Modbus是工业现场最通用的开放式串行通信协议 ，无需授权、跨品牌兼容（三菱、西门子、台达、施耐德等PLC均支持），而Modbus RTU 是其最常用的串行通信模式，主打抗干扰强、传输效率高、硬件成本低，广泛用于PLC与PLC、PLC与变频器/传感器/触摸屏等工业设备的点对点/多点通信。
一、Modbus RTU 概念
1. 通信架构：主从式（一主多从）
Modbus RTU采用单主站多从站的通信规则，这是其最核心的通信逻辑，也是和其他协议的关键区别：
- 主站：唯一发起通信请求的设备（如主PLC、触摸屏、上位机），主动发送"读/写"指令，等待从站响应。
- 从站 ：被动响应的设备（如从PLC、变频器、传感器），每个从站有唯一的地址（1~247） ，仅接收主站发给自身的指令，执行后返回响应帧；从站之间不能互相通信。
- 广播：主站地址写0时为广播指令，所有从站接收并执行（仅支持写指令，无响应）。
2. 通信介质与物理层
Modbus RTU基于串行异步通信 ，主流硬件为RS485（少量场景用RS232），两者对比如下（考试/实操重点）：
| 接口 | 通信方式 | 节点数 | 传输距离 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| RS232 | 点对点（单主单从） | 2个 | ≤15米 | 近距离一对一（如PLC与电脑） |
| RS485 | 差分信号半双工 | 最多32个（加中继可扩展至128个） | ≤1200米 | 工业现场多节点（如PLC带多台变频器） |
RS485 关键接线要求（实操）
- 核心接线：两根差分线A（+）、B（-） ，所有设备的A接A、B接B，严禁接反（接反直接无通信）。
- 终端电阻：在总线两端的设备 上接120Ω/1W的终端电阻（匹配总线阻抗，减少信号反射），中间设备不接。
- 布线规范：用屏蔽双绞线，屏蔽层单端接地（接大地），远离动力线（强电干扰），总线尽量走直线，不星型连接。
3. 通信参数（必须全网一致）
所有参与Modbus RTU通信的设备，波特率、数据位、校验位、停止位 这4个参数必须完全相同，否则会出现"通信无响应、数据乱码"，是实操中最常见的错误点，也是考试高频考点。
- 波特率：常用9600bps（默认），也可设4800/19200bps（波特率越高，传输越快，抗干扰越弱）。
- 数据位：固定8位（Modbus RTU标准）。
- 校验位：常用偶校验（Even） 或无校验（None）（无校验时停止位设为2位）。
- 停止位：1位（偶校验/奇校验）或2位（无校验）。
- 标准配置：9600 8 E 1（9600波特率、8数据位、偶校验、1停止位）。
4. Modbus RTU 与 Modbus ASCII 的区别
Modbus有RTU、ASCII、TCP三个主流版本，RTU和ASCII均为串行通信，核心区别如下：
| 特性 | Modbus RTU | Modbus ASCII |
|---|---|---|
| 数据格式 | 二进制（十六进制） | 十六进制字符（ASCII码） |
| 传输效率 | 高（二进制占字节少） | 低（字符占字节多） |
| 抗干扰 | 强（工业现场首选） | 弱（仅适用于低干扰场景） |
| 帧分隔 | 3.5个字符时间的静默间隔 | 起始符（:）+ 结束符（CR/LF） |
| 校验方式 | CRC16（2字节，严格） | LRC（1字节，简单） |
结论 ：工业现场和PLC考试均以Modbus RTU为核心，ASCII基本不用，只需了解区别即可。
二、Modbus RTU 帧格式
Modbus RTU的通信单位是帧 ，主站发请求帧 ，从站回响应帧 ，帧由4个固定部分 组成，无起始/结束符 ，通过3.5个字符时间的静默间隔 区分帧边界，帧格式为二进制 ，按字节 传输，低位在前，高位在后（CRC校验尤为重要）。
通用帧格式（所有RTU通信均遵循）
| 字段 | 字节数 | 取值/含义 |
|---|---|---|
| 从站地址 | 1 | 1~247（唯一），0为广播 |
| 功能码 | 1 | 1 ~ 127（有效），128~255为异常响应（功能码+128） |
| 数据域 | N | 随功能码变化（请求帧：读/写的地址、数量/值；响应帧：返回的数/确认信息） |
| CRC16校验 | 2 | 对"从站地址+功能码+数据域"的CRC16循环冗余校验，低字节在前，高字节在后 |
关键说明
- 功能码异常 ：若从站执行指令出错（如地址越界、功能码不支持），会返回异常响应帧，格式为「从站地址 + （功能码+128） + 异常码 + CRC16」，异常码表示错误原因（如01=非法功能码、02=非法数据地址）。
- CRC16校验 ：Modbus RTU的核心校验方式，必须正确，否则从站会丢弃帧，不做任何响应；CRC16的计算有固定算法，PLC和调试软件会自动计算，无需手动算，只需知道校验范围和字节顺序。
帧格式实例（读保持寄存器，最常用）
以主站读从站1的40001~40002保持寄存器为例，功能码03，通信参数9600 8 E 1：
- 请求帧 （十六进制）：
01 03 00 00 00 02 C4 0B- 01：从站地址
- 03：功能码（读保持寄存器）
- 00 00：起始寄存器地址（40001对应偏移0000，关键偏移！）
- 00 02：读取寄存器数量（2个）
- C4 0B：CRC16校验（低字节C4，高字节0B）
- 响应帧 （十六进制，假设寄存器值为000A、000B）：
01 03 04 00 0A 00 0B 70 41- 01：从站地址
- 03：功能码（和请求一致）
- 04：返回数据的字节数（2个寄存器×2字节=4字节）
- 00 0A 00 0B：返回的寄存器值（40001=000A，40002=000B）
- 70 41：CRC16校验
三、Modbus RTU 寄存器分类
Modbus协议定义了4类寄存器 ，用于存储不同类型的数据（离散量/数字量、模拟量），只读/读写属性固定 ，地址为十进制 ，有固定的地址段和偏移规则 ，这是PLC编程中地址映射的核心。
核心原则 ：Modbus寄存器地址为逻辑地址 ，需映射到PLC的实际寄存器 （如三菱的X/Y/D、西门子的I/Q/MW），映射的关键是偏移量（逻辑地址的后4位-1）。
4类寄存器详细说明
| 寄存器类型 | 逻辑地址段 | 读写属性 | 数据类型 | 对应PLC常用寄存器 | 核心用途 | 地址偏移规则（关键） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 线圈寄存器（Coil） | 00001~09999 | 读写 | 离散量（0/1） | 三菱Y、西门子Q | 控制设备输出（如继电器、指示灯） | 逻辑地址-00001=PLC映射偏移 |
| 离散输入寄存器 | 10001~19999 | 只读 | 离散量（0/1） | 三菱X、西门子I | 采集设备输入（如按钮、接近开关） | 逻辑地址-10001=PLC映射偏移 |
| 输入寄存器 | 30001~39999 | 只读 | 16位无符号整数 | 三菱AI、西门子PIW | 采集模拟量输入（如温度、压力） | 逻辑地址-30001=PLC映射偏移 |
| 保持寄存器 | 40001~49999 | 读写 | 16位无符号整数 | 三菱D、西门子MW | 存储/读写模拟量（如设定值、参数） | 逻辑地址-40001=PLC映射偏移 |
地址映射实例（三菱PLC为例）
Modbus保持寄存器40001 → 偏移0000 → 映射到三菱PLCD0 ；
Modbus保持寄存器40005 → 偏移0004 → 映射到三菱PLCD4 ；
Modbus线圈寄存器00003 → 偏移0002 → 映射到三菱PLCY2 ；
Modbus离散输入寄存器10002 → 偏移0001 → 映射到三菱PLCX1。
总结 ：40001对应D0是工业现场和考试的默认映射规则，所有保持寄存器的偏移均以此为基准。
四、Modbus RTU 常用功能码
功能码是Modbus RTU的指令核心 ，1字节（01~127），表示主站对从站的操作指令 （读/写），不同功能码对应不同寄存器的操作，无需记忆所有功能码，只需掌握8个常用的（覆盖99%的PLC通信场景）。
读类功能码（主站读从站数据，最常用）
| 功能码 | 功能名称 | 适用寄存器 | 核心参数（数据域） |
|---|---|---|---|
| 01 | 读线圈状态 | 线圈寄存器（0区） | 起始地址、读取数量（最多2000个） |
| 02 | 读输入状态 | 离散输入寄存器（1区） | 起始地址、读取数量（最多2000个） |
| 03 | 读保持寄存器 | 保持寄存器（4区） | 起始地址、读取数量（最多125个） |
| 04 | 读输入寄存器 | 输入寄存器（3区） | 起始地址、读取数量（最多125个） |
写类功能码（主站写数据到从站，最常用）
| 功能码 | 功能名称 | 适用寄存器 | 核心参数（数据域） |
|---|---|---|---|
| 05 | 写单个线圈 | 线圈寄存器（0区） | 线圈地址、写入值（0000=关，FF00=开） |
| 06 | 写单个保持寄存器 | 保持寄存器（4区） | 寄存器地址、写入值（16位整数） |
| 15（0F） | 写多个线圈 | 线圈寄存器（0区） | 起始地址、数量、字节数、写入值 |
| 16（10） | 写多个保持寄存器 | 保持寄存器（4区） | 起始地址、数量、字节数、写入值 |
功能码使用原则
- 只读寄存器不能写 ：如用06功能码写3区输入寄存器，从站会返回异常码02（非法数据地址）。
- 数量限制：读保持寄存器最多125个，读线圈最多2000个，超出会报错。
- 05/15写线圈 ：写入值为0000（二进制0） 表示断开，FF00（二进制1） 表示闭合（固定规则，不能改）。
五、PLC 作为 Modbus RTU 主站/从站的编程实操
以三菱FX系列PLC （工业最常用）为例，搭配FX2N-485-BD RS485通信板，讲解从站编程 和主站编程的核心步骤，其他品牌PLC（西门子、台达）编程逻辑一致，仅指令不同。
前置准备
- 硬件：主PLC（FX3U）+ 从PLC（FX2N）+ 2块FX2N-485-BD + 屏蔽双绞线 + 120Ω终端电阻。
- 通信参数：全网设为9600 8 E 1 ，主站无地址，从站地址设为1。
- 寄存器映射：从站PLC的D0-D19映射到Modbus 40001-40020，Y0-Y7映射到00001-00008，X0-X7映射到10001-10008。
1. PLC 作为 Modbus RTU 从站（被动响应，简单）
三菱PLC做从站，无需写复杂逻辑，只需用RS指令 （串行通信指令）配置通信参数，开启Modbus RTU从站模式即可，核心是参数配置。
核心指令：RS指令（梯形图）
RS D0 K20 H0 K1 H1
; 解释：
; D0：通信数据存储起始地址
; K20：通信数据长度（20字节）
; H0：通信端口（FX系列固定H0）
; K1：波特率/校验位设置（K1=9600 8 E 1，固定对应标准配置）
; H1：从站地址（设为1，和通信参数一致）编程步骤
- 打开GX Works2，新建FX3U项目，进入梯形图编辑。
- 编写RS指令，用M8000（运行监控） 触发（保持常通）。
- 下载程序到从站PLC，上电，从站即进入Modbus RTU从站模式，等待主站请求。
2. PLC 作为 Modbus RTU 主站（主动请求，核心）
三菱PLC做主站，推荐使用MODRW专用指令（Modbus RTU读/写指令，内置CRC16校验，无需手动计算），替代复杂的RS指令，是工业现场和考试的首选。
核心指令：MODRW指令（梯形图）
MODRW S1 S2 S3 S4 D
; 官方标准格式，解释：
; S1：0=主站模式，1=从站模式（主站设0）
; S2：功能码（03=读保持寄存器，06=写单个保持寄存器）
; S3：从站地址（和从站一致，设1）
; S4：读取/写入的寄存器数量（读设2=读2个，写设1=写1个）
; D：主站存储读取数据/写入数据的起始地址编程实例1：主站读从站40001-40002保持寄存器
MODRW K0 K3 K1 K2 D100
; 触发条件：X0（启动按钮）
; 解释：主站模式，功能码03，从站1，读2个保持寄存器，数据存在主站D100-D101
; 对应：从站D0→主站D100，从站D1→主站D101编程实例2：主站写从站40001保持寄存器（值为100）
MOV K100 D200 ; 先将100写入主站D200（写入值存储地址）
MODRW K0 K6 K1 K1 D200
; 触发条件：X1（写按钮）
; 解释：主站模式，功能码06，从站1，写1个保持寄存器，写入值存在主站D200
; 对应：主站D200=100→从站D0=100（40001=100）编程步骤
- 主站PLC编写MODRW指令，设置触发条件（X0/X1，手动触发）。
- 下载程序到主站PLC，上电，接好RS485总线。
- 按下X0，主站发送读请求，从站响应，主站D100-D101即可读取从站数据；按下X1，主站发送写请求，从站D0被写入100。
六、Modbus RTU 调试与故障排查
通信调试的核心是**"先硬件，后软件；先参数，后程序"，90%的Modbus RTU通信故障均为硬件接线、参数不匹配、地址映射错误**，无需复杂排查，按以下步骤逐一验证即可。
通用调试步骤
- 硬件排查：检查RS485接线（A接A、B接B）、终端电阻（两端接120Ω）、屏蔽层接地，用万用表测A/B之间的电压（正常为2~5V），无短路/断路。
- 参数排查 ：所有设备的波特率、数据位、校验位、停止位、从站地址完全一致，无任何差异。
- 软件调试 ：用串口调试助手（如SSCOM、Modbus Poll） 监控通信帧，电脑通过RS485转USB接总线，查看主站的请求帧 和从站的响应帧是否完整、CRC校验是否正确。
- 程序排查 ：检查PLC指令的功能码、寄存器地址、偏移量是否正确，无越界/错用功能码。
常见故障及解决方法（高频考点）
| 故障现象 | 最可能原因 | 解决方法 |
|---|---|---|
| 通信无响应，无任何帧 | 1. A/B接反；2. 参数不匹配；3. 无终端电阻；4. 从站地址错误 | 1. 调换A/B；2. 统一全网参数；3. 两端加120Ω；4. 修正从站地址 |
| 能读数据，不能写数据 | 1. 功能码错（用读功能码写）；2. 寄存器只读；3. 写值越界 | 1. 换写功能码（06/16）；2. 换可写寄存器（4区/0区）；3. 修正写入值 |
| 数据读写乱码/错误 | 1. 地址偏移错误；2. 数据长度不匹配；3. CRC校验错误 | 1. 按40001→D0映射；2. 调整读取/写入数量；3. 检查帧完整性 |
| 通信不稳定，偶尔断连 | 1. 总线过长/节点过多；2. 强电干扰；3. 终端电阻接错；4. 波特率过高 | 1. 加RS485中继；2. 用屏蔽线，远离动力线；3. 终端电阻仅接两端；4. 降波特率至4800bps |
七、核心考点总结（期末复习速记）
- Modbus RTU是主从式串行通信，一主多从，从站地址唯一（1~247）。
- 物理层主流RS485 ，接线A-A、B-B，两端接120Ω终端电阻，通信参数全网一致（9600 8 E 1）。
- 帧格式：从站地址+功能码+数据域+CRC16，CRC16低字节在前，高字节在后。
- 4类寄存器核心映射：40001→D0，00001→Y0，10001→X0，30001→AI0。
- 常用功能码：03（读保持寄存器）、06（写单个保持寄存器）、01（读线圈）、05（写单个线圈）。
- 故障排查优先级：参数不匹配 > 接线错误 > 程序错误 > 硬件故障。
八、延伸：Modbus RTU 与 Modbus TCP 的区别
Modbus TCP是基于以太网的Modbus协议，和RTU的核心区别如下，了解即可：
- 物理层：RTU为RS485，TCP为以太网（RJ45）。
- 传输效率：TCP远高于RTU（100/1000Mbps）。
- 节点数：TCP无限制，RTU最多32个（加中继除外）。
- 通信架构：TCP支持多主多从，RTU仅一主多从。
- 帧格式：TCP在RTU帧基础上加MBAP报文头（7字节），基于TCP/IP协议。
应用场景 ：近距离工业现场用Modbus RTU ，远距离/多节点工控网用Modbus TCP。