Modbus TCP 基础回顾

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在工业自动化领域，Modbus TCP 是一种广泛应用的通信协议，它基于以太网，为设备之间的通信搭建了桥梁，实现了远程设备的高效控制。Modbus TCP 是 Modbus 协议家族中的一员，它在传统 Modbus 协议的基础上，结合了 TCP/IP 协议的优势，具备高速、稳定的数据传输能力。

Modbus TCP 采用客户端 - 服务器模型进行通信。客户端（主站）负责发起请求，比如读取从设备的寄存器数据，或者向从设备写入控制指令；服务器（从站）则响应客户端的请求，执行相应的操作，并返回结果 。这种模型简单而清晰，使得设备之间的通信有条不紊地进行。在实际应用中，一个客户端可以与多个服务器进行通信，实现对不同设备的集中管理和控制。

在 Modbus TCP 通信中，数据是以特定的帧结构进行传输的。帧结构包含了 MBAP（Modbus 应用协议头部）和 PDU（协议数据单元）两部分。MBAP 头部包含事务标识符（用于匹配请求和响应）、协议标识符（固定为 0，表示 Modbus 协议）、长度字段（指示后续数据的字节数）和单元标识符（标识从站设备）。PDU 则包含功能码和数据字段，功能码定义了具体的操作类型，比如读保持寄存器、写单个线圈等，数据字段则携带了具体的操作数据 。例如，当客户端要读取从站的某个寄存器数据时，请求帧中的功能码会设置为读寄存器的功能码，数据字段会包含要读取的寄存器起始地址和数量等信息。

Modbus TCP 使用 TCP 端口 502 进行通信，这是一个被广泛认可和使用的默认端口 。通过以太网连接，设备之间可以实现长距离、高速率的数据传输，突破了传统串口通信的距离和速度限制。比如在大型工厂中，分布在不同区域的设备可以通过 Modbus TCP 连接到同一个网络，实现数据的实时交互和协同工作。

基于以太网的远程控制原理剖析

（一）以太网通信基石

以太网是一种广泛应用的局域网技术，它为 Modbus TCP 提供了通信的物理基础。以太网的核心原理是通过物理层和数据链路层的协同工作，实现设备之间的数据传输。在物理层，以太网定义了多种传输介质，如双绞线、光纤等，不同的传输介质对应着不同的传输速率和传输距离 。例如，常见的超五类双绞线（Cat5e）通常支持 100Mbps 的传输速率，适用于一般的办公网络；而光纤则能够提供更高的传输速率，如千兆以太网（1Gbps）甚至万兆以太网（10Gbps），常用于数据中心等对带宽要求较高的场景。

在数据链路层，以太网采用了 MAC（媒体访问控制）地址来唯一标识网络中的设备 。MAC 地址是一个 48 位的二进制数，通常以十六进制表示，如 “00:11:22:33:44:55”。当设备发送数据时，数据会被封装成帧，帧中包含了源 MAC 地址和目标 MAC 地址，这样数据就能准确地传输到目标设备。以太网还使用了 CSMA/CD（载波监听多路访问 / 冲突检测）机制（早期以太网，现在全双工模式下基本避免冲突）来解决多个设备同时访问传输介质时可能产生的冲突问题 。当一个设备要发送数据时，它会先监听传输介质，如果介质空闲，就开始发送数据；在发送数据的同时，设备还会检测是否发生冲突，如果检测到冲突，就会停止发送，并发送一个干扰信号，通知其他设备发生了冲突，然后等待一个随机的时间后再次尝试发送。

在工业自动化中，以太网的稳定性和高速率为远程设备控制提供了坚实的通信基础。它能够确保大量的设备数据，如传感器数据、设备状态信息等，能够快速、准确地传输到控制中心，为实时监控和控制提供了有力支持 。例如，在汽车制造工厂中，生产线上分布着大量的机器人、传感器和控制器，它们通过以太网连接在一起，实现了生产过程的自动化控制和监控。一旦某个设备出现故障，相关的故障信息能够迅速通过以太网传输到监控中心，工作人员可以及时采取措施进行处理，从而提高了生产效率和设备的可靠性。

（二）Modbus TCP 协议深度解析

1. 协议架构

Modbus TCP 基于 TCP/IP 协议栈，它位于应用层，利用了 TCP 协议的可靠传输特性和 IP 协议的网络寻址功能 。在 TCP/IP 协议栈中，网络层的 IP 协议负责将数据包从源地址传输到目标地址，它通过路由选择算法确定数据包的传输路径；传输层的 TCP 协议则提供了可靠的、面向连接的通信服务，它通过三次握手建立连接，在数据传输过程中进行流量控制和差错校验，确保数据的完整性和顺序性。

Modbus TCP 采用客户端 - 服务器的通信模式 。客户端是发起通信请求的设备，它通常是上位机，如监控计算机、SCADA（ Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制系统）系统等；服务器是响应客户端请求的设备，一般是现场的工业设备，如 PLC（可编程逻辑控制器）、智能仪表、传感器等。当客户端要与服务器进行通信时，首先会通过 TCP 协议与服务器建立连接，连接建立成功后，客户端会向服务器发送请求报文，服务器接收到请求后，会解析请求报文，执行相应的操作，并返回响应报文给客户端 。例如，客户端向服务器发送读取寄存器数据的请求，服务器在接收到请求后，会从相应的寄存器中读取数据，然后将数据封装在响应报文中返回给客户端。

2. 数据传输与功能码

在 Modbus TCP 中，数据是以特定的帧格式进行传输的 。帧由 MBAP 头部和 PDU 组成。MBAP 头部包含事务标识符、协议标识符、长度字段和单元标识符。事务标识符由客户端生成，用于匹配请求和响应，确保客户端能够正确识别接收到的响应是对应哪个请求的；协议标识符固定为 0，表示 Modbus 协议；长度字段指示后续数据（包括单元标识符和 PDU）的字节数；单元标识符用于标识从站设备，如果是广播通信，单元标识符通常设置为 0xFF 。

PDU 包含功能码和数据字段。功能码是 PDU 的关键部分，它定义了客户端请求的具体操作类型 。常见的功能码有：

• 读线圈（功能码 01）：用于读取从站设备的线圈状态（开关量），例如可以读取某个阀门的开 / 关状态 。假设客户端要读取从站地址为 1 的设备的第 10 个线圈状态，请求帧中的功能码为 01，数据字段中会包含起始线圈地址（如 0x0009，因为地址从 0 开始）和读取的线圈数量（0x0001） 。

• 读离散输入（功能码 02）：用于读取从站设备的离散输入状态，离散输入通常是外部的开关信号，如按钮的按下 / 松开状态 。例如，客户端读取从站地址为 2 的设备的前 10 个离散输入状态，功能码为 02，数据字段包含起始离散输入地址（0x0000）和读取数量（0x000A） 。

• 读保持寄存器（功能码 03）：用于读取从站设备的保持寄存器数据，保持寄存器可以存储各种类型的数据，如温度、压力、流量等测量值 。比如，客户端读取从站地址为 3 的设备的从地址 0 开始的 5 个保持寄存器数据，功能码为 03，数据字段包含起始寄存器地址（0x0000）和读取数量（0x0005） 。

• 写单个线圈（功能码 05）：用于向从站设备的单个线圈写入状态，可实现对设备的控制，如控制电机的启动 / 停止 。若客户端要将从站地址为 4 的设备的第 5 个线圈设置为闭合状态，功能码为 05，数据字段包含线圈地址（0x0004）和写入值（0xFF00 表示闭合，0x0000 表示断开） 。

• 写单个保持寄存器（功能码 06）：用于向从站设备的单个保持寄存器写入数据，例如设置设备的某个参数值 。例如，客户端将从站地址为 5 的设备的第 8 个保持寄存器写入值为 100 的数据，功能码为 06，数据字段包含寄存器地址（0x0007）和写入数据（0x0064） 。

Modbus TCP 进阶技术要点

（一）通信效率优化秘籍

1. 网络延迟与吞吐量优化策略

网络延迟和吞吐量是影响 Modbus TCP 通信效率的关键因素 。网络延迟指的是数据包从发送端传输到接收端所经历的时间，它会导致数据传输的延迟，影响设备之间的实时交互。例如，在远程监控系统中，如果网络延迟过高，监控画面可能会出现卡顿，操作人员无法及时获取设备的实时状态，从而影响对设备的控制和管理 。吞吐量则是指单位时间内成功传输的数据量，吞吐量较低会限制数据的传输速度，导致大量数据积压，降低系统的整体性能 。

为了减少网络延迟，提高吞吐量，可以采取以下方法：

• 选用优质网络设备：使用高性能的交换机、路由器等网络设备，它们具备更快的处理速度和更大的缓存空间，能够快速转发数据包，减少数据包的排队等待时间，从而降低网络延迟 。比如，企业级的千兆交换机相比普通的百兆交换机，能够提供更高的带宽和更低的延迟，更适合工业自动化场景中大量数据的快速传输 。

• 优化网络拓扑：合理设计网络拓扑结构，减少网络中的中转节点和不必要的网络链路，缩短数据传输的物理路径，降低信号衰减和干扰，进而减少网络延迟 。例如，采用星型拓扑结构，所有设备都连接到中心交换机，这种结构简单清晰，便于管理和维护，能够有效提高网络的可靠性和传输效率 。

• 实施流量控制：通过设置合适的流量控制策略，如令牌桶算法、漏桶算法等，合理分配网络带宽，避免网络拥塞，确保数据包能够按照一定的速率发送和接收，提高吞吐量 。比如，当网络中的数据流量过大时，流量控制机制可以限制某些设备的发送速率，优先保证关键设备的数据传输，从而维持网络的稳定运行 。

• 使用高速链路：选择高速的网络传输介质，如光纤，光纤具有带宽高、损耗低、抗干扰能力强等优点，能够提供更高的传输速率和更低的延迟，满足工业自动化对数据传输速度和稳定性的要求 。在一些对数据传输要求极高的场景，如大型数据中心、高清视频监控系统等，光纤已经成为主流的传输介质 。

2. 数据封装与传输优化实践

在 Modbus TCP 通信中，数据封装与传输的优化对于提高通信效率至关重要 。

• 设置合适 MTU 大小：MTU（最大传输单元）是指网络设备能够传输的最大数据包大小 。如果 MTU 设置过小，数据包会被分割成多个小片段进行传输，增加了传输的开销和延迟；如果 MTU 设置过大，可能会导致数据包在传输过程中因网络链路的限制而无法正常传输，需要进行分片和重组，同样会影响传输效率 。因此，需要根据网络环境和设备性能，合理设置 MTU 大小 。一般来说，以太网的默认 MTU 值为 1500 字节，但在一些特殊情况下，如通过 VPN 连接或者网络中存在老旧设备时，可能需要适当调整 MTU 值 。可以通过网络测试工具，如 ping 命令，来测试不同 MTU 值下的网络性能，找到最佳的 MTU 设置 。例如，使用命令 “ping -l [数据包大小] -f [目标 IP 地址]”，其中 “-l” 参数指定数据包大小，“-f” 参数表示不允许数据包分片，通过逐步调整数据包大小并观察 ping 命令的响应时间和丢包率，来确定合适的 MTU 值 。

• 启用 TCP 窗口缩放：TCP 窗口缩放是一种提高 TCP 性能的技术，它允许在 TCP 会话中使用较大的窗口尺寸，从而提高网络的吞吐量 。在高延迟和高带宽的网络环境中，启用 TCP 窗口缩放尤为重要 。例如，在跨地区的工业自动化系统中，数据需要经过长距离的网络传输，延迟较高，此时启用 TCP 窗口缩放可以使发送方能够一次性发送更多的数据，减少数据传输的往返次数，提高数据传输效率 。在 Linux 系统中，可以通过修改系统参数 “net.ipv4.tcp_window_scaling” 来启用 TCP 窗口缩放，将其值设置为 1 即可 。在 Windows 系统中，可以通过修改注册表来启用 TCP 窗口缩放，具体方法是在注册表中找到 “HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Tcpip\Parameters”，新建一个 DWORD 值 “TcpWindowSize”，并设置合适的值（一般建议设置为 65535） 。

（二）自定义功能码拓展应用

1. 自定义功能码原理

标准的 Modbus 功能码虽然覆盖了常见的数据读写、设备诊断等操作，但在实际的工业自动化应用中，由于不同设备的功能和需求各异，标准功能码可能无法满足所有的业务需求 。这时，自定义功能码就发挥了重要作用 。自定义功能码是 Modbus 协议中用于扩展标准功能码的一种机制，它允许用户根据特定应用需求来开发新的功能 。通过自定义功能码，用户可以实现一些标准功能码无法完成的操作，如读取特定设备的非标准寄存器数据、执行特定的设备控制算法等，从而增加了 Modbus 协议的灵活性和应用范围 。

自定义功能码的工作原理是在 Modbus 协议的框架内，用户自行定义功能码的值以及该功能码对应的操作 。当客户端发送包含自定义功能码的请求时，服务器能够识别该功能码，并根据预先定义的规则执行相应的操作，然后将结果返回给客户端 。例如，在一个智能工厂的设备管理系统中，为了实现对某台特殊设备的能源消耗监测和分析，开发人员可以自定义一个功能码，该功能码用于读取设备的实时能源消耗数据，并进行一些特定的计算和处理，然后将处理后的结果返回给上位机，以便管理人员进行分析和决策 。

2. 实现步骤与案例展示

以三菱 PLC 为例，介绍自定义功能码的实现步骤 。

• 第一步：确定需求和功能定义：明确需要实现的特殊功能，例如读取设备的自定义状态信息、执行特定的设备控制逻辑等 。根据功能需求，定义自定义功能码的值，确保该值在 Modbus 协议的未使用功能码范围内 。假设我们要实现一个读取三菱 PLC 特定区域内存数据的功能，自定义功能码设置为 0x90 。

• 第二步：编程实现功能逻辑：使用三菱 PLC 的编程软件，如 GX Works2，编写实现自定义功能的程序逻辑 。在程序中，根据自定义功能码的值，编写相应的代码来处理请求 。例如，当接收到功能码为 0x90 的请求时，程序会读取特定内存区域的数据，并将数据打包成响应帧 。下面是一个简单的示例代码（以梯形图语言为例）：

// 假设自定义功能码存储在D100中

LD D100 = 0x90 // 判断是否为自定义功能码

JMP Z, NOT_CUSTOM_FUNCTION // 如果不是，跳转到非自定义功能处理

// 自定义功能处理

// 读取特定内存区域数据，假设数据存储在D200 - D209

MOV D200, R0 // 将数据存储到响应数据区

MOV D201, R1

// 依次类推，将D202 - D209的数据存储到R2 - R9

// 构建响应帧，假设响应帧存储在D300 - D310

MOV 0x90, D300 // 功能码

// 将读取的数据存储到响应帧的相应位置

MOV R0, D301

MOV R1, D302

// 依次类推

JMP END_PROGRAM // 跳转到程序结束

NOT_CUSTOM_FUNCTION:

// 非自定义功能处理，执行标准功能码的操作

END_PROGRAM:

• 第三步：配置 PLC 通信参数：确保 PLC 的网络参数配置正确，包括 IP 地址、子网掩码、网关等 。同时，需要设置 PLC 支持自定义功能码的解析和处理 。在 GX Works2 中，可以在通信参数设置界面中进行相关配置，使 PLC 能够识别并处理自定义功能码的请求 。

• 第四步：测试与验证：使用 Modbus TCP 客户端工具，如 Modbus Poll 等，向三菱 PLC 发送包含自定义功能码的请求，验证自定义功能是否正常工作 。在测试过程中，检查响应数据是否正确，功能是否符合预期 。例如，使用 Modbus Poll 发送功能码为 0x90 的请求，查看是否能够正确读取到 PLC 特定内存区域的数据，并与预期结果进行对比 。

实际应用案例：在一个自动化生产线中，有一台三菱 PLC 控制着关键设备的运行 。为了实现对设备的精细化管理和故障预测，需要获取设备的一些内部状态信息，这些信息无法通过标准功能码获取 。通过自定义功能码，开发人员实现了读取设备运行时间、累计工作次数、关键部件温度等信息的功能 。上位机通过发送自定义功能码的请求，能够实时获取这些信息，并进行数据分析和处理 。当设备运行时间达到一定阈值或者关键部件温度过高时，系统会及时发出警报，提醒维护人员进行检查和维护，有效提高了设备的可靠性和生产效率 。