Modbus_TCP协议的分析与应用

摘要M odbus 是目前应用最广泛的现场总线协议之一，1999年又推出了在以太网上运行的M odbus/TC P 工业以太网协议。

本文对M odbus 协议进行了分析，给出了协议的帧格式和通信过程，并介绍了该协议良好的应用前景。

关键词M odbusM odbus/TC P 现场总线工业以太网1引言随着企业信息化进程的深入发展，实现企业上层管理网络与现场控制网络的无缝连接显得越来越重要。

在企业管理信息系统中由于以太网技术应用广泛，线缆和接口设备价格相对较低等特点在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制造层得到广泛应用，同时已呈现出向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。

基于这种发展现状，越来越多的人希望以太网技术能介入过程控制层，广泛取代目前种类繁多、标准不一的现场总线技术，这不仅可以使企业的管理信息系统实现垂直方向的集成，而且能降低不同厂家设备在水平层面上的集成成本。

工业以太网是以太网技术向工业控制领域渗透催生的产物，一般是指技术上与商用以太网(即IEEE802.13或IEEE802.11系列标准)兼容，但在产品设计、材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。

工业以太网基于成熟的以太网技术和TCP/IP 技术，具有较高实时性和传输能力。

2现场总线协议Modbus 与工业以太网协议Modbus/TCPM odbus 现场总线协议是Modicon 公司于1978年发明的一种工业控制器的网络协议。

通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其他设备之间可以进行通信。

因为Modbus 协议是属于应用层的通信协议，位于OSI 模型的第7层[1]。

它与物理层的设备和电气接口无关，既支持传统的RS232/RS485通信标准也支持以太网通信标准，所以根据物理层层网络的不同Modbus 协议被分成串行链路版本和运行在以太网的Modbus/TCP 版本。

Modbus/TCP 协议以一种比较简单的方式将Modbus 帧嵌入到TCP 帧中。

IANA (互联网编号分配管理机构)也给Modbus/TCP 协议赋予TCP 端口502，这是其他工业以太网协议所没有的。

3Modbus 协议通信模式M odbus 协议采用请求响应模式，通信方法是对等的。

M odbus 规定仅客户机能发起查询，服务器仅能对客户机发出的查询消息作出响应。

典型的客户机是PC 机、可编程仪表、人机界面。

典型的服务器是可编程控制器。

如果客户机发送请求消息，表示他期望从服务器设备得到响应。

同样，当服务器接收到消息，它将建立一应答消息并返回给客户机。

4Modbus 协议数据帧格式在M odbus 串行链路上的所有设备(客户机和服务器)需要配置相同的通信参数和通信模式。

串行通信参数包括波特率、奇偶校验等。

通信模式包括ASCII 模式和RTU 模式。

当设备以ASCII 模式进行通信时，消息中的每一个8位的字节作为2个ASCII 字符传输。

当设备以RTU 模式进行通信时，消息中的每一个8位的字节分成两个4位的16进制的字符传输[2]。

因此在相同的波特率下RTU 模式有更高的传输密度，应用也更广。

M odbus 协议是以帧为单位进行数据传送的，M odbus 有三种类型的帧：在串行链路上运行的ASCII 帧和RTU 帧、在以太网上运行M odbus/TCP 帧。

4.1ASCII 帧ASCII 帧以“：”冒号字符(0x3A)表示帧的起始，以回车和换行字符（0x0D 和0x0A ）表示帧的结束。

帧中其他的数据只允许为16进制数中的字符0～9和A ～F 。

帧包含1个字节的起始字符、2个字节的地址单元、2个字节的功能代码、数据段和2个字节的LRC 校验字段。

网络中的M odbus 服务器会不断监听冒号，如果监听到冒号则判断该帧中的地址是否为本机地址，是的话则予以响应。

ASCII 帧的字符之间的最大间隔为1秒，若超过1秒，接收设备认为发生了一个错误。

4.2RTU 帧RTU 帧以超过3.5个字节的空闲时间开始，以3.5个字节的静止时间结束。

帧包含1个字节的起始字符、1个字节的地址单元、1个字节的功能代码、数据段和2个字节的CRC 校验字段。

帧中的数据允许为任意的数。

整个帧必须连续发送，发送期间若出现超过1.5个字符的静止时间，则后面的数据会被认为是新的帧。

4.3Mobus/TCP 帧M odbus/TCP 没有对M odbus 协议本身进行修改，而是采用了一种非常简便的方式将M odbus RTU 帧嵌入到以太网的TCP 帧中。

M odbus/TCP 帧由M BAP(M odbus 应用协议)头和协议数据单元组成。

M BAP 头包含2个字节的传输标志、2个字节的协议标志、2个字节帧长度、1个字节的地址。

协议数据单元包含1个字节的功能代码和数据段。

因为考虑到以太网IP 包到达的顺序可能与发送的顺序不一致，所以在M BAP 中增加了传输标志，M odbus/TCP 服务器端(M odbus/TCP 网关)需要复制它做为对传输请求的响应。

M BAP 中的协议标志字段为0表示为M odbus 协议。

长度字段对该字段后的单元标志字段和协议数据单元中的字节数计数[3]。

M odbus/TCP 帧的目的地址由IP 地址所确定，因此不再有专门的地址字段来区分不同的M odbus/TCP 客户。

同时TCP 传输是可靠Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ协议的分析与应用徐凤亮［１］史斌斌［２］（［１］苏州卫生职业技术学院江苏·苏州２１５００９；［２］苏州市职业大学江苏·苏州２１５０００）中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1672-7894（2009）27-223-02（下转第286页）财经管理２２３的数据传输方式，因此不再有数据校验。

因为M odbus/TCP协议支持承载M odbus串行链路版本的RTU帧，所以在M BAP中增加了一个地址字段以区分串行链路中不同的M odbus服务器，实现串行链路中的路由功能。

5Modbus协议数据模型Modbus基本数据模型有四种：开关量输入、开关量输出、寄存器输入、寄存器保持。

M odbus所有要处理的数据均放在设备的存储器中。

Modbus功能代码定义的各种操作也是针对这四种基本数据模型所进行的操作。

Modbus功能代码分成三类：公共功能代码、用户定义的功能代码和保留的功能代码[1]。

6小结Modbus协议作为一个具有悠久历史的、事实上的工业标准，加上其协议内容可以免费获得，因此M odbus的串行链路版本在市场上长期占有主导地位。

大量的产品已直接运行或兼容M odbus串行链路版本。

许多厂家的PLC(可编程逻辑控制器)、HMI(人机界面)、组态软件都支持它。

Modbus/TCP协议的开放性及用户对Modbus协议的熟悉程度再加上协议简单易学，使它比很多受商业利益驱使的协议取得更快的发展，受到众多第三方产品厂商、终端用户、系统集成商的广泛支持。

参考文献[1]M ODBUS Application Protocol Specification V1.1a[DB/OL].http://www.M odbus-,2004.[2]M ODBUS over Serial Line Specification&Implementation guide V1.0[DB/OL].http://www.M ,2004.[3]M ODBUS M ESSAGING ON TCP/IP IM PLEM ENTATION GUIDE V1.0.a[DB/OL].http://www.M ,2004.责任编辑黄修军技术才能继续发展。

例如解决特高速船的发展问题，应先从外界环境现实条件和社会需求考虑着手。

研发这样的船舶要结合人类的操纵反应能力、应用市场规划、性价比及技术普及层次等问题加以考虑。

3.2一些航海科学技术项目发展的价值目标不切实际下面从发展无人驾驶的角度来阐述其发展目标现阶段不切实际。

从避碰规则的适用性角度考虑，在当前国际避碰规则条件下，狭水道航行、靠离泊作业、通航密集区航行，无人驾驶难以实现。

即使无人驾驶的船舶按避碰规则航行和避让，但是中小船舶特别是那些未完全按国际标准配备航海仪器的船舶却并不一定按避碰规则航行和避让。

这些问题很可能要求修改现行的国际避碰规则，但是已经在全世界范围内使用多年并相对成熟的避碰规则岂能动辄作结构性修改。

全球外贸货物主要靠远洋船舶运输，因此远洋船舶时常航行在极区附近及台风、特大暴雨等灾害性海区中。

这些海区，天气海况异常恶劣，远程无线通信信号极易中断，势必造成无人驾驶船舶脱离总控制台的监控。

一旦发生紧急事故，其后果不堪设想。

在无限航区，突发事件和需要应急处理的紧急事故频繁发生。

这些事件人们事先通常难以设想和预测，因此也就没有事先编写好的控制处理程序安装在无人驾驶船舶上，无人驾驶船舶将无法处理这类事故。

如果靠在岸基的总控制台来处理，总控制台的人员对突发事件和紧急事故的现场环境又缺乏了解，处理起来势必与现实脱节。

科学技术发展要遵从科学技术发展的内在规律和现实条件，要利用好科学技术为人类和地球造福，同时要重视科学研究的创新精神。

发展无人驾驶船舶遇到停滞，人们可以转变发展价值目标，向船舶减灾减害这种有益于人类社会和实现可行的目标道路发展。

如：研究SOLAS公约、M ARPOL公约、ISM、PSC监控程序等的约束力问题；研究船舶值班配员改革、船员调配机制改革及改善船员职业环境等问题；研究海上船舶生产的人文环境和人文保障问题，这些课题都是减少船舶灾害破坏、保护海洋环境、构建海上和谐生产环境的重要课题。

4结语要突破航海科学技术发展道路上的瓶颈，实现可持续性发展，必须把航海科学技术发展和其外界环境、价值目标综合起来。

综合考虑全球经济市场、航行地理条件、自然保护要求和海上生产规律、社会共识和防灾减害议题、资源节约和循环利用、科学技术发展的生产力价值、科学创新精神，做到统筹规划、遵从自然和社会发展规律、科学发展。

简要归纳以下为两方面内容，即外界环境和价值目标。

航海科学技术发展需要考虑的外界环境如下：1）全球经济市场：适合全球航运市场变化及运力资源配置要求的船舶航速及载运量；2）船舶航行自然条件：适应全球海区航行和港口挂靠的各类船型；3）自然保护要求：适应海上生产规律、满足社会防灾减害要求的船舶安全管理和防污染技术；4）人文环境要求：适应当前世界人文环境共识、促进海上工作环境安全和谐的管理思路；5）社会发展要求：科学利用科学技术发展船舶的生产能力，重视资源节约和合理利用，同时不可忽视科学研究的创新精神。

航海科学技术发展需考虑以下价值目标：1）现实社会条件和需求：应考虑科学技术发展的现实可行性；考虑全世界普遍关注的资源利用等社会问题。