| 液位計和流量計通訊過程中常見工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議Modbus TCP簡介 |
| 信息來源： 液位計和流量計 | 2022-04-06 點擊量： 6316 |
隨著企業(yè)信息化進程的深入發(fā)展，實現(xiàn)企業(yè)上層管理網(wǎng)絡與現(xiàn)場控制網(wǎng)絡的無縫連接顯得越來越重要。在企業(yè)管理信息系統(tǒng)中由于以太網(wǎng)技術(shù)應用廣泛，線纜和接口設備價格相對較低等特點在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中的資源管理層、執(zhí)行制造層得到廣泛應用，同時已呈現(xiàn)出向下延伸直接應用于工業(yè)控制現(xiàn)場的趨勢。基于這種發(fā)展現(xiàn)狀，越來越多的人希望以太網(wǎng)技術(shù)能介入過程控制層，廣泛取代目前種類繁多、標準不一的現(xiàn)場總線技術(shù)，這不僅可以使企業(yè)的管理信息系統(tǒng)實現(xiàn)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(xiàn)代化的工業(yè)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(jīng)常性地遇到此類通訊需求。
工業(yè)以太網(wǎng)是以太網(wǎng)技術(shù)向工業(yè)控制領域滲透催生的產(chǎn)物，一般是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)(即IEEE802.13或IEEE802.11系列標準)兼容，但在產(chǎn)品設計、材質(zhì)的選用、產(chǎn)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(zhì)安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。工業(yè)以太網(wǎng)基于成熟的以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP技術(shù)，具有較高實時性和傳輸能力。
1、現(xiàn)場總線協(xié)議Modbus與工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議Modbus TCPModbus現(xiàn)場總線協(xié)議是Modicon公司于1978年發(fā)明的一種工業(yè)控制器的網(wǎng)絡協(xié)議。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡和其他設備之間可以進行通信。因為Modbus協(xié)議是屬于應用層的通信協(xié)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(guān)，既支持傳統(tǒng)的RS232/RS485通信標準也支持以太網(wǎng)通信標準，所以根據(jù)物理層層網(wǎng)絡的不同Modbus協(xié)議被分成串行鏈路版本和運行在以太網(wǎng)的Modbus TCP版本。Modbus TCP協(xié)議以一種比較簡單的方式將Modbus幀嵌入到TCP幀中。IANA(互聯(lián)網(wǎng)編號分配管理機構(gòu))也給Modbus TCP協(xié)議賦予TCP端口502，這是其他工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議所沒有的。
2、Modbus協(xié)議通信模式
Modbus協(xié)議采用請求響應模式，通信方法是對等的。Modbus規(guī)定僅客戶機能發(fā)起查詢，服務器僅能對客戶機發(fā)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(fā)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(xié)議數(shù)據(jù)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(shù)和通信模式。串行通信參數(shù)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(jié)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(jié)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(xié)議是以幀為單位進行數(shù)據(jù)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(wǎng)上運行Modbus TCP幀。
?、貯SCII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(jié)束。幀中其他的數(shù)據(jù)只允許為16進制數(shù)中的字符0-9 和A-F。幀包含1個字節(jié)的起始字符、2個字節(jié)的地址單元、2個字節(jié)的功能代碼、數(shù)據(jù)段和2個字節(jié)的LRC校驗字段。網(wǎng)絡中的Modbus服務器會不斷監(jiān)聽冒號，如果監(jiān)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(fā)生了一個錯誤。
?、赗TU幀
RTU幀以超過3.5個字節(jié)的空閑時間開始，以3.5個字節(jié)的靜止時間結(jié)束。幀包含1個字節(jié)的起始字符、1個字節(jié)的地址單元、1個字節(jié)的功能代碼、數(shù)據(jù)段和2個字節(jié)的CRC校驗字段。幀中的數(shù)據(jù)允許為任意的數(shù)。整個幀必須連續(xù)發(fā)送，發(fā)送期間若出現(xiàn)超過1.5個字符的靜止時間，則后面的數(shù)據(jù)會被認為是新的幀。
?、跰obus TCP幀
Modbus TCP沒有對Modbus協(xié)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(wǎng)的TCP幀中。Modbus TCP幀由MBAP(Modbus應用協(xié)議)頭和協(xié)議數(shù)據(jù)單元組成。MBAP頭包含2個字節(jié)的傳輸標志、2個字節(jié)的協(xié)議標志、2個字節(jié)幀長度、1個字節(jié)的地址。協(xié)議數(shù)據(jù)單元包含1個字節(jié)的功能代碼和數(shù)據(jù)段。因為考慮到以太網(wǎng)IP包到達的順序可能與發(fā)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(wǎng)關(guān))需要復制它做為對傳輸請求的響應。MBAP中的協(xié)議標志字段為0表示為Modbus協(xié)議。長度字段對該字段后的單元標志字段和協(xié)議數(shù)據(jù)單元中的字節(jié)數(shù)計數(shù)。
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(qū)分不同的Modbus TCP客戶。同時TCP傳輸是可靠的數(shù)據(jù)傳輸方式，因此不再有數(shù)據(jù)校驗。因為Modbus TCP協(xié)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(qū)分串行鏈路中不同的 Modbus服務器，實現(xiàn)串行鏈路中的路由功能。
4、Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)模型
Modbus基本數(shù)據(jù)模型有四種：開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、寄存器輸入、寄存器保持。Modbus所有要處理的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xié)議作為一個具有悠久歷史的、事實上的工業(yè)標準，加上其協(xié)議內(nèi)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(chǎn)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(tài)軟件都支持它。Modbus TCP 協(xié)議的開放性及用戶對Modbus協(xié)議的熟悉程度再加上協(xié)議簡單易學，使它比很多受商業(yè)利益驅(qū)使的協(xié)議取得更快的發(fā)展，受到眾多第三方產(chǎn)品廠商、終端用戶、系統(tǒng)集成商的廣泛支持。
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