大家好!我是付工。

2012年开始接触Modbus协议,至今已经有10多年了,从开始的懵懂,到后来的顿悟,再到现在的开悟,它始终岿然不动,变化的是我对它的认知和理解。

今天跟大家聊聊关于Modbus协议的那些事。

发展历史

Modbus于1979年诞生,已经历经了40多年。

Modbus诞生在一个特定的时期。1969年,第一台PLC的发明,解决了数字电路代替传统继电器控制的问题,10年之后,Modbus的发明,主要用于解决PLC之间通信的问题。

这些年,它凭借了免费开放、简单易懂等特点,广泛应用在工业自动化领域的各种产品中。

莫迪康当初发明Modbus时,主要针对的是串口设备,即ModbusRTU和ModbusASCII协议,后来施耐德在其基础上发明了针对以太网设备的ModbusTCP。

Modbus协议的诞生与发展,是工业自动化领域技术进步的必然结果,各种工业设备之间的数据交互,必然需要一个高效可靠的协议来支持。

即使1979年莫迪康没有发明Modbus,也许1989年恩迪康也会发明一个Nodbus出来。

协议基础

Modbus协议可以说是所有协议的基础,学习上位机开发自然也离不开它。

我认为,学习Modbus有两个层面,第一个是应用层面,第二个是报文层面。

应用层面可以让我们借助开源通信库很轻松实现设备通信;而报文层面,可以让我们自己写通信库。

可能有人会这么问,既然有开源通信库了,我们是不是就可以不用学Modbus协议报文,直接用现成的通信库?

初期也许可以,但是从长远角度来看,既然选择了上位机这条路,未来必然还会遇到各种各样的协议,而Modbus协议恰恰是一个非常好的学习和练手的机会。

我们把它当作一个跳板,我们学习它,不仅仅是为了使用它,也为理解其他协议奠定一个扎实的基础。所以初学时,一定不要错过这个机会,否则,你会折返跑的。

存储区分类

我喜欢站在协议制定者角度,并结合身边的一些事物来介绍Modbus协议。

首先我们要明确,协议的目的是为了实现数据交互。

么,我们先从【数据】入手,数据必然需要一个载体,自然就有了存储区的概念,这个存储区类似于我们电脑的硬盘。

硬件要分区,存储区也要分类。

至于如何分类,首先我们想到根据数据类型来分,但是不可能每个数据类型分一个,那样太多了,我们将布尔和非布尔分开,因此就有了线圈和寄存器的概念。

在电气回路中,接触器和中继都是靠线圈得电和失电来控制,因此用线圈来表示布尔,而寄存器在PLC中也是用来存储数据的,因此用寄存器来表示非布尔,一个寄存器就表示一个Word。

Modbus更类似于日系和国产PLC,线圈存储区类似于X、Y、M存储区,寄存器存储区类似于D、W、H存储区。

X和Y同样是线圈存储区,X表示的是输入,Y表示的是输出,输入意味着该存储区数据由外部设备接入,是只读的,输出表示输出给外部设备,是可读可写的。

因此,Modbus的线圈和寄存器存储区,还需要按照读写特性,进一步细分,因此形成了Modbus的4个存储区,如下表所示:

序号 读写 存储类型 存储区名称
1 只读 线圈 输入线圈
2 读写 线圈 输出线圈
3 只读 寄存器 输入寄存器
4 读写 寄存器 保持型寄存器

存储区代号

存储区名称是一个完整称呼,实际应用的时候会比较麻烦,因此我们会给这些存储区取一个代号,这个和PLC是一样的,PLC我们只说X区、Y区、D区,只不过PLC使用的是字母作为代号,而Modbus使用的是数字,于是便有了存储区代号表:

存储区名称 存储区代号
输入线圈 1区
输出线圈 0区
输入寄存器 3区
保持型寄存器 4区

这个存储区代号中是没有2区的,这个其实没有理由,也许就是莫迪康单纯的不喜欢2这个数字,这一点和我们国人一样。

Modbus地址

任何一个存储区都是有范围的,比如西门子的M区只有8192个字节,三菱的D区有8000个字,高端系列有18000个字,我们电脑硬盘也是,以前500G很大了,现在动辄1T、2T,都终究有个范围,因此Modbus的存储区也是有范围的,不可能无限大。

Modbus协议是这么规定的,每个存储区最多可能存放65536个线圈或寄存器,这个范围已经很大了。存储区地址是从0开始的,那么对于每个存储区来说,地址范围则从0到65535。

存储区名称 存储区地址
输入线圈 0-65535
输出线圈 0-65535
输入寄存器 0-65535
保持型寄存器 0-65535

这时候会遇到一个问题,比如你跟别人说地址100,别人是不知道是哪个存储区的100,因为每个存储区都有100,那么如何解决这个问题呢?

我们来看下PLC是如何定义的,首先看一个PLC的变量地址,比如D100,这个D100是由D+100组合而成,D是存储区代号,100是地址偏移量,这样的地址模型就直接包含了存储区,这里的D100我们可以理解为绝对地址,而后面的地址偏移量100可以理解为相对地址。

所谓绝对地址,就是通过地址名称,就能明确知道是什么存储区的第几个位置的数据,而相对地址就是地址偏移量,因此绝对地址是唯一的,而相对地址,每个存储区都有。

Modbus仍然遵守这个公式:绝对地址=存储区代号+相对地址。

Modbus和PLC有两个地方不同:

1、PLC的存储区代号是字母,所以可以直接拼接,但是Modbus的存储区代号是数字,如果直接拼接,会导致地址混乱,比如4区的第10个地址,叫410,而0区的410地址也是410,因此必须要保证总长度固定,相对地址始终占5位,不足补0,于是便有了下面的表格,该表格只是当前理解下的表格,并不是最终正确的表格:

2、Modbus协议规定:以保持型寄存器存储区为例,第一个地址不是400000,而是400001,这个是由Modbus规约决定的,其他存储区也是同样的道理。因此正确的Modbus存储区范围如下表所示:

前面提到过,65536是一个非常大的范围,在实际使用中,我们可能根本用不到这么多地址。于是为了使用方便,还有一种短地址模型,即5位地址模型,前面的称为长地址模型,即6位地址模型,短地址模型存储区范围如下表所示:

直到这里,我们才看到了熟悉的40001,40001这个地址是这样逐步演变出来的。

功能码

我们回到原点,协议的目的是为了实现数据交互。

前面一直在围绕【数据】,下面围绕【交互】说明。

交互即读写。

我们已经有了4个不同的存储区,那么我们对这些存储区的读写,必然会产生很多不同的行为,比如读取输出线圈和写入输出线圈,即为2种不同的行为。我们给这些行为取个代号,即为功能码。

功能码就是Modbus读写行为的代号。

那么会有多少种不同的行为呢?

读取和写入是2种不同的动作,而对象即为4个存储区,排列组合即为2*4=8个,但是输入线圈和输入寄存器是不能写入的,因此8-2=6,如下图所示:

序号 具体行为
1 读取输入线圈
2 读取输出线圈
3 读取输入寄存器
4 读取保持寄存器
5 写入输出线圈
6 写入保持型寄存器

Modbus协议规定:对写入输出线圈和写入保持型寄存器进行细分,分为单个写入和多个连续写入,因此前面的6种行为又变成了8种形成,同时给每个行为取个代号,即形成了我们常说的8大功能码,如下图所示:

功能码 功能说明
0x01 读取输出线圈
0x02 读取输入线圈
0x03 读取保持寄存器
0x04 读取输入寄存器
0x05 写入单个线圈
0x06 写入单个寄存器
0x0F 写入多个线圈
0x10 写入多个寄存器

Modbus协议除了这8种常用的读写功能码,还有一些用于诊断异常的功能码,但是一般很少使用,了解即可。

协议分类

Modbus协议是一个统称,有三个协议家族,分别是ModbusRTU、ModbusASCII和ModbusTCP。

我们常说A和B之间进行Modbus通信,这句话是不严谨的,应当明确指出具体使用哪种通信协议。

一般情况下,ModbusRTU和ModbusASCII用于串行通信,ModbusTCP用于以太网通信,但是这并不是绝对的,因为Modbus协议只是一种应用层的协议,并没有指定物理层,比如,ModbusRTU协议也可以使用在以太网中进行数据传输。

如果准确划分,应该有7种不同的通信方式,我们实际主要使用ModbusRTU和ModbusTCP,其他的使用较少。

报文格式

针对ModbusRTU、ModbusASCII、ModbusTCP这三种不同的协议,在学习时,并不需要学习三次,只要把某一种弄明白,其他两种很容易上手,一般我们以ModbusRTU作为入口,先学习ModbusRTU协议,ModbusASCII了解即可,再学习ModbusTCP协议,下面分别对这三种协议的报文格式进行说明:

1、ModbusRTU的通用报文格式如下:第一部分:从站地址,占1个字节

第二部分:功能码,占1个字节

第三部分:数据部分,占N个字节

第四部分:校验部分,CRC校验,占2个字节

2、ModbusASCII的通用报文格式如下:

第一部分:开始字符(:)

第二部分:从站地址,占2个字节

第三部分:功能码,占2个字节

第四部分:数据部分,占N个字节

第五部分:校验部分,LRC校验,占2个字节

第六部分:结束字符(CR LF)

3、ModbusTCP的通用报文格式如下:

第一部分:事务处理标识符,占2个字节

第二部分:协议标识符,占2个字节

第三部分:长度,占2个字节

第四部分:单元标识符,占1个字节

第五部分:功能码,占1个字节

第六部分:数据部分,占N个字节

具体报文内容通过后面的文章进行阐述。

Modbus学习成本很低,因为协议是公开免费的,而且有很丰富的调试工具,甚至可以在不购买任何硬件的情况下,把Modbus协议学得很透彻。

当然如果有条件,购买一些硬件配合学习,效果更佳。

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