一种Modbus／TCP工业以太网协议的结构
工业自动化中的网络通信协议
工业自动化中的网络通信协议工业自动化是指利用各种技术手段对工厂或生产线上的各种生产过程进行自动控制和管理的技术体系。
在现代工业生产中，网络通信协议在实现工业自动化过程中起着至关重要的作用。
本文将介绍几种常见的工业自动化中使用的网络通信协议。
一、Modbus协议Modbus是一种经典的串行通信协议，被广泛应用于工业自动化领域。
它采用主从结构，通过串口传输数据，将上位机（主站）与下位机（从站）进行连接。
Modbus协议简单易用，适用于控制器之间的通信，如PLC、仪器设备等，具有广泛的兼容性和可扩展性。
二、Profibus协议Profibus是一种常用的工业现场总线通信协议，用于实现自动化系统中各种设备的通信。
它支持多种传输介质，包括RS485、光纤等，适用于不同的工业环境。
Profibus协议具有高速传输、实时性能好等特点，广泛应用于工厂自动化和过程自动化领域。
三、Ethernet/IP协议Ethernet/IP是一种工业以太网通信协议，基于标准的以太网技术，使得工业设备可以通过以太网进行连接和通信。
它支持TCP/IP协议，能够实现工业设备与企业内部网络的集成，为工业自动化提供了更高的灵活性和通用性。
四、CAN协议CAN（Controller Area Network）是一种广泛应用于汽车电子和工业自动化领域的通信协议。
CAN协议采用差分信号传输，具有抗干扰性强、可靠性高等特点。
它适用于多节点分布式控制系统，可以实现设备之间的快速、可靠的通信。
五、Profinet协议Profinet是一种以太网通信协议，是Profibus的以太网扩展。
Profinet协议利用以太网实现工业自动化设备的通信和集成，支持实时通信和无线通信，适用于复杂的工业自动化系统。
六、DeviceNet协议DeviceNet是一种CIP（Common Industrial Protocol）上的一种现场总线通信协议，常用于工业自动化设备的通信。
ModbusTcp协议详解
ModbusTcp协议详解Modbus TCP协议详解一、概述Modbus TCP是一种基于TCP/IP网络的通信协议，用于在工业自动化系统中实现设备之间的通信。
它是Modbus协议的一种变体，具有简单、高效、可靠的特点，被广泛应用于工业控制领域。
二、协议结构1. 物理层Modbus TCP协议使用以太网作为物理层传输媒介，支持10Mbps和100Mbps的传输速率。
数据通过以太网的数据链路层进行传输。
2. 传输层Modbus TCP协议使用TCP作为传输层协议，确保数据的可靠传输。
TCP提供了可靠的连接、流量控制和拥塞控制机制，保证了数据的完整性和准确性。
3. 应用层Modbus TCP协议的应用层采用了Modbus协议的数据格式和功能码。
数据格式包括消息头和消息体两部分。
消息头包括以下字段：- 事务标识符（Transaction Identifier）：用于标识请求和响应之间的对应关系。
- 协议标识符（Protocol Identifier）：用于标识Modbus协议。
- 长度字段（Length）：表示消息体的长度。
- 单元标识符（Unit Identifier）：用于标识设备。
消息体包括以下字段：- 功能码（Function Code）：用于指定请求或响应的功能。
- 数据字段（Data）：包含具体的请求或响应数据。
三、功能码Modbus TCP协议定义了一系列功能码，用于实现不同的功能。
常用的功能码包括：1. 读取线圈状态（Read Coils）：用于读取线圈的状态（开关量）。
2. 读取离散输入状态（Read Discrete Inputs）：用于读取离散输入的状态（开关量）。
3. 读取保持寄存器（Read Holding Registers）：用于读取保持寄存器的值（16位整数）。
4. 读取输入寄存器（Read Input Registers）：用于读取输入寄存器的值（16位整数）。
5. 写单个线圈（Write Single Coil）：用于写入单个线圈的状态。
modbus协议详解
modbus协议详解Modbus协议是一种通信协议，用于在工业自动化系统中传输数据。
它最初由Modicon公司开发，现在已成为工业自动化领域中最常用的通信协议之一。
Modbus协议有三种不同的变体：Modbus RTU、Modbus ASCII和Modbus TCP/IP。
Modbus RTU和Modbus ASCII是串行通信协议，而Modbus TCP/IP是基于以太网的协议。
Modbus协议的基本结构包括一个主站和一个或多个从站。
主站是负责发起通信的设备，而从站是被动响应主站请求的设备。
主站和从站之间的通信是通过Modbus协议进行的。
Modbus协议的数据传输是基于寄存器的。
寄存器是一种存储数据的设备，可以存储数字、布尔值和其他类型的数据。
Modbus协议定义了四种不同类型的寄存器：线圈寄存器、离散输入寄存器、保持寄存器和输入寄存器。
线圈寄存器和离散输入寄存器是用于存储布尔值的寄存器。
线圈寄存器用于控制设备的开关状态，而离散输入寄存器用于读取设备的开关状态。
保持寄存器和输入寄存器是用于存储数字和其他类型数据的寄存器。
保持寄存器用于存储设备的状态信息，而输入寄存器用于读取设备的状态信息。
Modbus协议的通信是基于请求和响应的。
主站向从站发送请求，从站响应请求并返回数据。
请求和响应的格式是相同的，包括功能码、数据地址和数据长度等信息。
Modbus协议的优点包括简单、可靠、广泛应用等。
它已成为工业自动化领域中最常用的通信协议之一，被广泛应用于工业控制、能源管理、建筑自动化等领域。
工业以太网与Modbus TCP
工业以太网与Modbus TCP/IP一以太网的标准以太网是一种局域网。
早期标准为IEEE 802.3，数据链路层使用CSMA/CD，10Mb/s速度物理层有：(1)10 Base 5粗同轴电缆，RG-8，一段最长为500m；(2)10 Base 2细同轴电缆，RG-58，一段最长为185m；(3)10 Base T双绞线，UTP或STP，一段最长为100m。
快速以太网为100Mb/s，标准为802.3a，介质为100 Base Tx双绞线、100 Base Fx光纤。
目前10/100M以太网使用最为普遍，很多企事业用户已实现100M到以太网桌面，确实体验到高速“冲浪”的快感，另外从距离而言，非屏蔽双绞线(UTP)为100m，多模光纤可达2～3km，单模光纤可大于100km。
千兆以太网1000Mb/s为802.3z/802.3ab，万兆以太网10Gb/s为802.3ae，将为新一轮以太网的发展带来新的机遇与冲击。
二工业以太网与商用以太网的区别什么是工业以太网？技术上，它与IEEE802.3兼容，故从逻辑上可把商用网和工业网看成是一个以太网，而用户可根据现场情况，灵活装配自己的网络部件，但从工业环境的恶劣和抗干扰的要求，设计者希望采用市场上可找到的以太网芯片和媒介，兼顾考虑下述工业现场的特殊要求：首先要考虑高温、潮湿、振动；二是对工业抗电磁干扰和抗辐射有一定要求，如满足EN50081-2、EN50082-2标准，而办公室级别的产品未经这些工业标准测试，表1列出了一些常用工业标准。
为改善抗干扰性和降低辐射，工业以太网产品多使用多层线路板或双面电路板，且外壳采用金属如铸铝屏蔽干扰；三是电源要求，因集线器、交换机、收发器多为有源部件，而现场电源的品质又较差，故常采用双路直流电或交流电为其供电，另外考虑方便安装，工业以太网产品多数使用DIN导轨或面板安装；四是通信介质选择，在办公室环境下多数配线使用UTP，而在工业环境下推荐用户使用STP(带屏蔽双绞线)和光纤。
工业网络常用协议概要
工业网络归结为三类：RS485网络、HART网络和现场总线网络。
HART网络：HART是由艾默生提出一个过度性总线标准，主要是在4~20毫安电流信号上面叠加数字信号，物理层采用BELL202频移键控技术，以实现部分智能仪表的功能，但此协议不是一个真正意义上开放的标准。
FieldBus现场总线网络：现场总线是当今自动化领域的热点技术之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。
它的出现标志着自动化控制技术又一个新时代的开始。
现场总线是连接控制现场的仪表与控制室内的控制装置的数字化、串行、多站通信的网络。
其关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字化通信。
现场总线技术成为国际上自动化和仪器仪表发展的热点，它的出现使传统的控制系统结构产生了革命性的变化，使自控系统朝着“智能化、数字化、信息化、网络化、分散化”的方向进一步迈进，形成新型的网络通信的全分布式控制系统——现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)。
然而，现场总线还没有形成真正统一的标准，ProfiBus、CANbus、CC-Link等多种标准并行存在，并且都有自己的生存空间。
何时统一，遥遥无期。
支持现场总线的仪表种类还比较少，可供选择的余地小，价格又偏高，用量也较小。
RS485网络：RS485/MODBUS是流行的一种布网方式，实施简单方便，支持RS485的仪表很多。
Modbus 协议是一项应用层报文传输协议，包括ASCII、RTU、TCP三种报文类型。
此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485 和以太网设备。
许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus 协议作为他们之间的通讯标准。
Modbus优点（1）公开发表并且无版权要求（2）易于部署和维护（3）对供应商来说，修改移动本地的比特或字节没有很多限制。
（4）Modbus 允许多个(大约240 个) 设备连接在同一个网络上进行通信其他同类通信协议：CANBUS、profibus 等TCP/IP传输协议，即传输控制/网络协议，也叫作网络通讯协议。
Modbus-MODBUS-TCP-协议解析
层
ISO/OSI 模型
7
应用层
Modbus应用协议
6
表示层
空
5
会话层
空
4
传输层
空
3
网络层
空
2
数据链路层
Modbus串行链路协议
1
物理层
EIA/TIA-485 (或 EIA/TIA232)
Modbus 应用协议层 客户机/服务器
Modbus 主站/从站 EIA/TIA-485
(或 EIA/TIA-232)
主节点在同一时刻只会发起一个Modbus事务处理。
主节点以两种模式对子节点发送Modbus请求：广播、单播。
主站
从站 …… 从站
……
从站
从站
…… ……
从站
主站工作状态图
SUPCON
从站工作状态图
SUPCON
主/从通信的三种典型情况
SUPCON
SUPCON
串行链路上的Modbus地址规则
异常码指示差错类型。
客户机
启动请求
功能码
数据请求
接收响应
服务器
在操作中检测差错 启动差错
异常功能码
异常码
SUPCON
3
Modbus协议在串行链路上的实现
SUPCON Modbus协议在串行链路上的实现模型
主要是在RS485和RS232等物理接口上实现Modbus协议。
在Modbus链路层上客户机的功能由主站提供而服务器的功 能由从站实现。
SUPCON
Modbus-MODBUS-TCP-协议解析
主要内容
1 2 3 4
SUPCON
概述 Modbus 协议规范 Modbus协议在串行链路上的实现 Modbus协议在TCP/IP上的实现
工业以太网协议
工业以太网协议工业以太网协议（Industrial Ethernet Protocol）是一种用于工业领域的以太网通信协议，它结合了以太网的高带宽和工业自动化的可靠性和实时性需求。
工业以太网协议被广泛应用于工业控制系统、工厂自动化和机器人控制等领域。
工业以太网协议与传统的以太网相比有以下几点特点：1. 实时性：工业控制系统需要实时传输和处理数据，工业以太网协议提供了实时性能，可以满足实时控制和监控的需求。
2. 可靠性：工业环境中存在较多的电磁干扰、温度变化和振动等因素，工业以太网协议采取了诸如冗余通信、自适应传输速率和纠错机制等措施，提高了通信的可靠性。
3. 安全性：工业网络需要防止数据泄露、篡改和非法访问等安全威胁，工业以太网协议支持数据加密和认证机制，提供了较高的安全性保障。
4. 扩展性：工业以太网协议支持灵活的网络拓扑结构和设备连接方式，可以方便地扩展和更改网络规模和拓扑。
5. 互联性：工业以太网协议与传统的以太网兼容性强，可以与现有的以太网设备和技术无缝集成，提高了工业网络的互联性。
工业以太网协议包括多种不同的通信协议和协议簇，如乙太网/IP（Ethernet/IP）、PROFINET、Modbus TCP等。
每种协议都有各自的特点和适用场景。
以乙太网/IP为例，它采用了以太网和TCP/IP协议作为基础，并加入了针对工业控制的特殊功能和协议。
它支持实时控制、实时数据传输和设备管理等功能，并提供了与其他协议的互操作性。
在工业以太网协议中，数据传输一般采用分组交换方式，数据分组按照优先级和实时性要求进行排序和传输，确保控制数据能够及时到达目标设备。
同时，工业以太网协议还支持多路径冗余传输、广播和组播等特性，提高了网络的可靠性和效率。
总之，工业以太网协议是一种专门为工业环境设计的通信协议，它融合了以太网和工业自动化的需求，具有实时性、可靠性、安全性、扩展性和互联性等特点。
随着工业自动化和数字化的发展，工业以太网协议将在工业控制系统和工厂自动化中扮演越来越重要的角色。
modbus tcp数据报文结构详解
modbus tcp数据报文结构详解MODBUS TCP数据报文结构详解1. 简介MODBUS是一种通信协议，常用于工业自动化系统中的设备间通信。
MODBUS TCP是基于TCP/IP网络的MODBUS协议的一种实现方式。
本文将详细解释MODBUS TCP数据报文的结构。
2. MODBUS TCP概述MODBUS TCP使用TCP作为传输层协议，通过以太网传输数据。
它使用简单易懂的ASCII码或二进制格式进行通信，并采用主从架构实现设备间的数据交换。
3. 数据报文结构MODBUS TCP数据报文的结构包括： - 事务标识符（TID）：用于标识每个请求/响应事务的唯一标识符。
- 协议标识符（PID）：指示MODBUS TCP协议的标识号。
- 长度字段：指示数据报文的长度（以字节为单位），不包括TID和PID字段。
- 单元标识符（UID）：用于标识设备的唯一标识符。
- 功能码（FC）：指示报文的操作类型，如读取寄存器、写入寄存器等。
- 数据字段：根据功能码的不同，包含特定的数据信息。
4. 报文格式MODBUS TCP数据报文的格式如下：[TID] [PID] [长度字段] [UID] [FC] [数据字段]其中，数据字段的格式根据不同的功能码而变化。
5. 功能码MODBUS TCP定义了一系列功能码，用于表示不同的操作。
常见的功能码包括： - 读取线圈状态（FC 01）：读取线圈的开关状态。
- 读取输入状态（FC 02）：读取输入寄存器的状态。
- 读取保持寄存器（FC 03）：读取保持寄存器的值。
- 写单个线圈（FC 05）：设置单个线圈的开关状态。
- 写单个保持寄存器（FC 06）：设置单个保持寄存器的值。
6. 示例以下是一个示例的MODBUS TCP数据报文：TID: 0x0001PID: 0x0000长度字段: 0x0006UID: 0x01FC: 0x03数据字段: 0x000A 0x000B上述报文表示读取设备ID为1的设备的保持寄存器的值。
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一种Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ工业以太网协议的结构
摘要：本文主要介绍了一种Modbus/TCP工业以太网协议的规范和主要功能分类，在处理Modbus/TCP转换的时候可以参考。
关键词：工业以太网；Modbus/TCP协议
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：
1009-3044(2008)31-0855-02
The Achievement of the Modbus/TCP of Industrial Ethernet
HUO Heng-yu
（School of Computer Science & Technology,Soochow University,Suzhou215500, China）
Abstract: This article introduced a Modbus/TCP industrial Ethernet protocol norms and the main function of the classification.
Key words: industrial ethernet; modbus/TCP
1 引言
自法国施耐德电气公司推出“透明工厂”战略以来，其已经成为在工业领域中应用以太网的坚决倡导者。
Modbus/TCP是目前工业以太网事实上的标准之一，并促进以太网在传感器和设备级的应用。
2003年IDA和Modbus
合并为Modbus-IDA，实时工业以太网部分称为
Modbus/TCP(RTSP)，成为IEC61784-2成员之一。
Modbus/TCP协议：用简单方式将Modbus帧嵌入TCP 帧，是一种面向连接的传送，它需要响应，请求/响应技术适用于Modbus的主站/从站特性。
物理层和数据链路层是标准的以太网协议，网际层是标准的IP协议，运输层是标准的TCP协议，应用层嵌入Modbus协议。
2 Modbus/TCP协议规范
2.1 报文类型
Modbus报文传输服务提供设备之间的客户机/服务器通信，而这些设备联接在一个以太网上，信息传递分4类报文：Modbus请求、Modbus证实、Modbus指示和Modbus响应，如图1。
Modbus请求是客户机在网络上发送用来启动事务处理的报文；Modbus指示是服务器接收的请求报文；Modbus响应是服务器发送的响应报文；Modbus证实是客户机接收的响应报文。
2.2 通信结构
Modbus/TCP基本是用简单方式将Modbus帧嵌入TCP 帧，是一种面向连接的传送，它需要响应，请求/响应技术适用于Modbus的主站/从站特性，交换式以太网为用户提供了确定性特征。
系统可以包括不同类型的设备：客户机、服务
器、网桥、路由器、网关等。
2.3 报文规范
Modbus协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元（PDU），它包括功能码和数据。
当Modbus协议作为应用层协议在不同的连接中会用不同的报文格式，这体现在附加单元上。
下面给出了完整的报文格式，但这只是一个总体应用数据单元（ADU），不同连接中应该映射为具体报文格式，如图2。
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图2 Modbus的ADU报文
Modbus协议ADU在串行链路上映射为Modbus SERIAL LINE ADU，如图3。
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图3 Modbus SERIAL LINE的ADU报文
Modbus协议ADU在以太网上映射为Modbus TCP/IP ADU，如图4。
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图4 Modbus TCP/IP的ADU报文
Modbus TCP/IP ADU使用一种专用报文头来识别Modbus应用数据单元，该报文头称为MBAP。
1) 报文头（MBAP）格式
事务处理标识符：用于事务处理配对。
在响应中，Modbus
服务器复制请求的事务处理标识符。
事务处理标识符用于将请求和未来响应之间建立联系，对TCP连接来说同一时刻事务处理标识符是唯一的。
2) 功能码（FUNCTION CODE）
功能码分为三类：公共功能码、用户定义功能码和保留功能码。
公共功能码：有确切定义，唯一的，公开的，由Modbus 组织确认的。
用户定义功能码：用户无需Modbus组织的任何批准就可以选择和实现一个功能码，不保证唯一性。
保留功能码：用户可以选择使用保留，但有些传统产品可能不支持，但具有确切的定义。
异常功能码：当与请求而回应的请求非正常时，功能码为异常码。
3) 数据段（DATA）
DATA：具体的读写数据值。
3 Modbus/TCP协议功能描述
Modbus组件结构包括：通信应用层（Communication Application Layer）、TCP管理层（TCP Management Layer）和TCP/IP协议栈。
3.1 通信应用层
通信应用层包括：Modbus客户机（Modbus Client）、
Modbus服务器（Modbus Server）、Modbus客户机接口（Modbus Client Interface）、Modbus后端接口（Modbus Backend Interface）。
Modbus客户机允许用户应用明确地控制与远程设备的信息交换，根据用户应用向Modbus客户机接口发送的要求中所包含的参数来建立一个Modbus请求，即用户决定了建立怎样的请求。
Modbus客户机接口使得用户应用能够生成各类Modbus 请求，该服务包括对Modbus应用对象的访问，即用户用来建立请求的模板，Modbus协议没有对Modbus客户机接口加以定义和限制。
Modbus服务器收到请求后，激活一个本地操作进行读、写、或完成其它操作，这些操作的处理对应用程序开发人员都是透明的。
Modbus服务器的主要功能是等待来自TCP502口的Modbus请求，处理这一请求然后根据设备状况生成一个Modbus应答。
Modbus后端接口是一个从Modbus服务器到定义应用对象的应用程序之间的接口。
3.2 通信应用层在服务器设计中的作用
Modbus服务器的作用是为应用对象提供访问以及为远程客户机提供服务。
应用对象的访问有两种，一是简单访问，另一个是高级访问。
简单访问：获得或设定应用对象的属性；
高级访问：启动一个特定的应用服务。
在网关适配器中主要考虑高级访问，因为应用对象访问网关适配器时其属性是特定的，访问目的就是完成一定的应用服务。
Modbus服务器本身可以立即处理一些服务，还可以与被处理的用户应用进行显式交互操作；有些高级服务需要调用特定的接口即后端服务。
简而言之，通信应用层就是把用户应用的计算机可以识别的语言转换为符合Modbus协议要求的帧格式，它是负责管理Modbus通信的功能模块。
通信应用层在断路器网关适配器中的中心工作是把Modbus客户机的请求和响应之间用户应用服务实时地完成。
3.3 TCP管理层
TCP管理层的主要功能之一是管理通信的建立和结束，以及管理在所建立的TCP连接上的数据流。
连接管理（Connection Management）：负责全面管理报文传输TCP连接。
访问控制（ACCESS Control）：在某些重要的场合，必须禁止无关的主机对设备内部数据的访问。
TCP层参数配置（TCP Stack Parmeterization）：可以调整TCP/IP协议栈的一些参数以使得其特性适应产品或系统的限制。
3.4 IP参数配置
IP参数可以选择A、B、C类中的一类，本适配器采用C类。
子网掩码用来规划子网，其类型和IP地址一致。
3.5 TCP/IP协议栈
TCP/IP协议栈为标准的协议栈，由操作系统来管理，对用户来说是隐含的。
3.6 MODEBUS PDU校验
Modbus PDU校验首先分析MBAP报文头，如果协议类型不同，则简单废弃这个指示；如果协议类型符合Modbus，则启动事务处理，如果事务处理标识符无效，服务器生成异常响应；如果事务处理标识符有效，则存储用于发送指示的TCP连接标识符、Modbus事务处理标识符和单元标识符等信息，分析功能码的正确与否，不正确则生成异常响应；如果功能码正确，则启动一个Modbus服务；如果超时则进入超时管理并生成异常响应；无超时则正常通信。
3.7 超时管理
Modbus/TCP协议没有对超时时间作强制规定，因为考虑到Modbus/TCP协议可能用于最宽范的通信场合，从豪秒级的I/O扫描到延时几秒的远程无线链接。
所以，超时时间的具体设定应该根据现场设备状况、功能、网络拓扑结构、服务器、客户机、用户组态等具体情况而定。
随着计算机技术、通信技术、网络技术的日益发展，以太网技术在电力、工业自动化和过程自动化领域得到了越来
越广泛的应用。
目前，工业以太网开始逐渐渗透工业系统现场总线网络之中，据业界人士预测工业以太网系统在未来
3~5年将成为应用的主流，为了抓住未来最大的市场，世界各大公司对今后的电器产品都已明确提出了全面推广应用
基于工业以太网的通信控制方式。
而目前工业电器和自动化产品还都是以现场总线为主，所以对各个现场总线和工业以太网的协议转换，还是很有必要的，本文的出发点也在于此。
参考文献：
[1] 施耐德电气公司透明工厂――开放的自动化世界.
[2] （美）W.Richard Stevens. TCP/IP详解[M]. 机械工业出版社, 2003.
[3] 以太网和IEEE802.3. 2002.。