Modbus

Modbus 工业通信的通用语言

1. 什么是Modbus

Modbus 是一种工业级串行通信协议，由施耐德电气（Schneider Electric）旗下的 Modicon 公司于 1979 年推出，最初用于可编程逻辑控制器（PLC）之间的通信。经过数十年发展，它已成为工业自动化领域的通用语言，广泛应用于传感器、变频器、仪表、PLC、SCADA（监控和数据采集系统）等设备间的数据交互，核心优势是结构简单、开源免费、兼容性强。

2. Modbus 的核心特点

Modbus 能在工业场景中普及，源于其适配工业环境的核心特性：

  1. 主从（Master-Slave）通信架构
    通信网络中只有 1 个主设备（如 PLC、工控机）和多个从设备（如传感器、执行器），主设备主动发起请求，从设备仅响应主设备的指令（不主动发送数据），避免网络冲突，适配工业场景的集中控制 需求。
  2. 开源免费，无专利限制
    协议规范完全公开，设备厂商无需支付授权费即可实现兼容，因此几乎所有工业设备厂商（如西门子、罗克韦尔、欧姆龙等）都支持 Modbus。
    轻量化设计，易实现
  3. 协议帧结构简单（仅包含地址、功能码、数据、校验码），对硬件资源要求低，即使是低成本的单片机（如 51 单片机）也能轻松实现。
    支持多种物理层
  4. 可基于不同的物理接口和传输介质部署，满足不同工业场景的距离、速度需求，常见物理层包括 RS-232、RS-485、以太网等。

3. Modbus 的主要协议变体

根据物理层和传输方式的不同，Modbus 主要分为三大类，适配不同的工业通信场景：

协议变体 物理层 传输介质 核心特点 典型应用场景
Modbus RTU RS-485 / RS-232 屏蔽双绞线 1. 二进制编码，数据密度高（传输效率高）
2. 抗干扰能力强（RS-485 支持差分传输）
3. 传输距离远（RS-485 单段最大 1200 米）
4. 支持多从机（RS-485 最多 32 个从设备）		 车间内短距离、多设备的分布式控制（如传感器组网、变频器控制）
Modbus ASCII RS-485 / RS-232 屏蔽双绞线 1. ASCII 编码（数据以可打印字符传输）
2. 可读性强（便于调试，可直接查看数据）
3. 传输效率低（相同数据占用字节更多）		 对调试可读性要求高、数据量小的场景
Modbus TCP 以太网 网线、光纤 1. 基于 TCP/IP 协议，使用端口 502
2. 支持远距离传输（依托以太网 / 互联网）
3. 可实现多主多从（突破 RTU/ASCII 的单主限制）
4. 传输速度快（依托以太网带宽，可达 100Mbps/1Gbps）		 跨车间、跨厂区的远程监控（如 SCADA 系统、工业互联网平台）

4. Modbus 通信的核心概念

Modbus 通信的核心概念主要是以下两点：

  1. 从设备地址（Slave Address）

    • 仅用于 Modbus RTU/ASCII（TCP 用 IP 地址标识设备），是从设备的唯一标识（范围：1-247，0 为广播地址）。
    • 主设备发起请求时，需指定目标从设备的地址，只有地址匹配的从设备才会响应。

  2. 功能码（Function Code）

    • 功能码是 主从设备的指令约定，主设备通过功能码告知从设备要做什么，从设备通过相同功能码响应（或返回错误码）。

    • 常见功能码如下：

      功能码 名称 作用 典型应用
      01 读线圈状态 读取从设备的线圈（离散输出，如继电器开关） 查看电机启停状态、阀门开关状态
      02 读离散输入状态 读取从设备的离散输入（如按钮、传感器开关） 查看急停按钮状态、光电传感器信号
      03 读保持寄存器 读取从设备的保持寄存器（16 位整数，可读写） 读取变频器频率、仪表测量值（如温度、压力）
      04 读输入寄存器 读取从设备的输入寄存器（16 位整数，只读） 读取模拟量传感器数据（如电流、电压信号）
      05 写单个线圈 控制从设备的单个线圈（置 1 或置 0） 控制继电器吸合 / 断开、阀门打开 / 关闭
      06 写单个保持寄存器 向从设备的单个保持寄存器写入数据 设置变频器目标频率、设定仪表报警阈值
      16（0x10） 写多个保持寄存器 批量写入多个保持寄存器 批量设置设备参数（如 PLC 的多通道输出值）

  3. 数据地址（Register Address）
    设备的寄存器 / 线圈按地址 划分，主设备需指定起始地址 和数据长度 来读写数据。
    需注意：

    • 地址偏移问题：不同厂商的设备可能存在地址偏移（如 Modbus 标准地址为 40001 开始的保持寄存器，部分设备可能显示为 00001 开始），需参考设备手册确认。
    • 数据类型：寄存器通常为 16 位整数，若需传输 32 位浮点数（如温度值 25.5℃），需将两个 16 位寄存器拼接（大端 / 小端顺序需与设备约定）。

  4. 校验码（Checksum）
    仅用于 Modbus RTU/ASCII（TCP 依赖 TCP 协议的校验机制，无需额外校验），用于检测传输过程中的数据错误：

    • RTU 校验：采用 CRC16 循环冗余校验（2 字节），计算整个数据帧的校验值，从设备接收后重新计算，不匹配则丢弃。
    • ASCII 校验：采用 LRC 纵向冗余校验（1 字节），计算数据帧中所有字节的异或值，实现简单但抗干扰能力弱于 CRC16。

5. Modbus 通信流程（以 RTU 为例）

以主设备读取从设备的数据 为例，流程如下：

  1. 主设备发起请求：
    数据帧结构为 [从地址] + [功能码] + [起始地址] + [数据长度] + [CRC16校验]
    如读取地址 1 的传感器（功能码 03，起始地址 00 00，读取 1 个寄存器），帧为 01 03 00 00 00 01 84 0A。
  2. 从设备接收并响应：
    从设备（地址 1）接收后，验证 CRC 校验，确认功能码和地址匹配，读取寄存器数据，返回响应帧：
    [从地址] + [功能码] + [数据长度] + [数据] + [CRC16校验]
    如 01 03 02 00 19 79 8E（其中 02 为数据长度，00 19 为数据（2个字节表示一个寄存器的值）。
  3. 主设备处理数据：
    主设备接收响应帧，校验 CRC 后，解析数据（00 19 转换为十进制 25），完成一次通信。

6. Modbus 的优缺点与应用场景

  1. 优点
    • 兼容性极强：几乎所有工业设备都支持，不同厂商设备可直接通信（无需定制协议）。
    • 部署成本低：RTU 基于 RS-485，硬件成本低；TCP 可复用现有以太网网络。
    • 调试便捷：有大量开源工具（如 Modbus Poll、QModMaster）支持数据监控和测试。
  2. 缺点
    • 安全性弱：协议本身无加密机制，数据传输为明文，易被窃取或篡改（需额外叠加 VPN、防火墙等安全措施）。
    • RTU/ASCII 单主限制：仅支持 1 个主设备，无法满足多系统同时控制的场景（需用 Modbus TCP 或网关转换）。
    • 数据长度有限：单帧最大传输 256 字节，不适合大数据量传输（如视频、大量日志）。
  3. 典型应用场景
    • 工业自动化控制：PLC 与变频器、伺服驱动器通信，实现电机转速控制。
    • 过程监控：传感器（温度、压力、流量）与 SCADA 系统通信，实时采集生产数据。
    • 智能楼宇：楼宇控制器与空调、照明、电梯设备通信，实现能耗监控。
    • 物联网（IIoT）：通过 Modbus TCP 或网关（RTU 转 TCP）将工业设备接入云端平台（如阿里云 IoT、AWS IoT）。