基于Modbus TCP协议实现PC机与PLC的串行通信

1  引言
                
  　智能楼宇工程中的中央空调、电梯、通风、给排水、照明、火灾报警等个子系统的互联方案中，采用modbus tcp协议的串行通信方式，全面兼容modbus工业标准，数据传输可靠，响应速度快，扩展灵活，通过互联网实现各子系统与中央管理系统的通信。modbus tcp协议是在tcp/ip标准中，应用层采用工业领域事实标准modbus。modbus使用tcp/ip应用层的502端口，这是经过国际公认的。该串行总线方式支持各种介质的rs-232、rs-422、rs-485接口。modbus tcp的网络通信模式采用client/server方式，如图1所示。

            图1  modbus tcp的网络通信模式
           

2  modbus tcp串行通信分析与实现
               
　　某智能楼宇中各子系统主要采用plc作为主控模块，如图2所示。网络互联采用modbus tcp网络通信模式，中央管理系统与该网络的互联是亟待解决的问题，plc将智能楼宇中各子系统的相关状态和参数信息保存于它的寄存器中，中央管理系统需要读取plc中一些保持寄存器的数值，以此来进行智能楼宇的全面监控与管理。modbus tcp协议提供了相应指令来进行保持寄存器的读取。

            图2  智能楼宇系统示意图
           

　　2.1 协议分析
               
　　modbus tcp数据报文结构，如图3所示。

            图3  modbus tcp数据报文结构
          

    
　　一次modbus tcp读取保持寄存器的通信分析(省略了ip/tcp头)：从左向右分析该数据报文：00 03为此次通信编号，一般每次通信之后将被要求加1以区别不同的通信数据报文；00 00表示协议标识符，00 00为modbus协议；00 06为数据长度，用来指示接下来数据的长度，单位字节；03为设备地址，用以标识连接在串行线或者网络上的远程服务端的地址。以上七个字节也被称为modbus报文头。03为功能码，此时代码03为读取保持寄存器数据。00 00 00 01为功能码的参数，指示将被读取的保持寄存器的地址与长度。从左向右分析该数据报文：00 03为此次通信编号，应答报文要求与先前对应的请求保持一致；00 00为协议标识符，00 00表示modbus协议；00 05为数据长度，用来指示接下来数据的长度，单位字节；03为设备地址，应答报文要求与先前对应的请求保持一致。以上七个字节同样为modbus报文头。03为功能码，正常情况下应答报文要求与先前对应的请求保持一致，如果出错则返回80h+先前的功能码。02为功能码的第一个参数，指示接下来数据的字节长度；00 17为被读取的保持寄存器中的数据值，即要求被读取的地址为00 00的保持寄存器中的数值为0017h。[page]

　　测试程序(master)发送数据(hex)及 plc(modbus tcp slave) 响应数据(hex)样例分析如图4所示。

            图4  程序发送/接收数据包样例分析
           
 

　　2.2 程序流程
               
　　以下是主程序的流程图，如图5所示，主要功能是建立tcp/ip连接以及连接错误处理。modbus tcp协议的每一次工作循环的流程图，如图6所示。

            图5  主程序流程图

            图6  一次工作循环流程图

　　2.3 程序测试
               
　　首先在ip中填上需要被连接的服务端ip地址，然后点击connect进行连接。连接成功后，在offset中填写需要读取的保持寄存器的开始地址，在length中填写需要读取的保持寄存器的长度。最后点击trigger读取一次上述保持寄存器，同时将在sent和received中显示发送及收到的数据报文(hex)，并且在data monitor中显示对这些报文的解释。
           
3  结束语
               
　　本文对modbus tcp协议以及modbus tcp串行通信在智能楼宇工程中的应用作了简单介绍，重点分析研究了modbus tcp读取plc的保持寄存器数据的过程，并提出实现modbus tcp协议通信的解决方案，进行编程以及调试，成功实现了预期的功能。