Modbus通信協議是什么?

關于Mod，因為這種協議最早被用在PLC控制器中，準確的說是Modicon公司的PLC控制器，這也是Mod-Bus名稱的由來。后來Modicon被施耐德（Schneider）收購，Modbus協議廣泛應用在工業控制器、HMI和傳感器上，逐漸被其他廠商所接受，成為了一種主流的通訊協議，用于和外圍設備進行通訊。

Modbus協議作為當今工業控制領域的通用通訊協議，在無數物聯網產品中得到應用，工業、農業等物聯網解決方案中都有其身影。ModBus網絡是一個工業通信系統，由智能終端的可編程序控制器和計算機，通過公用線路或局部專用線路連接而成。其系統結構既包括硬件、亦包括軟件，應用于各種數據采集和過程監控。

Modbus網絡體系

通過Modbus協議，控制器相互之間、或控制器經由網絡(如以太網)可以和其它設備之間進行通信。Modbus協議使用的是主從通訊技術，即由主設備主動查詢和操作從設備。一般將主控設備方所使用的協議稱為Modbus Master，從設備方使用的協議稱為Modbus Slave。典型的主設備包括工控機和工業控制器等;典型的從設備如PLC可編程控制器等。Modbus通訊物理接口可以選用串口(包括RS232和RS485)，也可以選擇以太網口。

Modbus在7層OSI參考模型中屬于第七層應用層，數據鏈路層有兩種：基于標準串口協議和TCP協議，物理層可使用3線232、2線485、4線422，或光纖、網線、無線等多種傳輸介質。

ModBus網絡只有一個主機，發出通訊信號，多個從機，網絡可支持247個之多的遠程從屬控制器，但實際所支持的從機數要由所用通信設備決定。采用這個系統，各PC可以和中心主機交換信息而不影響各PC執行本身的控制任務。

Modbus協議包括ASCII、RTU、TCP等，并沒有規定物理層。此協議定義了控制器能夠認識和使用的消息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的。

Modbus協議目前存在用于串口、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。

對于串行連接，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。

三種傳輸模式

1979年，Modicon 首先推出了串行Modbus標準，后來由于網絡的普及，需要更高的傳輸速度，1997年制定了基于TCP網絡的Modbus標準。

所以總的可分為兩個傳輸模式：基于串行鏈路的和基于以太網TCP/IP的。但是我個人還是習慣分為3種傳輸模式：

基于串口的Modbus-RTU 數據按照標準串口協議進行編碼，是使用最廣泛的一種Modbus協議，采用CRC-16_Modbus校驗算法。

基于串口的Modbus-ASCII 所有數據都是ASCII格式，一個字節的原始數據需要兩個字符來表示，效率低，采用LRC校驗算法。

基于網口的Modbus-TCP Modbus-TCP基于TCP/IP協議，占用502端口，數據幀主要包括兩部分：MBAP（報文頭）+PDU（幀結構），數據塊與串行鏈路是一致的。

所以當我們提及Modbus協議時，要確定是哪種模式：RTU、ASCII或TCP，3種模式區別還是很大的。

有些設備支持多種Modbus模式，有些設備只支持其中一種，實際使用要根據設備使用手冊來選擇采用哪種模式。

對于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，并且每個節點都有轉換隔離裝置，是一種采用轉換/邊緣觸發而不是電壓/水平觸發的裝置。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PMCIA總線的板卡。

標準的Modicon控制器使用RS232C實現串行的Modbus。

Modbus的ASCII、RTU協議規定了消息、數據的結構、命令和就答的方式，數據通訊采用Maser/Slave方式，Master端發出數據請求消息，Slave端接收到正確消息后就可以發送數據到Master端以響應請求;

Master端也可以直接發消息修改Slave端的數據，實現雙向讀寫。

Modbus協議需要對數據進行校驗，串行協議中除有奇偶校驗外，ASCII模式采用LRC校驗，RTU模式采用16位CRC校驗，但TCP模式沒有額外規定校驗，因為TCP協議是一個面向連接的可靠協議。

另外，Modbus采用主從方式定時收發數據，在實際使用中如果某Slave站點斷開后(如故障或關機)，Master端可以診斷出來，而當故障修復后，網絡又可自動接通，Modbus協議的可靠性較好。

對于Modbus的ASCII、RTU和TCP協議來說，其中TCP和RTU協議非常類似，只要把RTU協議的兩個字節的校驗碼去掉，然后在RTU協議的開始加上5個0和一個6并通過TCP/IP網絡協議發送出去即可。

Modbus RTU 協議

Modbus在7層OSI參考模型中屬于第七層應用層，數據鏈路層有兩種：基于標準串口協議和TCP協議，物理層可使用3線232、2線485、4線422，或光纖、網線、無線等多種傳輸介質。

Modbus RTU 協議是一種開放的串行協議，廣泛應用于當今的工業監控設備中。該協議使用 RS-232 或 RS-485 串行接口進行通信，并得到市場上幾乎所有商業 SCADA、HMI、OPC 服務器和數據采集軟件程序的支持。

Modbus RTU 協議使用主/從技術在設備之間進行通信。這意味著，任何使用 Modbus RTU 協議的應用程序都將有一個 Modbus 主站和至少一個 Modbus 從站。Modbus Master 通常是一臺運行軟件的主機監控計算機，它將與一個或多個 Modbus Slave 設備進行通信。

Modbus 從設備是執行系統參數測量和控制系統中的開/關設備的設備。為了執行這些任務，主站向 Modbus 從站發送消息，請求執行特定任務。

Modbus RTU 協議使用格式化的消息在主機和從機之間進行通信。消息由系統 Master 發起并發送到 Slave 設備。然后，從站以請求的數據進行響應，或者確認它執行了請求的功能。所有進出主站的消息都包含一個兩字節（16 位）CRC（循環冗余校驗）校驗和值，用于錯誤檢查。如果將無效請求傳輸到 Modbus 從站，則會返回一個字節（8 位）錯誤代碼值，說明請求錯誤的原因。

Modbus 主站消息包含幾個重要的信息。每條消息都以接受消息的設備的從地址開始。接下來是要執行的功能編號（或命令）。后面是指定函數正確執行所需的任何數據。從地址是一個單字節（8 位）值，可用值范圍在 0-247 之間。Modbus 功能號也是一個字節值，并且在協議中定義了許多標準化功能號。支持所請求功能所需的任何數據值的長度將是一個或多個字節。Modbus 從站響應消息將包含響應的從站地址、功能編號和主站請求的任何必要數據。

Modbus 通信協議特點

（1）標準、開放，用戶可以免費、放心地使用Modbus協議，不需要交納許可證費，也不會侵犯知識產權。

（2）Modbus可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。 　

（3）Modbus的幀格式簡單、緊湊，通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發簡單。

Modbus4種數據類型

Modbus協議規定，進行讀寫操作的數據類型，按照讀寫屬性和類型可分為以下4種：

1. 離散量輸入（Discretes Input ）：1位，只讀

2.線圈（Coils）：1位，讀寫

3.輸入寄存器（Input Registers ）：16位，只讀

4.保持寄存器（Holding Registers）：16位，讀寫

常用的MODBUS通訊方式

有兩種，一種是MODBUS ASCII，一種是MODBUS RTU。每個設備必須都有相同的傳輸模式。所有設備都支持RTU模式，ASCII傳輸模式是選項。　　

＋ASCII傳輸方式

Modbus串行鏈路的設備被配置為使用ASCII模式通信時，報文中的每8位字節以兩個ASCII字符發送。例：字節0X5B會被編碼為兩個字符：0x35和0x42進行傳送(ASCII編碼0x35="5"，0x42="B")，這樣傳輸效率會降低。

在ASCII模式，報文用特殊的字符區分幀起始和幀結束。一個報文必須以一個‘冒號’(：)(ASCII十六進制3A)起始，以‘回車-換行’(CRLF)對(ASCII十六進制0D和0A)結束。設備連續的監視總線上的‘冒號’字符。當收到這個字符后，每個設備解碼后續的字符一直到幀結束。報文中字符間的時間間隔可以達一秒。如果有更大的間隔，則接受設備認為發生了錯誤。　　

＋RTU傳輸方式

當設備使用RTU(RemoteTerminalUnit)模式在Modbus串行鏈路通信，報文中每個8位字節含有兩個4位十六進制字符。這種模式的主要優點是較高的數據密度，在相同的波特率下比ASCII模式有更高的傳輸效率。每個報文必須以連續的字符流傳送。

Modbus RS485接線方法

RS485的應用挺廣泛，可以支持ModBus協議，因為簡單、便宜、可靠、成熟，所以在工業控制、智能儀表和電力通信領域應用很多。

1、我們來看看RS485的一個典型組網結構：

理論上，一條RS485總線的傳輸距離可以達到1200米。但是在實際應用受通信芯片、波特率和線材、干擾等影響，實際上是遠遠達不到這個數值的。

理論上，一條RS485總線可以掛254臺設備，實際上也遠遠達不到，通常的應用中，也就是30臺左右。

RS485總線要采用上圖手拉手式的總線結構，堅決杜絕星型連接和分叉連接，如下圖：

＋關于線材的選用

通信線纜要選擇兩芯屏蔽雙絞線，線徑不低于0.5平方。雙絞是因為485通訊采用差模通訊原理，雙絞的抗干擾性最好。有些野路子的做法用非屏蔽非雙絞線甚至是網線來敷設485通訊線，是極端錯誤的。

＋關于保障通信質量的幾種手段

1、共地法：用1條線或者屏蔽線將所有485設備的GND地連接起來，這樣可以避免所有設備之間存在影響通訊的電勢差。

2、終端電阻法：在最后一臺485設備的485+和485-上并聯連接120歐姆的終端電阻來改善通訊質量。

3、如果通訊距離過長，建議如果超過500米就采用中繼器或者485HUB來解決問題。如果負載數過多，建議如果一條總線上超過30臺就采用485HUB來解決問題。

＋場景應用-Modbus物聯網云平臺

Modbus物聯網云平臺在設備和用戶之間建立開箱即用的云平臺和云應用，實現數據采集、實時控制、數據可視化、開放 API，構建靈活強大的物聯網應用。Modbus云平臺支持市場上99%以上Modbus設備接入，比如工業儀器儀表，工業傳感器，Modbus PLC設備等。用戶可以在任何地方遠程訪問任何地方的Modbus設備，并對遠程設備的數據進行實時采集監控、遠程控制、智能音響小度、天貓精靈、小愛同學語音控制、診斷、通訊及調試等。

Modbus物聯網云平臺是一個開放的物聯網云平臺，用戶只需按步驟完成注冊即可免費使用Modbus物聯網云平臺 。支持PC、Android、iOS多平臺終端。用戶可以在任何地方遠程訪問任何地方的串口設備，并對遠程設備的數據進行實時采集監控、遠程控制、診斷、通訊及調試等。Modbus物聯網云平臺支持微信關聯，用戶可以借助手機端的微信公眾號進行遠程查看設備的運行狀態，通訊數據和報警信息等，實現隨時隨地輕松掌控，方便快捷。

總 結

總的來說，簡單是 Modbus 如此普遍的主要原因。消息檢查是 Modbus 如此受歡迎的另一個原因。CRC 和 LRC 檢查意味著檢查傳輸錯誤的準確率達到 99%。概括來講，Modbus就是一種用于工業控制的協議，具有免費使用、上手簡單、修改方便三大特點，已經被廣泛使用。

此協議支持傳統的RS-232、RS-485、RS-422和以太網設備。許多工業設備，包括PLC，DCS，智能儀表，變頻器等都在使用Modbus協議作為他們之間的通訊標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控。