基于Modbus TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與PLC的串行通信

1 引言

　智能樓宇工程中的中央空調(diào)、電梯、通風(fēng)、給排水、照明、火災(zāi)報(bào)警等個(gè)子系統(tǒng)的互聯(lián)方案中，采用modbus tcp協(xié)議的串行通信方式，全面兼容modbus工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸可靠，響應(yīng)速度快，擴(kuò)展靈活，通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)與中央管理系統(tǒng)的通信。modbus tcp協(xié)議是在tcp/ip標(biāo)準(zhǔn)中，應(yīng)用層采用工業(yè)領(lǐng)域事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)modbus。modbus使用tcp/ip應(yīng)用層的502端口，這是經(jīng)過國際公認(rèn)的。該串行總線方式支持各種介質(zhì)的rs-232、rs-422、rs-485接口。modbus tcp的網(wǎng)絡(luò)通信模式采用client/server方式，如圖1所示。

圖1 modbus tcp的網(wǎng)絡(luò)通信模式

2 modbus tcp串行通信分析與實(shí)現(xiàn)

　　某智能樓宇中各子系統(tǒng)主要采用plc作為主控模塊，如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)采用modbus tcp網(wǎng)絡(luò)通信模式，中央管理系統(tǒng)與該網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)是亟待解決的問題，plc將智能樓宇中各子系統(tǒng)的相關(guān)狀態(tài)和參數(shù)信息保存于它的寄存器中，中央管理系統(tǒng)需要讀取plc中一些保持寄存器的數(shù)值，以此來進(jìn)行智能樓宇的全面監(jiān)控與管理。modbus tcp協(xié)議提供了相應(yīng)指令來進(jìn)行保持寄存器的讀取。

圖2 智能樓宇系統(tǒng)示意圖

　　2.1 協(xié)議分析

　　modbus tcp數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 modbus tcp數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)

　　一次modbus tcp讀取保持寄存器的通信分析(省略了ip/tcp頭)：從左向右分析該數(shù)據(jù)報(bào)文：00 03為此次通信編號(hào)，一般每次通信之后將被要求加1以區(qū)別不同的通信數(shù)據(jù)報(bào)文；00 00表示協(xié)議標(biāo)識(shí)符，00 00為modbus協(xié)議；00 06為數(shù)據(jù)長度，用來指示接下來數(shù)據(jù)的長度，單位字節(jié)；03為設(shè)備地址，用以標(biāo)識(shí)連接在串行線或者網(wǎng)絡(luò)上的遠(yuǎn)程服務(wù)端的地址。以上七個(gè)字節(jié)也被稱為modbus報(bào)文頭。03為功能碼，此時(shí)代碼03為讀取保持寄存器數(shù)據(jù)。00 00 00 01為功能碼的參數(shù)，指示將被讀取的保持寄存器的地址與長度。從左向右分析該數(shù)據(jù)報(bào)文：00 03為此次通信編號(hào)，應(yīng)答報(bào)文要求與先前對應(yīng)的請求保持一致；00 00為協(xié)議標(biāo)識(shí)符，00 00表示modbus協(xié)議；00 05為數(shù)據(jù)長度，用來指示接下來數(shù)據(jù)的長度，單位字節(jié)；03為設(shè)備地址，應(yīng)答報(bào)文要求與先前對應(yīng)的請求保持一致。以上七個(gè)字節(jié)同樣為modbus報(bào)文頭。03為功能碼，正常情況下應(yīng)答報(bào)文要求與先前對應(yīng)的請求保持一致，如果出錯(cuò)則返回80h+先前的功能碼。02為功能碼的第一個(gè)參數(shù)，指示接下來數(shù)據(jù)的字節(jié)長度；00 17為被讀取的保持寄存器中的數(shù)據(jù)值，即要求被讀取的地址為00 00的保持寄存器中的數(shù)值為0017h。

　　測試程序(master)發(fā)送數(shù)據(jù)(hex)及 plc(modbus tcp slave) 響應(yīng)數(shù)據(jù)(hex)樣例分析如圖4所示。

圖4 程序發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包樣例分析

　　2.2 程序流程

　　以下是主程序的流程圖，如圖5所示，主要功能是建立tcp/ip連接以及連接錯(cuò)誤處理。modbus tcp協(xié)議的每一次工作循環(huán)的流程圖，如圖6所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 一次工作循環(huán)流程圖

　　2.3 程序測試

　　首先在ip中填上需要被連接的服務(wù)端ip地址，然后點(diǎn)擊connect進(jìn)行連接。連接成功后，在offset中填寫需要讀取的保持寄存器的開始地址，在length中填寫需要讀取的保持寄存器的長度。最后點(diǎn)擊trigger讀取一次上述保持寄存器，同時(shí)將在sent和received中顯示發(fā)送及收到的數(shù)據(jù)報(bào)文(hex)，并且在data monitor中顯示對這些報(bào)文的解釋。

3 結(jié)束語

　　本文對modbus tcp協(xié)議以及modbus tcp串行通信在智能樓宇工程中的應(yīng)用作了簡單介紹，重點(diǎn)分析研究了modbus tcp讀取plc的保持寄存器數(shù)據(jù)的過程，并提出實(shí)現(xiàn)modbus tcp協(xié)議通信的解決方案，進(jìn)行編程以及調(diào)試，成功實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。