ModbusTCP协议详解

Modbus 是一种广泛使用的通信协议，最初由 Modicon 公司在 1979 年开发，最初用于工业设备之间的通信。Modbus协议采用客户端-服务器架构，并支持多种物理层的实现，如串行（Modbus RTU）和以太网（Modbus TCP）。

Modbus TCP 是 Modbus RTU 的一种扩展，通过 TCP/IP 网络 传输数据，实现了更高效的远程通信。Modbus TCP 用于通过以太网连接工业设备，实现设备之间的通信，常见于 SCADA（监控与数据采集）系统和工业自动化领域。

1. Modbus TCP协议概述

Modbus TCP协议是基于TCP/IP协议栈的，它通过TCP端口 502 进行通信。它是一个简单的、面向请求-响应的协议，用于读取和写入工业设备（如PLC、传感器、执行器等）的数据。与传统的串行协议（如Modbus RTU）不同，Modbus TCP通过网络传输数据，支持更加灵活和高效的设备互联。

1.1 Modbus TCP的基本特性

  • 通信方式：基于TCP/IP协议，传输层采用TCP，确保了数据传输的可靠性。
  • 端口号：默认使用 502 端口进行通信。
  • 数据传输单位：Modbus通信的数据传输单位是 寄存器，每个寄存器包含16位数据。
  • 主从架构：Modbus TCP通常采用主-从架构，主设备（如SCADA系统）发起请求，设备（如PLC）响应请求。
  • 支持远程通信：通过TCP/IP网络实现远程设备之间的通信，支持局域网（LAN）和广域网（WAN）。

2. Modbus TCP协议的报文结构

Modbus TCP协议的通信数据格式分为两部分：应用数据单元（ADU） 和 Modbus协议数据单元（PDU）。在Modbus TCP中，应用数据单元（ADU）包含了Modbus协议的数据单元（PDU）以及额外的头部信息。

2.1 Modbus TCP应用数据单元（ADU）

一个Modbus TCP报文的ADU包括以下几个部分：

  1. TCP头部（7字节）：由TCP协议栈负责，包含TCP的源端口、目的端口、数据长度、校验和等信息。
  2. Modbus头部（6字节）：
    • Transaction Identifier（2字节）：事务标识符，用于区分不同的Modbus请求。
    • Protocol Identifier（2字节）：协议标识符，Modbus协议为0x0000。
    • Length（2字节）：指定从这段数据开始到消息末尾的字节数，包含整个ModbusPDU的长度。
  3. ModbusPDU（协议数据单元）：包含Modbus协议本身的操作内容。

2.2 ModbusPDU（协议数据单元）

Modbus PDU 是 Modbus 通信中的核心部分，它包含了 Modbus 请求和响应的具体内容。ModbusPDU根据不同的功能码进行不同的处理。一个标准的Modbus PDU结构如下：

  • Function Code（1字节）：功能码，表示请求操作的类型，如读取寄存器、写寄存器等。
  • Data：功能码相关的数据，具体内容根据功能码的不同而不同。

3. Modbus TCP的功能码

Modbus协议通过功能码来指示请求的具体操作，Modbus TCP协议也继承了这一特性。常见的功能码包括：

  • 0x01 – 读取线圈状态（Read Coils）
  • 0x02 – 读取离散输入（Read Discrete Inputs）
  • 0x03 – 读取保持寄存器（Read Holding Registers）
  • 0x04 – 读取输入寄存器（Read Input Registers）
  • 0x05 – 写单个线圈（Write Single Coil）
  • 0x06 – 写单个保持寄存器（Write Single Register）
  • 0x0F – 写多个线圈（Write Multiple Coils）
  • 0x10 – 写多个保持寄存器（Write Multiple Registers）

每个功能码执行特定的操作，Modbus TCP通过这些功能码实现数据的读取、写入、状态查询等任务。

3.1 常见功能码解释

  1. 功能码 0x03：读取保持寄存器（Read Holding Registers）
    • 用于从PLC等设备的保持寄存器中读取数据，返回值为16位寄存器值。
    • 请求格式：
      请求：[设备地址] + [功能码 0x03] + [起始寄存器地址] + [寄存器数量]
      响应：[设备地址] + [功能码 0x03] + [字节数] + [寄存器数据]
  2. 功能码 0x06：写单个保持寄存器（Write Single Register）
    • 用于向PLC设备的单个保持寄存器写入数据。
    • 请求格式：
      请求：[设备地址] + [功能码 0x06] + [寄存器地址] + [寄存器数据]
      响应：[设备地址] + [功能码 0x06] + [寄存器地址] + [寄存器数据]
  3. 功能码 0x10：写多个保持寄存器（Write Multiple Registers）
    • 用于一次性写入多个寄存器的值。
    • 请求格式：
      请求：[设备地址] + [功能码 0x10] + [起始寄存器地址] + [寄存器数量] + [字节数] + [数据]
      响应：[设备地址] + [功能码 0x10] + [起始寄存器地址] + [寄存器数量]

4. Modbus TCP通信流程

Modbus TCP通信是基于客户端-服务器模型的。通信的过程一般遵循以下步骤：

  1. 建立TCP连接：客户端（如SCADA系统）和服务器（如PLC）通过TCP/IP网络建立连接，默认端口为502。
  2. 发送请求：客户端发送Modbus请求，内容包括目标设备地址、功能码、寄存器地址等信息。
  3. 设备响应：服务器接收到请求后，按照功能码和地址操作并返回相应的数据或确认信息。
  4. 关闭连接：请求和响应完成后，客户端与服务器可以关闭连接，或者保持长连接进行后续通信。

5. Modbus TCP的应用场景

Modbus TCP协议广泛应用于工业自动化和控制系统中，特别是在需要远程监控和控制的场景。常见应用场景包括：

  • SCADA系统：Modbus TCP可以将PLC、传感器、执行器等设备通过网络连接到SCADA系统，实现远程监控与数据采集。
  • 智能电表：Modbus TCP被用于读取电表数据，例如电流、电压、功率等。
  • 工业自动化：通过Modbus TCP控制工厂中的各种设备，如电机、阀门、传感器等。
  • 楼宇自动化：在HVAC（供暖、通风和空调）、照明、安防等楼宇控制系统中，Modbus TCP用于设备间的通信。

6. Modbus TCP协议的优缺点

优点：

  • 简单易用：Modbus协议非常简单，易于实现和调试。
  • 广泛支持：Modbus协议在工业自动化领域非常流行，许多设备和软件都支持Modbus。
  • 低成本：Modbus TCP基于以太网，网络硬件成本相对较低。
  • 可靠性高：基于TCP/IP协议，通信可靠、无错误，且具备自动重试机制。

缺点：

  • 数据传输速度较慢：相比其他更现代的协议（如Ethernet/IP），Modbus TCP的速度较慢，适用于低速数据采集。
  • 没有内建安全机制：Modbus协议本身没有安全性设计，容易受到攻击，如中间人攻击（MITM）。
  • 无法支持复杂数据类型：Modbus协议只能处理基本的二进制、整数和浮点数等数据类型，无法处理复杂数据结构。

7. 总结

Modbus TCP是一种基于TCP/IP协议的通信协议，广泛用于工业自动化、SCADA、楼宇自动化等领域。其简洁、稳定、可靠的特点使其在工业环境中得到了广泛的应用。尽管它存在一些局限性，如安全性问题和较低的传输速度，但由于其