工业数据通信与控制网络

第3章 Modbus现场总线 3.1 Modbus概述 3.2 Modbus物理层 3.3 Modbus串行链路层标准 3.4 台达工业自动化设备 3.5 Modbus系统组态

3.1 Modbus概述 Modbus 协议介绍 Modbus协议最初由Modicon公司开发出来， 此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。 许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。

3.1 Modbus概述 Modbus 协议类型介绍 Modbus协议包括ASCII、RTU、TCP等。标准的Modicon控制器使用RS232C实现串行的Modbus。 Modbus的ASCII、RTU协议规定了消息、数据的结构、命令和问答的方式， 数据通讯采用Maser/Slave方式，Master端发出数据请求消息，Slave端接收到正确消息后就可以发送数据到Master端以响应请求； Master端也可以直接发消息修改Slave端的数据，实现双向读写。 RTU（远程终端单元），英文全称RemoteTerminalUnit，中文全称为远程终端控制系统

3.1 Modbus概述 Modbus 协议类型介绍 Modbus协议需要对数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外； ASCII模式采用LRC校验，LRC是一个包含一个8位二进制的字节； RTU模式采用16位CRC校验，CRC域是两个字节，包含一个16位的二进制值； 但TCP模式没有额外规定校验，因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。 纵向冗余校验(LRC,Longitudinal Redundancy Check) CRC即循环冗余校验码（Cyclic Redundancy Check）

3.1 Modbus概述

3.1 Modbus概述 一、Modbus发展历史 Modicon公司提出的通信规约。 Modicon公司被施耐德电气公司收购。 施耐德将Modbus协议的所有权移交给IDA (Interface for Distributed Automation，分布式自动化接口)组织，成立了Modbus-IDA组织。 Modbus-RTPS成为实时以太网 标准IEC61784-2。 Modbus已经成为国家标准GB/T19582-2008。

3.1 Modbus概述 二、Modbus特点 标准、开放 用户可以免费、放心地使用Modbus协议。 灵活 支持多种物理层标准，如RS-232、RS-485、以太网等。 简单 Modbus的帧格式简单、紧凑，通俗易懂。

3.1 Modbus概述 Modbus技术规范的关系

3.1 Modbus概述 Modbus是一种简单客户机/服务器应用协议 客户机能够向服务器发送请求。 服务器分析请求，处理请求，向客户机发送应答。

通用Modbus帧结构－－协议数据单元 (PDU) Modbus协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元（PDU），特定总线或网络上的Modbus协议映射能够在应用数据单元（ADU）上引入一些附加域。

3.1 Modbus概述 Modbus事务处理（无差错） 当服务器对客户机响应时，它使用功能码域来指示正常（无差错）响应或者出现某种差错（称为异常响应）。 对于一个正常响应来说，服务器仅复制原始功能码。

3.1 Modbus概述 Modbus事务处理（异常响应） 对于异常响应，服务器将原始功能码的最高有效位设置逻辑1后返回。 异常码指示差错类型。

3.1 Modbus概述 三、Modbus通信模型 Modbus协议规范的核心是应用层标准。 物理层、数据链路层可灵活选择

3.1 Modbus概述 四、通用Modbus帧 Modbus协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元（PDU），特定总线或网络上的Modbus协议映射能够在应用数据单元（ADU）上引入一些附加字段 。

3.1 Modbus概述 五、Modbus通信原理 Modbus是一种简单的客户机/服务器型应用协议。

3.1 Modbus概述 五、Modbus通信原理 客户机向服务器发请求，服务器分析并处理客户机的请求后返回响应； 1个主站（客户机），最多247个从站（服务器）； 可以采用单播模式和广播模式（0地址）； 产生错误，服务器返回通信异常码。

3.2 Modbus物理层 一、RS-232接口标准 美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association） 信号标准

3.2 Modbus物理层 电气特性 在TXD和RXD上： 在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上： 逻辑1（MARK）=-3V～-15V 逻辑0（SPACE）=+3～+15V 在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上： 信号有效（接通，ON状态，正电压）=+3V～+15V 信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V～-15V

3.2 Modbus物理层 RS-232电平转换器 为了实现采用+5V供电的TTL和CMOS通信接口电路能与RS-232标准接口连接。必须进行串行口的输入/输出信号的电平转换。 目前常用的电平转换器有 MOTOROLA公司生产的MC1488驱动器、MC1489接收器 TI公司的SN75188驱动器、SN75189接收器 美国MAXIM公司生产的单一+5V电源供电、多路RS-232驱动器/接收器，如MAX232A。 中文名：TTL电平 外文名：transistor transistor logic 规    定：二进制 又    称：晶体管-晶体管逻辑电平 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）， 互补金属氧化物半导体，电压控制的一种放大器件，是组成CMOS数字集成电路的基本单元。

3.2 Modbus物理层 二、RS-485接口标准 RS-485接口特点 （1）双线差分电气信号 （2）半双工传输模式 （3）最远1200米通信距离 （4）最快10Mbit/s通信速率 （5）最大支持32个节点

3.2 Modbus物理层 RS-485的优点 （1）成本低 （2）网络驱动能力强 （3）通信距离远 （4）传输速率快

3.2 Modbus物理层 RS-485收发器 RS-485收发器种类较多，如MAXIM公司的MAX485，TI公司的SN75LBC184，高速型SN65ALS1176等。

3.3 Modbus串行链路层标准 Modbus串行链路层标准就是通常所说的标准Modbus协议，它是Modbus协议在串行链路上的实现。

3.3 Modbus串行链路层标准 Modbus协议在串行链路上的实现模型 主要是在RS485和RS232等物理接口上实现Modbus协议。 ISO/OSI 模型   7 应用层 Modbus应用协议 6 表示层 空 5 会话层 4 传输层 3 网络层 2 数据链路层 Modbus串行链路协议 1 物理层 EIA/TIA-485 (或 EIA/TIA232)

3.3 Modbus串行链路层标准 Modbus主站-从站协议原理 子节点之间互不通信。 主节点在同一时刻只会发起一个Modbus事务处理。 主节点以两种模式对子节点发送Modbus请求：广播、单播。

3.3 Modbus串行链路层标准 主站工作状态图

3.3 Modbus串行链路层标准 从站工作状态图

3.3 Modbus串行链路层标准 主/从通信的三种典型情况

3.3 Modbus串行链路层标准 串行链路上的Modbus地址规则 Modbus寻址空间有256个不同地址 地址0为广播地址 1——247 248——255 广播地址 子节点单独地址 保留

3.3 Modbus串行链路层标准 串行链路上的Modbus帧结构 Modbus串行链路协议是一个主/从协议 网络上的每个从站必须有唯一的地址（从1到247） 从站地址用于寻址从站设备，由主站发起 地址0用于广播模式，不需要响应 RS-485和RS-232 定义了标准的物理端口，提高互可操作性

3.3 Modbus串行链路层标准 两种Modbus串行传输模式 RTU模式：每个8 Bit字节包含两个4 Bit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,但是每个信息必须以连续的数据流传输。 ASCII模式：信息中的每个8 Bit字节需2个ASCII字符,其优点是准许字符的传输间隔达到1s而不产生错误;

3.3 Modbus串行链路层标准 Modbus 的优缺点 优点： 公开的协议，完全免费。 简单易用，性能稳定。 广泛的知识资源支持。 缺点： 自适应性差，需合理组态。 通信效率低。

3.3 Modbus串行链路层标准 一、Modbus的传输模式 ASCII模式 异步串行通信传送ASCII字符； 字符间的时间间隔不能超过1秒； 帧结构

3.3 Modbus串行链路层标准 RTU模式 异步串行通信传送十六进制数； 帧间的停顿时间要超过3.5个字符时间； 字符间的时间间隔不能超过1.5个字符时间； 帧结构

3.3 Modbus串行链路层标准 地址域 功能代码域 数据域 地址范围：1~247，0为广播地址。 功能代码范围：1~255（01H~FFH）。 数据域 数据域数值范围： 01H~FFH； 根据功能代码不同数据具有寄存器地址、数据长度、读写数据等不同意义。

3.3 Modbus串行链路层标准 二、Modbus的差错验码 奇偶校验 LRC检测 CRC检测

3.3 Modbus串行链路层标准 三、Modbus功能码 （1）公共功能码 被Modbus-IDA组织确切定义的、唯一的功能码。 （2）用户定义功能码 用户无需Modbus-IDA组织的任何批准，就可以选择和实现的功能码。 （3）保留功能码 某些公司在传统产品上现行使用的功能码。

3.3 Modbus串行链路层标准 常用功能代码

3.3 Modbus串行链路层标准 四、Modbus协议编程实现

3.4 台达工业自动化设备 RS-485 左侧扩展口 RS-232 一、台达PLC简介

3.4 台达工业自动化设备 一、台达PLC简介 台达DVP28SV主机支持左侧高速网络模块扩展。

3.4 台达工业自动化设备 二、台达触摸屏 以太网 RS-232 RS-485

3.4 台达工业自动化设备 三、台达变频器 RS-485接口 Modbus协议 可安装PROFIBUS、 DeviceNet、LonWorks、 CANopen通信扩展卡

3.4 台达工业自动化设备 四、伺服驱动器 RS-232接口 RS-485接口 Modbus协议 CANopen通信口

3.5 Modbus系统组态 功能要求：组建Modbus 网络，完成由一个触摸屏通过PLC来控制一台VFD-B变频器启动、停止、改变频率的功能。 1. 系统分析 Modbus网络采用主从结构： (1) Modbus主站采用台达SV系列PLC构成； (2) Modbus从站采用台达VFD-B变频器； (3) 触摸屏采用台达DOP-B07E515。

3.5 Modbus系统组态

3.5 Modbus系统组态 2. 变频器参数配置

3.5 Modbus系统组态 3. 触摸屏配置 触摸屏与PLC采用RS-232连接，Screen Editor软件的组态通信参数、变量映射、动画设计等 。

3.5 Modbus系统组态

3.5 Modbus系统组态 4. Modbus网络控制 控制要求： 当触摸屏中启动按钮按下时，PLC中M0=ON，VFD-B 变频器启动。 通过触摸屏给定频率输入向PLC的D1写入给定频率值，PLC通过Modbus将给定频率写入变频器，再读出变频器中的给定频率和输出频率，最后送往触摸屏显示。

3.5 Modbus系统组态 （1）变频器通信参数地址

3.5 Modbus系统组态 （2）PLC梯形图程序

3.5 Modbus系统组态

3.6 Modbus协议在TCP/IP上的实现 ModbusTCP简介 ModbusTCP是运行在TCP/IP上的Modbus 报文传输协议。通过此协议，控制器相互之间通过网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。 ModbusTCP是开放的协议，IANA（Internet Assigned Numbers Authority，互联网编号分配管理机构）给Modbus协议赋予TCP编口号为502，这是目前在仪表与自动化行业中唯一分配到的端口号。 ModbusTCP/IP协议模型

3.6 Modbus协议在TCP/IP上的实现 ModbusTCP通信结构 Modbus TCP/IP的通信设备：连接至TCP/IP网络的Modbus TCP/IP客户机和服务器设备。 互连设备，如：在TCP/IP网络和串行链路子网之间互连的网桥、路由器或网关等设备。

3.6 Modbus协议在TCP/IP上的实现 ModbusTCP数据帧 ModbusTCP数据帧与串行链路数据帧的区别

3.6 Modbus协议在TCP/IP上的实现 MBAP报文头 域 长度 描述 客户机 服务器 事务处理标识符 2字节 客户机启动 服务器从接收的请求中重新复制 协议标识符 0=Modbus协议 随后字节的数量 客户机启动（请求） 服务器（响应）启动 单元标识符 1字节 串行链路或其它总线上连接的远程从站的识别

3.6 Modbus协议在TCP/IP上的实现 ModbusTCP报文传输服务结构 用户应用 通讯 资 源 管 理 与 流 量 管理层 控 应用层 MODBUS 客户接口 MODBUS客户机 MODBUS服务器 TCP 管理层 栈参数化 连接管理 访问控制 TCP/IP栈 资 源 管 理 与 流 量 控 制 ModbusTCP报文传输服务结构

3.6 Modbus协议在TCP/IP上的实现 通信应用层 Modbus客户机：允许用户应用控制与远程设备的信息交换。Modbus客户机根据用户应用向Modbus客户机接口的发送要求中所包含的参数来建立一个Modbus请求。 Modbus客户机接口：Modbus客户机接口提供一个接口，使得用户应用能够生成各类Modbus服务的请求，该服务包括对Modbus应用对象的访问。 Modbus服务器：在收到一个Modbus请求以后，模块激活一个本地操作进行读、写、或完成其他操作。

3.6 Modbus协议在TCP/IP上的实现 TCP管理层 管理通信的建立和结束以及管理在所建立的TCP连接上的数据流。 连接管理： 在客户机和服务器的Modbus模块之间的通信需要使用TCP连接管理模块，负责全面管理报文传输TCP连接。 访问控制： 在某些至关重要的场合，必须禁止无关的主机对设备内部数据的访问。

3.6 Modbus协议在TCP/IP上的实现 TCP/IP栈层 可以对TCP/IP的栈进行参数配置，以适用于不同的产品或 系统特定的约束条件，来进行数据流控制、地址管理和连 接管理，使用BSD套接字接口来管理TCP连接。

3.6 Modbus协议在TCP/IP上的实现 TCP连接管理 MODBUS通信需要建立客户机与服务器之间的TCP连接。 在第二种情况，TCP 连接管理完全不出现，用户应用仅需要发送和接受MODBUS 报文。TCP 连接管理模块负责在需要时建立新的TCP连接。

3.6 Modbus协议在TCP/IP上的实现 TCP连接的建立 当报文传输服务需要与远程服务器交换数据时，它必须与远程502端口建立一个新的客户机连接，以便于远距离地交换数据。本地端口必须高于1024，并且对每个客户机的连接各不相同 。

3.6 Modbus协议在TCP/IP上的实现 信息交换过程 完整的ModbusTCP通信过程：

3.6 Modbus协议在TCP/IP上的实现 客户机的通信过程如下: (1)用 Connect 命令建立与目标设备的连接; (2)准备 Modbus 报文包括 7个字节的 MBAP 在内的请求； (3)使用 Send 命令发送报文; (4)在同一连接下等待应答; (5)用 Recv 命令读取报文, 完成一次数据交换过程。当通信任务结束时, 关闭 TCP 连接,使 Modbus TCP服务器可为其它客户机服务。

3.6 Modbus协议在TCP/IP上的实现 Modbus/TCP的优缺点 优点： 缺点： 用户可免费获得协议及样板程序； 网络实施价格低廉，可全部使用通用网络部件； 易于集成不同的设备，几乎可以找到任何现场总线连接到Modbus-TCP的网关 ； 网络的传输能力，100M以太网的传输结果为：每秒4000个Modbus TCP报文，而每个报文可传输125个字(16bit)，故相当于4000×125=500000个模拟量数据(8000000开关量！)； 缺点： 实时性较差

3.6 Modbus协议在TCP/IP上的实现 应用行业规模 TCP/IP 已成为信息行业的事实标准：世界上93%的网络都使用TCP/IP，只要在应用层使用Modbus TCP，就可实现工业以太网数据交换； 目前中国已把Modbus TCP作为工业网络标准之一。在国外，Modbus TCP被国际半导体业SEMI定为网络标准，国际水处理、电力系统也把它作为应用的事实标准，还有越来越多行业把Modbus TCP作为标准来用；

作业： 简述Modbus特点。 Modbus客户机/服务器型应用协议的通信过程。 目前常用的RS-232电平转换器有哪些？ 名词解释：ASCII、RTU。 简述Modbus/TCP的优缺点。 注意： 作业网上提交，用自己的语言描述， http://jcyjs.swust.edulab.cn/，“扩展”栏目 最新PPT下载网址：http://homepage.swust.edu.cn/web/wangshunli/p/598/list.htm