Modbus​協議簡介

Modbus是一種串行通信協議,是Modicon公司(現在的施耐德電氣 Schneider Electric)於1979年為使用可編程邏輯控制器(PLC)通信而發表。Modbus已經成為工業領域通信協議事實上的業界標準,並且現在是工業電子設備之間常用的連接方式。Modbus比其他通信協議使用的更廣泛的主要原因有:

  1. 公開發表並且無著作權要求
  2. 易於部署和維護
  3. 對供應商來說,修改移動本地的比特或字節沒有很多限制

Modbus允許多個 (大約240個) 設備連接在同一個網絡上進行通信,舉個例子,一個由測量溫度和溼度的設備,並且將結果發送給計算機。在數據採集與監視控制系統(SCADA)中,Modbus通常用來連接監控計算機和遠程終端控制系統(RTU)


協議版本

Modbus協議目前存在用於串口、以太網以及其他支持互聯網協議的網絡的版本。

大多數Modbus設備通信通過串口EIA-485物理層進行[2]。

對於串行連接,存在兩個變種,它們在數值數據表示不同和協議細節上略有不同。Modbus RTU是一種緊湊的,採用二進制表示數據的方式,Modbus ASCII是一種人類可讀的,冗長的表示方式。這兩個變種都使用串行通信(serial communication)方式。RTU格式後續的命令/數據帶有循環冗餘校驗的校驗和,而ASCII格式採用縱向冗餘校驗的校驗和。被配置為RTU變種的節點不會和設置為ASCII變種的節點通信,反之亦然。

對於通過TCP/IP(例如以太網)的連接,存在多個Modbus/TCP變種,這種方式不需要校驗和計算。

對於所有的這三種通信協議在數據模型和功能調用上都是相同的,只有封裝方式是不同的。

Modbus有一個擴展版本Modbus Plus(Modbus+或者MB+),不過此協議是Modicon專有的,和Modbus不同。它需要一個專門的協處理器來處理類似HDLC的高速令牌旋轉。它使用1Mbit/s的雙絞線,並且每個節點都有轉換隔離設備,是一種採用轉換/邊緣觸發而不是電壓/水平觸發的設備。連接Modbus Plus到計算機需要特別的接口,通常是支持ISA(SA85),PCI或者PCMCIA總線的板卡。


通信和設備

Modbus協議是一個master/slave架構的協議。有一個節點是master節點,其他使用Modbus協議參與通信的節點是slave節點。每一個slave設備都有一個唯一的地址。在串行和MB+網絡中,只有被指定為主節點的節點可以啟動一個命令(在以太網上,任何一個設備都能發送一個Modbus命令,但是通常也只有一個主節點設備引導指令)。

一個ModBus命令包含了打算執行的設備的Modbus地址。所有設備都會收到命令,但只有指定位置的設備會執行及回應指令(地址0例外,指定地址0的指令是廣播指令,所有收到指令的設備都會運行,不過不回應指令)。所有的Modbus命令包含了檢查碼,以確定到達的命令沒有被破壞。基本的ModBus命令能指令一個RTU改變它的寄存器的某個值,控制或者讀取一個I/O端口,以及指揮設備回送一個或者多個其寄存器中的數據。

有許多modems和網關支持Modbus協議,因為Modbus協議很簡單而且容易複製。它們當中一些為這個協議特別設計的。有使用有線、無線通信甚至短消息和GPRS的不同實現。不過設計者需要克服一些包括高延遲和時序的問題。

實現

幾乎所有的實現都是官方標準的某種變體。不同的供應商設備之間可能無法正確的通信。一些主要的變化有:

  • 數據類型
  • IEEE標準的浮點數
  • 32位整型數
  • 8位數據
  • 混合數據類型
  • 整數中的位域
  • multipliers to change data to/from integer. 10, 100, 1000, 256 ...
  • 協議擴展
  • 16位的從站地址
  • 32位的數據大小(1個地址 = 返回32位數據)
  • 字交換數據
  • 限制
  • Modbus是在1970年末 為可編程邏輯控制器通信開發的,這些有限的數據類型在那個時代是可以被PLC理解的,大型二進制對象數據是不支持的。
  • 對節點而言,沒有一個標準的方法找到數據對象的描述信息,舉個例子,確定一個寄存器數據是否表示一個介於30-175度之間的溫度。
  • 由於Modbus是一個主/從協議,沒有辦法要求設備“報告異常”(構建在以太網的TCP/IP協議之上,被稱為open-mbus除外)- 主節點必須循環的詢問每個節點設備,並查找數據中的變化。在帶寬可能比較寶貴的應用中,這種方式在應用中消耗帶寬和網絡時間,例如在低速率的無線鏈路上。
  • Modbus在一個數據鏈路上只能處理247個地址,這種情況限制了可以連接到主控站點的設備數量(再一次指出以太網TCP/IP除外)
  • Modbus傳輸在遠端通訊設備之間緩衝數據的方式進行,有對通信一定是連續的限制,避免了傳輸中的緩衝區漏洞的問題
  • Modbus協議針對未經授權的命令或截取數據並無安全性


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