隨著企業(yè)信息化進(jìn)程的深入發(fā)展，實(shí)現(xiàn)企業(yè)上層管理網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用廣泛，線纜和接口設(shè)備價(jià)格相對較低等特點(diǎn)在工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的資源管理層、執(zhí)行制造層得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)已呈現(xiàn)出向下延伸直接應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場的趨勢?；谶@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(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)垂直方向的集成，而且能降低不同廠家設(shè)備在水平層面上的集成成本。
工業(yè)以太網(wǎng)是以太網(wǎng)技術(shù)向工業(yè)控制領(lǐng)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(biāo)準(zhǔn))兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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 TCP
Modbus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(luò)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(luò)和其他設(shè)備之間可以進(jìn)行通信。因?yàn)镸odbus協(xié)議是屬于應(yīng)用層的通信協(xié)議，位于OSI模型的第7層。它與物理層的設(shè)備和電氣接口無關(guān)，既支持傳統(tǒng)的RS232/RS485通信標(biāo)準(zhǔn)也支持以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)，所以根據(jù)物理層層網(wǎng)絡(luò)的不同Modbus協(xié)議被分成串行鏈路版本和運(yùn)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(jī)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(yīng)模式，通信方法是對等的。Modbus規(guī)定僅客戶機(jī)能發(fā)起查詢，服務(wù)器僅能對客戶機(jī)發(fā)出的查詢消息作出響應(yīng)。典型的客戶機(jī)是PC機(jī)、可編程儀表、人機(jī)界面。典型的服務(wù)器是可編程控制器。如果客戶機(jī)發(fā)送請求消息，表示他期望從服務(wù)器設(shè)備得到響應(yīng)。同樣，當(dāng)服務(wù)器接收到消息，它將建立一應(yīng)答消息并返回給客戶機(jī)。
3、Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式
在Modbus串行鏈路上的所有設(shè)備(客戶機(jī)和服務(wù)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(yàn)等。通信模式包括 ASCII模式和RTU模式。當(dāng)設(shè)備以ASCII模式進(jìn)行通信時(shí)，消息中的每一個(gè)8位的字節(jié)作為2個(gè)ASCII字符傳輸。當(dāng)設(shè)備以RTU模式進(jìn)行通信時(shí)，消息中的每一個(gè)8位的字節(jié)分成兩個(gè)4位的16進(jìn)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(yīng)用也更廣。Modbus協(xié)議是以幀為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的，Modbus有三種類型的幀：在串行鏈路上運(yùn)行的ASCII幀和RTU幀、在以太網(wǎng)上運(yùn)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(jié)束。幀中其他的數(shù)據(jù)只允許為16進(jìn)制數(shù)中的字符0-9 和A-F。幀包含1個(gè)字節(jié)的起始字符、2個(gè)字節(jié)的地址單元、2個(gè)字節(jié)的功能代碼、數(shù)據(jù)段和2個(gè)字節(jié)的LRC校驗(yàn)字段。網(wǎng)絡(luò)中的Modbus服務(wù)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(jī)地址，是的話則予以響應(yīng)。ASCII幀的字符之間的最大間隔為1秒，若超過1秒，接收設(shè)備認(rèn)為發(fā)生了一個(gè)錯(cuò)誤。
②RTU幀
RTU幀以超過3.5個(gè)字節(jié)的空閑時(shí)間開始，以3.5個(gè)字節(jié)的靜止時(shí)間結(jié)束。幀包含1個(gè)字節(jié)的起始字符、1個(gè)字節(jié)的地址單元、1個(gè)字節(jié)的功能代碼、數(shù)據(jù)段和2個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)字段。幀中的數(shù)據(jù)允許為任意的數(shù)。整個(gè)幀必須連續(xù)發(fā)送，發(fā)送期間若出現(xiàn)超過1.5個(gè)字符的靜止時(shí)間，則后面的數(shù)據(jù)會被認(rèn)為是新的幀。
③Mobus TCP幀
Modbus TCP沒有對Modbus協(xié)議本身進(jìn)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(yīng)用協(xié)議)頭和協(xié)議數(shù)據(jù)單元組成。MBAP頭包含2個(gè)字節(jié)的傳輸標(biāo)志、2個(gè)字節(jié)的協(xié)議標(biāo)志、2個(gè)字節(jié)幀長度、1個(gè)字節(jié)的地址。協(xié)議數(shù)據(jù)單元包含1個(gè)字節(jié)的功能代碼和數(shù)據(jù)段。因?yàn)榭紤]到以太網(wǎng)IP包到達(dá)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(biāo)志，Modbus TCP 服務(wù)器端(Modbus TCP網(wǎng)關(guān))需要復(fù)制它做為對傳輸請求的響應(yīng)。MBAP中的協(xié)議標(biāo)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(biāo)志字段和協(xié)議數(shù)據(jù)單元中的字節(jié)數(shù)計(jì)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(shí)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(yàn)。因?yàn)镸odbus 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(gè)地址字段以區(qū)分串行鏈路中不同的 Modbus服務(wù)器，實(shí)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(shè)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(jìn)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(gè)具有悠久歷史的、事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，加上其協(xié)議內(nèi)容可以免費(fèi)獲得，因此Modbus的串行鏈路版本在市場上長期占有主導(dǎo)地位。大量的產(chǎn)品已直接運(yùn)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(jī)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(xué)，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。
作者：徐鳳亮、史斌斌
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