Modbus TCP报文协议详解
概述
Modbus TCP是一种基于TCP/IP协议的工业通信协议，广泛应用于PLC、DCS和SCADA系统中。它继承了Modbus协议简单、可靠的特点，同时利用了以太网的高速和灵活性。
Modbus TCP报文结构
MBAP报头
Modbus TCP报文由MBAP（Modbus Application Protocol）报头和PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）组成。MBAP报头长度为7个字节，包含以下字段：
- 事务标识符（Transaction Identifier，2字节）：用于请求和响应的配对。
- 协议标识符（Protocol Identifier，2字节）：固定为0，表示Modbus协议。
- 长度（Length，2字节）：后续数据的长度，包括单元标识符和PDU。
- 单元标识符（Unit Identifier，1字节）：用于多从站的标识，在TCP/IP中通常为0。（注意，如果有多个从站，这个值必须为各个从站指定的地址）
协议数据单元（PDU）
PDU由功能码和数据字段组成：
- 功能码（Function Code，1字节）：指定要执行的操作，例如读写寄存器。
- 数据字段（Data，N字节）：包含与功能码相关的参数或数据。
常用功能码
- 0x01：读线圈状态
- 0x02：读离散输入状态
- 0x03：读保持寄存器
- 0x04：读输入寄存器
- 0x05：写单个线圈
- 0x06：写单个保持寄存器
- 0x0F：写多个线圈
- 0x10：写多个保持寄存器
报文示例
读保持寄存器请求报文
假设需要从地址为0x0000的寄存器开始读取10个保持寄存器，构建的请求报文如下：
-
MBAP报头
- 事务标识符：0x0001
- 协议标识符：0x0000
- 长度：0x0006（后续6个字节）
- 单元标识符：0x01
-
PDU
- 功能码：0x03
- 起始地址：0x0000
- 数量：0x000A
完整报文（16进制表示）：
00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 0A
00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 0A
事务标识符 协议标识符 长度 单元标识符 功能码 起始地址 寄存器数量
响应报文
假设从站返回的数据为20个字节，对应10个保持寄存器的值：
-
MBAP报头
- 事务标识符：0x0001
- 协议标识符：0x0000
- 长度：0x0015（后续21个字节）
- 单元标识符：0x01
-
PDU
- 功能码：0x03
- 字节数：0x14（20个字节）
- 数据：20个字节的寄存器值
完整报文（16进制表示）：
00 01 00 00 00 15 01 03 14 [20字节数据]
00 01 00 00 00 15 01 03 14 [20字节数据]
事务标识符 协议标识符 长度 单元标识符 功能码 字节计数 数据
Python示例代码
使用pymodbus库实现Modbus TCP通信的示例代码：
from pymodbus.client.sync import ModbusTcpClient
# 创建Modbus TCP客户端
client = ModbusTcpClient('192.168.1.100', port=502)
# 连接到服务器
client.connect()
# 读取保持寄存器，地址从0开始，读取10个寄存器
result = client.read_holding_registers(address=0, count=10, unit=1)
# 检查是否成功读取
if not result.isError():
# 输出读取的寄存器值
print(result.registers)
else:
print("读取失败")
# 写单个保持寄存器，地址为0，值为123
client.write_register(address=0, value=123, unit=1)
# 关闭连接
client.close()
注意事项
- 端口号：Modbus TCP默认使用502端口，需要确保防火墙或路由器未阻挡此端口。
- 单元标识符：在TCP/IP网络中，单元标识符通常设置为0或1，但在一些网关或路由器中可能有特殊含义。
- 异常码处理：从站可能返回异常码，需要在程序中进行处理，确保通信的可靠性。
- 线程安全：在多线程环境中使用Modbus客户端时，需要注意线程安全，可能需要加锁或使用线程安全的客户端实例。
应用场景
- 工业自动化：用于PLC和上位机之间的数据交换。
- 能源管理：在电力、石油等行业，实现对设备的远程监控和控制。
- 楼宇自动化：对暖通空调、照明等系统进行集中控制。
结论
深入理解Modbus TCP报文协议，有助于在工业应用中实现高效可靠的通信。通过掌握报文结构、功能码和异常处理，可以开发出稳定的通信程序，满足各种工业现场的需求。