液位計和流量計通訊過程中常見工業以太網協議Modbus TCP簡介

隨著企業信息化進程的深入發展，實現企業上層管理網絡與現場控制網絡的無縫連接顯得越來越重要。在企業管理信息系統中由于以太網技術應用**，線纜和接口設備價格相對較低等特點在工業企業綜合自動化系統中的資源管理層、執行制造層得到**應用，同時已呈現出向下延伸直接應用于工業控制現場的趨勢。基于這種發展現狀，越來越多的人希望以太網技術能介入過程控制層，**取代目前種類繁多、標準不一的現場總線技術，這不僅可以使企業的管理信息系統實現垂直方向的集成，而且能降低不同廠家設備在水平層面上的集成成本，在現代化的工業測量領域，諸如流量測量與液位測量以及各類儀表儀器的無線遠傳通訊過程中也會經常性地遇到此類通訊需求。
 
工業以太網是以太網技術向工業控制領域滲透催生的產物，一般是指技術上與商用以太網(即IEEE802.13或IEEE802.11系列標準)兼容，但在產品設計、材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質安全等方面能滿足工業現場的需要。工業以太網基于成熟的以太網技術和TCP/IP技術，具有較高實時性和傳輸能力。
 
1、現場總線協議Modbus與工業以太網協議Modbus TCP
Modbus現場總線協議是Modicon公司于1978年發明的一種工業控制器的網絡協議。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡和其他設備之間可以進行通信。因為Modbus協議是屬于應用層的通信協議，位于OSI模型的第7層。它與物理層的設備和電氣接口無關，既支持傳統的RS232/RS485通信標準也支持以太網通信標準，所以根據物理層層網絡的不同Modbus協議被分成串行鏈路版本和運行在以太網的Modbus TCP版本。Modbus TCP協議以一種比較簡單的方式將Modbus幀嵌入到TCP幀中。IANA(互聯網編號分配管理機構)也給Modbus TCP協議賦予TCP端口502，這是其他工業以太網協議所沒有的。


 
2、Modbus協議通信模式
Modbus協議采用請求響應模式，通信方法是對等的。Modbus規定僅客戶機能發起查詢，服務器僅能對客戶機發出的查詢消息作出響應。典型的客戶機是PC機、可編程儀表、人機界面。典型的服務器是可編程控制器。如果客戶機發送請求消息，表示他期望從服務器設備得到響應。同樣，當服務器接收到消息，它將建立一應答消息并返回給客戶機。
 
3、Modbus協議數據幀格式
在Modbus串行鏈路上的所有設備(客戶機和服務器)需要配置相同的通信參數和通信模式。串行通信參數包括波特率、奇偶校驗等。通信模式包括 ASCII模式和RTU模式。當設備以ASCII模式進行通信時，消息中的每一個8位的字節作為2個ASCII字符傳輸。當設備以RTU模式進行通信時，消息中的每一個8位的字節分成兩個4位的16進制的字符傳輸。因此在相同的波特率下RTU模式有更高的傳輸密度，應用也更廣。Modbus協議是以幀為單位進行數據傳送的，Modbus有三種類型的幀：在串行鏈路上運行的ASCII幀和RTU幀、在以太網上運行Modbus TCP幀。
 
①ASCII幀
ASCII幀以“：”冒號字符(0x3A)表示幀的起始，以回車和換行字符(0x0D和0x0A)表示幀的結束。幀中其他的數據只允許為16進制數中的字符0-9 和A-F。幀包含1個字節的起始字符、2個字節的地址單元、2個字節的功能代碼、數據段和2個字節的LRC校驗字段。網絡中的Modbus服務器會不斷監聽冒號，如果監聽到冒號則判斷該幀中的地址是否為本機地址，是的話則予以響應。ASCII幀的字符之間的***大間隔為1秒，若超過1秒，接收設備認為發生了一個錯誤。
 
②RTU幀
RTU幀以超過3.5個字節的空閑時間開始，以3.5個字節的靜止時間結束。幀包含1個字節的起始字符、1個字節的地址單元、1個字節的功能代碼、數據段和2個字節的CRC校驗字段。幀中的數據允許為任意的數。整個幀必須連續發送，發送期間若出現超過1.5個字符的靜止時間，則后面的數據會被認為是新的幀。
 
③Mobus TCP幀
Modbus TCP沒有對Modbus協議本身進行修改，而是采用了一種非常簡便的方式將Modbus RTU幀嵌入到以太網的TCP幀中。Modbus TCP幀由MBAP(Modbus應用協議)頭和協議數據單元組成。MBAP頭包含2個字節的傳輸標志、2個字節的協議標志、2個字節幀長度、1個字節的地址。協議數據單元包含1個字節的功能代碼和數據段。因為考慮到以太網IP包到達的順序可能與發送的順序不一致，所以在MBAP中增加了傳輸標志，Modbus TCP 服務器端(Modbus TCP網關)需要復制它做為對傳輸請求的響應。MBAP中的協議標志字段為0表示為Modbus協議。長度字段對該字段后的單元標志字段和協議數據單元中的字節數計數。
 
Modbus TCP幀的目的地址由IP地址所確定，因此不再有專門的地址字段來區分不同的Modbus TCP客戶。同時TCP傳輸是可靠的數據傳輸方式，因此不再有數據校驗。因為Modbus TCP協議支持承載Modbus串行鏈路版本的RTU幀，所以在MBAP中增加了一個地址字段以區分串行鏈路中不同的 Modbus服務器，實現串行鏈路中的路由功能。
 
4、Modbus協議數據模型
Modbus基本數據模型有四種：開關量輸入、開關量輸出、寄存器輸入、寄存器保持。Modbus所有要處理的數據均放在設備的存儲器中。Modbus功能代碼定義的各種操作也是針對這四種基本數據模型所進行的操作。Modbus功能代碼分成三類：公共功能代碼、用戶定義的功能代碼和保留的功能代碼。
 
Modbus協議作為一個具有悠久歷史的、事實上的工業標準，加上其協議內容可以免費獲得，因此Modbus的串行鏈路版本在市場上長期占有主導地位。大量的產品已直接運行或兼容Modbus串行鏈路版本。許多廠家的PLC(可編程邏輯控制器)、HMI(人機界面)、組態軟件都支持它。Modbus TCP 協議的開放性及用戶對Modbus協議的熟悉程度再加上協議簡單易學，使它比很多受商業利益驅使的協議取得更快的發展，受到眾多第三方產品廠商、終端用戶、系統集成商的**支持。


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