基于tcp/ip协议的ModBus

一 以太网的标准

  以太网是一种局域网。早期标准为IEEE 802.3,数据链路层使用CSMA/CD,10Mb/s速度物理层有:

(1)10 Base 5粗同轴电缆,RG-8,一段最长为500m;

(2)10 Base 2细同轴电缆,RG-58,一段最长为185m;

(3)10 Base T双绞线,UTP或STP,一段最长为100m。

  快速以太网为100Mb/s,标准为802.3a,介质为100 Base Tx双绞线、100 Base Fx光纤。

  目前10/100M以太网使用最为普遍,很多企事业用户已实现100M到以太网桌面,确实体验到高速“冲浪”的快感,另外从距离而言,非屏蔽双绞线(UTP)为100m,多模光纤可达2~3km,单模光纤可大于100km。千兆以太网1000Mb/s为802.3z/802.3ab,万兆以太网10Gb/s为802.3ae,将为新一轮以太网的发展带来新的机遇与冲击。

二 工业以太网与商用以太网的区别

  什么是工业以太网?技术上,它与IEEE802.3兼容,故从逻辑上可把商用网和工业网看成是一个以太网,而用户可根据现场情况,灵活装配自己的网络部件,但从工业环境的恶劣和抗干扰的要求,设计者希望采用市场上可找到的以太网芯片和媒介,兼顾考虑下述工业现场的特殊要求:首先要考虑高温、潮湿、振动;二是对工业抗电磁干扰和抗辐射有一定要求,如满足EN50081-2、EN50082-2标准,而办公室级别的产品未经这些工业标准测试,表1列出了一些常用工业标准。为改善抗干扰性和降低辐射,工业以太网产品多使用多层线路板或双面电路板,且外壳采用金属如铸铝屏蔽干扰;三是电源要求,因集线器、交换机、收发器多为有源部件,而现场电源的品质又较差,故常采用双路直流电或交流电为其供电,另外考虑方便安装,工业以太网产品多数使用DIN导轨或面板安装;四是通信介质选择,在办公室环境下多数配线使用UTP,而在工业环境下推荐用户使用STP(带屏蔽双绞线)和光纤。

三 TCP/IP

1. 为什么使用TCP/IP?

  最主要的一个原因在于它能使用在多种物理网络技术上,包括局域网和广域网技术。TCP/IP协议的成功很大程度上取决于它能适应几乎所有底层通信技术。

    20世纪80年代初,先在X.25上运行TCP/IP协议;而后又在一个拨号语音网络(如电话系统)上使用TCP/IP协议,又有TCP/IP在令牌环网上运行成功;最后又实现了TCP/IP远程分组无线网点与其他Internet网点间TCP/IP通信。所以TCP/IP协议极其灵活,具备连接不同网络的能力。

  另外,使用TCP/IP也简化了OSI模型,因为它省略了表示层和会话层。如果现在把以太网的物理层和数据链路层加到OSI模型就构成了基于以太网的TCP/IP网,如图1所示。用以太网实现TCP/IP也是经济的一种方式。

2. Internet Protocol(IP)

  IP是Internet最基本的协议,用户可从www.ietf.org下载RFC79来得到其文件,(要求评论RFC: Request For Comments:一系列备忘录的名称,包括概述、评价、意见、技术和研究,以及所提出的和被接受的互联网标准)。

  IP层主要目的是找到IP报文的“下一个连接点”,它可以是路由器、计算机、控制器甚至I/O,关键该设备须有自己的IP地址。凡在网络层使用IP协议的网络,都通过IP地址寻址,所以使用时首先要进行复杂的设置,每个节点至少需一个“IP地址”、一个“子网掩码”、一个“默认网点”和一个“主机名”,如此复杂的设置,对于一些初识网络的用户来说的确带来不便,不过随着对网络熟悉,有许多IP地址配置工具,可方便进行IP设置,甚至是自动设置。

  IP是面向报文的协议,它独立处理每个报文包,每个报文包必须含有完整的寻址信息。IP报文包的格式如图2所示。

  IP地址的类型共有4种(如图3所示):A类用于处理超大型网络,最多16387064个主机(1~126);B类网络最多可有64516个主机(网络地址的第一段为128~191);C类用于小型网络,最多可有254个主机(网络地址的第一段为192~223);D类用于多点播送,用于多目的信息的传输。全零(“0.0.0.0”)地址对应于当前主机,全1地址(“255.255.255.255”)是当前子网的广播地址。

3. Transmission Control Protocol (TCP)

  TCP是基于传输层的协议(如图4所示),协议文件可从RFC793得到,使用广泛,面向连接的可靠协议。它能把报文分解为数段,在目的站再重新装配这些段,支持重新发送未被收到的段,提供两台设备间的全双工连接,允许它们高效地交换大量数据。TCP使用滑动窗口协议来高效使用网络。由于TCP很少干预底层投递系统的工作,它适应各种投递系统;且提供流量控制,能使各种不同速率的系统进行通信。报文段是TCP所使用的基本传输单元,用于传输数据或控制信息。

4. TCP端口

  TCP是使用端口(Socket)号把信息传到上层,为用户提供不同服务,端口号跟踪同一时间内通过网络的不同会话。RFC1700中定义了众所周知的特殊端口号,常用端口如表2所列。其中502端口是自动化公司唯一所拥有的端口号码。

5. 协议(Protocal)的功能

  组建网络时,必须选择一种网络通信协议,使得用户之间能相互进行“交流”。协议是网络设备用来通信的一套规则,可理解为一种彼此都能听懂的公用语言。如在网络层使用IP协议,在传输层使用TCP协议,就构成了目前常用的TCP/IP协议,现在几乎所有厂商和操作系统都支持它。同时,TCP/IP也是Internet的基础协议。

如在应用层使用工业上事实标准的Modbus协议(如图5所示),就构成了完整工业以太网应用。

四 开放和标准的Modbus TCP

  Modbus是开放协议,IANA(Internet Assigned Numbers Authority, 互联网编号分配管理机构)给Modbus协议赋予TCP端口502,Modbus协议可免费从www.Modbus.org得到。

  Modbus是标准协议,它已提交给IETF(Internet Engineering Task Force, 互联网工程任务部),将成为Internet标准。因自1978年,工业自动化行业已安装了百万计串口Modbus设备和十万计Modbus TCP/IP设备,拥有超过300个Modbus兼容设备厂商,还有90%的第三厂家I/O支持Modbus TCP/IP,所以是使用广泛的事实标准。Modbus的普及得益于使用门坎很低,无论用串口还是用以太网,硬件成本低廉,Modbus和Modbus TCP都可以免费得到,不需交任何费用,且在网上有很多免费资源,如C/C++、JAVA样板程序、ActiveX控件、各种测试工具等,所以用户使用很方便。另外,几乎可找到任何现场总线到Modbus TCP的网点,方便用户实现各种网络之间的互联。

1. Modbus TCP/IP

  如果使用TCP/IP以太网的5层:

    第一层:物理层,提供设备的物理接口,与市售的介质/网络适配器相兼容;

    第二层:数据链路层,格式化信号到源/目的硬件地址的数据帧;

    第三层:网络层,实现带有32位IP地址的IP报文包;

    第四层:传输层,实现可靠性连接、传输、查错、重发、端口服务、传输调度;

    第五层:应用层,Modbus协议报文。

2. Modbus TCP数据帧

  在TCP/IP以太网上传输,支持Ethernet II和802.3两种帧格式。图6所示,Modbus TCP数据帧包含报文头、功能代码和数据3部分。

    MBAP报文头(MBAP、Modbus Application Protocol、Modbus应用协议)分4个域,共7个字节,如表3所示。

3. Modbus功能代码

  共有3种类型分别为:

    (1)公共功能代码(如表4所示):已定义好的功能码,保证其唯一性,由Modbus.org认可;

    (2)用户自定义功能代码有两组,分别为65~72和100~110,无需认可,但不保证代码使用的  唯一性。如变为公共代码,需交RFC认可;(3)保留的功能代码,由某些公司使用在某些传统设备的代码,不可作为公共用途。

  功能代码划分:按应用深浅,可分为3个类别。

  1. 类别0,对于客户机/服务器最小的可用子集:读多个保持寄存器(fc.3);写多个保持寄存器(fc.16)。
  2. 类别1,可实现基本互易操作的常用代码:读线圈(fc.1);读开关量输入(fc.2);读输入寄存器(fc.4);写线圈(fc.5);写单一寄存器(fc.6)。
  3. 类别2,用于人机界面、监控系统的例行操作和数据传送功能:
  4. 强制多个线圈(fc.15);读通用寄存器(fc.20);写通用寄存器(fc.21);屏蔽写寄存器(fc.22);读写寄存器(fc.23)。

4. Modbus应用举例

  1.  
  2. 读寄存器(见表5)。
  3. Modbus TCP请求报文举例(见表6)。
  4. Modbus TCP客户端的实况。用Connect()命令建立目标设备TCP 502端口的连接数据通信的过程:
    1. 准备Modbus报文,包括7个字节的MBAP在内的请求;
    2. 使用send()命令发送;
    3. 在同一连接等待应答;
    4. 同recv()读报文,完成一次数据交换过程。
      当通信任务结束时,关闭TCP连接,使服务器可以为其他服务。
  5. Modbus TCP的样板程序用户可通过网站www.transparent-factory.com下载到:
    1. JAVA的应用程序;
    2. 基于Unix系统下,C的应用程序;
    3. 基于Win32系统下,C的应用程序。
  6. Modbus TCP协议协议文本的英文版可从www. modbus.org下载,如需协议文本的中文版,可向施耐德电气(中国)投资有限公司各地区办事处索要。

五 使用TCP/IP Modbus的原因

  1.  
  2. 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;
  3. 易于与各种系统互连:可用于管理网、实时监控网及现场设备通信;
  1. 网络实施价格低廉:可全部使用通用网络部件;
  2. 用户强烈要求:目前中国已把Modbus TCP作为工业网络标准之一,用户可免费获得协议及样板程序,可在Unix、Linux、Windows下运行,不需要专门驱动程序。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,还有越来越多行业作为标准来用;
  3. 高速的数据:用户最关心的是所使用网络的传输能力,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!);
  4. 厂家能提供完整解决方案:工业以太网的接线元件,包括工业集成器、工业交换机、工业收发器、工业连接电缆。工业以太网服务器,包括远程、分布式I/O扫描功能,设备地址IP的设置功能,故障设备在线更换。功能,分组的信息发布与订阅功能,网络动态监视功能,还有支持瘦客户机的Web服务。其他工控设备的支持:如工业用人机界面、变频器、软起动器、电动机控制中心、以太网I/O、各种现场总线的网桥、甚至带TCP/IPModbus的传感器,都为用户使用提供了方便。

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技术面前人人平等.同时技术也不分高低贵贱.正所谓学无大小,达者为尊.
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