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1、MODBUS通讯协议M.D.Kotsovos 伦敦皇家科学与技术学院机械工程系Modbus协议是Modicon公司于1978年发明的一个用于PLC和控制器之间通讯的协议。M0dbus协议将通信参与者规定为“主站”(MASTER)和“从站”(SLAVE)。Modbus规定,只有主站具有主动权,从站只能被动的响应,包括回答出错信息。本文将PLC设定为主站,高压柜保护装置设定为1号从站,电容馈线柜保护装置设定为2号从站。Modbus协议有ASCII和RTU两种传输模式。在ASCII方式中,消息中的每个8Bit字节需2个ASCII字符,其优点是准许字符的传输间隔达到1 s而不产生错误;在RTU方式中,
2、每个8Bit字节包含两个4Bit的十六进制字符,其优点是在同样的波特率下,可比ASCII方式传送更多的数据,但是每个消息必须以连续的数据流传输。本文采用的模式是RTU模式。它没有起始位和停止位,而是以至少3.5个字符间隔时间(T1-T2-T3-T4)标志开始和结束。RTU模式采用CRC16冗余校验方式,信息帧由地址域、功能域和CRC校验域构成,所有字符位由16进制数组成。每个字节的位包括:1个起始位,8个数据位,1个奇偶校验位,1个或2个停止位(无奇偶校验时)。Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通讯。它
3、己经成为一通用工业标准。Modbus协议是一种在工业领域被广为应用的真正开放、标准的网络通讯协议，被大部分SCADA(Supervisor Control And Data Acquisition数据采集与监视控制系统)HM工(Human Machine Interface人机界面)软件支持，所以它实际上己经成为一种通用的工业标准。有了它不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通讯的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式
4、。当在一Modbus网络上通讯时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包的结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。Modbus有两种传输模式，一种是ASCII模式，另一种是RTU模式。当控制器设为在Modbus网络上以ASCI工(美国标准信息交换代码)模式通讯，在消息中的每个s字节都作为两个ASCI工字符发送。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。1.在Mod
5、bus网络上转输标准的Modbus口是使用一RS-232兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由Modem组网。控制器通讯使用主一从技术，即仅一设备(主设备)能初始化传输(查询)。其它设备(从设备)根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备:主机和可编程仪表。典型的从设备:可编程控制器。主设备可单独和从设备通讯，也能以广播方式和所有从设备通讯。如果单独通讯，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。Modbus协议建立了主设备查询的格式:设备(或广播)地址、功能代码、所有要发送的数据、一错误检测域。从设备回应消息
6、也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去口通讯模式。2.在其它网络上转输在其它网络上，控制器使用对等技术通讯，故任何控制都能初始和其它控制器的通讯。这样在单独的通讯过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。提供的多个内部通道可允许同时发生的传输进程。在消息位，Modbus协议仍提供了主一从原则，尽管网络通讯方法是对等。如果一控制器发送一消息，它只是作为主设备，并期望从从设备得到回应。同样，当控制器接收到一消息，它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控制器
7、。3.查询一回应周期1）查询查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。例如:功能代码03是要求从设备读保持寄存器并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息:从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。2）回应如果从设备产生一正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据:寄存器值或状态。如果有错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误检测允许主设备确认消息内容是否可用。4.Modbu
8、s消息帧两种传输模式中(ASC或RTU)，传输设备以将Modbus消息转为有起点和终点的帧，这就允许接收的设备在消息起始处开始工作，读地址分配信息，判断哪一个设备被选中(广播方式则传给所有设备)，判断何时信息己完成。部分的消息也能检测到并且错误能设置为返回结果。1）ASCll帧使用ASCH模式，消息以冒号(:)字符(ASCH码3AH)开始，以回车换行符结束(ASC工1码ODH，OAH)。其它域可以使用的传输字符是十六进制的09，AF。网络上的设备不断检测“:”字符，当有一个冒号接收到时，每个设备都解码下个域(地址域)来判断是否发给自己的。消息中字符间发送的时间间隔最长不能超过1秒，否则接收的设
9、备将认为传输错误。一个典型消息帧如下所示:2）RTU模式使用RTU模式，消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始。在网络波特率下多样的字符时间，这是最容易实现的(如下图的Tl-T2-T3-T-4所示)。传输的第一个域是设备地址。可以使用的传输字符是十六进制的0-9，A-F。网络设备不断检测网络总线，包括停顿间隔时间内。当第一个域(地址域)接收到，每个设备都进行解码以判断是否发往自己的。在最后一个传输字符之后，一个至少3.5个字符时间的停顿标定了消息的结束。一个新的消息可在此停顿后开始。整个消息帧必须作为一连续的流传输。如果在帧完成之前有超过1.5个字符时间的停顿时间，接收设备将刷新不完整
10、的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域。同样地，如果一个新消息在小于3.5个字符时间内接着前个消息开始，接收的设备将认为它是前一消息的延续。这将导致一个错误，因为在最后的CRC域的值不可能是正确的。一典型的消息帧如下所示:3）地址域消息帧的地址域包含两个字符(ASCII)或8Bit (RTU)。可能的从设备地址是0. 247(十进制)。单个设备的地址范围是1.247。主设备通过将要联络的从设备的地址放入消息中的地址域来选通从设备。当从设备发送回应消息时，它把自己的地址放入回应的地址域中，以便主设备知道是哪一个设备作出回应。地址0是用作广播地址，以使所有的从设备都能认识。当Modbus协议用于
11、更高水准的网络，广播可能不允许或以其它方式代替。4）如何处理功能域消息帧中的功能代码域包含了两个字符(ASC工I)或Hits (RTU)。可能的代码范围是十进制的1255。当然，有些代码是适用于所有控制器，有些是应用于某种控制器，还有些保留以备后用。当消息从主设备发往从设备时，功能代码域将告之从设备需要执行哪些行为。例如去读取输入的开关状态，读一组寄存器的数据内容，读从设备的诊断状态，允许调入、记录、校验在从设备中的程序等。当从设备回应时，它使用功能代码域来指示是正常回应(无误)还是有某种错误发生(称作异议回应)。对正常回应，从设备仅回应相应的功能代码。对异议回应，从设备返回一等同于正常代码的
12、代码，但最高有效位置为逻辑1。例如:一从主设备发往从设备的消息要求读一组保持寄存器，将产生如下功能代码:00000011 (十六进制03H)对正常回应，从设备仅回应同样的功能代码。对异议回应，它返回:10000011 (十六进制83H)除功能代码因异议错误作了修改外，从设备将一独特的代码放到回应消息的数据域中，这能告诉主设备发生了什么错误。主设备应用程序得到异议的回应后，典型的处理过程是重发消息，或者诊断发给从设备的消息并报告给操作员。5）数据域数据域是由两个十六进制数集合构成的，范围00. FF。根据网络传输模式，这可以是由一对ASCII字符组成或由一RTU字符组成。从主设备发给从设备消息的
13、数据域包含附加的信息:从设备必须用于进行执行由功能代码所定义的所为。这包括了向不连续的寄存器地址，要处理项的数目，域中实际数据字节数。例如，如果主设备需要从设备读取一组保持寄存器(功能代码03)，数据域指定了起始寄存器以及要读的寄存器数量。如果主设备写一组从设备的寄存器(功能代码10十六进制)，数据域则指明了要写的起始寄存器以及要写的寄存器数量，数据域的数据字节数，要写入寄存器的数据。如果没有错误发生，从从设备返回的数据域包含请求的数据。如果有错误发生，此域包含一异议代码，主设备应用程序可以用来判断采取下一步行动。在某种消息中数据域可以是不存在的(0长度)。例如，主设备要求从设备回应通信事件记
14、录(功能代码OB十六进制)，从设备不需任何附加的信息。6）错误检测域标准的Modbus网络有两种错误检测方法。错误检测域的内容视所选的检测方法而定。ASCII当选用ASCII模式作字符帧，错误检测域包含两个ASCII字符。这是使用LRC(纵向冗长检测)方法对消息内容计算得出的，不包括开始的冒号符以及回车换行符。LRC字符附加在回车换行符前面。RTU当选用RTU模式作字符帧，错误检测域包含一个16Bits值(用两个8位的字符来实现)。错误检测域的内容是通过对消息内容进行循环冗余检测方法得出的。CRC域附加在消息的最后，添加时先是低字节然后是高字节。故CRC的高位字节是发送消息的最后一个字节。7）
15、字符的连续传输当消息在标准的Modbus系列网络传输时，每个字符以如下方式发送(从左到右):最低有效位 最高有效位使用ASCII字符帧。5.错误检测方法通讯系统中可能发生的错误有两种:传输错误;编程或操作错误。Modbus系统对这两种错误各有专门的处理方式。通讯错误一般指的是报文内的数位有所改变，报文中增添或减少数位的情况是很少见的。最常引起通讯错误的是噪声:通讯通道中不需要的电信号，来自机器的电干扰，对通道的损害，脉冲噪声(尖峰脉冲)等都会产生这类电信号。标准的Modbus串行网络采用两种错误检测方法。奇偶校验对每个字符都可用，帧检测(LRC或CRC)应用于整个消息。它们都是在消息发送前由主
16、设备产生的，从设备在接收过程中检测每个字符和整个消息帧。当奇偶校验或冗余校验检出通讯错误时，报文处理就会停比。从机不再继续通讯，不对此报文产生应答。通讯错误一旦发生，报文便视为不可靠。而Modbus系统的程序使得Modbus主机能在一定时间过后未收到应答的情况下做出“通讯错误必己发生”的判断。这一段时间的长度视波特率、报文类型、从机的扫描时间而定。时间一旦设定即可对主机编程，使之自动重发报文。Modbus通讯协议的两种传送方式ASC和RTU，其字符格式内均有任选的奇偶校验位。RTU方式的数据字段第9位是奇偶校验位(8个数据位，1个奇偶校验位); ASCI工的数据字段以第8位为奇偶校验位(7个数据位，1个奇偶位)。若不使用奇偶校验，则无奇偶校验位发送。Modbus系统中的奇偶校验是任选项，用户在对接口设备进行配置时，应对奇校验或偶校验进行适当选择。但系统内所有设备的配置必须采用相同的任选项。M
