| 液位計和流量計通訊過(guò)程中常見(jiàn)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議Modbus TCP簡(jiǎn)介 |
| 信息來(lái)源： 液位計和流量計 | 2022-04-06 點(diǎn)擊量： 2969 |
隨著(zhù)企業(yè)信息化進(jìn)程的深入發(fā)展，實(shí)現企業(yè)上層管理網(wǎng)絡(luò )與現場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫連接顯得越來(lái)越重要。在企業(yè)管理信息系統中由于以太網(wǎng)技術(shù)應用廣泛，線(xiàn)纜和接口設備價(jià)格相對較低等特點(diǎn)在工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統中的資源管理層、執行制造層得到廣泛應用，同時(shí)已呈現出向下延伸直接應用于工業(yè)控制現場(chǎng)的趨勢?；谶@種發(fā)展現狀，越來(lái)越多的人希望以太網(wǎng)技術(shù)能介入過(guò)程控制層，廣泛取代目前種類(lèi)繁多、標準不一的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，這不僅可以使企業(yè)的管理信息系統實(shí)現垂直方向的集成，而且能降低不同廠(chǎng)家設備在水平層面上的集成成本，在現代化的工業(yè)測量領(lǐng)域，諸如流量測量與液位測量以及各類(lèi)儀表儀器的無(wú)線(xiàn)遠傳通訊過(guò)程中也會(huì )經(jīng)常性地遇到此類(lèi)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(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(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(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)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、現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議Modbus與工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議Modbus TCPModbus現場(chǎng)總線(xiàn)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(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò )和其他設備之間可以進(jìn)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(wú)關(guān)，既支持傳統的RS232/RS485通信標準也支持以太網(wǎng)通信標準，所以根據物理層層網(wǎng)絡(luò )的不同Modbus協(xié)議被分成串行鏈路版本和運行在以太網(wǎng)的Modbus TCP版本。Modbus TCP協(xié)議以一種比較簡(jiǎn)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)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(méi)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規定僅客戶(hù)機能發(fā)起查詢(xún)，服務(wù)器僅能對客戶(hù)機發(fā)出的查詢(xún)消息作出響應。典型的客戶(hù)機是PC機、可編程儀表、人機界面。典型的服務(wù)器是可編程控制器。如果客戶(hù)機發(fā)送請求消息，表示他期望從服務(wù)器設備得到響應。同樣，當服務(wù)器接收到消息，它將建立一應答消息并返回給客戶(hù)機。
3、Modbus協(xié)議數據幀格式
在Modbus串行鏈路上的所有設備(客戶(hù)機和服務(wù)器)需要配置相同的通信參數和通信模式。串行通信參數包括波特率、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(jìn)行通信時(shí)，消息中的每一個(gè)8位的字節作為2個(gè)ASCII字符傳輸。當設備以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，應用也更廣。Modbus協(xié)議是以幀為單位進(jìn)行數據傳送的，Modbus有三種類(lèi)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(chē)和換行字符(0x0D和0x0A)表示幀的結束。幀中其他的數據只允許為16進(jìn)制數中的字符0-9 和A-F。幀包含1個(gè)字節的起始字符、2個(gè)字節的地址單元、2個(gè)字節的功能代碼、數據段和2個(gè)字節的LRC校驗字段。網(wǎng)絡(luò )中的Modbus服務(wù)器會(huì )不斷監聽(tīng)冒號，如果監聽(tīng)到冒號則判斷該幀中的地址是否為本機地址，是的話(huà)則予以響應。ASCII幀的字符之間的***大間隔為1秒，若超過(guò)1秒，接收設備認為發(fā)生了一個(gè)錯誤。
?、赗TU幀
RTU幀以超過(guò)3.5個(gè)字節的空閑時(shí)間開(kāi)始，以3.5個(gè)字節的靜止時(shí)間結束。幀包含1個(gè)字節的起始字符、1個(gè)字節的地址單元、1個(gè)字節的功能代碼、數據段和2個(gè)字節的CRC校驗字段。幀中的數據允許為任意的數。整個(gè)幀必須連續發(fā)送，發(fā)送期間若出現超過(guò)1.5個(gè)字符的靜止時(shí)間，則后面的數據會(huì )被認為是新的幀。
?、跰obus TCP幀
Modbus TCP沒(méi)有對Modbus協(xié)議本身進(jìn)行修改，而是采用了一種非常簡(jiǎn)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)議數據單元組成。MBAP頭包含2個(gè)字節的傳輸標志、2個(gè)字節的協(xié)議標志、2個(gè)字節幀長(cháng)度、1個(gè)字節的地址。協(xié)議數據單元包含1個(gè)字節的功能代碼和數據段。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(wù)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(cháng)度字段對該字段后的單元標志字段和協(xié)議數據單元中的字節數計數。
Modbus TCP幀的目的地址由IP地址所確定，因此不再有專(zhuān)門(mén)的地址字段來(lái)區分不同的Modbus TCP客戶(hù)。同時(shí)TCP傳輸是可靠的數據傳輸方式，因此不再有數據校驗。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(gè)地址字段以區分串行鏈路中不同的 Modbus服務(wù)器，實(shí)現串行鏈路中的路由功能。
4、Modbus協(xié)議數據模型
Modbus基本數據模型有四種：開(kāi)關(guān)量輸入、開(kāi)關(guān)量輸出、寄存器輸入、寄存器保持。Modbus所有要處理的數據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據模型所進(jìn)行的操作。Modbus功能代碼分成三類(lèi)：公共功能代碼、用戶(hù)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)標準，加上其協(xié)議內容可以免費獲得，因此Modbus的串行鏈路版本在市場(chǎng)上長(cháng)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(chǎng)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(kāi)放性及用戶(hù)對Modbus協(xié)議的熟悉程度再加上協(xié)議簡(jiǎn)單易學(xué)，使它比很多受商業(yè)利益驅使的協(xié)議取得更快的發(fā)展，受到眾多第三方產(chǎn)品廠(chǎng)商、終端用戶(hù)、系統集成商的廣泛支持。
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