Modbus

以下是Modbus主机访问从机的对象类型表:

Modbus协议目前存在多个用于串行端口、以太网和其他支持互联网协议套件的网络版本。Modbus协议有许多变体:

• Modbus RTU —这用于串行通信，并采用数据的紧凑二进制表示进行协议通信。RTU格式使用带有循环冗余校验的校验和的命令/数据作为错误校验机制，以确保数据的可靠性。Modbus RTU是Modbus最常见的实现方式。Modbus RTU消息必须连续传输，不能有字符间的延迟。Modbus消息由空闲(静默)时段构成(分隔)。
• Modbus ASCII —用于串行通信，并利用ASCII字符进行协议通信。ASCII格式使用纵向冗余校验的校验和。Modbus ASCII消息由前导冒号(":")和尾随换行符（CR/LF）组成。
• Modbus TCP/IP或Modbus TCP —这是一种通过连接502端口，基于TCP/IP网络通信的Modbus变体。^[3] 它不需要计算校验和，因为底层已经提供校验和保护。
• 基于TCP/IP的Modbus或基于TCP的Modbus 或Modbus RTU/IP—这是一个与Modbus TCP不同的Modbus变体，其在有效载荷中和Modbus RTU一样包含校验和。
• 基于UDP的Modbus—一些人已经尝试在IP网络上使用基于UDP的Modbus，这消除了TCP所需的开销。^[4]
• Modbus Plus (Modbus+、MB+或MBP)-Modbus Plus是施耐德电气的专有产品，与其他变体不同，它支持多个主控之间的点对点通信。^[5]它需要一个专用的协处理器来处理像HDLC一样的快速令牌循环。它使用1 Mbit/s的双绞线，每个节点都有转换隔离装置，是一种采用转换/边沿触发，而不是电压/电平触发的装置。连接Modbus Plus到计算机需要特殊硬件，通常支持ISA、PCI或PCMCIA总线板卡。
• Pemex Modbus —这是标准Modbus的一种扩展，支持历史和流量数据。它是为墨西哥石油天然气公司用于过程控制设计的，但从未得到广泛使用。
• Enron Modbus——这是标准Modbus的另一个扩展，由安然公司开发，支持32位整数和浮点变量以及历史和流量数据。使用标准地址映射数据类型。^[6] 历史数据符合美国石油学会(API)关于数据存储方式的行业标准。

对于协议的前4个变体，在数据模型和函数调用上都是相同的；只有封装方式不同。然而，变体是不可互操作的，帧格式也是如此。

每个打算使用Modbus通信的设备都将分配一个唯一的地址。在串行和MB+网络中，只有被指定为主节点的节点可以发起命令。在以太网上，任何设备都可以发出一个Modbus命令，尽管通常也只有一个主设备会这样做。一个Modbus命令包含该设备的Modbus地址(1到247)。即使其他设备可能都会接收到该命令，也只有指定位置的设备会执行指令(发送到节点0的特定广播命令除外，所有收到指令的设备都会运行，但不回应指令。这些命令已被操作但未被确认)。所有Modbus命令都包含了校验和信息，以允许接收方检测传输错误。基本Modbus命令可以指示RTU改变其一个寄存器中的某个值，控制或读取一个输入/输出端口，并命令设备发送回其寄存器中的一个或多个数据。

有许多调制解调器和网关支持Modbus，因为它是一个非常简单且经常被复制的协议。其中一些是专门为此协议设计的。有使用有线、无线通信，例如在ISM频段，甚至是短消息服务（SMS）或通用分组无线服务（GPRS）。无线网络的一种更常见的设计是利用网状网络。设计师必须克服包括高延迟和时序在内的典型问题。

Modbus框架由一个应用数据单元(ADU)组成，它包含一个协议数据单元(PDU):^[7]

• ADU =地址+ PDU +错误检查，
• PDU =功能代码+数据。

所有Modbus变体都选择以下帧格式之一。^[8]

关于循环冗余校验的说明:

• 多项式:x16 + x15 + x2 + 1 (CRC-16-ANSI也称为CRC-16-IBM，正十六进制代数多项式为8005开始，A001反转)。
• 初始值:65，535。
• 十六进制帧的例子:01 04 02 FF FF B8 80 (CRC-16-ANSI计算从01到FF给出80B8，首先传输最低有效字节)。

地址、函数、数据和纵向冗余校验都是代表8位值(0–255)的大写十六进制可读字符对。例如，122 (7 × 16 + 10)将被表示为7A。

纵向冗余校验计算为8位值之和，求反(二进制补码)并编码为8位值。例如:如果地址、函数和数据编码为247、3、19、137、0和10，它们的和就是416。被调整到8位的二进制补码(-416)是96(例如256 × 2 − 416)，以十六进制表示则为60。因此如下框架::F7031389000A60<CR><LF >。

单元标识符与由几个Modbus设备组合而成的Modbus/TCP装置一起使用，，例如用在Modbus/TCP到Modbus RTU网关上。在这种情况下，单元标识符告诉网关后面设备的从机地址。本机支持Modbus/TCP的设备通常忽略单元标识符。

Modbus数据帧中值的字节顺序是大端字节(MSB，首先接收的值的最高有效字节)。

各种读取、写入和其他操作分类如下。^[8] 最原始的读写以粗体显示。许多来源使用替代术语，例如：标准使用“写入单线圈”的替代“强制单线圈”。^[9]
Modbus从机中的主要实体有:

• 线圈:可读和可写，1位(关/开)
• 离散输入:可读，1位(关/开)
• 输入寄存器:可读，16位(0至65535)，主要是测量值和状态
• 保持寄存器:可读和可写，16位(0到65535)，基本上是配置值

请求和响应遵循上述帧格式。本节详细介绍了最常用功能代码的数据格式。

6.1 功能代码1(读取线圈)和功能代码2(读取离散输入)

请求:

• 要读取的第一个线圈/离散输入的地址(16位)
• 要读取的线圈/离散输入的数量(16位)

正常响应:

• 要跟随的线圈/离散输入值的字节数(8位)
• 线圈/离散输入值(每个字节8个线圈/离散输入)

每个线圈/离散输入的值是二进制的(0表示关，1表示开)。第一个请求的线圈/离散输入被存储为第一字节的最低有效位作为响应。
如果线圈/离散输入的数量不是8的倍数，最后一个字节的最高有效位将填充零。

例如，如果请求11个线圈，则需要两个字节的值。假设这些连续线圈的状态是开、关、开、关、关、开、开、开、关、开、开，那么响应将是十六进制的02 E5 06。

由于回复消息中返回的字节数仅为8位宽，协议开销为5字节，因此一次最多可以读取2008 (251 x 8)个离散输入或线圈。

6.2 功能代码5(强制/写入单线圈)

请求:

• 线圈地址(16位)
• 要强制/写入的值:0表示关闭，65，280(十六进制FF00)表示打开

正常响应:与请求相同。

6.3 功能代码15(强制/写入多个线圈)

请求:

• 第一个强制/写入线圈的地址(16位)
• 要强制/写入的线圈数量(16位)
• 要跟随的线圈值字节数(8位)
• 线圈值(每字节8个线圈值)

每个线圈的值是二进制的(0表示关，1表示开)。第一个请求线圈作为请求中第一个字节的最低有效位存储。

如果线圈数量不是8的倍数，最后一个字节的最高有效位应该由零填充。
正常响应:

• 第一个线圈的地址(16位)
• 线圈数量(16位)

6.4 功能代码4(读取输入寄存器)和功能代码3(读取保持寄存器)

请求:

• 要读取的第一个寄存器的地址(16位)
• 要读取的寄存器数量(16位)

正常响应

• 要跟随的寄存器值字节数(8位)
• 寄存器值(每个寄存器16位)

因为寄存器值的字节数为8位宽，最大modbus消息大小为256字节，所以一次只能读取Modbus RTU的125个寄存器和Modbus TCP的123个寄存器。^[10]

6.5 功能代码6(预设/写入单个保持寄存器)

请求:

• 保持寄存器到预设/写入的地址(16位)
• 保持寄存器的新值(16位)

正常响应:与请求相同。

6.6 功能代码16(预设/写入多个保持寄存器)

请求:

• 预设/写入的第一个保持寄存器的地址(16位)
• 预设/写入的保持寄存器数量(16位)
• 要跟随的寄存器值字节数(8位)
• 保持寄存器的新值(每个寄存器16位)

因为寄存器值为2字节宽，只能发送127字节的值，所以一次只能预置/写入63个保持寄存器。

正常响应:

• 第一个预置/写入保持寄存器的地址(16位)
• 预设/写入保持寄存器的数量(16位)

6.7 异常响应

对于正常响应，从机重复功能代码。如果从机想要报告错误，它将使用请求的功能代码加128(十六进制0x80) (3变换131 =十六进制0x83)进行回复，并且将只包括一个字节的数据，称为异常代码。

6.8 主要Modbus异常代码

一些约定控制如何引用Modbus实体(线圈、离散输入、输入寄存器、保持寄存器)的访问。

区分实体编号和实体地址非常重要:

• 实体编号将实体类型和实体位置组合在它们的描述表中。
• 实体地址是起始地址，是Modbus帧数据部分的16位值。因此，其范围从0到65535

在传统标准中，这些实体的数字以一个数字开始，然后是1–9999范围内的4个数字:

• 线圈编号从0开始，范围从00001到09999，
• 离散输入数字从1开始，范围从10001到19999，
• 输入寄存器编号从3开始，范围从30001到39999，
• 保持寄存器编号从4开始，范围从40001到49999。

这转换成数据帧中0到9，998之间的地址。例如，为了从编号40001开始读取保持寄存器，数据帧中的相应地址将为0，功能代码为3(如上所示)。对于从编号40100开始的保持寄存器，地址将是99。等等。

这将每个实体的地址数量限制在9999个。业内标准将此扩展到最大值65536。^[11] 它只包括在前一个列表中添加一个数字:

• 线圈编号从000001到065536，
• 离散输入数字从100001到165536，
• 输入寄存器编号从300001到365536，
• 保持寄存器编号范围从400001到465536。

使用扩展引用时，所有数字引用必须正好是6位数。这避免了线圈和其他实体之间的混淆。例如，为区分保持寄存器#40001和线圈#40001，如果线圈#40001是目标，它必须显示为#040001。

7.1 JBUS映射

另一个与Modbus密切相关的业内标准协议出现在它之后出现，其由PLC品牌April Automates定义。这是法国雷诺自动化公司和梅林·格林等人1985年合作努力的结果，该协议名为：JBUS。当时Modbus和JBUS之间的差异(实体数量、从站数量)现在已经无关紧要了，因为该协议几乎随着AEG施耐德自动化公司1994年收购的April系列PLC而消失，随后被废弃。然而JBUS这个名字在某种程度上幸存了下来。

JBUS支持功能代码1、2、3、4、5、6、15和16，因此支持上述所有实体。但是JBUS的编号不同:

• 数字和地址一致:实体#x在数据帧中有地址x。
• 因此，实体编号不包括实体类型。例如，Modbus中保持寄存器#40010将保持寄存器#9，对应JBUS中的地址9。
• 不支持数字0(因此地址为0)。从机不应该在这个数字和地址上实现任何真实数据，并且它可以返回空值或者在被请求时抛出错误。

几乎所有的实现都是官方标准的某种变体。不同的协议类型可能无法在不同供应商的设备之间正常通信。一些最常见的变化是:

• 数据类型
  • IEEE标准的浮点数
  • 32位整型数
  • 8位数据
  • 混合数据类型
  • 整数中的位字段
  • 乘数可以将数据更改/改回为整数。：10，100，1000，256...
• 协议扩展
  • 16位从机地址
  • 32位数据大小(1个地址=返回的32位数据)
  • 字交换数据

• 由于Modbus是在20世纪70年代末为可编程逻辑控制器通信而开发的，所以数据类型的数量仅限于当时可编程逻辑控制器所能理解的类型。不支持大型二进制对象。
• 对于节点来说，没有查找数据对象描述的标准方法，例如，确定一个寄存器数据是否表示 30到175度之间的温度。
• 由于Modbus是一种主/从协议，现场设备无法“报告异常”(构建在以太网传输控制协议/网络协议，被称为open-mbus除外)主节点必须定期轮询每个现场设备，并查找数据中的变化。在带宽可能昂贵的应用如通过低比特率无线链路中，会消耗带宽和网络时间。
• Modbus在一条数据链路上只能处理254个设备，这限制了可以连接到主站的现场设备的数量(再一次指出以太网TCP/IP是一个例外)。
• Modbus传输必须是连续的，这将远程通信设备的类型限制为那些可以缓冲数据以避免传输中出现间隙的设备。
• Modbus协议本身对未经授权的命令或数据拦截不具备安全性。^[12]

Modbus组织是一个促进和发展Modbus协议的行业协会。^[13]

Modbus Plus^[13] 的名词并不表明其是Modbus的变体。这是一个涉及令牌传递的，不同的协议。

这是施耐德电气的专有规范，尽管它没有公布，而不是专利。它通常使用授权给施耐德的合作伙伴使用的定制芯片组来实现。