基于Modbus TCP協議實現PC機與PLC的串行通信

1 引言

　智能樓宇工程中的中央空調、電梯、通風、給排水、照明、火災報警等個子系統的互聯方案中，采用modbus tcp協議的串行通信方式，全面兼容modbus工業標準，數據傳輸可靠，響應速度快，擴展靈活，通過互聯網實現各子系統與中央管理系統的通信。modbus tcp協議是在tcp/ip標準中，應用層采用工業領域事實標準modbus。modbus使用tcp/ip應用層的502端口，這是經過國際公認的。該串行總線方式支持各種介質的rs-232、rs-422、rs-485接口。modbus tcp的網絡通信模式采用client/server方式，如圖1所示。

圖1 modbus tcp的網絡通信模式

2 modbus tcp串行通信分析與實現

　　某智能樓宇中各子系統主要采用plc作為主控模塊，如圖2所示。網絡互聯采用modbus tcp網絡通信模式，中央管理系統與該網絡的互聯是亟待解決的問題，plc將智能樓宇中各子系統的相關狀態和參數信息保存于它的寄存器中，中央管理系統需要讀取plc中一些保持寄存器的數值，以此來進行智能樓宇的全面監控與管理。modbus tcp協議提供了相應指令來進行保持寄存器的讀取。

圖2 智能樓宇系統示意圖

　　2.1 協議分析

　　modbus tcp數據報文結構，如圖3所示。

圖3 modbus tcp數據報文結構

　　一次modbus tcp讀取保持寄存器的通信分析(省略了ip/tcp頭)：從左向右分析該數據報文：00 03為此次通信編號，一般每次通信之后將被要求加1以區別不同的通信數據報文；00 00表示協議標識符，00 00為modbus協議；00 06為數據長度，用來指示接下來數據的長度，單位字節；03為設備地址，用以標識連接在串行線或者網絡上的遠程服務端的地址。以上七個字節也被稱為modbus報文頭。03為功能碼，此時代碼03為讀取保持寄存器數據。00 00 00 01為功能碼的參數，指示將被讀取的保持寄存器的地址與長度。從左向右分析該數據報文：00 03為此次通信編號，應答報文要求與先前對應的請求保持一致；00 00為協議標識符，00 00表示modbus協議；00 05為數據長度，用來指示接下來數據的長度，單位字節；03為設備地址，應答報文要求與先前對應的請求保持一致。以上七個字節同樣為modbus報文頭。03為功能碼，正常情況下應答報文要求與先前對應的請求保持一致，如果出錯則返回80h+先前的功能碼。02為功能碼的第一個參數，指示接下來數據的字節長度；00 17為被讀取的保持寄存器中的數據值，即要求被讀取的地址為00 00的保持寄存器中的數值為0017h。

　　測試程序(master)發送數據(hex)及 plc(modbus tcp slave) 響應數據(hex)樣例分析如圖4所示。

圖4 程序發送/接收數據包樣例分析

　　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連接以及連接錯誤處理。modbus tcp協議的每一次工作循環的流程圖，如圖6所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 一次工作循環流程圖

　　2.3 程序測試

　　首先在ip中填上需要被連接的服務端ip地址，然后點擊connect進行連接。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。最后點擊trigger讀取一次上述保持寄存器，同時將在sent和received中顯示發送及收到的數據報文(hex)，并且在data monitor中顯示對這些報文的解釋。

3 結束語

　　本文對modbus tcp協議以及modbus tcp串行通信在智能樓宇工程中的應用作了簡單介紹，重點分析研究了modbus tcp讀取plc的保持寄存器數據的過程，并提出實現modbus tcp協議通信的解決方案，進行編程以及調試，成功實現了預期的功能。