聊聊［ModBus TCP］

原创于 2025-09-26 08:33:22 发布 · 1k 阅读

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#tcp/ip #网络 #网络协议

ModBus TCP 概述

ModBus TCP 是 ModBus 协议基于 TCP/IP 网络的实现，用于工业自动化设备之间的通信。它在传统 ModBus RTU（串行通信）的基础上，通过 TCP/IP 协议栈实现数据传输，具有更高的兼容性和扩展性。

协议特点

基于标准 TCP/IP：使用端口 502（默认），支持以太网通信。
简单高效：沿用 ModBus 的请求-响应模型，数据帧结构清晰。
跨平台兼容：支持多种设备（PLC、传感器、HMI 等）互联。
无加密：协议本身未加密，需依赖网络安全措施（如 VPN、防火墙）。

数据帧结构

ModBus TCP 数据帧由以下部分组成：

MBAP 头（ModBus Application Protocol Header）：7 字节，包含事务标识符、协议标识符、长度和单元标识符。
PDU（Protocol Data Unit）：功能码 + 数据，与 ModBus RTU 相同。

示例帧（十六进制）：

00 01 00 00 00 06 01 03 00 6B 00 03

00 01：事务标识符（由客户端生成，响应时原样返回）。
00 00：协议标识符（0 表示 ModBus）。
00 06：后续字节长度（从单元标识符开始计算）。
01：单元标识符（设备地址）。
03：功能码（读取保持寄存器）。
00 6B 00 03：起始地址 + 寄存器数量。

功能码（常用）

01 (0x01)：读取线圈状态。
02 (0x02)：读取离散输入。
03 (0x03)：读取保持寄存器。
04 (0x04)：读取输入寄存器。
05 (0x05)：写单个线圈。
06 (0x06)：写单个寄存器。
16 (0x10)：写多个寄存器。

实现示例（Python）

使用 pymodbus 库实现客户端请求：

from pymodbus.client import ModbusTcpClient

# 连接 ModBus TCP 服务器  
client = ModbusTcpClient('192.168.1.1', port=502)  
client.connect()  

# 读取保持寄存器（地址 0，数量 10）  
result = client.read_holding_registers(address=0, count=10, slave=1)  
if not result.isError():  
    print("Registers:", result.registers)  
else:  
    print("Error:", result)  

client.close()

常见问题与解决

连接超时：检查网络连通性、防火墙设置及目标设备是否在线。
无效响应：确认功能码、地址和长度是否符合设备文档要求。
数据错误：检查字节序（大端/小端）是否与设备匹配。

应用场景

工业控制系统（SCADA、PLC 通信）。
能源监控（电表、传感器数据采集）。
楼宇自动化（HVAC、照明控制）。

ModBus TCP 因其简单性和广泛支持，成为工业通信的重要标准，但需注意其缺乏安全机制，需结合网络层防护措施使用。

Modbus TCP 常用场景

Modbus TCP 是一种基于以太网的工业通信协议，广泛应用于工业自动化领域。以下是其典型的应用场景：

工业控制系统（ICS）
Modbus TCP 常用于连接 PLC、DCS 和 SCADA 系统，实现设备间的数据交换。例如，工厂自动化中的生产线控制、数据采集和监控。

楼宇自动化
在智能楼宇中，Modbus TCP 用于集成 HVAC（暖通空调）、照明、安防等子系统，实现集中管理和控制。

能源管理
电力监控系统（如智能电网）使用 Modbus TCP 采集电表、逆变器、电池储能设备的数据，用于能耗分析和优化。

远程监控与维护
通过 Modbus TCP，工程师可以远程访问设备状态和参数，进行故障诊断或配置调整，减少现场维护成本。

物联网（IoT）集成
Modbus TCP 作为传统工业设备与 IoT 平台的桥梁，将传感器和执行器的数据上传至云端，支持大数据分析和预测性维护。

Modbus TCP 的优势

兼容性：与 Modbus RTU 协议兼容，便于旧系统升级。
开放性：协议标准公开，无需额外授权费用。
简单性：基于 TCP/IP 实现，易于开发和部署。

典型设备支持

PLC：如西门子、施耐德、罗克韦尔等品牌。
HMI：人机界面设备通过 Modbus TCP 与控制器通信。
智能仪表：电表、流量计、温度传感器等。

Modbus TCP 範例 (C語言)

以下是一個簡單的 Modbus TCP 客戶端程式範例，使用 C 語言實現。該程式會向 Modbus TCP 伺服器發送讀取保持寄存器（Function Code 0x03）的請求，並解析伺服器的回應。

程式範例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

#define MODBUS_PORT 502
#define MODBUS_HEADER_SIZE 7
#define MODBUS_READ_HOLDING_REGISTERS 0x03

// Modbus TCP 請求封包結構
typedef struct {
    uint16_t transaction_id;
    uint16_t protocol_id;
    uint16_t length;
    uint8_t unit_id;
    uint8_t function_code;
    uint16_t starting_address;
    uint16_t quantity;
} modbus_tcp_request;

// Modbus TCP 回應封包結構
typedef struct {
    uint16_t transaction_id;
    uint16_t protocol_id;
    uint16_t length;
    uint8_t unit_id;
    uint8_t function_code;
    uint8_t byte_count;
    uint16_t *register_values;
} modbus_tcp_response;

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc != 4) {
        printf("Usage: %s <server_ip> <starting_address> <quantity>\n", argv[0]);
        return 1;
    }

    char *server_ip = argv[1];
    uint16_t starting_address = atoi(argv[2]);
    uint16_t quantity = atoi(argv[3]);

    // 建立 socket
    int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sock == -1) {
        perror("Socket creation failed");
        return 1;
    }

    // 設定伺服器地址
    struct sockaddr_in server_addr;
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(MODBUS_PORT);
    if (inet_pton(AF_INET, server_ip, &server_addr.sin_addr) <= 0) {
        perror("Invalid address");
        close(sock);
        return 1;
    }

    // 連線到伺服器
    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("Connection failed");
        close(sock);
        return 1;
    }

    // 準備 Modbus TCP 請求封包
    modbus_tcp_request request;
    request.transaction_id = htons(1); // 交易 ID，可隨機生成
    request.protocol_id = htons(0);    // Modbus 協議 ID
    request.length = htons(6);         // 後續字節數
    request.unit_id = 1;               // 設備 ID
    request.function_code = MODBUS_READ_HOLDING_REGISTERS;
    request.starting_address = htons(starting_address);
    request.quantity = htons(quantity);

    // 發送請求
    if (send(sock, &request, sizeof(request), 0) < 0) {
        perror("Send failed");
        close(sock);
        return 1;
    }

    // 接收回應
    uint8_t response_buffer[1024];
    int bytes_received = recv(sock, response_buffer, sizeof(response_buffer), 0);
    if (bytes_received < 0) {
        perror("Receive failed");
        close(sock);
        return 1;
    }

    // 解析回應
    modbus_tcp_response response;
    memcpy(&response.transaction_id, response_buffer, 2);
    memcpy(&response.protocol_id, response_buffer + 2, 2);
    memcpy(&response.length, response_buffer + 4, 2);
    response.unit_id = response_buffer[6];
    response.function_code = response_buffer[7];
    response.byte_count = response_buffer[8];

    response.register_values = (uint16_t *)malloc(response.byte_count);
    for (int i = 0; i < response.byte_count / 2; i++) {
        uint16_t value;
        memcpy(&value, response_buffer + 9 + i * 2, 2);
        response.register_values[i] = ntohs(value);
        printf("Register %d: %d\n", starting_address + i, response.register_values[i]);
    }

    free(response.register_values);
    close(sock);
    return 0;
}

程式說明

建立 Socket
使用 socket() 函數建立一個 TCP socket。
設定伺服器地址
設定 Modbus TCP 伺服器的 IP 地址和端口（默認為 502）。
連線到伺服器
使用 connect() 函數連線到 Modbus TCP 伺服器。
準備 Modbus TCP 請求封包
填充 Modbus TCP 請求封包的結構，包括交易 ID、協議 ID、功能碼（0x03 表示讀取保持寄存器）、起始地址和寄存器數量。
發送請求
使用 send() 函數將請求封包發送到伺服器。
接收回應
使用 recv() 函數接收伺服器的回應。
解析回應
解析回應封包，提取寄存器值並打印。

編譯與執行

編譯程式
使用以下命令編譯程式：

gcc modbus_tcp_client.c -o modbus_tcp_client

執行程式
執行編譯後的程式，並提供伺服器 IP、起始地址和寄存器數量作為參數：
```
./modbus_tcp_client <server_ip> <starting_address> <quantity>
```

注意事項

錯誤處理
程式中的錯誤處理較為簡單，實際應用中應根據需求進一步完善。
字節順序
Modbus TCP 使用大端字節序（Big-Endian），因此在發送和接收數據時需使用 htons() 和 ntohs() 函數進行轉換。
寄存器數量
請求的寄存器數量不能超過 Modbus 協議的限制（通常為 125 個寄存器）。