目錄

一、協議概述

二、協議結構

三、功能碼

四、通信過程

五、注意事項

六、應用實例

七、優點

八、缺點

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MODBUS TCP協議是一種基于TCP/IP協議的Modbus變種，它允許Modbus協議在以太網網絡上運行，使得設備之間可以通過IP網絡交換數據。以下是MODBUS TCP協議輸出的完整使用說明：

一、協議概述

MODBUS TCP協議是Modbus協議的一種網絡傳輸方式，采用客戶端/服務器（Master/Slave）模式進行通信。客戶端（Master）發送請求給服務器（Slave），服務器響應這些請求。這種通信方式廣泛應用于工業自動化領域，用于連接控制系統和現場設備，如傳感器、執行器、變頻器等。

二、協議結構

MODBUS TCP協議的數據幀由MBAP（Modbus Application Protocol）頭和PDU（Protocol Data Unit）兩部分組成：

1. MBAP頭：
   • 事務標識符：占2個字節，用于標識事務的唯一性，每次通信過程中主站和從站的報文幀的事務標識符需保持一致。
   • 協議標識符：占2個字節，固定值為0x0000，表示使用Modbus TCP協議。
   • 長度：占2個字節，表示MBAP頭之后PDU的長度。
   • 單元標識符：占1個字節，表示目標從站的地址（Slave ID）。
2. PDU：
   • 功能碼：占1個字節，用于指示請求的具體操作類型，如讀線圈、寫寄存器等。
   • 數據：長度不定，根據功能碼的不同而有所區別，包含要操作的數據地址和數據值等。

三、功能碼

MODBUS TCP協議定義了多種功能碼，用于實現不同的操作。以下是一些常用的功能碼及其說明：

• 0x01：讀線圈狀態（Read Coils），用于從從站中讀取一系列線圈的當前狀態。
• 0x02：讀離散輸入狀態（Read Discrete Inputs），用于從從站中讀取一系列離散輸入的當前狀態。
• 0x03：讀保持寄存器（Read Holding Registers），用于從從站中讀取一系列保持寄存器的值。
• 0x04：讀輸入寄存器（Read Input Registers），用于從從站中讀取一系列輸入寄存器的值。
• 0x05：寫單個線圈（Write Single Coil），用于將從站中的一個線圈設置為ON或OFF狀態。
• 0x06：寫單個保持寄存器（Write Single Register），用于將單個保持寄存器的值寫入從站。
• 0x10：寫多個保持寄存器（Write Multiple Registers），用于將一系列保持寄存器的值寫入從站。

四、通信過程

1. 建立連接：
   • 客戶端（Master）使用TCP協議與服務器（Slave）建立連接，通常使用IANA分配的Modbus TCP端口號502。
2. 發送請求：
   • 客戶端構造包含MBAP頭和PDU的MODBUS TCP報文，并通過TCP連接發送給服務器。
3. 接收響應：
   • 服務器接收到請求后，根據請求的功能碼和數據執行相應的操作，并構造響應報文發送給客戶端。
   • 響應報文同樣包含MBAP頭和PDU，其中PDU部分包含操作結果或數據。
4. 關閉連接（可選）：
   • 通信任務完成后，客戶端可以關閉TCP連接。在某些情況下，連接可能會保持打開狀態以進行后續的通信。

五、注意事項

• 超時管理：在通信過程中，需要實現超時管理機制，以避免無期限地等待可能不出現的應答。
• 字節序：在發送和接收數據時，需要注意字節序的問題。不同系統可能采用不同的字節序（大端或小端），因此在跨系統通信時需要進行字節序的轉換。
• 錯誤處理：服務器在無法執行請求的操作時，會返回異常響應。客戶端需要能夠解析異常響應，并根據異常碼進行相應的錯誤處理。

六、應用實例

在實際應用中，可以使用Modbus仿真軟件（如Modbus Poll和Modbus Slave）來模擬主站和從站之間的通信過程。通過配置軟件中的參數（如IP地址、端口號、功能碼等），可以模擬不同的通信場景，并觀察通信結果是否符合預期。

此外，還可以使用編程語言（如Java、C/C++等）結合Modbus庫（如modbus-master-tcp、libmodbus等）來開發基于MODBUS TCP協議的應用程序。這些應用程序可以作為客戶端或服務器運行，實現與Modbus設備的通信和控制。

七、優點

1. 基于以太網：
   • 利用廣泛部署的以太網基礎設施，實現更高速的數據傳輸和更遠的通信距離。這使得在工業自動化系統中，設備之間的通信更加靈活和高效。
2. 支持多主站：
   • 允許多個主站設備同時與從站進行通信，提高了系統的靈活性和可擴展性。在復雜的工業自動化環境中，這種特性尤為重要。
3. 連接方便：
   • 以太網的連接相對簡單，易于配置和維護。與串行通信相比，MODBUS TCP協議在布線、調試和維護方面都具有顯著優勢。
4. 兼容性強：
   • 保持了與Modbus RTU等其他Modbus協議在功能碼和數據格式上的兼容性，便于不同類型設備之間的集成。這種兼容性使得在現有系統中引入支持MODBUS TCP的設備變得容易。
5. 高效可靠：
   • 采用TCP/IP協議作為通信介質，數據傳輸速度快，數據精度高，且能夠保證數據的可靠性和穩定性。這對于需要實時數據交換的工業自動化系統至關重要。
6. 易于擴展：
   • 支持多點連接，可以同時與多個客戶端建立連接，在分布式控制和管理方面具有很好的應用潛力。這使得系統能夠隨著業務需求的增長而靈活擴展。

八、缺點

1. 安全性問題：
   • MODBUS TCP協議不是安全通信協議，不提供在設備之間通信時使用安全性或加密的選項。這會在自動化系統中造成潛在的安全漏洞。例如，設備雙方建立通訊時無需進行身份認證，只要知道端口就可以創建通訊連接；缺乏權限管理，導致通訊連接后任何人都可以執行任何功能；報文采用明文機制，報文被截取后可被閱讀或直接篡改后發送給設備；缺乏完整性檢測，可能遭受偽造報文攻擊等。（來源：知乎專欄）
2. 編程復雜度：
   • 與單側通信機制（如S7通信）不同，要使兩個設備通過MODBUS TCP進行通信，必須對兩個設備進行編程。這增加了編程的復雜性和工作量。
3. 依賴網絡穩定性：
   • 由于MODBUS TCP協議基于以太網和TCP/IP協議棧，因此其通信效果受到網絡穩定性的直接影響。在網絡不穩定或出現故障時，可能導致通信中斷或數據丟失。

總之，MODBUS TCP協議是一種功能強大、易于實現的工業自動化通信協議。通過掌握其協議結構和通信過程，可以方便地實現設備之間的數據交換和控制