Modbus 协议版本

Modbus 是工业界常用的一种简单、可靠、开放的通信协议,可以在多种通信媒介上实施,包括常见的 RS232、RS485 和以太网。随着 Modbus-TCP 的广泛应用,国际互联网组织规定并保留了 TCP/IP 协议栈上的系统 502 端口,专门用于访问 Modbus 设备。

下图大致展示了 Modbus 协议栈模型。

Modbus 通信协议目前存在用于串行链路、TCP/IP 以太网以及其他支持互联网协议的网络版本。在实际应用中,通过 RS485 和 TCP/IP 连接的方式最为常见。下面介绍 Modbus 协议的多种变体。

Modbus RTU

Modbus RTU 是 Modbus 最常见的实现方式,它基于串行通信总线(例如 RS232、RS485),并采用紧凑的二进制数据形式进行协议通信。RTU 格式在命令/数据之后带有循环冗余校验的校验和作为错误校验机制,以确保数据的可靠性。Modbus RTU 消息必须连续传输,没有字符间犹豫。Modbus 消息由空闲(静默)时段构成(分隔)。

RTU 模式每个字节(11位)的格式为:

帧格式 说明
编码系统 8位二进制
数据位 1位 起始位
8位 数据位,首先发送最低有效位
1位 奇偶校验(注:默认偶校验是必须的,奇校验或无校验也可以使用)
1位 停止位(注:使用无校验时要求2个停止位)
帧发送方式 每个字符或字节均由从左到右顺序发送
检验 CRC(循环冗余校验),低位字节先发
起始/结束 报文帧由时长至少为 3.5 个字节时间的空闲间隔区分 1 帧数据

Modbus ASCII

Modbus ASCII 和 Modbus RTU 一样都是使用串行链路通信方式,不同的是,Modbus ASCII 采用一种人类可读的、冗长的表示方式,并使用纵向冗余校验的校验和保证数据传输的完整性。Modbus ASCII 消息由前导冒号 (“:”) 和尾随换行符 (CR/LF) 构成。

ASCII 模式每个字节(10位)的格式为:

帧格式 说明
编码系统 十六进制,ASCII 字符 0-9,A-F
数据位 1位 起始位
7位 数据位,首先发送最低有效位
1位 奇偶校验(注:默认偶校验是必须的,奇校验或无校验也可以使用)
1位 停止位(注:使用无校验时要求2个停止位)
帧发送方式 每个字符或字节均由从左到右顺序发送
检验 LRC(纵向冗余校验),低位字节先发
起始 一个‘冒号’(:)起始,对应 ASCII 十六进制为 3A
结束 以‘回车-换行’(CR,LF)对(ASCII 十六进制 0D 和 0A)结束

需要注意的是,由于帧格式不同,被配置为 RTU 模式的节点是不能与配置为 ASCII 模式的节点正常通信,反之亦然。

Modbus TCP

Modbus TCP(或称为 Modbus TCP/IP)是一种 Modbus 变体,用于通过 TCP/IP 网络进行通信,通过端口 502 进行连接。和前面两种不一样,Modbus TCP 不需要校验和计算,因为较低层的 TCP/IP 协议栈已经提供校验和保护。

如果将校验和包含在有效载荷中,形成与 Modbus RTU 类似的帧,则称为 Modbus RTU/IP。

其他版本

除了上述三种常用的 Modbus 协议,还有如下一些不太常见的 Modbus 扩展版本。

Modbus over UDP

既然有 Modbus over TCP,那么自然也会有人尝试将 Modbus 运行在 UDP 之上,即 Modbus over UDP。 这么做的好处是消除了 TCP 所需的开销。

Modbus Plus

Modbus Plus(Modbus+、MB+ 或 MBP)协议是 Schneider Electric 的专利,与其他变体不同,它支持多个主站之间的点对点通信。不过,它需要一个专用的协处理器来处理类似 HDLC 的高速令牌轮换。它使用 1 Mbit/s 的双绞线,并在每个节点都有变压器隔离,这使其成为转换/边沿触发而不是电压/电平触发。连接 Modbus Plus 到计算机需要特殊的硬件,通常是支持 ISA、PCI 或 PCMCIA 总线的板卡。

Pemex Modbus

Pemex Modbus 是标准 Modbus 的扩展,支持历史和流量数据。它是为 Pemex 石油和天然气公司设计的,用于过程控制,但从未得到广泛采用。

Enron Modbus

Enron Modbus 是 Enron 公司开发的标准 Modbus 的另一个扩展,支持 32 位整数和浮点变量以及历史和流量数据。数据类型使用标准地址映射。历史数据用于满足美国石油协会 (API) 行业标准,即如何存储数据。

注意事项

前四种 Modbus 协议(Modbus RTU、Modbus ASCII、Modbus TCP 和 Modbus UDP)在数据模型和功能调用上都是相同的,只是传输报文的封装方式不同。但是,由于帧格式不同,因此这些协议变体并不是可互操作的。

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