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Modbus TCP 是 Modbus 协议的一种基于以太网的通信实现，常用于工业自动化系统中设备之间的数据交换。它基于 TCP/IP 协议栈运行，是 Modbus 协议的网络版本，使得 Modbus 协议能够通过局域网或广域网进行通信。
1. Modbus 协议概述
Modbus 是一种通信协议，最早由 Modicon（现为施耐德电气的一部分）于 1979 年发布。它主要用于工业设备之间的数据传输。Modbus 协议的初衷是用于可编程逻辑控制器（PLC）和其他控制设备之间的通信。
Modbus 协议有几个版本，常见的包括：
- Modbus RTU（串行通信）：基于串行通信，通常通过 RS232 或 RS485 进行通信。
- Modbus ASCII（串行通信）：使用 ASCII 字符编码，通常也是通过串行接口传输。
- Modbus TCP/IP（基于以太网通信）：通过以太网和 TCP/IP 协议进行通信。
2. Modbus TCP 的工作原理
Modbus TCP 主要用于通过 以太网（Ethernet）进行设备之间的通信。它将传统的 Modbus RTU 协议封装在 TCP/IP 协议 中，采用客户端-服务器模式进行通信。
客户端-服务器模式
- 服务器：是提供数据的设备（通常是PLC、传感器、执行器等），它响应客户端的请求。
- 客户端：是发起请求的设备，通常是计算机或主控系统，它向服务器发送请求并获取数据。
Modbus TCP 数据交换流程
- 客户端发起请求：客户端通过 TCP/IP 协议与服务器建立连接，并向服务器发送 Modbus 请求。
- 服务器响应请求：服务器根据客户端的请求执行相应的操作，并返回响应数据。
- 客户端处理响应：客户端收到服务器的响应数据后进行处理。
数据帧结构
Modbus TCP 的数据帧由 以下几个部分组成：
| 字段 | 长度 | 描述 |
|---|---|---|
| 事务标识符 | 2 字节 | 唯一标识一个请求/响应对，用于匹配请求和响应。 |
| 协议标识符 | 2 字节 | 固定为 0，用于标识 Modbus 协议类型。 |
| 长度 | 2 字节 | 标识后续数据的长度（从 功能码 开始）。 |
| 功能码 | 1 字节 | 指定 Modbus 操作的类型（如读数据、写数据）。 |
| 数据 | 可变长度 | 实际数据，根据功能码不同而不同。 |
3. Modbus TCP 常用功能码
Modbus 协议定义了多个功能码，用于执行不同的操作。常见的功能码包括：
| 功能码 | 功能 | 描述 |
|---|---|---|
| 0x01 | 读线圈状态 | 读取离散量输出（线圈）的状态（单个位）。 |
| 0x02 | 读离散输入 | 读取输入设备的离散状态。 |
| 0x03 | 读保持寄存器 | 读取模拟量输出（寄存器）的值（16 位）。 |
| 0x04 | 读输入寄存器 | 读取输入设备的模拟量值（16 位）。 |
| 0x05 | 写单个线圈 | 设置单个输出线圈的状态（开/关）。 |
| 0x06 | 写单个寄存器 | 写入单个保持寄存器的值。 |
| 0x0F | 写多个线圈 | 同时设置多个输出线圈的状态。 |
| 0x10 | 写多个寄存器 | 同时写入多个保持寄存器的值。 |
4. Modbus TCP 数据包格式示例
以下是 Modbus TCP 的请求和响应数据帧的简单示例：
请求帧（读取保持寄存器功能码 0x03）：
lua
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| 事务标识符 | 协议标识符 | 长度 | 功能码 | 数据（寄存器地址和数量） |
|------------|------------|------|--------|--------------------------| | 0x0001 | 0x0000 | 0x0006 | 0x03 | 0x0000 0x0002 |
响应帧（读取保持寄存器的 2 个寄存器）：
lua
复制编辑
| 事务标识符 | 协议标识符 | 长度 | 功能码 | 数据（寄存器的值） |
|------------|------------|------|--------|--------------------| | 0x0001 | 0x0000 | 0x0006 | 0x03 | 0x04 0x00 0x02 0x00 |
5. Modbus TCP 与 Modbus RTU 的区别
-
通信介质：
- Modbus TCP 使用以太网作为传输介质。
- Modbus RTU 使用串行通信协议（RS232 或 RS485）。
-
数据格式：
- Modbus TCP 使用基于 TCP/IP 协议 的网络通信，数据帧中包含 TCP 头部信息。
- Modbus RTU 是基于串行通信的，数据传输中没有 TCP/IP 头部。
-
传输距离：
- Modbus TCP 可以通过局域网（LAN）或广域网（WAN）进行远距离通信。
- Modbus RTU 通常用于局部区域的通信，受限于串口的传输距离（通常 1200 米以内）。
-
设备支持数量：
- Modbus TCP 可以通过网络连接多个设备，理论上支持更多设备。
- Modbus RTU 通常受限于串口连接的设备数（RS485 总线最多支持 32 个设备）。
6. Modbus TCP 在实际应用中的应用
- 工业自动化：Modbus TCP 用于各种控制系统中，如 PLC（可编程逻辑控制器）、DCS（分布式控制系统）、SCADA（监控与数据采集） 系统中，设备之间通过 Modbus TCP 进行数据交换。
- 能源管理：Modbus TCP 用于监测和控制能效管理系统，例如智能电表、能源管理系统（EMS）等。
- 楼宇自动化：Modbus TCP 在楼宇自动化中常用于控制和监测照明、空调、温控设备等。
- 传感器和执行器的集成：在各种传感器、执行器和控制系统中，Modbus TCP 被广泛应用于远程监测和控制。
7. 总结
Modbus TCP 是一种基于 TCP/IP 协议的 Modbus 协议实现，它提供了一个可靠、标准化的通信方式，用于工业自动化和其他需要设备间通信的场景。与传统的 Modbus RTU 不同，Modbus TCP 利用 以太网 的高带宽和长距离特性，使得它在分布式控制和多设备通信中具有优势。
通过 Modbus TCP，多个设备能够通过网络互联，支持远程监控和控制，这使得它在现代工业控制系统中成为一种广泛应用的标准协议