1 引言
Modbus應用層協(xié)議由美國Modicon公司(現(xiàn)為施耐德電氣旗下品牌)于1979年開發(fā)的，用于實現(xiàn)其PLC產(chǎn)品與上位機的通信。由于其簡單易用，得到了廣大工業(yè)自動化儀器儀表企業(yè)的采納與支持，實際上已成為了業(yè)界標準，我國標準化委員會已將Modbus協(xié)議作為我國工業(yè)自動化的行業(yè)標準，分別制定了GB/Z19582.1-2004(Modbus應用層協(xié)議)，GB/Z19582.2-2004(串行鏈路上的Modbus)和GB/Z19582.3-2004(Modbus-TCP)三個標準。Modbus應用層協(xié)議位于OSI模型中的第七層，將它嵌入到不同的低層協(xié)議中形成了三種具體的通信方式:Modbus串行鏈路、Modbus-Plus和Modbus-TCP，三種通信網(wǎng)絡上的設(shè)備可以通過網(wǎng)關(guān)來達到數(shù)據(jù)交換的目的。這些年來以太網(wǎng)的繁榮壯大使得將Modbus協(xié)議嵌入到TCP/IP協(xié)議中實現(xiàn)Modbus設(shè)備間的通信非常必要，鑒于此，1999年施奈德電氣發(fā)布了Modbus-TCP協(xié)議，使得以太網(wǎng)上的Modbus設(shè)備可以通過502端口進行通信。

PLC在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域中占有很大的比例，一些大型的控制系統(tǒng)中控制點數(shù)量達到上萬，采用常規(guī)的通道測量方法來對PLC通道測量往往需要花費不少的時間，而且效率低。本文針對施耐德電氣的Quantum系列PLC，通過引入Modbus-TCP協(xié)議實現(xiàn)普通計算機與PLC通信，用普通計算機取代編程器去進行通道測量試驗。操作人員不需要對PLC和計算機的通信很熟悉就能夠很快地完成通道檢測，提高了工作效率。

2 Modbus通信原理

2.1 Modbus應用層協(xié)議
Modbus應用層協(xié)議位于ISO/OSI參考模型中的第七層，它是通過請求-響應機制實現(xiàn)不同設(shè)備間按客戶/服務器方式通信。首先客戶發(fā)送請求報文到服務器，服務器接收到報文后進行差錯校驗，若報文無誤則執(zhí)行操作，并返回響應報文到客戶端，若傳輸出現(xiàn)錯誤則返回異常響應報文，從而完成一次通信周期。Modbus協(xié)議定義了一個與傳輸層無關(guān)報文格式，該報文稱之為協(xié)議數(shù)據(jù)元(PDU)，協(xié)議數(shù)據(jù)元由占用一個字節(jié)的功能碼和最長252個字節(jié)的數(shù)據(jù)域組成，其組成形式如下圖1所示:

圖1 Modbus PDU結(jié)構(gòu)

功能碼的有效取值范圍是1~255，功能碼分類分為三類:公用功能碼、用戶自定義功能碼和保留功能碼。由客戶端發(fā)送到服務器的報文中的功能碼指示服務器所要執(zhí)行的操作，一些功能碼還帶有子功能碼，用于執(zhí)行多步操作。如果服務器接收到的報文正確并執(zhí)行，由服務器返回的報文中的功能碼告訴客戶端設(shè)備該信息為按照該功能碼執(zhí)行的結(jié)果。Modbus網(wǎng)絡通信中常用到的是公用功能碼，它們在不同公司產(chǎn)品之間的通信中具有統(tǒng)一的定義。表一給出了部分公用功能碼的定義。

數(shù)據(jù)域內(nèi)存放著Modbus設(shè)備能夠識別的數(shù)據(jù)信息。由客戶發(fā)送到服務器的數(shù)據(jù)域含有功能碼操作的附加信息，在某些請求報文中數(shù)據(jù)域的長度為零。

表一

由表1中可看出Modbus協(xié)議中依據(jù)數(shù)據(jù)屬性的區(qū)別定義了四種數(shù)據(jù)類型:離散輸入、線圈、輸入寄存器和輸出寄存器。這四種數(shù)據(jù)類型的組合構(gòu)成了Modbus數(shù)據(jù)模型。它們在不同的設(shè)備內(nèi)存中分配的方式是由生產(chǎn)廠家預先制定的，可以是在同一區(qū)域，也可以是有各自的獨立區(qū)域或其他方式。

圖2 Modbus PDU尋址方式

PDU的尋址方式也在Modbus應用層協(xié)議中作出了具體的定義。在Modbus PDU中每一個數(shù)據(jù)都賦予從0~65535中的一個值作為該數(shù)據(jù)的地址。而在Modbus數(shù)據(jù)模型中，每一種數(shù)據(jù)類型塊中的數(shù)據(jù)單元都定義了一個從1到n(設(shè)備容量決定)的值作為其地址。Modbus數(shù)據(jù)模型要與符合IEC-61131標準的實際設(shè)備內(nèi)存或者其他模型對應起來，這方面的映射關(guān)系是由設(shè)備生產(chǎn)廠家制定的。圖二給出了Modbus尋址模型，設(shè)備內(nèi)存中的四種數(shù)據(jù)模式的組織方式是由廠家決定的。由圖2可知，一個Modbus PDU地址所對應的Modbus數(shù)據(jù)模型地址為該PDU地址加1。

2.2 Modbus通信實現(xiàn)方式
要實現(xiàn)設(shè)備間的通信，需要將Modbus應用層協(xié)議嵌入到ISO/OSI參考模型中的低層協(xié)議中。現(xiàn)行的通信方式有三種:
(1) 通過串行鏈路實現(xiàn)的異步數(shù)據(jù)傳輸(Modbus-RTU and Modbus-ASCII)，又稱標準Modbus通信;
(2) 高速令牌環(huán)網(wǎng)通信(Modbus-Plus);
(3) 基于TCP/IP的客戶/服務器結(jié)構(gòu)通信(Modbus-TCP)。

表2給出這三種通信方式與ISO/OSI參考模型的比較。

在不同的通信方式中都要對Modbus PDU進行封裝，組成不同的Modbus幀，這種幀在Modbus協(xié)議中有專有的名詞稱之為應用數(shù)據(jù)單元(ADU)。在Modbus-RTU和Modbus-Plus通信中采用的是標準應用數(shù)據(jù)單元，它只是在PDU前面加上了占用一個字節(jié)的附加地址和在PDU結(jié)束增加了占用兩個字節(jié)的校驗碼。在Modbus-TCP/IP網(wǎng)絡通信中需要對Modbus應用層協(xié)議進行重新封裝，該封裝是通過在Modbus PDU前加上了Modbus應用層協(xié)議幀頭來實現(xiàn)。
表2 三種Modbus通信方式與OSI參考模型比較

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圖3 兩種ADU比較

基于串行鏈路的Modbus通信網(wǎng)絡是一種主從式網(wǎng)絡，在串行網(wǎng)絡中只允許存在一個主節(jié)點和最多247個從節(jié)點，在這種網(wǎng)絡下，標準Modbus ADU中的附加地址域只包含從節(jié)點的地址，可尋址范圍是0~247，地址0作為廣播模式地址使用，從節(jié)點地址的有效取值范圍是1~247，并且每個從節(jié)點的地址必須是唯一的，主節(jié)點不存在具體的地址值。主節(jié)點設(shè)備將要訪問的從節(jié)點設(shè)備的地址放入到請求幀的地址域中，當該地址的從節(jié)點設(shè)備作出響應時，將會把從節(jié)點設(shè)備的地址復制到響應幀的地址域中，主節(jié)點設(shè)備通過該地址得知是由哪個從節(jié)點設(shè)備發(fā)來的響應。
校驗域存放了根據(jù)報文內(nèi)容經(jīng)由冗余校驗算法計算所得到的結(jié)果。在基于串行鏈路的Modbus通信網(wǎng)絡中有兩種傳輸方式:RTU和ASCII，這兩種傳輸方式的冗余校驗算法是不同的。

采用RTU通信模式要比ASCII模式在同樣波特率下能傳輸更多信息，在RTU模式底下是以二進制編碼方式對傳輸數(shù)據(jù)進行編碼，報文中每一個字節(jié)(8位二進制位)包含了兩個十六進制字符，同一報文內(nèi)的字符必須連續(xù)傳輸。RTU模式字節(jié)傳輸格式由1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位奇偶檢驗位和1位停止位依次組成，共占用11位二進制位。當不使用奇偶檢驗時，奇偶校驗位也作停止位使用，此時共有兩位停止位。RTU傳輸模式下幀的差錯校驗域內(nèi)存放的是報文經(jīng)過循環(huán)冗余檢驗(CRC)算法計算得出的結(jié)果。

采用ASCII通信模式時，每一個字節(jié)(8位二進制位)用兩個ASCII字符表示。由于每個字節(jié)都要用兩個字符表示，數(shù)據(jù)域的長度是RTU模式的兩倍，顯然在該模式下的傳輸效率要比RTU模式低。該模式的字節(jié)傳輸格式與RTU模式相似，只是數(shù)據(jù)位置占用7個二進制位。ASCII模式下幀的差錯檢驗算法為縱向冗余校驗(LRC)。

Modbus-TCP實現(xiàn)了在TCP/IP以太網(wǎng)上以客戶/服務器方式的Modbus報文通信。這種通信模型是將Modbus協(xié)議作為應用層協(xié)議嵌入到低層TCP/IP協(xié)議中構(gòu)成的。與標準Modbus幀相比，Modbus-TCP幀中的尋址與校驗交由TCP/IP協(xié)議完成。如圖3所示，使用封裝的方法將Modbus PDU嵌入到TCP報文中形成Modbus-TCP幀，該幀在PDU之前形成了一個占用7個字節(jié)大小的MBAP幀頭，幀頭可以劃分為四部分，如表3所示。

交易標識符用于交易校驗，服務器端節(jié)收到由客戶發(fā)來的請求交易標識符并復制到響應中。協(xié)議標識符用于系統(tǒng)內(nèi)多路復用傳輸，取0值時代表Modbus協(xié)議傳輸。長度域記錄了該域后續(xù)報文的字節(jié)長度(包括設(shè)備識別符和數(shù)據(jù)域)，用于服務器識別報文的傳輸結(jié)束。設(shè)備標識符用于系統(tǒng)內(nèi)路由，當需要與通過以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)連接的Modbus串行鏈路或Modbus-Plus通信網(wǎng)絡上的設(shè)備進行通信時，該標識符域的值由Modbus-TCP客戶在請求幀中設(shè)置，服務器接收到后，在響應幀中復制該值。

3 Modbus-TCP應用

針對施奈德電氣旗下的Quantum系列PLC，為了加快完成這方面的工作，采用自編寫的程序?qū)崿F(xiàn)計算機對PLC的四種數(shù)據(jù)類型直接操作。硬件方面，Quantum系列PLC有能提供以太網(wǎng)接口的網(wǎng)絡模塊，通過底板與CPU通信，它作為Modbus-TCP通信的服務器，不需要我們做其他編程工作。PLC為上文所陳述的四種數(shù)據(jù)類型定義了四個獨立的內(nèi)存區(qū)，其中離散輸入為1區(qū)，線圈為0區(qū)，輸入寄存器為3區(qū)，輸出寄存器為4區(qū)，尋址方式為區(qū)號加上5位的十進制地址，當輸入地址不足6位時，系統(tǒng)將自動認為最高位數(shù)值為內(nèi)存分區(qū)號，其后數(shù)值為該區(qū)域內(nèi)的地址編號。由于操作的目的在于檢驗PLC系統(tǒng)中IO通道的正確性，所需要使用的功能碼有:讀線圈01、讀離散輸入02、讀保持寄存器03、讀輸入寄存器04、寫多線圈15和寫多個寄存器16。

一次完整的Modbus-TCP通信在時間上可以劃分為三個步驟:連接的建立、Modbus數(shù)據(jù)傳輸和連接的釋放。在進行Modbus數(shù)據(jù)傳輸之前首先要建立起一個連接，設(shè)備是通過在502端口提供一個監(jiān)聽口(socket)來允許與其它設(shè)備建立新連接和進行數(shù)據(jù)傳輸。當某一設(shè)備需要與遠方的服務器進行數(shù)據(jù)交換時，必須通過自身大于1024的端口與服務器的502端口建立連接。TCP連接建立后，客戶端設(shè)備便可以發(fā)送Modbus請求幀到服務器，服務器接收到請求后作出響應，向連接客戶的端口發(fā)送響應報文。傳輸結(jié)束時，客戶端負責進行釋放通信連接的初始化工作。

程序在DOS模式下運行，提供有以下運行參數(shù):
-ip: 即目標服務器的IP地址;
-p: PLC的Modbus通信端口，默認值為502;
-c: 服務器執(zhí)行功能碼的操作對象數(shù)量;
-r: 操作的起始地址;
-w: 寫操作參數(shù);
-a: 自動操作模式;
-t: 自動操作的時間間隔;
-b: 線圈寫操作的布爾值。

4 結(jié)束語

通過以太網(wǎng)來實現(xiàn)計算機直接讀寫PLC數(shù)據(jù)，使得廠級監(jiān)控網(wǎng)絡能夠直接與現(xiàn)場設(shè)備通信，監(jiān)控人員能夠在熟悉的計算機畫面上對PLC通道進行檢測，與依靠人為施加信號來進行檢測相比，前者明顯地降低了操作人員的工作量，而且當需要檢測的IO點數(shù)量越大時，效率越高。本程序只是Modbus與TCP/IP協(xié)議結(jié)合的一個簡單應用，雖然以太網(wǎng)的實時性、穩(wěn)定性和抗干擾性已得到很大的發(fā)展，但要把以太網(wǎng)真正應用到實際的控制中還有很多技術(shù)難題，這還要走很長一段路。不過以太網(wǎng)進入自動控制領(lǐng)域已是必然趨勢，它將使控制變得更加簡單和清楚。