聊聊［ModBus 通信协议］

Modbus 协议简介

Modbus 是一种串行通信协议，于 1979 年开发，用于工业自动化设备之间的通信。它采用主从架构，支持多种物理层（如 RS-232、RS-485、TCP/IP），广泛应用于 PLC、传感器、仪表等设备的数据交换。

Modbus 通信模式

1. Modbus RTU

   • 基于二进制编码，通过串行接口（如 RS-485）传输。
   • 数据帧紧凑，适合低带宽环境。
   • 典型波特率为 9600、19200 等，需配置校验位（无/奇/偶）。

2. Modbus ASCII

   • 使用 ASCII 字符编码，可读性更强但效率较低。
   • 每个字节需两个字符表示，传输速度较慢。

3. Modbus TCP

   • 基于 TCP/IP 协议，通过以太网传输。
   • 数据封装为标准的 TCP 数据包，默认端口为 502。
   • 无需校验位，适合高速网络环境。

Modbus 数据模型

Modbus 定义四种数据类型，通过功能码区分操作：

• 线圈（Coils）：1 位读写，功能码 01（读）、05（写单线圈）、15（写多线圈）。
• 离散输入（Discrete Inputs）：1 位只读，功能码 02。
• 保持寄存器（Holding Registers）：16 位读写，功能码 03（读）、06（写单寄存器）、16（写多寄存器）。
• 输入寄存器（Input Registers）：16 位只读，功能码 04。

Modbus 报文格式

Modbus RTU 请求帧示例（读保持寄存器）

[设备地址][功能码 03][起始地址高字节][起始地址低字节][寄存器数量高字节][寄存器数量低字节][CRC 低字节][CRC 高字节]  

Modbus TCP 请求帧示例

[事务标识符][协议标识符][长度][设备地址][功能码][数据...]  

常见工具与库

1. 调试工具

   • Modbus Poll（主站模拟）
   • Modbus Slave（从站模拟）
   • QModMaster（开源主站工具）

2. 开发库

   • Python：pymodbus、minimalmodbus
   • C/C++：libmodbus
   • Java：jamod

故障排查

• 通信超时：检查物理连接、波特率、设备地址是否匹配。
• CRC 错误：确认校验方式（RTU 需计算 CRC，TCP 无需）。
• 功能码异常：从站可能返回错误码（如 01 表示非法功能）。

应用示例（Python）

使用 pymodbus 读取保持寄存器：

from pymodbus.client import ModbusTcpClient  

client = ModbusTcpClient('192.168.1.1', port=502)  
client.connect()  
result = client.read_holding_registers(address=0, count=10, slave=1)  
print(result.registers)  
client.close()  

ModBus 的应用领域

ModBus 是一种串行通信协议，广泛应用于工业自动化领域，主要用于设备间的数据通信与控制。

工业控制系统

ModBus 常用于 PLC（可编程逻辑控制器）、SCADA（监控与数据采集系统）和 DCS（分布式控制系统）中，实现设备之间的数据交换，如传感器、执行器、变频器等。

楼宇自动化

在 HVAC（暖通空调系统）、照明控制和能源管理系统中，ModBus 用于连接控制器和传感器，实现远程监控和自动化管理。

电力系统

ModBus 在电力监控、智能电表和配电系统中广泛使用，用于采集电流、电压、功率等数据，并实现远程控制。

交通与基础设施

交通信号控制、隧道监控、水处理系统等场景中，ModBus 用于连接中央控制系统与现场设备，确保数据实时传输。

物联网（IoT）

ModBus RTU 或 ModBus TCP 被用于工业物联网（IIoT），支持设备与云端平台的数据交互，实现远程运维和数据分析。

ModBus 的主要变种

• ModBus RTU：基于串行通信（RS-485/RS-232），采用二进制编码，适用于工业现场设备。
• ModBus ASCII：基于文本格式的串行通信，可读性更强但效率较低。
• ModBus TCP：基于以太网，使用 TCP/IP 协议，适用于现代网络化工业环境。

典型设备支持

支持 ModBus 协议的设备包括：

• PLC（如西门子、施耐德、三菱等品牌部分型号）
• 智能仪表（电表、流量计、温湿度传感器）
• 变频器和电机控制器
• 数据采集模块（DAQ）

ModBus 因其简单、开放和广泛兼容性，成为工业通信领域的事实标准之一。

Modbus 与其他协议的比较

Modbus 是一种广泛使用的串行通信协议，用于工业自动化设备之间的通信。与其他协议相比，Modbus 有其独特的优势和局限性。

Modbus 的优势

简单易用
Modbus 协议结构简单，易于实现和维护。它使用基本的请求-响应模型，适合大多数工业应用场景。

开放标准
Modbus 是开放协议，无需支付授权费用。许多设备和系统都支持 Modbus，兼容性广泛。

灵活性
Modbus 支持多种传输方式，包括串行（RS-232/RS-485）和以太网（Modbus TCP），适应不同网络环境。

低资源需求
Modbus 对硬件和软件资源要求较低，适合嵌入式系统和低功耗设备。

Modbus 的局限性

缺乏安全性
Modbus 设计之初未考虑现代网络安全需求，容易受到攻击。需额外措施（如防火墙或 VPN）增强安全性。

有限的数据类型
Modbus 仅支持基本数据类型（如整数和浮点数），复杂数据结构需额外处理。

低效率
Modbus 采用轮询机制，主设备需逐个查询从设备，延迟较高，不适合实时性要求严格的场景。

与其他协议的对比

Modbus vs. PROFIBUS
PROFIBUS 支持更高速率和复杂拓扑，但成本较高且实现复杂。Modbus 更适合简单、低成本的应用。

Modbus vs. CANopen
CANopen 适用于实时控制和分布式系统，但协议复杂。Modbus 更适合基础监控和数据采集。

Modbus vs. EtherNet/IP
EtherNet/IP 基于以太网，支持更高带宽和实时通信，但需更昂贵硬件。Modbus TCP 是经济高效的替代方案。

适用场景

Modbus 适合以下场景：

• 简单工业控制系统
• 预算有限的项目
• 需要快速部署的解决方案
• 兼容性要求高的旧设备集成

对于需要高实时性、复杂数据或严格安全的场景，其他协议可能更合适。