Modbus TCP 基礎回顧

**

在工業自動化領域，Modbus TCP 是一種廣泛應用的通信協議，它基于以太網，為設備之間的通信搭建了橋梁，實現了遠程設備的高效控制。Modbus TCP 是 Modbus 協議家族中的一員，它在傳統 Modbus 協議的基礎上，結合了 TCP/IP 協議的優勢，具備高速、穩定的數據傳輸能力。

Modbus TCP 采用客戶端 - 服務器模型進行通信。客戶端（主站）負責發起請求，比如讀取從設備的寄存器數據，或者向從設備寫入控制指令；服務器（從站）則響應客戶端的請求，執行相應的操作，并返回結果 。這種模型簡單而清晰，使得設備之間的通信有條不紊地進行。在實際應用中，一個客戶端可以與多個服務器進行通信，實現對不同設備的集中管理和控制。

在 Modbus TCP 通信中，數據是以特定的幀結構進行傳輸的。幀結構包含了 MBAP（Modbus 應用協議頭部）和 PDU（協議數據單元）兩部分。MBAP 頭部包含事務標識符（用于匹配請求和響應）、協議標識符（固定為 0，表示 Modbus 協議）、長度字段（指示后續數據的字節數）和單元標識符（標識從站設備）。PDU 則包含功能碼和數據字段，功能碼定義了具體的操作類型，比如讀保持寄存器、寫單個線圈等，數據字段則攜帶了具體的操作數據 。例如，當客戶端要讀取從站的某個寄存器數據時，請求幀中的功能碼會設置為讀寄存器的功能碼，數據字段會包含要讀取的寄存器起始地址和數量等信息。

Modbus TCP 使用 TCP 端口 502 進行通信，這是一個被廣泛認可和使用的默認端口 。通過以太網連接，設備之間可以實現長距離、高速率的數據傳輸，突破了傳統串口通信的距離和速度限制。比如在大型工廠中，分布在不同區域的設備可以通過 Modbus TCP 連接到同一個網絡，實現數據的實時交互和協同工作。

基于以太網的遠程控制原理剖析

（一）以太網通信基石

以太網是一種廣泛應用的局域網技術，它為 Modbus TCP 提供了通信的物理基礎。以太網的核心原理是通過物理層和數據鏈路層的協同工作，實現設備之間的數據傳輸。在物理層，以太網定義了多種傳輸介質，如雙絞線、光纖等，不同的傳輸介質對應著不同的傳輸速率和傳輸距離 。例如，常見的超五類雙絞線（Cat5e）通常支持 100Mbps 的傳輸速率，適用于一般的辦公網絡；而光纖則能夠提供更高的傳輸速率，如千兆以太網（1Gbps）甚至萬兆以太網（10Gbps），常用于數據中心等對帶寬要求較高的場景。

在數據鏈路層，以太網采用了 MAC（媒體訪問控制）地址來唯一標識網絡中的設備 。MAC 地址是一個 48 位的二進制數，通常以十六進制表示，如 “00:11:22:33:44:55”。當設備發送數據時，數據會被封裝成幀，幀中包含了源 MAC 地址和目標 MAC 地址，這樣數據就能準確地傳輸到目標設備。以太網還使用了 CSMA/CD（載波監聽多路訪問 / 沖突檢測）機制（早期以太網，現在全雙工模式下基本避免沖突）來解決多個設備同時訪問傳輸介質時可能產生的沖突問題 。當一個設備要發送數據時，它會先監聽傳輸介質，如果介質空閑，就開始發送數據；在發送數據的同時，設備還會檢測是否發生沖突，如果檢測到沖突，就會停止發送，并發送一個干擾信號，通知其他設備發生了沖突，然后等待一個隨機的時間后再次嘗試發送。

在工業自動化中，以太網的穩定性和高速率為遠程設備控制提供了堅實的通信基礎。它能夠確保大量的設備數據，如傳感器數據、設備狀態信息等，能夠快速、準確地傳輸到控制中心，為實時監控和控制提供了有力支持 。例如，在汽車制造工廠中，生產線上分布著大量的機器人、傳感器和控制器，它們通過以太網連接在一起，實現了生產過程的自動化控制和監控。一旦某個設備出現故障，相關的故障信息能夠迅速通過以太網傳輸到監控中心，工作人員可以及時采取措施進行處理，從而提高了生產效率和設備的可靠性。

（二）Modbus TCP 協議深度解析

1. 協議架構

Modbus TCP 基于 TCP/IP 協議棧，它位于應用層，利用了 TCP 協議的可靠傳輸特性和 IP 協議的網絡尋址功能 。在 TCP/IP 協議棧中，網絡層的 IP 協議負責將數據包從源地址傳輸到目標地址，它通過路由選擇算法確定數據包的傳輸路徑；傳輸層的 TCP 協議則提供了可靠的、面向連接的通信服務，它通過三次握手建立連接，在數據傳輸過程中進行流量控制和差錯校驗，確保數據的完整性和順序性。

Modbus TCP 采用客戶端 - 服務器的通信模式 。客戶端是發起通信請求的設備，它通常是上位機，如監控計算機、SCADA（ Supervisory Control And Data Acquisition，數據采集與監視控制系統）系統等；服務器是響應客戶端請求的設備，一般是現場的工業設備，如 PLC（可編程邏輯控制器）、智能儀表、傳感器等。當客戶端要與服務器進行通信時，首先會通過 TCP 協議與服務器建立連接，連接建立成功后，客戶端會向服務器發送請求報文，服務器接收到請求后，會解析請求報文，執行相應的操作，并返回響應報文給客戶端 。例如，客戶端向服務器發送讀取寄存器數據的請求，服務器在接收到請求后，會從相應的寄存器中讀取數據，然后將數據封裝在響應報文中返回給客戶端。

2. 數據傳輸與功能碼

在 Modbus TCP 中，數據是以特定的幀格式進行傳輸的 。幀由 MBAP 頭部和 PDU 組成。MBAP 頭部包含事務標識符、協議標識符、長度字段和單元標識符。事務標識符由客戶端生成，用于匹配請求和響應，確保客戶端能夠正確識別接收到的響應是對應哪個請求的；協議標識符固定為 0，表示 Modbus 協議；長度字段指示后續數據（包括單元標識符和 PDU）的字節數；單元標識符用于標識從站設備，如果是廣播通信，單元標識符通常設置為 0xFF 。

PDU 包含功能碼和數據字段。功能碼是 PDU 的關鍵部分，它定義了客戶端請求的具體操作類型 。常見的功能碼有：

• 讀線圈（功能碼 01）：用于讀取從站設備的線圈狀態（開關量），例如可以讀取某個閥門的開 / 關狀態 。假設客戶端要讀取從站地址為 1 的設備的第 10 個線圈狀態，請求幀中的功能碼為 01，數據字段中會包含起始線圈地址（如 0x0009，因為地址從 0 開始）和讀取的線圈數量（0x0001） 。

• 讀離散輸入（功能碼 02）：用于讀取從站設備的離散輸入狀態，離散輸入通常是外部的開關信號，如按鈕的按下 / 松開狀態 。例如，客戶端讀取從站地址為 2 的設備的前 10 個離散輸入狀態，功能碼為 02，數據字段包含起始離散輸入地址（0x0000）和讀取數量（0x000A） 。

• 讀保持寄存器（功能碼 03）：用于讀取從站設備的保持寄存器數據，保持寄存器可以存儲各種類型的數據，如溫度、壓力、流量等測量值 。比如，客戶端讀取從站地址為 3 的設備的從地址 0 開始的 5 個保持寄存器數據，功能碼為 03，數據字段包含起始寄存器地址（0x0000）和讀取數量（0x0005） 。

• 寫單個線圈（功能碼 05）：用于向從站設備的單個線圈寫入狀態，可實現對設備的控制，如控制電機的啟動 / 停止 。若客戶端要將從站地址為 4 的設備的第 5 個線圈設置為閉合狀態，功能碼為 05，數據字段包含線圈地址（0x0004）和寫入值（0xFF00 表示閉合，0x0000 表示斷開） 。

• 寫單個保持寄存器（功能碼 06）：用于向從站設備的單個保持寄存器寫入數據，例如設置設備的某個參數值 。例如，客戶端將從站地址為 5 的設備的第 8 個保持寄存器寫入值為 100 的數據，功能碼為 06，數據字段包含寄存器地址（0x0007）和寫入數據（0x0064） 。

Modbus TCP 進階技術要點

（一）通信效率優化秘籍

1. 網絡延遲與吞吐量優化策略

網絡延遲和吞吐量是影響 Modbus TCP 通信效率的關鍵因素 。網絡延遲指的是數據包從發送端傳輸到接收端所經歷的時間，它會導致數據傳輸的延遲，影響設備之間的實時交互。例如，在遠程監控系統中，如果網絡延遲過高，監控畫面可能會出現卡頓，操作人員無法及時獲取設備的實時狀態，從而影響對設備的控制和管理 。吞吐量則是指單位時間內成功傳輸的數據量，吞吐量較低會限制數據的傳輸速度，導致大量數據積壓，降低系統的整體性能 。

為了減少網絡延遲，提高吞吐量，可以采取以下方法：

• 選用優質網絡設備：使用高性能的交換機、路由器等網絡設備，它們具備更快的處理速度和更大的緩存空間，能夠快速轉發數據包，減少數據包的排隊等待時間，從而降低網絡延遲 。比如，企業級的千兆交換機相比普通的百兆交換機，能夠提供更高的帶寬和更低的延遲，更適合工業自動化場景中大量數據的快速傳輸 。

• 優化網絡拓撲：合理設計網絡拓撲結構，減少網絡中的中轉節點和不必要的網絡鏈路，縮短數據傳輸的物理路徑，降低信號衰減和干擾，進而減少網絡延遲 。例如，采用星型拓撲結構，所有設備都連接到中心交換機，這種結構簡單清晰，便于管理和維護，能夠有效提高網絡的可靠性和傳輸效率 。

• 實施流量控制：通過設置合適的流量控制策略，如令牌桶算法、漏桶算法等，合理分配網絡帶寬，避免網絡擁塞，確保數據包能夠按照一定的速率發送和接收，提高吞吐量 。比如，當網絡中的數據流量過大時，流量控制機制可以限制某些設備的發送速率，優先保證關鍵設備的數據傳輸，從而維持網絡的穩定運行 。

• 使用高速鏈路：選擇高速的網絡傳輸介質，如光纖，光纖具有帶寬高、損耗低、抗干擾能力強等優點，能夠提供更高的傳輸速率和更低的延遲，滿足工業自動化對數據傳輸速度和穩定性的要求 。在一些對數據傳輸要求極高的場景，如大型數據中心、高清視頻監控系統等，光纖已經成為主流的傳輸介質 。

2. 數據封裝與傳輸優化實踐

在 Modbus TCP 通信中，數據封裝與傳輸的優化對于提高通信效率至關重要 。

• 設置合適 MTU 大小：MTU（最大傳輸單元）是指網絡設備能夠傳輸的最大數據包大小 。如果 MTU 設置過小，數據包會被分割成多個小片段進行傳輸，增加了傳輸的開銷和延遲；如果 MTU 設置過大，可能會導致數據包在傳輸過程中因網絡鏈路的限制而無法正常傳輸，需要進行分片和重組，同樣會影響傳輸效率 。因此，需要根據網絡環境和設備性能，合理設置 MTU 大小 。一般來說，以太網的默認 MTU 值為 1500 字節，但在一些特殊情況下，如通過 VPN 連接或者網絡中存在老舊設備時，可能需要適當調整 MTU 值 。可以通過網絡測試工具，如 ping 命令，來測試不同 MTU 值下的網絡性能，找到最佳的 MTU 設置 。例如，使用命令 “ping -l [數據包大小] -f [目標 IP 地址]”，其中 “-l” 參數指定數據包大小，“-f” 參數表示不允許數據包分片，通過逐步調整數據包大小并觀察 ping 命令的響應時間和丟包率，來確定合適的 MTU 值 。

• 啟用 TCP 窗口縮放：TCP 窗口縮放是一種提高 TCP 性能的技術，它允許在 TCP 會話中使用較大的窗口尺寸，從而提高網絡的吞吐量 。在高延遲和高帶寬的網絡環境中，啟用 TCP 窗口縮放尤為重要 。例如，在跨地區的工業自動化系統中，數據需要經過長距離的網絡傳輸，延遲較高，此時啟用 TCP 窗口縮放可以使發送方能夠一次性發送更多的數據，減少數據傳輸的往返次數，提高數據傳輸效率 。在 Linux 系統中，可以通過修改系統參數 “net.ipv4.tcp_window_scaling” 來啟用 TCP 窗口縮放，將其值設置為 1 即可 。在 Windows 系統中，可以通過修改注冊表來啟用 TCP 窗口縮放，具體方法是在注冊表中找到 “HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Tcpip\Parameters”，新建一個 DWORD 值 “TcpWindowSize”，并設置合適的值（一般建議設置為 65535） 。

（二）自定義功能碼拓展應用

1. 自定義功能碼原理

標準的 Modbus 功能碼雖然覆蓋了常見的數據讀寫、設備診斷等操作，但在實際的工業自動化應用中，由于不同設備的功能和需求各異，標準功能碼可能無法滿足所有的業務需求 。這時，自定義功能碼就發揮了重要作用 。自定義功能碼是 Modbus 協議中用于擴展標準功能碼的一種機制，它允許用戶根據特定應用需求來開發新的功能 。通過自定義功能碼，用戶可以實現一些標準功能碼無法完成的操作，如讀取特定設備的非標準寄存器數據、執行特定的設備控制算法等，從而增加了 Modbus 協議的靈活性和應用范圍 。

自定義功能碼的工作原理是在 Modbus 協議的框架內，用戶自行定義功能碼的值以及該功能碼對應的操作 。當客戶端發送包含自定義功能碼的請求時，服務器能夠識別該功能碼，并根據預先定義的規則執行相應的操作，然后將結果返回給客戶端 。例如，在一個智能工廠的設備管理系統中，為了實現對某臺特殊設備的能源消耗監測和分析，開發人員可以自定義一個功能碼，該功能碼用于讀取設備的實時能源消耗數據，并進行一些特定的計算和處理，然后將處理后的結果返回給上位機，以便管理人員進行分析和決策 。

2. 實現步驟與案例展示

以三菱 PLC 為例，介紹自定義功能碼的實現步驟 。

• 第一步：確定需求和功能定義：明確需要實現的特殊功能，例如讀取設備的自定義狀態信息、執行特定的設備控制邏輯等 。根據功能需求，定義自定義功能碼的值，確保該值在 Modbus 協議的未使用功能碼范圍內 。假設我們要實現一個讀取三菱 PLC 特定區域內存數據的功能，自定義功能碼設置為 0x90 。

• 第二步：編程實現功能邏輯：使用三菱 PLC 的編程軟件，如 GX Works2，編寫實現自定義功能的程序邏輯 。在程序中，根據自定義功能碼的值，編寫相應的代碼來處理請求 。例如，當接收到功能碼為 0x90 的請求時，程序會讀取特定內存區域的數據，并將數據打包成響應幀 。下面是一個簡單的示例代碼（以梯形圖語言為例）：

// 假設自定義功能碼存儲在D100中

LD D100 = 0x90 // 判斷是否為自定義功能碼

JMP Z, NOT_CUSTOM_FUNCTION // 如果不是，跳轉到非自定義功能處理

// 自定義功能處理

// 讀取特定內存區域數據，假設數據存儲在D200 - D209

MOV D200, R0 // 將數據存儲到響應數據區

MOV D201, R1

// 依次類推，將D202 - D209的數據存儲到R2 - R9

// 構建響應幀，假設響應幀存儲在D300 - D310

MOV 0x90, D300 // 功能碼

// 將讀取的數據存儲到響應幀的相應位置

MOV R0, D301

MOV R1, D302

// 依次類推

JMP END_PROGRAM // 跳轉到程序結束

NOT_CUSTOM_FUNCTION:

// 非自定義功能處理，執行標準功能碼的操作

END_PROGRAM:

• 第三步：配置 PLC 通信參數：確保 PLC 的網絡參數配置正確，包括 IP 地址、子網掩碼、網關等 。同時，需要設置 PLC 支持自定義功能碼的解析和處理 。在 GX Works2 中，可以在通信參數設置界面中進行相關配置，使 PLC 能夠識別并處理自定義功能碼的請求 。

• 第四步：測試與驗證：使用 Modbus TCP 客戶端工具，如 Modbus Poll 等，向三菱 PLC 發送包含自定義功能碼的請求，驗證自定義功能是否正常工作 。在測試過程中，檢查響應數據是否正確，功能是否符合預期 。例如，使用 Modbus Poll 發送功能碼為 0x90 的請求，查看是否能夠正確讀取到 PLC 特定內存區域的數據，并與預期結果進行對比 。

實際應用案例：在一個自動化生產線中，有一臺三菱 PLC 控制著關鍵設備的運行 。為了實現對設備的精細化管理和故障預測，需要獲取設備的一些內部狀態信息，這些信息無法通過標準功能碼獲取 。通過自定義功能碼，開發人員實現了讀取設備運行時間、累計工作次數、關鍵部件溫度等信息的功能 。上位機通過發送自定義功能碼的請求，能夠實時獲取這些信息，并進行數據分析和處理 。當設備運行時間達到一定閾值或者關鍵部件溫度過高時，系統會及時發出警報，提醒維護人員進行檢查和維護，有效提高了設備的可靠性和生產效率 。