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ModBus TCP是一种基于TCP/IP协议的工业网络通信协议#xff0c;常用于工业自动化和控制系统。它是ModBus协议的一个变种#xff0c;ModBus协议最初由Modicon#xff08;现在是施耐德电气的一部分#xff09;在1979年开发。
以下是ModBus TC…什么是ModBus TCP
ModBus TCP是一种基于TCP/IP协议的工业网络通信协议常用于工业自动化和控制系统。它是ModBus协议的一个变种ModBus协议最初由Modicon现在是施耐德电气的一部分在1979年开发。
以下是ModBus TCP的一些主要特征 基于TCP/IPModBus TCP使用以太网和TCP/IP协议进行通信这使得它能够在现有的以太网络基础设施上运行具有高传输速度和广泛的兼容性。 客户端-服务器模型ModBus TCP采用客户端-服务器模型。客户端发送请求服务器处理请求并返回响应。客户端和服务器之间的通信通过TCP端口502进行这是ModBus TCP的默认端口。 数据表示ModBus协议使用简单的数据表示方法支持多种数据类型如位线圈和离散输入、16位寄存器保持寄存器和输入寄存器。这些数据类型被映射到以太网帧中进行传输。 应用层协议ModBus TCP位于OSI模型的应用层其消息结构与传统的ModBus RTU基于串行通信类似只是在以太网上传输。 无缝集成由于ModBus TCP与ModBus RTU共享相同的功能码和数据格式它们可以在一个混合网络中无缝集成使得现有的ModBus设备可以轻松过渡到以太网络。
TCP/IP协议
TCP/IP传输控制协议/互联网协议Transmission Control Protocol/Internet Protocol是一组网络通信协议用于在计算机网络中实现数据传输和通信。TCP/IP协议族是互联网和大多数局域网LAN所使用的基础协议。以下是TCP/IP协议的一些关键概念和组成部分
1. TCP/IP 协议模型
TCP/IP协议模型分为四个层次每一层都有其特定的功能 应用层Application Layer 提供用户直接使用的网络服务如HTTP用于网页浏览、FTP文件传输、SMTP电子邮件传输、DNS域名解析等。 传输层Transport Layer 负责端到端的数据传输和流量控制。TCPTransmission Control Protocol提供可靠的、面向连接的数据传输确保数据按顺序到达且无错误。UDPUser Datagram Protocol提供无连接的、尽力而为的数据传输适用于需要快速传输且容忍丢包的应用如视频流和在线游戏。 网络层Internet Layer 负责数据包在网络中的路由选择和转发。IPInternet Protocol是核心协议负责将数据包从源地址传送到目标地址。IP地址标识网络上的设备。ICMPInternet Control Message Protocol用于发送错误消息和网络诊断信息如ping工具。 链路层Link Layer 负责在物理网络媒介上传输数据帧。包括以太网、Wi-Fi等具体的物理和数据链路层协议。
2. TCP/IP 协议的工作原理
TCP传输控制协议
连接建立TCP使用三次握手建立连接确保双方都准备好发送和接收数据。数据传输数据被分割成小的数据包段每个段都有一个序列号。TCP确保所有段按序到达重传丢失的段并通过校验和检查数据完整性。连接终止通过四次握手终止连接确保所有数据都被成功传输。
IP互联网协议
路由选择IP负责根据目标IP地址选择最佳路径将数据包从源地址传送到目标地址。分片和重组当数据包超过网络MTU最大传输单元时IP会将其分片传输并在目标处重新组装。
3. TCP/IP 协议的优势
互操作性TCP/IP是一个开放的标准协议广泛支持多种硬件和操作系统确保不同设备间的互操作性。可伸缩性TCP/IP可以支持从小型局域网到全球互联网的各种规模的网络。可靠性TCP协议提供了可靠的数据传输机制确保数据在不丢失、不重复的情况下传输。灵活性通过分层设计TCP/IP协议可以适应各种不同的网络技术和应用需求。
总之TCP/IP协议是现代计算机网络和互联网的基础它提供了一个标准化的框架使得不同设备和系统之间能够高效、可靠地进行通信。
客户端-服务器模型
客户端-服务器模型Client-Server Model是一种网络架构模型其中任务或工作量在服务提供者服务器和服务请求者客户端之间分配。该模型广泛应用于网络和分布式计算中。以下是该模型的基本概念和工作原理
基本概念 客户端Client 客户端是发起请求的实体可以是计算机、应用程序或设备。客户端向服务器请求资源或服务并处理服务器返回的响应。客户端通常具有用户界面允许用户与系统进行交互。 服务器Server 服务器是响应请求的实体通常是高性能计算机或专门的软件程序。服务器处理客户端的请求执行必要的计算或操作并将结果返回给客户端。服务器可以提供多种服务如文件存储、数据库访问、网页服务等。
工作原理 请求和响应 客户端通过网络向服务器发送请求。请求包含所需服务的详细信息如资源地址、参数等。服务器接收到请求后处理请求并生成响应。响应包含所需的数据或操作结果然后通过网络发送回客户端。 连接管理 客户端和服务器之间可以通过多种方式建立连接常见的有短连接和长连接。短连接每次请求响应完成后连接即关闭。如HTTP/1.0协议。长连接连接在多个请求响应之间保持打开状态提高效率。如HTTP/1.1及其后的版本。
优势和应用
优势 分工明确 服务器专注于提供和管理资源或服务客户端专注于用户交互和请求发起。资源集中管理便于维护和更新。 可扩展性 服务器可以集中处理大量请求通过添加更多服务器实现系统的水平扩展。客户端数量增加时不需要修改服务器端的设计只需增加硬件资源即可。 安全性 服务器可以集中管理安全策略和数据保护措施提高系统的整体安全性。
应用 Web应用 浏览器客户端向Web服务器发送请求服务器返回网页内容。例如用户访问网站时浏览器发送HTTP请求Web服务器处理请求并返回HTML页面。 电子邮件 邮件客户端如Outlook、Gmail向邮件服务器如SMTP、IMAP服务器发送和接收电子邮件。服务器存储和管理邮件客户端提供用户界面进行邮件操作。 文件共享 客户端通过文件传输协议如FTP向文件服务器请求下载或上传文件。服务器管理文件存储和访问权限。 数据库访问 应用程序客户端向数据库服务器发送SQL查询请求服务器处理查询并返回结果。例如企业内部系统查询客户数据。
图示 Client Server
---------------- ----------------------
| User Interface| --- | Application Services |
| | --- | |
| | --- | |
---------------- ----------------------在客户端-服务器模型中客户端和服务器通过网络进行通信完成任务的分配和协作。这个模型在现代计算中广泛应用支持从简单的网页浏览到复杂的企业级应用系统。
OSI开放系统互连Open Systems Interconnection模型是一个标准化的网络通信框架旨在使不同系统之间的互连和通信更加顺畅。OSI模型由国际标准化组织ISO在1984年制定并分为七个层次每个层次都有特定的功能和协议。以下是OSI模型的七层结构及其功能
OSI 模型的七层结构 物理层Physical Layer 功能负责在物理媒体上发送和接收原始的比特流0和1。包括物理连接、信号传输、比特同步等。协议和设备网线、光纤、电缆、集线器、网络接口卡NIC。 数据链路层Data Link Layer 功能负责在物理层上提供可靠的数据传输包括帧的组装、地址命名、错误检测和纠正。子层逻辑链路控制LLC和媒体访问控制MAC。协议和设备以太网、Wi-Fi、交换机、桥接器。 网络层Network Layer 功能负责路由选择和逻辑地址的管理将数据包从源节点传送到目的节点。协议和设备IP互联网协议、路由器。 传输层Transport Layer 功能提供端到端的通信服务包括数据分段、传输控制、错误检测和纠正、流量控制等。协议TCP传输控制协议、UDP用户数据报协议。 会话层Session Layer 功能管理会话和连接提供建立、维护和终止通信会话的机制。功能会话管理、同步、对话控制。 表示层Presentation Layer 功能负责数据的格式化、编码和解码确保不同系统之间的数据兼容性。功能数据压缩、加密/解密、格式转换。 应用层Application Layer 功能提供直接为用户或应用程序使用的网络服务和接口。协议和应用HTTP、FTP、SMTP、DNS、Telnet。
OSI 模型的功能和意义
1. 标准化
OSI模型提供了一个标准化的框架使不同制造商和开发者可以创建互操作的硬件和软件。
2. 模块化
通过分层设计OSI模型使得网络通信可以模块化。每一层独立工作且与上下层通信使得开发和故障排除更加简便。
3. 可互换性
协议和技术可以在特定层进行替换或升级而不会影响整个系统的其余部分。
4. 教育和理解
OSI模型提供了一个清晰的网络通信结构使学生和工程师能够更好地理解和学习网络概念和协议。
5. 故障排除
分层模型使网络故障排除更为系统化可以逐层检查和解决问题定位具体的故障位置。
OSI模型与TCP/IP模型
尽管OSI模型是一个理论模型但在实际应用中TCP/IP协议族更为广泛使用。TCP/IP模型有四层有时分为五层如下所示
网络接口层Network Interface Layer对应OSI的物理层和数据链路层互联网层Internet Layer对应OSI的网络层传输层Transport Layer与OSI的传输层相对应应用层Application Layer对应OSI的会话层、表示层和应用层
尽管TCP/IP模型更为实际但OSI模型的分层思想和结构化方法仍然是理解和设计网络系统的重要基础。
OSI模型七层图示
---------------------------
| 7. 应用层 (Application) |
---------------------------
| 6. 表示层 (Presentation) |
---------------------------
| 5. 会话层 (Session) |
---------------------------
| 4. 传输层 (Transport) |
---------------------------
| 3. 网络层 (Network) |
---------------------------
| 2. 数据链路层 (Data Link)|
---------------------------
| 1. 物理层 (Physical) |
---------------------------通过理解和应用OSI模型我们可以更好地设计、实现和维护复杂的网络系统提高网络通信的效率和可靠性。
Modbus TCP设备编辑器
单击网络组态中的PLC设备会显示PLC内部所支持的主/从站的使能窗口如下图所示单击窗口中的复选框按钮来使能CPU所支持的主/从站功能如下图再从视图右侧的“网络设备列表”中双击“MODBUS_TCP”将从站添加到网络中。 Modbus TCP组态配置示例
此时在界面左侧视图中将出现ModbusTCP组态配置对应设备树。如下
主站设定 帧间隔指主站接收上一个响应数据帧到下一个请求数据帧之间等待的时间间隔。这个参数可用于调节数据交换率。
主站中添加从站 添加从站的设定 注意从站使能变量若要启用图示中的从站需要对SM3001变量置True。 其中端口、从站地址、超时时间一般不用特别设置IP根据从站的实际地址设置即可。
从站的通讯设定 这个部分的设定方式和RTU中设定时一样的这里不重复说明。
本地从站的设定
与前面主站中的从站设定不同本地从站的设定的意思是将PLC作为从站使用。我们在与HMI通信当中提到过与HMI通讯是一种典型的PLC作为从站使用的实例。 本地从站设定的部分很少按图示所示
Modbus TCP常见故障
Modbus TCP主站连接Modbus TCP从站时发生的主要故障如下 1Modbus TCP主站连接Modbus TCP从站配置IP不正确导致主站与从站通信无法建立。 2Modbus TCP主站访问Modbus TCP从站非法地址返回错误应答。 3Modbus TCP主站操作Modbus TCP从站写寄存器但是Modbus TCP从站该寄存器只支持读不支持写操作Modbus TCP主站会收到Modbus TCP从站返回的出错应答。 要判定通讯故障是哪些原因造成的可以通过返回的错误帧进行判定。
通讯帧格式说明
如果要特别读取SM、SD等区的话可以参考帮助手册其他的通讯方式同RTU这里不展开说明了。
