基于Modbus／TCP的工业以太网通信

ｎ廿Ⅱ　丽＿【＝＿０斤【ｒ０ｌＩＮｅｔＷＯｒＫ　基子Ｍａｄｂｕｓ／ＴＣＰ的工业以太网逼值　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉＯｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　金青　戴胜华　欧阳劲松。　（１．北京交通大学，北京市１０００４４　２．机械工业仪器仪表综合技术经济研究所，北京市　１　０００５５）　Ｊｉｎ　Ｑｉｎｇ　Ｄａｉ　Ｓｈｅｎｇｈｕａ　Ｏｕｙａｎｇ　Ｊｉｎｓｏｎｇ　（１．Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４４　２．Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｅｃｏｎｏｍｙ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００５５）　【摘　要】Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ协议是Ｍｏｄｂｕｓ协议族在工业以太网上的解决方案。本文介绍了Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ协议的主要内容，同时介绍Ｅｔｈｅｒｎｅｔ的通信过程和特点。提出了采用Ｍｏｄｂｕｓ协议、　ＴＣＰ／ＩＰ协议和Ｅｔｈｅｒｎｅｔ的网络模型用于工业控制网络。　【关键词】以太网Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ协议客户机／服务器　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｍｏｎｇ　Ｍｏｄｂｕｓ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　Ｆａｍｉｌｙ，Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　Ｅｔｈｅｍｅｔ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｅｎｔｓ　ｏｆＭｏｄｂｕｓ／ＴＣＰｐｒｏｔｏｃｏｌ，ａｎｄ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆＥｔｈｅｍｅｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．　Ａｔ　ｌａｓｔ，ｔｈｅ　Ｍｏｄｂｕｓ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ＴＣＰ／ＩＰ　ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ　ａｎｄ　Ｅｔｈｅｍｅｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｗａｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｅｔｈｅｍｅｔ　Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　Ｃｌｉｅｎｔ　ａｎｄ　Ｓｅｒｖｅｒ　引言　以太网是最，　泛使用的网络标准（ＩＥＥＥ　８０２．３），　Ｍｏｄｂｕｓ是一种通讯协议，于１　９７９年由Ｍｏｄｉｃｏｎ　它采用介质访问控制协议（ＭＡ　Ｃ）的通信标准，即　公司发明，并将其公开，推向市场，是基于主站从站／　（ＣＳＭＡ／ＣＤ）（载波监听多路访问冲突检测协议，当　客户机服务器方式连接智能设备，实现设备间的数　网络上任一站点在传送数据前，先检测是否已有数　据交换。　据在介质上传送，若有则等待对方送完后才能送出。　Ｍｏｄｂｕｓ的通讯几乎可以通过任何物理介质实　数据送出后，在传送的过程中不断检测是否与其他　现，如：电线、光纤、红外、射频、扩频、微波、卫　站点送出的数据发生碰撞，若发生碰撞，须等待一段　星等。Ｍｏｄｂｕｓ还可以通过不同的网络进行互连，如：　时间后再重新发送。当在两个或更多的节点间检测　以太网、ＡＤＳＬ、ＩＳＤＮ、ＰＳＴＮ、ＡＴＭ、ＦＲ等。所　到冲突时，发送节点就会停止传送并等待一个随机　以它具有很强的扩展能力，可以说：连接的距离已不　的时间后重新尝试传送。由于介质访问负载轻，以太　是问题，它可以通过互联网，连接到世界的任何地　网使用一种简单的算法操作网络，在网络负载轻时　方。Ｍｏｄｂｕｓ具有很高的速度性能：响应时间小于１Ｏ　几平没有时延。与令牌环或令牌总线协议比，以太网　毫秒，目前可以满足工业控制中９０％应用的需求，它　访问信道不需要通信带宽。标准的以太网支持　的下一个实现目标是：响应时间小于１毫秒。由于　ｌＯＭｂｐｓ的数据传输率，也支持１Ｇｂｐｓ。　Ｍｏｄｂｕｓ是制造业、基础设施环境下，真正的开放协　２　Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ协议　议，故得到了工业界的广泛支持，是事实上的工业标　Ｍｏｄｂｕｓ与ＴＣＰ／ＩＰ结合成为Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ，它　准。还由于它的协议简单、容易实施和高性价比，所　以一种非常简单的方式将Ｍｏｄｂｕｓ帧嵌入到ＴＣＰ帧　以全球有超过４００个厂家支持，使用的设备节点超过　中，使其成为工业以太网应用层协议。　７００万个。　Ｍｏｄｂｕｓ中，设计工作一般采用面向连接的方　近几年来，随着Ｍｏｄｂｕｓ协议不断扩展，已经将　法，即连网时要经过“建立连接、通信和释放连接”　串行链路、高速令牌传递网络、ＴＣＰ／ＩＰ等关键技术　三个步骤。在简单的变量中可以通过唯一的“注册”　引入到Ｍ　０　ｄ　ｂ　Ｕ　Ｓ应用协议解决方案中，形成了　令牌获得；在Ｍｏｄｂｕｓ变量中可以通过明确的“编程　Ｍｏｄｂｕｓ应用协议族，基于Ｍｏｄｂｕｓ应用协议族的工　路径”性能获得，这种性能主张双方按照协议通信，　业以太网解决方案已经逐渐应用于各种现场级测控　直到连接终止。　领域。　Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ处理两种情况。连接在协议层　１　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ的通信过程与特点　很容易辨识，并且一个单一的连接可携带多个独立　收稿日期：２ｏｏ６一Ｏ１—１２　的事务。此外，ＴＣＰ允许相当大数量的并发连接，所　作者简介：佥青（１　９８２一），女，汉族，北京交通太学交通信息工程　以在大多数情况下，开发人员选择是根据需要重新　厦控制专业，在读硕士。　连接，还是重新选择长期存在的连接。　２　２　ｌ厦墨厦爰蕾准化与计■　■■■　面　Ｔ＿———一一　维普资讯 http://www.cqvip.com

Ｍｏｄｂｕｓ使用面向连接的ＴＣＰ，主要原因是通过　十连接至ＴＣＰ／ＩＰ网络的Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ客户机　将它封装到一个连接中来保持对单独的“事务”的控　和服务器设备。　制，这种连接能被辨识、监控、取消而不需要客户和　十互连设备，例如：在ＴＣＰ／ＩＰ网络和串行链　服务器部分的特别动作。　路子网之间互联的网桥、路由器或网关，且该子网允　Ｍｏｄｂｕｓ协议层位于ＴＣＰ之上，如图Ｉ所示。它　许将Ｍｏｄｂｕｓ串行链路客户机和服务器终端设备连接　主要完成的任务有：在客户端，负责把来自用户的　起来。　Ｍｅｓｓａｇｅ（包含用户要求执行的操作和被控制的对象　等信息）封装成Ｍｏｄｂｕｓ帧，在服务器端，负责解释　来自客户端的Ｍｏｄｂｕｓ帧，执行相应的请求。　Ｍ。ｃ　ｕｓ客户机串行链路　…　～客　ｍ啪　啪　　Ｉ客户　；Ｐ／ＩＰＭ关　皿础蕊　盟瑚盈蕊　蕊蚀蕊涩戮嬖叠涩涩　｛　墨：　】　图１　Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ／ＩＰ通讯栈　３　ＴＣＰ／ＩＰ上的Ｍｏｄｂｕｓ应用单元　（１）ＭＢＡＰ　Ｈｅａｄｅｒ（Ｍｏｄｂｕｓ应用协议报头，共　占用２字节）含有四个子域：事务处理标识符（占用　图３总体通信结构　２字节，用来标识Ｍｏｄｂｕｓ帧的次序，每多发送一个　５　ＴＣＰ／ＩＰ连接管理流程图　Ｍｏｄｂｕｓ帧，该值加Ｉ），协议标识符（占用　２字节。用来确认应用层协议是不是　Ｍｏｄｂｕｓ协议），长度（占用２字节。给出单　元标识符子域和数据域的共同长度），单元　标识符（占用１字节。它用来标识Ｍｏｄｂｕｓ　串行线上的某个设备单元）。其中：单元标　识符用于串行链路或其他总线上连接远程从　站的识别。　（２）功能码，占用Ｉ字节，分为位操作　和１６位字操作两大类。其中位操作主要用　于像ＰＬＣ这类设备。　（３）数据域（占用字节的上限为２４８）的　具体格式与功能码密切相关，它是一个可变　长字段。总的说来，客户端发送请求数据　时，数据域给出要操作的寄存器的起始地址　（２字节）和个数（１字节）。而服务端发送　应答数据时，数据域给出被操作的寄存器个　数（１字节）以及　个寄存器的状态值。　图４　ＴＣＰ／ＩＰ连接管理流程图　＜　＞　６客户端和服务器端的实现　耍ｌ报文头（她＾Ｐ）ｌ　ｌ　聒　ｌ　匣　Ｉ姒。悄Ｉ　６．１客户端的实现　Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ规范的设计使得客户机的实现　尽可能简单。基本的事务处理过程如下：　ＰＤＵ　（Ｉ）用ｃｏｎｎｅｃｔ（）建立对目标设备ＴＣＰ５０２端口的　连接；　图２　ＴＣＰ／ＩＰ上的Ｍｏｄｂｕｓ的请求／响应　（２）准备Ｍｏｄｂｕｓ报文，提交包括７个字节的　４总体通信结构　Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ前缀在内的报文，并使用ｓｅｎｄ（）发选　Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ的通信系统可以包括不同类型的　（３）在同一个连接等待应答，也可以使用定时的　设备：　方法并使用￣ｌｅｃｔ（），这样可以较快地查错；　维普资讯 http://www.cqvip.com

（４）用ｒｅｃｖＯ读响应的前７个字节Ｉ然后用　ｒｅｃｖ（）读完所有应答报文，完成一次数据交换过　程Ｉ　（５）当没有通讯任务时，关闭ＴＣＰ连接，以　使服务器的资源处于空闲状态可以被其它设备使　用。　在客户端使连接打开的最大间隔是１秒。如　果使用定时的方法等待应答，从一侧关闭连接，　打开一个新的连接并重新提交请求报文。该技术　允许客户机重新定时，这一点优于默认的南ＴＣＰ　提供的方式。同时它也考虑了备用的方法，例如　提交请求到备用的ＩＰ地址，使用完全独立的通信　网络，用来防止因网络下部结构而造成连接失　败。如图５所示，Ｍｏｄｂｕｓ客户端实现流程图　６．２单线服务器端的实现　一些嵌入式系统和诸如ＵＮＩＸ￣Ｈ　ＭＳ　ＤＯＳ　的老的操作系统，一般使用ｓｏｃｋｅｔ调用“ｓｅｌｅｃｔ”　来处理多个连接。在这样一个系统中，不在一个　线程中处理多个独立的并发请求，而是在公共的　处理程序中用多状态机方式处理。如图６所示，　图５　Ｍｏｄｂｕｓ客户端实现流程图　Ｍｏｄｂｕｓ服务器实现流程图。　其事务处理流程为：　果报文头正确，读完所有报文，如果请求报文完整收　（１）初始化状态机并将其状态置为“空闲”；　到，将状态机置为“等待应答”，如果ｓｅｌｅｃｔ（）返回的　（２）使用ｌｉｓｔｅｎ（）监听ＴＣＰ　５０２端口的连接请求　信息为连接不再使用，关闭连接并将状态机状态置　（３）如果收到请求，用ａｃｃｅｐｔ（）接收并状态机从　为“空闲”；　“空闲”设置到新请求；　（５）如果状态为“等待应答”，检查客户端的信　（４）如果状态为“新请求”，用ｓｅｌｅｃｔ（）检查是否　息／服务是否存在，如果存在，增大应答分组，使用　有请求到达，如果ｓｅｌｅｃｔ（）返回有数据包的信息，用　ｓｅｎｄ（）返回正常应答报文或例外应答，将状态机从　ｒｅｃｖ（６）读取含有后续长度字节的前６个字节，如果发　“空闲”设置到“新请求”。在每个周期中通过将　生错误，关闭连接并将状态机状态置为“空闲”，如　ｅｓｌｅｃｔ（）调用连接成单个调用是可能的，而且并不影响　应用的功能结构。　７结束语　ＭｏｄＢｕｓ协议在工业控制系　统中已经应用十分广泛。但在多　数系统中使用的是由专业供应商　提供的组态软件。有时候使用组　态软件提供的数据格式并不能达　到要求　直接使用Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ　协议进行数据通讯是十分有用　的。　功　参考文献　［１１】　ＧＢ／Ｚ　１９５８２－２００４．基于　Ｍｏｄｂｕｓ协议的工业自动化网络　规范．中国国家标准化管理委员　会发布　【２】Ｃｏｍｅｒ　Ｄｏｕｇｌａｓ　Ｅ著．　用ＴＣＰ／ＩＰ进行网际互联一第三　卷一客户／服务器编程与应用　图６　Ｍｏｄｂｕｓ服务器实现流程图　【Ｍ】．北京：电子工业出版社口　２　４　Ｉ倥一位夏‘准　与计■　—●■　而　—～——