Modbus简述
Modbus是一种应用层的报文传输协议：
-
RTU
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ASCII
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TCP
| 方面 | Modbus RTU | Modbus TCP |
|---|---|---|
| 物理层/传输介质 | RS-232 / RS-485（串口） | 以太网（TCP/IP） |
| 编码方式 | 二进制（紧凑） | 二进制（与RTU相同，但封装不同） |
| 帧结构 | Slave ID + PDU + CRC | MBAP Header (7字节) + PDU |
| 错误校验 | CRC-16 | 无（依赖TCP校验和） |
| 最大从站数 | 247 | 受IP网络限制，几乎无限 |
| 并发性 | 单主多从（主站轮询） | 多主多从（多客户端并发） |
| 速度 | 通常9600~115200 bps | 10/100/1000 Mbps，延迟更低 |
| 距离 | RS-485最远1200m | 以太网标准距离，或通过光纤/路由器无限扩展 |
| 抗干扰 | 需终端电阻、光电隔离 | 依赖网络质量，工业以太网需交换机优化 |
| 典型应用场景 | 现场设备密集、成本敏感、低速 | 集中监控、远程访问、与IT系统集成 |
| 安全性 | 物理隔离，基本无加密 | 暴露在网络中，易受攻击（建议加VPN/防火墙） |
Modbus RTU通信协议：
Modbus RTU（Remote Terminal Unit）是一种在工业领域广泛使用的串行通信协议。它支持通过串行连接进行远程设备间的通讯，以实现数据交换。
1.1 数据格式
| 从站地址（设备编号） | 功能码 | 数据 | 校验 |
|---|---|---|---|
| 1 byte | 1 byte | N byte | 2 byte |
1.2 存储区
- 输出线圈 0
- 00001-09999
- 输入线圈 1
- 10001-19999
- 输出寄存器 4
- 40001-49999
- 输入寄存器 3
- 30001-39999
存储区范围5位和6位 标准地址和扩展地址
1.3 功能码
| 读和写 | 功能码 |
|---|---|
| 读输出线圈(读线圈) | 01 |
| 读输入线圈（读离散输入） | 02 |
| 读输出寄存器（读保持寄存器） | 03 |
| 读输入寄存器 | 04 |
| 写单个输出线圈（写单个线圈） | 05 |
| 写单个输出寄存器（写单个保持寄存器） | 06 |
| 写多个输出线圈（写多个线圈） | 15 |
| 写多个输出寄存器（写多个保持寄存器） | 16 |
1.4 报文收发
| 功能码 | 请求与响应 | 数据格式 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 01读线圈 | 请求（主站-从站） | 从站地址（1byte） | 功能码（1byte） | 线圈起始地址（2byte） | 线圈数量（2byte） | CRC校验码（2byte） | ||
| 01读线圈 | 响应（从站-主站） | 从站地址（1byte） | 功能码（1byte） | 字节数（1byte） | 线圈值（nbyte） | CRC校验码（2byte） | ||
| 02读离散输入 | 请求（主站-从站） | 从站地址（1byte） | 功能码（1byte） | 离散输入起始地址（2byte） | 离散输入数量（2byte） | CRC校验码（2byte） | ||
| 02读离散输入 | 响应（从站-主站） | 从站地址（1byte） | 功能码（1byte） | 字节数（1byte） | 离散输入值（nbyte） | CRC校验码（2byte） | ||
| 03读保持寄存器 | 请求（主站-从站） | 从站地址（1byte） | 功能码（1byte） | 保持寄存器起始地址（2byte） | 保持寄存器数量（2byte） | CRC校验码（2byte） | ||
| 03读保持寄存器 | 响应（从站-主站） | 从站地址（1byte） | 功能码（1byte） | 字节数（1byte） | 保持寄存器值（nbyte） | CRC校验码（2byte） | ||
| 04读输入寄存器 | 请求（主站-从站） | 从站地址（1byte） | 功能码（1byte） | 输入寄存器起始地址（2byte） | 输入寄存器数量（2byte） | CRC校验码（2byte） | ||
| 04读输入寄存器 | 响应（从站-主站） | 从站地址（1byte） | 功能码（1byte） | 字节数（1byte） | 输入寄存器值（nbyte） | CRC校验码（2byte） | ||
| 05写单个线圈 | 请求（主站-从站） | 从站地址（1byte） | 功能码（1byte） | 线圈地址（2byte） | 线圈写入值（2byte） | CRC校验码（2byte） | ||
| 05写单个线圈 | 响应（从站-主站） | 从站地址（1byte） | 功能码（1byte） | 线圈地址（2byte） | 线圈写入值（2byte） | CRC校验码（2byte） | ||
| 06写单个保持寄存器 | 请求（主站-从站） | 从站地址（1byte） | 功能码（1byte） | 寄存器地址（2byte） | 寄存器写入值（2byte） | CRC校验码（2byte） | ||
| 06写单个保持寄存器 | 响应（从站-主站） | 从站地址（1byte） | 功能码（1byte） | 寄存器地址（2byte） | 寄存器写入值（2byte） | CRC校验码（2byte） | ||
| 15写多个线圈 | 请求（主站-从站） | 从站地址（1byte） | 功能码（1byte） | 线圈起始地址（2byte） | 线圈数量（2byte） | 字节数（1byte） | 线圈写入值（nbyte） | CRC校验码（2byte） |
| 15写多个线圈 | 响应（从站-主站） | 从站地址（1byte） | 功能码（1byte） | 线圈起始地址（2byte） | 线圈数量（2byte） | CRC校验码（2byte） | ||
| 16写多个保持寄存器 | 请求（主站-从站） | 从站地址（1byte） | 功能码（1byte） | 保持寄存器起始地址（2byte） | 保持寄存器数量（2byte） | 字节数（1byte） | 保持寄存器写入值（nbyte） | CRC校验码（2byte） |
| 16写多个保持寄存器 | 响应（从站-主站） | 从站地址（1byte） | 功能码（1byte） | 保持寄存器起始地址（2byte） | 保持寄存器数量（2byte） | CRC校验码（2byte） |
1.5 代码示例
发送：01 03 00 00 00 02 C4 0B
接收：01 03 04 01 46 01 3B 5A 59
| 发送报文 | 解析 | 接收报文 | 解析 |
|---|---|---|---|
| 01 | 站地址 | 01 | 站地址 |
| 03 | 读输出寄存器 | 03 | 读输出寄存器 |
| 00 00 | 起始寄存器 | 04 | 字节计数 |
| 00 02 | 寄存器长度 | 01 46 01 3B | 具体四个字节 |
| C4 0B | CRC校验 | 5A 59 | CRC校验 |
Modbus TCP通信协议：
2.1 数据格式
| 事务处理标识 | 协议标识 | 长度 | 单元标识 | 功能码 | 起始地址 | 数据 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2字节 | 2字节 | 2字节 | 1字节 | 1字节 | 2字节 | N字节 |
2.2 Modbus 地址映射到 CPU 地址
| Modbus地址 | CPU地址 |
|---|---|
| 00001 | Q0.0 |
| 00002 | Q0.1 |
| ...... | ...... |
| 10001 | I0.0 |
| 10002 | I0.1 |
| ...... | ...... |
| 30001 | AIW0 |
| 30002 | AIW2 |
| ...... | ...... |
| 40001 | Vx（保持寄存器起始地址）例：VW0 |
| 40002 | Vx+2 =（保持寄存器起始地址+2）例：VW2 |
| ...... | ...... |
2.3 报文头(MBAP头)及功能码
其中，事务处理标识、协议标识符、长度和单元标识符统称为报文头(MBAP头)。
| 内容 | 解释 |
|---|---|
| 事务处理标识 | 可以理解为报文序列号，一般每次通信后就要加1，以区分不同的通信数据报文。 |
| 协议标识符 | 00 00 表示Modbus TCP 协议 |
| 长度 | 接下来数据长度，单位字节 |
| 单元标识符 | 设备地址，一般为01 00 FF |
| 功能码 | 描述 | 说明 | MOUBUS地址 |
|---|---|---|---|
| 01（0x01） | 读离散输出寄存器（读线圈（Coils）） | 位操作 | 00001 ~ 09999 |
| 02（0x02） | 读离散输入寄存器 | 位操作 | 10001 ~ 19999 |
| 03（0x03） | 读保持寄存器（最常用） | 字操作 | 40001 ~ 49999 |
| 04（0x04） | 读输入寄存器 | 字操作 | 30001 ~ 39999 |
| 05（0x05） | 写离散输出寄存器（写单个线圈） | 位操作 | 00001 ~ 09999 |
| 06（0x06） | 写保持寄存器（写单个寄存器） | 字操作 | 40001 ~ 49999 |
| 15（0x0F） | 写多线圈寄存器（写多个线圈） | 位操作 | 00001 ~ 09999 |
| 16（0x10） | 写多个保持寄存器（写多个寄存器） | 字操作 | 40001 ~ 49999 |
2.4 报文收发
| 功能码 | 请求与响应 | 数据格式 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 01读线圈 | 请求（主站-从站） | 事务处理标识符（2byte） | 协议标识符（2byte） | 长度（2byte） | 单位标识符（1byte） | 功能码（1byte） | 线圈起始地址（2byte） | 线圈数量（2byte） | ||
| 01读线圈 | 响应（从站-主站） | 事务处理标识符（2byte） | 协议标识符（2byte） | 长度（2byte） | 单位标识符（1byte） | 功能码（1byte） | 字节数（1byte） | 线圈值（nbyte） | ||
| 02读离散输入 | 请求（主站-从站） | 事务处理标识符（2byte） | 协议标识符（2byte） | 长度（2byte） | 单位标识符（1byte） | 功能码（1byte） | 离散输入起始地址（2byte） | 离散输入数量（2byte） | ||
| 02读离散输入 | 响应（从站-主站） | 事务处理标识符（2byte） | 协议标识符（2byte） | 长度（2byte） | 单位标识符（1byte） | 功能码（1byte） | 字节数（1byte） | 离散输入值（nbyte） | ||
| 03读保持寄存器 | 请求（主站-从站） | 事务处理标识符（2byte） | 协议标识符（2byte） | 长度（2byte） | 单位标识符（1byte） | 功能码（1byte） | 保持寄存器起始地址（2byte） | 保持寄存器数量（2byte） | ||
| 03读保持寄存器 | 响应（从站-主站） | 事务处理标识符（2byte） | 协议标识符（2byte） | 长度（2byte） | 单位标识符（1byte） | 功能码（1byte） | 字节数（1byte） | 保持寄存器值（nbyte） | ||
| 04读输入寄存器 | 请求（主站-从站） | 事务处理标识符（2byte） | 协议标识符（2byte） | 长度（2byte） | 单位标识符（1byte） | 功能码（1byte） | 输入寄存器起始地址（2byte） | 输入寄存器数量（2byte） | ||
| 04读输入寄存器 | 响应（从站-主站） | 事务处理标识符（2byte） | 协议标识符（2byte） | 长度（2byte） | 单位标识符（1byte） | 功能码（1byte） | 字节数（1byte） | 输入寄存器值（nbyte） | ||
| 05写单个线圈 | 请求（主站-从站） | 事务处理标识符（2byte） | 协议标识符（2byte） | 长度（2byte） | 单位标识符（1byte） | 功能码（1byte） | 线圈地址（2byte） | 线圈写入值（2byte） | ||
| 05写单个线圈 | 响应（从站-主站） | 事务处理标识符（2byte） | 协议标识符（2byte） | 长度（2byte） | 单位标识符（1byte） | 功能码（1byte） | 线圈地址（2byte） | 线圈写入值（2byte） | ||
| 06写单个保持寄存器 | 请求（主站-从站） | 事务处理标识符（2byte） | 协议标识符（2byte） | 长度（2byte） | 单位标识符（1byte） | 功能码（1byte） | 寄存器地址（2byte） | 寄存器写入值（2byte） | ||
| 06写单个保持寄存器 | 响应（从站-主站） | 事务处理标识符（2byte） | 协议标识符（2byte） | 长度（2byte） | 单位标识符（1byte） | 功能码（1byte） | 寄存器地址（2byte） | 寄存器写入值（2byte） | ||
| 15写多个线圈 | 请求（主站-从站） | 事务处理标识符（2byte） | 协议标识符（2byte） | 长度（2byte） | 单位标识符（1byte） | 功能码（1byte） | 线圈起始地址（2byte） | 线圈数量（2byte） | 字节数（1byte） | 线圈写入值（nbyte） |
| 15写多个线圈 | 响应（从站-主站） | 事务处理标识符（2byte） | 协议标识符（2byte） | 长度（2byte） | 单位标识符（1byte） | 功能码（1byte） | 线圈起始地址（2byte） | 线圈数量（2byte） | ||
| 16写多个保持寄存器 | 请求（主站-从站） | 事务处理标识符（2byte） | 协议标识符（2byte） | 长度（2byte） | 单位标识符（1byte） | 功能码（1byte） | 保持寄存器起始地址（2byte） | 保持寄存器数量（2byte） | 字节数（1byte） | 保持寄存器写入值（nbyte） |
| 16写多个保持寄存器 | 响应（从站-主站） | 事务处理标识符（2byte） | 协议标识符（2byte） | 长度（2byte） | 单位标识符（1byte） | 功能码（1byte） | 保持寄存器起始地址（2byte） | 保持寄存器数量（2byte） |
2.5 代码示例
示例1: 读取保持寄存器，功能码0x03
result = client.read_holding_registers(0, count=2, slave=1)
address: int,寄存器地址，开始读取的地址，依据从机设置的地址配置
功能码：03已默认
count: 要读取的寄存器数量
slave: 与从机匹配
发送:00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 02
接收:00 01 00 00 00 07 01 03 04 00 0A 00 64
| 发送报文 | 解析 | 接收报文 | 解析 |
|---|---|---|---|
| 00 01 | 事务ID | 00 01 | 事务ID |
| 00 00 | 协议ID | 00 00 | 协议ID |
| 00 06 | 后续6字节 | 00 07 | 后续7字节 |
| 01 | 单位标识符 | 01 | 单位标识符 |
| 03 | 功能码：读输出寄存器 | 03 | 功能码：读输出寄存器 |
| 00 00 | 保持寄存器起始地址 | 04 | 字节计数 |
| 00 02 | 保持寄存器长度 | 00 0A 00 64 | 具体四个字节 |
Modbus TCP 通讯数据示例
3.1 功能码01 读离散输出线圈
| 事务处理标识 | 协议标识 | 长度 | 单元标识 | 功能码 | 起始地址 | 数据长度 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 00 11 | 00 00 | 00 06 | 01 | 01 | 00 00 | 00 08 |
注释：读取Q0.0地址开始的8个连续输出点（即Q0.0-Q0.7）。
3.2 功能码02 读离散输入线圈
| 事务处理标识 | 协议标识 | 长度 | 单元标识 | 功能码 | 起始地址 | 数据长度 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 00 15 | 00 00 | 00 06 | 01 | 02 | 00 00 | 00 08 |
注释：读取I0.0地址开始的8个连续输出点（即I0.0-I0.7）。
3.3 功能码03 读保持寄存器
| 事务处理标识 | 协议标识 | 长度 | 单元标识 | 功能码 | 起始地址 | 数据长度 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 00 66 | 00 00 | 00 06 | 01 | 03 | 00 00 | 00 02 |
注释：读取VW0地址开始的2个连续字空间（即vw0，vw2）。
3.4 功能码04 读输入寄存器
| 事务处理标识 | 协议标识 | 长度 | 单元标识 | 功能码 | 起始地址 | 数据长度 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 00 97 | 00 00 | 00 06 | 01 | 04 | 00 00 | 00 02 |
注释：读取AIW0地址开始的2个连续字空间（即AIW0，AIW2）。
3.5 功能码05 写单个离散输出寄存器
| 事务处理标识 | 协议标识 | 长度 | 单元标识 | 功能码 | 起始地址 | 数据长度 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 00 C2 | 00 00 | 00 06 | 01 | 05 | 00 00 | FF 00 |
注释：将地址00000的输出离散线圈置一（即让Q0.0置一）。
| 事务处理标识 | 协议标识 | 长度 | 单元标识 | 功能码 | 起始地址 | 数据长度 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 01 0A | 00 00 | 00 06 | 01 | 05 | 00 01 | 00 00 |
注释：将地址00001的输出离散线圈置一（即让Q0.1复位）。
3.6 功能码06 写单个保持寄存器
| 事务处理标识 | 协议标识 | 长度 | 单元标识 | 功能码 | 起始地址 | 数据长度 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 01 5e | 00 00 | 00 06 | 01 | 06 | 00 02 | 00 7b |
注释：往地址VW4寄存器中写入数值0x007B（即十进制数123）。
3.7 功能码15 写多个线圈寄存器
| 事务处理标识 | 协议标识 | 长度 | 单元标识 | 功能码 | 起始地址 | 数据长度(位) | 字节数 | 数据 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 01 5e | 00 00 | 00 09 | 01 | 0F | 00 00 | 00 10 | 02 | aa cb |
注释：往地址QB0寄存器中写入数值0xaa,往地址QB1寄存器中写入数值0xcb。
数据长度位不满8的N倍，字节数也算N个。
3.8 功能码16 写多个保持寄存器
| 事务处理标识 | 协议标识 | 长度 | 单元标识 | 功能码 | 起始地址 | 数据长度(位) | 字节数 | 数据 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 02 68 | 00 00 | 00 0B | 01 | 10 | 00 00 | 00 02 | 04 | 00 7B 00 EA |
注释：往地址VW0寄存器中写入数值0x007B,往地址VW2寄存器中写入数值0x00EA。
配置ModBus TCP连接通常涉及以下几个步骤：
- 确定网络参数 ：获取目标设备的IP地址和端口号。
- 安装ModBus TCP客户端软件 ：选择合适的ModBus客户端软件，如Modscan、MBConnectLine等。
- 配置连接参数 ：在客户端软件中设置目标设备的IP地址和端口，确认连接的超时时间。
- 选择通信模式 ：选择TCP作为通信模式。
- 连接测试 ：尝试连接到设备，如果连接成功，配置完成。
- 启动MBConnectLine
- 点击"File" -> "New Project"
- 选择"Modbus TCP"
- 输入设备的IP地址和端口（例如：192.168.1.101:502）
- 点击"Connect"测试连接
- 查看状态栏，显示"Connected"表示配置成功。