介绍
Modbus TCP 是一种广泛使用的工业通信协议，使设备能够通过网络交换数据。它是Modbus协议的扩展，最初是为串行通信而设计的。Modbus TCP 使用传输控制协议 (TCP) 和互联网协议 (IP) 来促进设备之间的通信，使其成为现代工业自动化和控制系统的理想选择。
Modbus TCP 与其他 Modbus 协议之间的主要区别在于传输层。Modbus RTU 和 ASCII 依赖串行通信，而 Modbus TCP 使用 TCP/IP，允许通过以太网进行更可靠、更高效的数据交换。这种适应性使其成为工业应用的热门选择，因为它提供了改进的性能、可扩展性以及与现有网络基础设施的轻松集成。
Modbus TCP 协议基础知识
Modbus TCP 是一种通用协议，可用于传输各种数据类型，包括模拟数据。消息由两个主要部分组成：Modbus 应用协议 (MBAP) 标头和协议数据单元 (PDU)。MBAP 标头特定于 Modbus TCP，包含有关消息的信息，例如事务标识符、协议标识符、长度和单元标识符。相反，PDU 对于所有 Modbus 协议都是通用的，包含功能代码和数据。
Modbus 帧，包括 MBAP 标头
功能代码是 Modbus TCP 消息的重要组成部分，因为它确定接收设备要执行的操作类型。长度字段指示 ADU 的长度（以字节数为单位）。有许多功能代码可用，每个功能代码都对应于特定的操作，例如读取或写入数据、执行诊断或处理错误。一些常见的功能代码包括：
读取线圈 (0x01)：从服务器设备读取离散输出（线圈）的状态。
读取离散输入 (0x02)：从服务器设备读取离散输入的状态。
读取保持寄存器 (0x03)：从服务器设备读取保持寄存器的内容。
读取输入寄存器 (0x04)：从服务器设备读取输入寄存器的内容。
写入单个线圈 (0x05)： 将单个线圈状态写入服务器设备。
写入单个寄存器 (0x06)：将单个保持寄存器值写入服务器设备。
除了标准功能代码外，Modbus TCP 还支持针对特定应用或设备的自定义功能代码。这些自定义功能代码增强了 Modbus TCP 系统的灵活性和适应性。
当Modbus TCP客户端向服务器发送消息时，TCP 服务器会处理该请求。它返回包含所请求数据的响应或对所执行操作的确认。如果在处理请求的过程中发生错误，服务器会返回一个异常响应，其中包含指示错误说明的异常代码。这种错误检查机制可确保及时解决问题和系统的完整性。
Modbus TCP 通讯
在 Modbus TCP 通信中，设备被分类为客户端或服务器。客户端通过向服务器发送请求、处理请求并返回响应来发起通信。这种客户端-服务器架构允许 Modbus TCP 网络中的设备之间进行高效且有组织的数据交换。
主从通信模型是一种网络通信类型，其中一个设备（主设备）控制一个或多个其他设备。在Modbus TCP网络中，主站负责发起所有通信，从站负责响应主站的请求。从设备 ID 允许大量从设备连接到网络。
主从通信模型非常适合工业自动化应用，因为它是控制许多设备的简单而有效的方式。主设备可以轻松轮询网络中的所有从设备，而从设备也可以轻松响应主设备的请求。
Modbus TCP 依靠 TCP/IP 进行通信，与基于串行的 Modbus 协议相比，它具有多种优势。TCP/IP 是一种广泛使用且完善的网络协议，可提供可靠的数据传输、拥塞控制、错误检测和纠正。这些功能使 Modbus TCP 适用于可靠通信至关重要的大型工业自动化系统。
TCP/IP协议栈
TCP/IP协议栈由四层组成：应用层、传输层、网际层和链路层。每个层在促进网络上设备之间的通信方面都有特定的作用。
TCP/IP 模型和 Modbus（应用层）
应用层： 该层提供用户应用程序和底层网络协议之间的接口。对于 Modbus TCP，应用程序层处理 Modbus 应用协议 (MBAP) 标头和协议数据单元 (PDU)。
传输层：传输层确保设备之间可靠且有序的数据传输。Modbus TCP 在这一层使用传输控制协议 (TCP)，它提供面向连接的通信、错误检测和流量控制。
互联网层： 该层负责在网络上的设备之间路由数据包。这一层使用互联网协议 (IP)，允许 Modbus TCP 消息通过以太网甚至互联网进行传输。
链路层：链路层负责本地网络上设备之间的数据物理传输。在 Modbus TCP 系统中，这一层通常涉及以太网通信，它提供高速数据传输和强大的错误检测功能。
通过利用 TCP/IP 协议栈，Modbus TCP 受益于 TCP/IP 的可靠性、可扩展性和广泛采用。这使得它成为工业自动化和控制系统的一个有吸引力的选择，在这些系统中，高效、可靠的通信至关重要。
Modbus TCP 数据表示
Modbus 使用 CRC-16-ANSI，也称为 CRC-16-IBM。在 Modbus TCP 中，数据使用不同的数据类型表示，例如线圈、离散输入、保持寄存器和输入寄存器。线圈和离散输入是表示二进制状态的单位值，例如开/关或真/假。另一方面，保持和输入寄存器是 16 位值，可以存储数字数据，例如整数或浮点数。
Modbus TCP 消息中的数据表示涉及将数据类型编码为特定格式，以便网络中的设备可以轻松传输和解码。例如，线圈和离散输入被打包成多个字节，每个字节包含最多 8 个线圈或离散输入的状态。保持寄存器和输入寄存器以 16 位值的形式传输，首先发送最高有效字节 (MSB)，然后发送最低有效字节 (LSB)。
Modbus TCP 中的数据寻址是该协议的一个重要方面，因为它允许设备识别和访问系统内的特定数据元素。Modbus TCP 使用从零开始的寻址方案，这意味着第一个线圈、离散输入、保持寄存器或输入寄存器被寻址为 0。每种数据类型都有自己的地址空间，确保寻址时不会重叠或模糊。
Modbus TCP 寄存器
保持寄存器和输入寄存器在 Modbus 消息传递中起着至关重要的作用，因为它们存储设备之间交换的数据。应用数据单元 (ADU) 是 Modbus TCP 消息的有效负载，包含客户端和服务器之间交换的数据。保持寄存器存储客户端和服务器都可以读写的数据，而输入寄存器存储只能由客户端读取的数据。
Modbus 寄存器的寻址方案基于数据类型和寄存器编号。保持寄存器使用 40001 到 49999 的范围进行寻址，而输入寄存器使用 30001 到 39999 的范围进行寻址。需要注意的是，这些地址范围用于人类可读的表示，而不是在实际的 Modbus TCP 消息中使用。在消息中，寄存器地址是从零开始的，第一个保持寄存器寻址为0，第一个输入寄存器寻址为0。
寄存器映射在 Modbus TCP 设备中很常见，可实现高效的组织和数据访问。寄存器映射涉及分配特定寄存器来存储与设备内特定功能或参数相关的数据。该映射可以由设备制造商或系统集成商定制，以满足应用程序的要求，确保数据易于访问和逻辑组织。
Modbus TCP 功能
Modbus TCP 功能是协议可以执行的操作，例如读取或写入数据以及执行诊断。Modbus TCP 消息通过功能代码识别这些功能以指定所需的操作。一些常见的功能包括：
读取线圈： 此功能允许客户端从服务器设备读取离散输出（线圈）的状态。客户端指定起始地址和要读取的线圈数量，服务器在响应消息中返回线圈状态。
读取离散输入：此功能使客户端能够从服务器设备读取离散输入的状态。与读取线圈类似，客户端指定要读取的起始地址和离散输入的数量，服务器在响应消息中返回输入状态。
读取保持寄存器：客户端可以使用此功能从服务器设备读取保持寄存器的内容。客户端指定要读取的起始地址和保持寄存器的数量，服务器在响应消息中返回寄存器值。
读取输入寄存器： 此功能允许客户端从服务器设备读取输入寄存器的内容。客户端指定要读取的起始地址和输入寄存器的数量，服务器在响应消息中返回寄存器值。
写入单个线圈： 客户端可以使用此功能将单个线圈状态写入服务器设备。客户端指定线圈地址和所需状态（开或关），服务器在响应消息中确认写入操作。
写入单个寄存器： 此功能使客户端能够将单个保持寄存器值写入服务器设备。客户端指定寄存器地址和所需的值，服务器在响应消息中确认写入操作。
除了这些标准功能外，Modbus TCP 还支持诊断功能，允许客户端请求有关服务器设备状态和性能的信息。这些功能可以监控 Modbus 设备和 TCP 网络并对其进行故障排除，确保最佳运行和可靠性。
Modbus TCP 异常代码
Modbus TCP 中使用异常代码来处理设备之间通信期间可能发生的错误。当服务器在处理客户端请求时遇到错误时，它会返回一个异常响应，其中包含指示错误性质的异常代码。一些常见的 Modbus 通信异常代码包括：
非法功能 (0x01)：此异常代码表示服务器收到带有不支持的功能代码的请求。客户端应验证该功能代码是否有效且受服务器设备支持。
非法数据地址（0x02）： 此异常代码表示服务器收到具有无效数据地址的请求。客户端应验证指定的地址是否在服务器设备的有效范围内。
非法数据值 (0x03)：此异常代码表示服务器收到包含无效数据值的请求。客户端应验证指定的值是否在服务器设备的有效范围内。
服务器设备故障（0x04）：此异常代码表示服务器在处理请求时遇到错误，例如硬件故障或通信错误。客户端应重试请求或联系服务器设备制造商寻求帮助。
通过使用异常代码，Modbus TCP 提供了强大的错误处理机制，确保客户端和服务器了解通信过程中可能出现的任何问题。这样可以迅速解决错误并保持 Modbus TCP 网络的完整性和可靠性。
Modbus TCP 安全性
安全性是 Modbus TCP 通信的一个重要考虑因素，因为该协议最初设计时并未具有强大的安全功能。因此，Modbus TCP 网络可能容易受到各种安全威胁，例如未经授权的访问、数据篡改和拒绝服务攻击。为了解决这些问题，可以实施多种安全措施来保护 Modbus TCP 通信。增强 Modbus TCP 安全性的一种方法是使用加密。对设备之间交换的数据进行加密使攻击者更难以拦截和操纵信息。路由器可用于保护 Modbus TCP 流量。
常见的加密方法包括安全套接字层 (SSL) 和传输层安全性 (TLS)，可用于在 Modbus 数据客户端和服务器之间建立安全通信通道。另一种安全措施是实施身份验证机制。
身份验证确保只有授权设备才能访问 Modbus TCP 网络并与之交互。这可以通过用户名/密码组合、数字证书或其他身份验证方法（例如质询响应协议）来实现。除了加密和身份验证之外，遵循保护 Modbus TCP 通信的最佳实践也至关重要。一些建议包括：
定期更新固件和软件以解决已知漏洞。
实施网络分段可以隔离关键设备并限制攻击的潜在影响。
使用防火墙和入侵检测系统来监视和控制网络流量。
建立强大的访问控制策略以限制对设备和数据的未经授权的访问。
Modbus TCP 是比 Modbus UDP 更安全的协议。通过实施这些安全措施并遵循最佳实践，可以显着降低安全漏洞的风险，并保持工业自动化和控制系统中 Modbus TCP 通信的完整性和可靠性。
Modbus TCP 集成和互操作性
Modbus TCP 的主要优势之一是易于与各种设备和系统集成和互操作。该协议的广泛采用及其对 TCP/IP 协议栈的使用使其与各种工业自动化设备兼容，例如可编程逻辑控制器 (PLC)、远程终端单元 (RTU) 和人机界面 (HMI) 。
PLC计算机中使用的Modbus TCP协议
Modbus TCP 设备通常支持一系列标准通信接口，例如以太网、Wi-Fi 和光纤连接，以促进集成和互操作性。这种灵活性使得 Modbus TCP 网络可以轻松扩展和调整，以满足不同工业应用的要求。
除了硬件兼容性之外，Modbus TCP 还通过应用程序编程接口 (API) 和通信库提供软件互操作性。这些软件工具使开发人员能够在其应用程序中轻松实现 Modbus TCP 通信，无论使用何种编程语言或平台。一些流行的 Modbus TCP 库包括 libmodbus、pymodbus 和 EasyModbusTCP。
Modbus TCP 集成和互操作性的另一个方面是对协议网关和转换器的支持。这些设备可实现 Modbus TCP 网络与其他工业通信协议（例如Modbus RTU、Modbus ASCII 或非 Modbus 协议（例如 PROFINET 和 EtherNet TCP/IP））之间的无缝通信。通过使用网关和转换器，可以创建混合系统，利用不同通信协议的优势，同时保持统一和高效的数据交换。
总体而言，Modbus TCP 提供的易于集成和互操作性使其成为工业自动化和控制系统的热门选择。它与广泛的设备、软件工具和通信协议的兼容性确保了Modbus功能可以轻松实现和调整，以满足各种应用和行业的需求。
Modbus TCP 应用
Modbus TCP 由于其可靠性、易于集成以及与各种设备的兼容性而广泛应用于各种工业应用。该协议支持高效、有组织的数据交换的能力使其适合不同行业的各种用例。一些常见的 Modbus TCP 应用包括：
工业自动化
工业自动化中使用的 Modbus TCP 协议
Modbus TCP 广泛用于工业自动化系统，促进PLC、RTU 和 HMI 等设备之间的通信。这些系统往往涉及复杂的流程，需要实时监控和控制，因此Modbus TCP可靠、高效的数据交换能力至关重要。
楼宇自动化
在楼宇自动化系统中，Modbus TCP 可以管理和控制各种子系统，例如建筑、供暖、空调 (HVAC)、照明和安全。[5] 通过 Modbus TCP 集成这些子系统，设施管理者可以优化能源消耗、提高居住者舒适度并增强整体建筑性能。
能源管理
能源管理系统中使用的 Modbus TCP 协议
Modbus TCP 通常用于能源管理系统，以监视和控制工业和商业设施的能源消耗。该协议支持从各种电表、传感器和控制设备收集数据，从而分析和优化能源使用模式。
远程监控
远程监控应用程序依靠 Modbus TCP 将数据从现场设备传输到中央监控站。这使操作员能够监控远程设备（例如泵、发电机或环境传感器）的状态，并根据实时数据做出明智的决策。
运输
道路交通控制摄像机中使用的 Modbus TCP 协议
在交通系统中，Modbus TCP 管理和控制各种组件，例如交通信号、电子标志和车辆检测系统。通过实现这些组件之间的高效通信，Modbus TCP 有助于改善交通流量、减少拥堵并提高整体运输系统性能。
这些示例说明了 Modbus TCP 在满足各种行业和应用的通信需求方面的多功能性和适应性。其强大而可靠的数据交换功能使其成为寻求优化运营和提高整体系统性能的组织的热门选择。
结论
Modbus TCP 是一种广泛采用的工业通信协议，可在各种应用中的设备之间提供可靠、高效的数据交换。它与 TCP/IP 协议栈的兼容性、易于集成以及对广泛设备的支持使其成为多个行业的流行选择。这包括工业自动化、楼宇自动化、能源管理、远程监控和运输。通过实施强大的安全措施并遵循最佳实践，Modbus TCP 可以为不同的应用和行业提供安全可靠的通信解决方案。
常见问题 (FAQ)
1.Modbus TCP和Modbus RTU有什么区别？
答： Modbus TCP 是 Modbus 协议的变体，使用 TCP/IP 地址或协议栈进行通信，而 Modbus RTU 协议是使用 RS-485 或 RS-232 接口的串行线路通信协议。Modbus TCP 更适合基于以太网的网络，而 Modbus RTU 更常用于串行端口和通信网络。
2. Modbus TCP 如何处理错误检测和纠正？
答： Modbus TCP 依赖于底层 TCP/IP 网络进行错误检测和纠正。TCP 协议包括校验和、序列号和确认等机制，以确保设备之间可靠且无差错的通信。
3. Modbus TCP 和 Modbus RTU 设备可以相互通信吗？
答：虽然 Modbus TCP 和 RTU 设备使用不同的通信方法，但它们可以通过使用协议网关或转换器来相互通信。这些设备在两种协议之间转换消息，从而实现 Modbus TCP 和 RTU 网络之间的无缝通信。
4. Modbus TCP 通信中使用的典型数据类型有哪些？
答： Modbus TCP 支持四种主要数据类型：线圈（离散输出）、离散输入、保持寄存器和输入寄存器。线圈和离散输入代表单位值，而保持寄存器和输入寄存器存储 16 位（十六进制）值。
5. 如何保护我的 Modbus TCP 网络？
答：为了增强 Modbus TCP 网络的安全性，您可以实施 SSL 或 TLS 等加密方法，使用用户名/密码组合或数字证书等身份验证机制，并遵循网络安全最佳实践，例如定期固件更新、网络分段和强大的访问控制策略。
