Modbus TCP 入门学习[通俗易懂]

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。如果您正在找激活码,请点击查看最新教程,关注关注公众号 “全栈程序员社区” 获取激活教程,可能之前旧版本教程已经失效.最新Idea2022.1教程亲测有效,一键激活。

Jetbrains全家桶1年46，售后保障稳定

记录下我入门学习的过程，供日后回看，文字部分多是转载他人blog，有注明来源地址；实验部分为真实测试结果。

1. ModBus通讯协议简介

　　(摘抄：来自网络)Modbus协议是一种已广泛应用于当今工业控制领域的通用通讯协议。通过此协议，控制器相互之间、或控制器经由网络（如以太网）可以和其它设备之间进行通信。Modbus协议使用的是主从通讯技术，即由主设备主动查询和操作从设备。一般将主控设备方所使用的协议称为Modbus Master，从设备方使用的协议称为Modbus Slave。典型的主设备包括工控机和工业控制器等；典型的从设备如PLC可编程控制器等。Modbus通讯物理接口可以选用串口（包括RS232和RS485），也可以选择以太网口。其通信遵循以下的过程：

　　●　主设备向从设备发送请求

　　●　从设备分析并处理主设备的请求，然后向主设备发送结果

　　●　如果出现任何差错，从设备将返回一个异常功能码

2. Modbus TCP 的数据帧 

     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

上面截图来源：http://www.modbus.org/docs/Modbus_Messaging_Implementation_Guide_V1_0b.pdf

头部MBAP：

例如：

3：功能码

来源：https://blog.csdn.net/iknow_nothing/article/details/84292914 

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

4：实验

准备一个C# Socket的收发模型封装类，下载一个Modbus Slave工具 

序列号：5455415451475662

0x01：读线圈
在从站中读1~2000个连续线圈状态，ON=1,OFF=0

下面截图来源：初识Modbus TCP————-C#编写Modbus TCP客户端程序(一）_thebestleo的专栏-CSDN博客_c# modbus tcp

请求：MBAP 功能码 + 起始地址H 起始地址L +数量H 数量L
响应：MBAP 功能码 数据长度 数据（一个地址的数据为1位）
如：在从站0x01中，读取开始地址为0x0002的线圈数据，读16位

 请求：00 01 00 00 00 06 01 （Slave ID）01(功能码) 00 02 （起始地址）00 10（长度16转化16进制为10）

byte[] data = new byte[] { 0x00,0x01,0x00,0x00,0x00,0x06, 0x01, 0x01, 0x00, 0x02, 0x00, 0x10 };

Jetbrains全家桶1年46，售后保障稳定

验证：0x55 转化为二进制位： 01010101

           0x15转化为二进制位：  00010101

把上面2个二进制按一定的方向组合起来就和上图配置的 开关量保持一致了。从C# 程序上来说：

byte[] data = new byte[] { 0x55, 0x15 };

data[0]是地位，data[1]是高位，深入到每个byte里面的二进制，高位在前，低位在后。ModBus使用Big-Endian表示地址和数据项。

0x02：读离散量输入

过程和0x01一致，略

0x03：读保持寄存器

从远程设备中读保持寄存器连续块的内容

• 请求：MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 寄存器数量H 寄存器数量L（共12字节）
• 响应：MBAP 功能码 数据长度 寄存器数据(长度：9+寄存器数量×2)

 byte[] data = new byte[] { 0x00, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x06, 0x01, 0x03, 0x00, 0x4f, 0x00, 0x03 };

响应：

见下面0x04，过程一致；

0x04：读输入寄存器

从一个远程设备中读1~2000个连续输入寄存器

• 请求：MBAP+功能码+起始地址H 起始地址L+ 寄存器数量H 寄存器数量L（共12字节）
• 响应：MBAP + 功能码 + 数据长度 + 寄存器数据 (长度：9+寄存器数量×2)

byte[] data = new byte[] { 0x00, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x06, 0x01, 0x04, 0x00, 0x4f, 0x00, 0x05 };

得到响应如下图所示：

注意：16位的寄存器存储的最大带符号2进制数是32767

0x05：写单个线圈
将从站中的一个输出写成ON或OFF，0xFF00请求输出为ON,0x000请求输出为OFF

80的16进制为0x50 

 byte[] data = new byte[] { 0x00, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x06, 0x01, 0x05, 0x00, 0x50, 0x00, 0x00 };

结果为：

0x06：写单个保持寄存器

• 请求：MBAP 功能码 寄存器地址H 寄存器地址L 寄存器值H 寄存器值L（共12字节）
• 响应：MBAP 功能码 寄存器地址H 寄存器地址L 寄存器值H 寄存器值L（共12字节）

byte[] data = new byte[] { 0x00, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x06,0x01, 0x06,  0x00, 0x4f, 0x00, 0xa8 };

 0x10：写多个保持寄存器

这里理解：寄存器数量：就是需要多少个寄存器去存数据，比如:1个、2个等；

字节数：就是寄存器值占用的bit位数/8，一个字节=8个位；

比如：float、32位int，都占用4个字节，寄存器使用2个来存储， 关于用2个寄存器存4个字节的解析，可以参考后文的介绍。

• 请求：MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 寄存器数量H 寄存器数量L 字节长度 寄存器值（13+寄存器数量×2）
• 响应：MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 寄存器数量H 寄存器数量L（共12字节）

例如：从0x02开始，写入0x03个寄存器，字节数为：0x06, 值分别为：00 0A,01 02,00 A8

byte[] data = new byte[] { 0x00, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x0D, 0x01, 0x010, 0x00, 0x02, 0x00, 0x03, 0x06,0x00,0x0A,0x01,0x02,0x00,0xa8 };

更多举例： 

   0x0F：写多个线圈

• 请求：MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 输出数量H 输出数量L 字节长度 输出值H 输出值L
• 响应：MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 输出数量H 输出数量L

上图的字节数N = 输出数量/8 或不足整除+1

这里说明下为何协议里还要有一个字节数的存在，很好理解：假如输出值都是一致的，起始地址为0，输出16位长度和输出15个长度的请求如何区分呢，需要告诉PLC 改变的线圈的个数就由字节数来表示。

例如：从地址0开始写入11个线圈，值为0xcd: 11001101

byte[] data = new byte[] { 0x00, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x09, 0x01, 0x0f, 0x00, 0x00,0x00,0x0b,0x02, 0xcd, 0xcd };

 5:长连接心跳

 在实际测试过程中发现大概1到2分钟之间，再次发送数据包时提示连接已经断开。如果频繁的连接则一直会保持连接！

所以这里加一个定时器处理：

  private void timer1_Tick(object sender, EventArgs e)
        {
            byte[] data = new byte[] { 0x00, 0x0f, 0x00, 0x00, 0x00, 0x06, 0x01, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01 };
            client.SendAsync(data);
        }

不知道这个模拟Modbus Slave的缘故还是内部有一些超时的机制在内面，通过测试发现有这个现象，还未拿到真正的PLC硬件测试，暂时做一个记录。下面贴图为一个参考： 可能说的是TCP Keep Alive 机制

6:Modbus 错误码

来源：modbus通信协议中的功能码、异常功能码和错误码_欧阳鑫-CSDN博客_modbus返回故障代码

这里贴过来，汇总整理，方便学习之用：

功能码表

其中物理离散量输入和输入寄存器只能有I/O系统提供的数据类型，即只能是由I/O系统改变离散量输入和输入寄存器的数值，而上位机程序不能改变的数据类型，在数据读写上表现为只读，而内部比特或者物理线圈和内部寄存器或物理输出寄存器（保持寄存器）则是上位机应用程序可以改变的数据类型，在数据读写上表现为可读可写。

错误代码表

7:如何读取float型数据

通过上面的测试可以看到寄存器读到的是short型数据，float占两个寄存器，需要4个字节存储，p1、p2对应两个寄存器的值。

 float GetFloat(ushort P1, ushort P2)
        {
            int intSign, intSignRest, intExponent, intExponentRest;
            float faResult, faDigit;
            intSign = P1 / 32768;
            intSignRest = P1 % 32768;
            intExponent = intSignRest / 128;
            intExponentRest = intSignRest % 128;
            faDigit = (float)(intExponentRest * 65536 + P2) / 8388608;
            faResult = (float)Math.Pow(-1, intSign) * (float)Math.Pow(2, intExponent - 127) * (faDigit + 1);
            return faResult;
        }

 float GetFloat(short p1, short p2)
        {
            byte[] bytes = new byte[4];
            bytes[0] = (byte)(p2 & 0xFF);//低位
            bytes[1] = (byte)(p2 >> 8);//高位
            bytes[2] = (byte)(p1 & 0xFF);
            bytes[3] = (byte)(p1 >> 8);
            float value = BitConverter.ToSingle(bytes, 0);
            return value;
        }

本文完！2019年4月12日15:08:25