淺談Modbus協(xié)議及Modbus DTU

01什么是Modbus

Modbus，顧名思義，是一種串行通信協(xié)議，通常用于工業(yè)上。它是由Modicon公司（現(xiàn)在的施耐德電氣 Schneider Electric）于1979年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而發(fā)表，后來廣泛應(yīng)用在工業(yè)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(xié)議，用于和外圍設(shè)備進(jìn)行通訊。

基于Modbus完全免費、幀格式簡單緊湊易部署和維護(hù)、修改移動本地的比特或字節(jié)限制少的特性，所以Modbus應(yīng)用范圍非常廣泛。

02Modbus通訊過程

Modbus是主從方式通信。換言之，不能同步進(jìn)行通信。總線上每次只有一個數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，即主機發(fā)送，從機應(yīng)答，主機不發(fā)送，總線上就沒有數(shù)據(jù)通信。

事實上，Modbus網(wǎng)絡(luò)上只有一個主機，可支持多達(dá)247各遠(yuǎn)程從屬控制器，但是實際所支持的從機數(shù)要由所用通信設(shè)備決定。采用這個系統(tǒng)，各PC可以和中心主機交換信息而不影響各PC執(zhí)行本身的控制任務(wù)。

舉例1: 一個總線上有一個主機，多個從機，主機查詢其中一個從機。

首先你必須得這些從機分配地址(這樣才能知道哪個從機，而且每個地址必須唯一)，分配好地址后，主機要查詢，然后數(shù)據(jù)下發(fā)(數(shù)據(jù)內(nèi)容下面會介紹)，從機得到主機發(fā)送的數(shù)據(jù),然后對應(yīng)地址的從機回復(fù)，主機得到從機數(shù)據(jù)，這樣就是一個主機到從機的通信過程，是不是很簡單呢?

舉例2: 就像打電話，你得知道對方的電話(這就是唯一地址)，然后你打電話過去，相當(dāng)于主機查找從機，然后對方接通電話，給你回復(fù)(返回數(shù)據(jù))，正常是這樣的。

如果這時候，對方正在打電話，你應(yīng)該聽到的是"sorry,you…"這一串英文，說明對方忙，但是Modbus總線不能判斷對方是否忙，也沒有對應(yīng)的仲裁機制，好了你又知道了一個缺點了！但是，你可以用軟件的辦法進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚頂?shù)據(jù)！

03Modbus的模式

在談及Modbus的模式之前，先了解：Modbus在7層OSI參考模型中屬于第七層應(yīng)用層，數(shù)據(jù)鏈路層有兩種：基于標(biāo)準(zhǔn)串口協(xié)議和TCP協(xié)議，物理層可使用3線232、2線485、4線422，或光纖、網(wǎng)線、無線等多種傳輸介質(zhì)。

許多工業(yè)設(shè)備，包括PLC、DCS、智能儀表、變頻器等都在使用Modbus協(xié)議作為他們之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)。有了Modbus，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。

從圖上可以看出，Modbus協(xié)議包括ASCII、RTU、TCP等，并沒有規(guī)定物理層。該協(xié)議定義了控制器能夠認(rèn)識和使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。

基于此，一般可以將Modbus的傳輸模式分成三種：

? Modbus-RTU

數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)串口協(xié)議進(jìn)行編碼，是使用最廣泛的一種Modbus協(xié)議，采用CRC-16_Modbus校驗算法。

Modbus RTU 協(xié)議是一種開放的串行協(xié)議，廣泛應(yīng)用于當(dāng)今的工業(yè)監(jiān)控設(shè)備中。該協(xié)議使用 RS-232 或 RS-485 串行接口進(jìn)行通信，并得到市場上幾乎所有商業(yè) SCADA、HMI、OPC 服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集軟件程序的支持。

? Modbus-ASCII

所有數(shù)據(jù)都是ASCII格式，一個字節(jié)的原始數(shù)據(jù)需要兩個字符來表示，效率低，采用LRC校驗算法。僅支持透明傳輸。

在ASCII模式，報文用特殊的字符區(qū)分幀起始和幀結(jié)束。一個報文必須以一個‘冒號’(：)(ASCII十六進(jìn)制3A)起始，以‘回車-換行’(CRLF)對(ASCII十六進(jìn)制0D和0A)結(jié)束。設(shè)備連續(xù)的監(jiān)視總線上的‘冒號’字符。當(dāng)收到這個字符后，每個設(shè)備解碼后續(xù)的字符一直到幀結(jié)束。報文中字符間的時間間隔可以達(dá)一秒。如果有更大的間隔，則接受設(shè)備認(rèn)為發(fā)生了錯誤。

? Modbus-TCP

基于TCP/IP協(xié)議，占用502端口，數(shù)據(jù)幀主要包括兩部分：MBAP（報文頭）+PDU（幀結(jié)構(gòu)），數(shù)據(jù)塊與串行鏈路是一致的。

以上三種協(xié)議，一個設(shè)備通常只會有一種協(xié)議。實際使用要根據(jù)設(shè)備使用手冊來選擇采用哪種模式。在有些場合也會看到設(shè)備能支持多種Modbus模式，這是因為對于所有的這三種通信協(xié)議在數(shù)據(jù)模型和功能調(diào)用上都是相同的，只有封裝方式是不同的，所以集成到一起了。

而對于Modbus的ASCII、RTU和TCP協(xié)議來說，其中TCP和RTU協(xié)議非常類似，只要把RTU協(xié)議的兩個字節(jié)的校驗碼去掉，然后在RTU協(xié)議的開始加上5個0和一個6并通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送出去即可。

04Modbus 場景應(yīng)用

目前，市場上針對Modbus協(xié)議的產(chǎn)品五花八門，其中最常見、最普遍的是進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換的是DTU，DTU 不僅可以進(jìn)行串口設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)雙向傳輸免去布線煩惱，有的還能適配到云服務(wù)平臺，滿足企業(yè)智能化運維。

GC511 是工業(yè)DTU 的典型代表，高性能、低功耗、即插即用實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集和管理，兼容RS485通信方式，可對接主流工業(yè)協(xié)議和業(yè)務(wù)系統(tǒng)，支持邊緣計算、AI算法，開放API，覆蓋工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)多個行業(yè)多種應(yīng)用需求。

GC511 DTU是如何實現(xiàn)了串口設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)哪?？得益于Modbus協(xié)議可以實現(xiàn)一主多從（主機通過輪詢的形式與多個從機進(jìn)行通訊）的特性，GC511 DTU 下接傳感器、儀表等數(shù)據(jù)設(shè)備，將下位機設(shè)備的數(shù)據(jù)采集到 DTU 上，DTU通過4G Cat.1網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_，以此實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集、全天候監(jiān)測，方便企業(yè)相關(guān)人員能在可視化管理后臺掌握設(shè)備運行狀態(tài)。

Modbus DTU GC511 特點如下：

1、安裝便捷，即插即用

設(shè)備具有數(shù)據(jù)采集、有線/4G數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備監(jiān)控功能，可匹配所有支持標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議的設(shè)備，無需布線，安裝便捷，即插即用。

2、遠(yuǎn)程運維，提高效率

可以支持多個串口設(shè)備并轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，快速接入機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集、全天候監(jiān)測，企業(yè)工作人員在線即可實現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程管理、遠(yuǎn)程調(diào)試等，提升產(chǎn)品線運維效率，提升產(chǎn)品效能。

3、質(zhì)量可靠，應(yīng)用廣

工業(yè)級設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，集成了STM32 MCU，具備12-24V寬壓電源、插拔SIM、485串口、硬件看門狗等必要功能，適用于環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、工廠機器設(shè)備、生產(chǎn)線運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)信息采集系統(tǒng)等無線監(jiān)測與預(yù)警。

Modbus DTU GC511在紡織工業(yè)聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用案例

通過GC511 DTU實時采集織機設(shè)備數(shù)據(jù)并上傳云端，實現(xiàn)7＊24小時遠(yuǎn)程監(jiān)控、產(chǎn)量統(tǒng)計、故障告警預(yù)知等，智能排產(chǎn)調(diào)控區(qū)域訂單，實現(xiàn)高質(zhì)產(chǎn)品、高效管理、快速反應(yīng)的柔性生產(chǎn)鏈。

基于多年的軟硬件經(jīng)驗，機智云開發(fā)者中心上新了適配“Modbus協(xié)議”的功能服務(wù)，滿足廣大開發(fā)者、廠商的個性化、定制化開發(fā)需求。