Modbus TCP 主站实现

C# 上位机开发 - Modbus TCP 主站实现（一篇搞定 建议收藏）

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前言

Modbus TCP 把 Modbus PDU 封装在 TCP 里，走以太网，无需 CRC（TCP 已保证顺序与校验）。本文解析 MBAP 头 、实现 ModbusTcpMaster，演示 NModbus4 TCP ，并用 工厂模式 统一 RTU/TCP 调用，便于产线混用串口网关与 PLC 网口。

MBAP 头结构（7 字节）

字段	长度	说明
Transaction Id	2	事务标识，主站递增
Protocol Id	2	固定 0x0000
Length	2	后续字节数（UnitId + PDU）
Unit Id	1	从站地址，直连 PLC 常为 1

其后为 PDU （功能码 + 数据），与 RTU 的 PDU 相同 ，但 不含 CRC。

示例：读保持寄存器 slave=1，起始0，数量2

00 01 00 00 00 06 01  03 00 00 00 02
| MBAP (6)   |Uid|  PDU ...

ModbusTcpMaster 手动实现

using System;
using System.Net.Sockets;
using System.Threading.Tasks;

namespace UpperComputer.Communication.Modbus
{
    public class ModbusTcpMaster : IDisposable
    {
        private readonly TcpClient _client;
        private readonly NetworkStream _stream;
        private ushort _transactionId;

        public ModbusTcpMaster(string host, int port = 502)
        {
            _client = new TcpClient();
            _client.Connect(host, port);
            _stream = _client.GetStream();
            _stream.ReadTimeout = 3000;
            _stream.WriteTimeout = 3000;
        }

        public async Task<ushort[]> ReadHoldingRegistersAsync(byte unitId, ushort start, ushort count)
        {
            ushort tid = ++_transactionId;
            var pdu = new byte[5];
            pdu[0] = 0x03;
            pdu[1] = (byte)(start >> 8);
            pdu[2] = (byte)(start & 0xFF);
            pdu[3] = (byte)(count >> 8);
            pdu[4] = (byte)(count & 0xFF);
            var mbap = BuildMbap(tid, unitId, (ushort)(pdu.Length + 1));
            await _stream.WriteAsync(mbap, 0, mbap.Length);
            await _stream.WriteAsync(pdu, 0, pdu.Length);
            var header = await ReadExactAsync(7);
            int len = (header[4] << 8) | header[5];
            var tail = await ReadExactAsync(len);
            if (tail[1] != 0x03) throw new InvalidOperationException("功能码不匹配");
            int byteCount = tail[2];
            var result = new ushort[count];
            for (int i = 0; i < count; i++)
                result[i] = (ushort)((tail[3 + i * 2] << 8) | tail[4 + i * 2]);
            return result;
        }

        private byte[] BuildMbap(ushort transactionId, byte unitId, ushort length)
        {
            return new byte[]
            {
                (byte)(transactionId >> 8), (byte)(transactionId & 0xFF),
                0, 0,
                (byte)(length >> 8), (byte)(length & 0xFF),
                unitId
            };
        }

        private async Task<byte[]> ReadExactAsync(int n)
        {
            var buf = new byte[n];
            int offset = 0;
            while (offset < n)
            {
                int read = await _stream.ReadAsync(buf, offset, n - offset);
                if (read == 0) throw new IOException("连接关闭");
                offset += read;
            }
            return buf;
        }

        public void Dispose()
        {
            _stream?.Dispose();
            _client?.Dispose();
        }
    }
}

TCP 必须按长度读满，不能假设一次 Read 等于一帧（粘包见第八篇）。

NModbus4 TCP

using Modbus.Device;
using System.Net.Sockets;

public static IModbusMaster CreateTcpMaster(string ip, int port = 502)
{
    var client = new TcpClient(ip, port);
    return ModbusIpMaster.CreateIp(client);
}

// 用法与 RTU 相同
ushort[] values = master.ReadHoldingRegisters(1, 0, 10);

工厂模式统一 RTU / TCP

public enum ModbusTransport { Rtu, Tcp }

public interface IModbusSession : IDisposable
{
    ushort[] ReadHoldingRegisters(byte slaveId, ushort start, ushort count);
}

public class ModbusSessionFactory
{
    public static IModbusSession Create(ModbusTransport transport, string connection)
    {
        return transport switch
        {
            ModbusTransport.Rtu => new RtuSession(connection), // COM3 或 COM3:9600
            ModbusTransport.Tcp => new TcpSession(connection), // 192.168.1.10:502
            _ => throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(transport))
        };
    }
}

// RtuSession / TcpSession 内部分别包装 NModbus CreateRtu / CreateIp

业务层只依赖 IModbusSession，配置切换 Transport 即可，适合 MES 多设备模板。

RTU vs TCP 对比

项目	RTU	TCP
物理	RS-485	Ethernet
校验	CRC16	无（靠 TCP）
并发	总线半双工	多连接看设备
端口	COM	502（默认）
网关	串口服务器	直接 PLC

FAQ

Q1：502 连接被拒绝？

PLC Modbus TCP 未启用、防火墙、或端口被占。

Q2：Transaction Id 必须递增吗？

规范建议；重复可能导致部分设备混淆，保持递增最稳。

Q3：Unit Id 填什么？

直连设备常为 1；经 串口转以太网 网关时 Unit Id 对应 RTU 从站地址。

Q4：与 Modbus RTU over TCP 区别？

有的网关把 整帧 RTU（含 CRC） 透传 TCP，需 Raw 解析，不是标准 Modbus TCP。

小结

记住 MBAP + PDU ，异步 ReadExact 读满。工厂模式让 RTU/TCP 共用业务代码。下一篇讲通用 TCP Socket 与重连。

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实战扩展：与日志、配置结合

工业现场调试串口/TCP 时，建议把 原始十六进制帧 与 解析结果 分开落日志（Serilog/NLog），并带上时间戳与 COM/IP。配置层用 appsettings.json 维护 PortName、BaudRate、PollIntervalMs，避免硬编码。联调阶段打开 Trace 级 日志，验收后降为 Warning，防止磁盘占满。

性能与内存建议

场景	建议
100ms 轮询 50 台设备	线程池 + 异步，避免 50 个 Thread
大帧图像数据	不要用 List 反复 RemoveRange，用 RingBuffer 或 ArrayPool
UI 刷新	合并 200ms 内多条数据一次绑定，降低 Dispatcher 压力

延伸阅读

• 第三篇粘包与 RingBuffer 配合本篇传输层使用；
• 第四篇 CRC 是第五、六篇的共同基础；
• 第七篇工厂模式可扩展到 OPC UA Gateway 的多协议配置。