此外，还可以使用编程语言（如Java、C/C++等）结合Modbus库（如modbus-master-tcp、libmodbus等）来开发基于MODBUS TCP协议的应用程序。这些应用程序可以作为客户端或服务器运行，实现与Modbus设备的通信和控制。

七、优点

1. 基于以太网：
   • 利用广泛部署的以太网基础设施，实现更高速的数据传输和更远的通信距离。这使得在工业自动化系统中，设备之间的通信更加灵活和高效。
2. 支持多主站：
   • 允许多个主站设备同时与从站进行通信，提高了系统的灵活性和可扩展性。在复杂的工业自动化环境中，这种特性尤为重要。
3. 连接方便：
   • 以太网的连接相对简单，易于配置和维护。与串行通信相比，MODBUS TCP协议在布线、调试和维护方面都具有显著优势。
4. 兼容性强：
   • 保持了与Modbus RTU等其他Modbus协议在功能码和数据格式上的兼容性，便于不同类型设备之间的集成。这种兼容性使得在现有系统中引入支持MODBUS TCP的设备变得容易。
5. 高效可靠：
   • 采用TCP/IP协议作为通信介质，数据传输速度快，数据精度高，且能够保证数据的可靠性和稳定性。这对于需要实时数据交换的工业自动化系统至关重要。
6. 易于扩展：
   • 支持多点连接，可以同时与多个客户端建立连接，在分布式控制和管理方面具有很好的应用潜力。这使得系统能够随着业务需求的增长而灵活扩展。

八、缺点

1. 安全性问题：
   • MODBUS TCP协议不是安全通信协议，不提供在设备之间通信时使用安全性或加密的选项。这会在自动化系统中造成潜在的安全漏洞。例如，设备双方建立通讯时无需进行身份认证，只要知道端口就可以创建通讯连接；缺乏权限管理，导致通讯连接后任何人都可以执行任何功能；报文采用明文机制，报文被截取后可被阅读或直接篡改后发送给设备；缺乏完整性检测，可能遭受伪造报文攻击等。（来源：知乎专栏）
2. 编程复杂度：
   • 与单侧通信机制（如S7通信）不同，要使两个设备通过MODBUS TCP进行通信，必须对两个设备进行编程。这增加了编程的复杂性和工作量。
3. 依赖网络稳定性：
   • 由于MODBUS TCP协议基于以太网和TCP/IP协议栈，因此其通信效果受到网络稳定性的直接影响。在网络不稳定或出现故障时，可能导致通信中断或数据丢失。

总之，MODBUS TCP协议是一种功能强大、易于实现的工业自动化通信协议。通过掌握其协议结构和通信过程，可以方便地实现设备之间的数据交换和控制