工业网络技术 课件 10 Modbus TCP通信及应用

ModbusTCP通信及应用一、ModbusTCP协议二、PLC与外部设备ModbusTCP通信

时可以使用的指令三、典型工业以太网通信应用(ModbusTCP)一、ModbusTCP协议Modbus由MODICON公司于1979年开发，是一种工业现场总线协议标准。1996年施耐德公司推出基于以太网TCP/IP的Modbus协议：ModbusTCP。Modbus协议是一项应用层报文传输协议，Modbus协议有三种常用格式：Modbus/RTU、Modbus/ASCII和Modbus/TCP。标准的Modbus协议物理层接口有RS232、RS422、RS485和以太网接口，采用master/slave方式通信。前两种协议格式用于串行通信，最后一种用于TCP通信。ModbusTCP的原理是使用一种非常简单的方法把Modbus帧嵌入到TCP帧中，让应用层的Modbus协议与传输层和网络层的TCP／IP协议结合，使得Modbus协议从一种在串行数据链路层上传输的无容错机制不可靠的数据帧变成能在以太网上传输的面向连接的可靠的数据帧。Modbus协议可以借助TCP协议在以太网结构中传输报文，使得分布于世界任何地方的设备之间都可以借助以太网进行通讯。以太网ModbusTCP/IP协议通信族分别对应到OSI七层模型中的五层，如表1所示。一、ModbusTCP协议表1ModbusTCP/ip协议五层模型层OSI模型MODBUS/TCPIP五层模型7应用层MODBUS应用层协议6表示层空5会话层空4传输层TCP协议3网络层IP协议2数据链路层Enternet/802.3IEEE802.21物理层以太网物理层一、ModbusTCP协议ModbusTCP/IP协议的网络层，传输层均是基于TCP/IP协议。在应用层，发送端将Modbus协议修改后封装进去，接收端将该TCP数据包拆封后，重新获得原始的Modbus协议帧（不带CRC-16校验），然后按照Modbus协议规范进行解析，并将返回的数据包重新封装进TCP协议中，返回发送端。ModbusTCP/IP协议报文在以太网中通过TCP/IP协议传输时，ModbusTCP/IP协议报文包含在TCP/IP报文中，具体的关系如图1所示。图1ModbusTCP/IP协议报文与TCP/IP协议报文包含关系一、ModbusTCP协议Modbus协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元(PDU)。而在特定总线或网络上的Modbus协议的映射能够在应用数据单元(ADU)上引入一些附加域，ModbusTCP/IP协议报文正是在Modbus应用数据单元上增加了MBAP报文头用于在以太网上实现TCP/IP传输。ModbusTCP/IP协议报文格式如图2所示。ModbusTCP/IP协议报文格式中包含了MBAP报文头、功能码和数据三部分。网络通信的差错校验功能不在ModbusTCP/IP应用报文中实现，而是交给了以太网的链路层和TCP协议实现。图2ModbusTCP/IP协议报文格式一、ModbusTCP协议ModbusTCP/IP协议报文中的MBAP报文头分为四个部分，共占用7个字节，各个部分的描述，如下表2所示。表2MBAP报文头描述域占用字节描述TransactorID(事务元标识符)2个字节ModbusTCP/IP请求、响应事务处理的识别符ProtocolID(协议标识符)2个字节为全0，标识ModbusTCP/IP协议Length(长度)2个字节协议剩下的字节数UnitID(单元标识符)1个字节总线上连接的远程从站的识别码二、PLC与外部设备ModbusTCP通信时可以使用的指令通过“MB_CLIENT”指令，可以在客户端和服务器之间建立连接、发送Modbus请求、接收响应并控制ModbusTCP客户端的连接终端。ModbusTCP客户端可以支持多个TCP连接，连接的最大数目取决于所使用的CPU。一个CPU的总连接数，包括ModbusTCP客户端和服务器的连接数，不能超过所支持的最大连接数。ModbusTCP连接还可由“MB_CLIENT”和/或“MB_SERVER”实例共用。使用各客户端连接时，请记住以下规则：每个“MB_CLIENT”连接都必须使用唯一的背景数据块。对于每个“MB_CLIENT”连接，必须指定唯一的服务器IP地址。每个“MB_CLIENT”连接都需要一个唯一的连接ID。该指令的各背景数据块都必须使用各自相应的连接ID。连接ID与背景数据块组合成对，对每个连接，组合对都必须唯一。根据服务器组态，可能需要或不需要IP端口的唯一编号。二、PLC与外部设备ModbusTCP通信时可以使用的指令表3列出了MB_CLIENT指令的参数。参数声明数据类型说明REQInputBOOL对ModbusTCP服务的Modbus查询REQ参数受到等级控制。这意味着只要设置了输入(REQ=true)，指令就会发送通信请求。Modbus查询开始后，背景数据块将锁定，其它客户端无法使用。在服务器进行响应或输出错误消息之前，对输入参数的更改不会生效。如果在Modbus请求期间再次设置了参数REQ，此后将不会进行任何其它传输。表3MB_CLIENT指令的参数二、PLC与外部设备ModbusTCP通信时可以使用的指令参数声明数据类型说明DISCONNECTInOutBOOL通过该参数，可以控制与Modbus服务器建立和终止连接：0：与通过CONNECT参数组态的连接伙伴（请参见CONNECT参数）建立通信连接。1：断开通信连接。在终止连接的过程中，不执行任何其它功能。成功终止连接后，STATUS参数将输出值0003。而如果在建立连接的过程中设置了参数REQ，将立即发送Modbus请求。MB_MODEInOutUSINT选择Modbus的请求模式（读取、写入或诊断）或直接选择Modbus功能MB_DATA_ADDRInOutUDINT取决于MB_MODEMB_DATA_LENInOutUINT数据长度：数据访问的位数或字数MB_DATA_PTRInOutVARIANT指向待从Modbus服务器接收的数据或待发送到Modbus服务器的数据所在数据缓冲区的指针。表3MB_CLIENT指令的参数（续）二、PLC与外部设备ModbusTCP通信时可以使用的指令参数声明数据类型说明CONNECTInOutVARIANT指向连接描述结构的指针可以使用以下结构（系统数据类型）：TCON_IP_v4：包括建立指定连接时所需的所有地址参数。使用TCON_IP_v4时，可通过调用指令“MB_CLIENT”建立连接。TCON_Configured：包括所组态连接的地址参数。使用TCON_Configured时，将使用下载硬件配置后由CPU创建的已有连接。DONEOutBOOL如果最后一个Modbus作业成功完成，则输出参数DONE中的该位将立即置位为“1”。BUSYOutBOOL0：无正在进行的Modbus请求1：正在处理Modbus请求在建立和终止连接期间，不会设置输出参数BUSY。ERROROutBOOL0：无错误1：出错。出错原因由参数STATUS指示。STATUSOutWORD指令的状态表3MB_CLIENT指令的参数（续）三、典型工业以太网通信应用(ModbusTCP)RFID电子标签作为数据载体，能起到标识识别、物品跟踪、信息采集的作用，得以在防伪、生产管理、仓库管理、租赁产品管理、物联网、运动竞技等许多领域应用。尤其在生产流水线中，RFID电子标签可以准确地记录工序信息和工艺信息，满足柔性化的生产需求。对工人工号、时间、操作、质检结果的记录，完全实现生产的可追溯性，还可人工手写、眼看造成的失误。图3三、典型工业以太网通信应用(ModbusTCP)如图所示，为提高柔性化生产水平，工厂决定对原生产线做升级改造。其中一项升级任务就是在生产线的某特定位置，设置RFID电子标签的读写装置，保证及时、准确地记录产品当前的生产信息，以满足生产工艺的可追溯需求。读写的结果可以在展示在HMI界面上。图4三、典型工业以太网通信应用(ModbusTCP)工具/辅件准备网线图5三、典型工业以太网通信应用(ModbusTCP)1.设置RFID通信参数（1）修改PC机IP地址为192.168.0网段非服务器地址图6三、典型工业以太网通信应用(ModbusTCP)（2）安装打开调试助手图7三、典型工业以太网通信应用(ModbusTCP)（3）选择连接设备的通信网卡图8三、典型工业以太网通信应用(ModbusTCP)（4）选择调试设备图9三、典型工业以太网通信应用(ModbusTCP)（5）更改提交设备参数（IP192.168.0.178:4001;子网掩码255.255.255.0;网关192.168.0.1;）图10三、典型工业以太网通信应用(ModbusTCP)2.PLC编程（1）添加读取功能块REQ：true发送通信请求DISCONNECT：0建立连接1关闭连接MB_MODE=0、MB_DATA_ADDR=40009、MB_DATA_LEN=1构成的组合设定的功能代码是03。将从远程地址40009开始读1个寄存器。依据手册，有64个寄存器，可用56个，对应地址为40009~40064连接参数