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，三種通信網絡上的設備可以通過網關來達到數(shù)據(jù)交換的目的。這些年來以太網的繁榮壯大使得將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，使得以太網上的Modbus設備可以通過502端口進行通信。

PLC在工業(yè)自動化控制領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結構

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備該信息為按照該功能碼執(zhí)行的結果。Modbus網絡通信中常用到的是公用功能碼，它們在不同公司產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)域內存放著Modbus設備能夠識別的數(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)類型的組合構成了Modbus數(shù)據(jù)模型。它們在不同的設備內存中分配的方式是由生產廠家預先制定的，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標準的實際設備內存或者其他模型對應起來，這方面的映射關系是由設備生產廠家制定的。圖二給出了Modbus尋址模型，設備內存中的四種數(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?，F(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)網通信(Modbus-Plus);
(3) 基于TCP/IP的客戶/服務器結構通信(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結束增加了占用兩個字節(jié)的校驗碼。在Modbus-TCP/IP網絡通信中需要對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

圖3 兩種ADU比較

基于串行鏈路的Modbus通信網絡是一種主從式網絡，在串行網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)點設備將要訪問的從節(jié)點設備的地址放入到請求幀的地址域中，當該地址的從節(jié)點設備作出響應時，將會把從節(jié)點設備的地址復制到響應幀的地址域中，主節(jié)點設備通過該地址得知是由哪個從節(jié)點設備發(fā)來的響應。
校驗域存放了根據(jù)報文內容經由冗余校驗算法計算所得到的結果。在基于串行鏈路的Modbus通信網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存放的是報文經過循環(huán)冗余檢驗(CRC)算法計算得出的結果。

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(包括設備識別符和數(shù)據(jù)域)，用于服務器識別報文的傳輸結束。設備標識符用于系統(tǒng)內路由，當需要與通過以太網網關連接的Modbus串行鏈路或Modbus-Plus通信網絡上的設備進行通信時，該標識符域的值由Modbus-TCP客戶在請求幀中設置，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，采用自編寫的程序實現(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有能提供以太網接口的網絡模塊，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)值為內存分區(qū)號，其后數(shù)值為該區(qū)域內的地址編號。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，設備是通過在502端口提供一個監(jiān)聽口(socket)來允許與其它設備建立新連接和進行數(shù)據(jù)傳輸。當某一設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 結束語

通過以太網來實現(xiàn)計算機直接讀寫PLC數(shù)據(jù)，使得廠級監(jiān)控網絡能夠直接與現(xiàn)場設備通信，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)議結合的一個簡單應用，雖然以太網的實時性、穩(wěn)定性和抗干擾性已得到很大的發(fā)展，但要把以太網真正應用到實際的控制中還有很多技術難題，這還要走很長一段路。不過以太網進入自動控制領域已是必然趨勢，它將使控制變得更加簡單和清楚。