Modbus TCP通信协议详解

一、Modbus TCP通信概述
MODBUS/TCP是简单的、中立厂商的用于管理和控制自动化设备的MODBUS系列通讯协议的派生产品，显而易见，它覆盖了使用TCP/IP协议的“Intranet”和“Internet”环境中MODBUS报文的用途。协议的最通用用途是为诸如PLC，I/O模块，以及连接其它简单域总线或I/O模块的网关服务的。

Modbus TCP协议是在RTU协议前面添加MBAP报文头，由于TCP是基于可靠连接的服务，RTU协议中的CRC校验码就不再需要，所以在Modbus TCP协议中是没有CRC校验码。(使用上的主要区别)。MBAP报文头：

事务处理标识 ( 2字节 ) 协议标识( 2字节 ) 长度( 2字节 ) 单元标识符(1字节 )

二. 通讯所使用的以太网参考模型
Modbus TCP传输过程中使用了TCP/IP以太网参考模型的5层：

第一层：物理层，提供设备物理接口，与市售介质/网络适配器相兼容

第二层：数据链路层，格式化信号到源/目硬件址数据帧

第三层：网络层，实现带有32位IP址IP报文包

第四层：传输层，实现可靠性连接、传输、查错、重发、端口服务、传输调度

第五层：应用层，Modbus协议报文

三. Modbus TCP数据帧
由于使用以太网TCP/IP数据链路层的校验机制而保证了数据的完整性，MODBUS TCP 报文中不再带有数据校验”CHECKSUM”，原有报文中的“ADDRESS”也被“UNIT ID”替代而加在MODBUS应用协议报文头中。

由MBAP 头和PDU 构成， MBAP= Modbus Application Protocol Header(Modbus应用协议) 头部

PDU = Protocol Data Unit （数据单元）

ADU：Application Data Unit

四. Modbus TCP使用的通讯资源端口号
在Modbus服务器中按缺省协议使用Port 502 通信端口，在Modbus客户器程序中设置任意通信端口，为避免与其他通讯协议的冲突一般建议2000开始可以使用。

五. Modbus TCP使用的功能代码
按照使用的通途区分，共有3种类型分别为：

1. 公共功能代码：已定义好功能码，保证其唯一性，由Modbus.org认可；

2. 用户自定义功能代码有两组，分别为65～72和100～110，无需认可，但不保证代码使用唯一性,如变为公共代码，需交RFC认可；

3. 保留功能代码，由某些公司使用某些传统设备代码，不可作为公共用途。

modbus的操作对象有四种：线圈、离散输入、输入寄存器、保持寄存器

线圈：PLC的输出位，开关量，在MODBUS中可读可写
离散量：PLC的输入位，开关量，在MODBUS中只读
输入寄存器：PLC中只能从模拟量输入端改变的寄存器，在MODBUS中只读
保持寄存器：PLC中用于输出模拟量信号的寄存器，在MODBUS中可读可写
根据对象的不同，modbus的功能码有：

0x01：读线圈
0x02：读离散量输入
0x03：读保持寄存器

0x04：读输入寄存器

0x05：写单个线圈
0x06：写单个保持寄存器
0x10：写多个保持寄存器
0x0F：写多个线圈

按照应用深浅，可分为3个类别：

1. 类别0，客户机/服务器最小可用子集：读多个保持寄存器(fc.3)；写多个保持寄存器(fc.16)。

2. 类别1，可实现基本互易操作常用代码：读线圈(fc.1)；读开关量输入(fc.2)；读输入寄存器(fc.4)；写线圈(fc.5)；写单一寄存器(fc.6)。

3. 类别2，用于人机界面、监控系统例行操作和数据传送功能：强制多个线圈(fc.15)；读通用寄存器(fc.20)；写通用寄存器(fc.21)；屏蔽写寄存器(fc.22)；读写寄存器(fc.23)。

六. Modbus TCP通讯应用举例
在读寄存器的过程中，以Modbus TCP请求报文为例,具体的数据传输过程如下：

1. Modbus TCP客户端实况，用Connect()命令建立目标设备TCP 502端口连接数据通信过程；

2. 准备Modbus报文，包括7个字节MBAP内请求；

3. 使用send()命令发送；

4. 同一连接等待应答；

5. 同recv()读报文，完成一次数据交换过程；

6. 当通信任务结束时，关闭TCP连接，使服务器可以为其他服务。

七. Modbus TCP相比较Modbus RTU的优势

1. 当多个网关共同接一个后台服务器，而一个网关下挂接多个485设备时，如果不同的网关挂接同样地址号的485设备时那么后台服务器无法区分是哪个485从设备，并且最多只能限制485设备个数254个，而modbus-tcp协议包含自定义报文头4个字节和数据长度，我们可以通过报文头标识不同的网关或者通过数据长度区分，从而增加了可拓展的485设备个数，很好的解决了问题。

2. 目前Modbus TCP/IP协议主要应用领域Internet或Intranet中，而以太网传输距离远、传输速度快，使得应用范围广泛传输距离远、传输速度快，使得应用范围广泛。