【正文】 。 ◆ 在能源與基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)，機(jī)場(chǎng)、隧道、數(shù)字通訊、電信、水處理、油氣、能源等行業(yè)大大得益于 “透明就緒 ”的遠(yuǎn)程控制能力 ◆ 在工業(yè)市場(chǎng)，食品與飲料、微電子、制藥、汽車等行業(yè)則高度的受益于“透明就緒 ”中從 IT 系統(tǒng)貫通到車間層 TCP/IP 以太網(wǎng)的統(tǒng)一全局網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) ◆ 在建筑市場(chǎng)，醫(yī)療機(jī)構(gòu)、公用建筑、民用住宅、船舶等行業(yè)在 “透明就緒 ”中使用他們 原有的 TCP/IP 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，從而大大的降低了實(shí)施費(fèi)用 主要技術(shù)路線 MODBUS/TCP 協(xié)議是在 MODBUS 協(xié)議的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。它允許 MODBUS協(xié)議與以太網(wǎng) TCP/IP 結(jié)合 , 在 TCP 帖中嵌 MODBUS信息幀 , 成為 MODBUS TCP/IP, 在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中 , 具有很高的性能價(jià)格比 , 是一種真正開(kāi)放的理想解決方案。MODBUS是一種全開(kāi)放 , 免費(fèi)提供 ,非常容易理解和實(shí)施的協(xié)議 , 從 70 年代誕生以來(lái) ,在制造業(yè)、電力、水電、冶金、礦山、交通、基礎(chǔ)設(shè)施的工業(yè)領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)采集和過(guò)程 控制得到了廣泛應(yīng)用 , 形成了一種事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 比較好的方法是各站點(diǎn)都采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，而不必為每一種協(xié)議開(kāi)發(fā)一個(gè)通訊接口。要為每種協(xié)議寫一個(gè)轉(zhuǎn)換接口或驅(qū)動(dòng)是比較繁瑣的，特別是在站點(diǎn)和協(xié)議較多的時(shí)候。另外，上級(jí)管理網(wǎng)也需要與子站交互數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)全局的監(jiān)控和優(yōu)化。雖然使用高級(jí)語(yǔ)言函數(shù)庫(kù)讓我們可以利用面向?qū)ο蟮睦^承等方法大量重用源代碼，但這些復(fù)用只是對(duì)源代碼級(jí)的復(fù)用而不是對(duì)可執(zhí)行文件級(jí)的復(fù)用。這樣使系統(tǒng)的更新、擴(kuò)展和升級(jí)變得非常困難，對(duì)系統(tǒng)任何一部分的修改都有可能對(duì)其它部分造成影響，從而導(dǎo)致大量且煩瑣的軟件和硬件的修改。但傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)軟件存在著一些問(wèn)題。 所構(gòu)建的基于 MODBUS /TCP 與 MODBUS 的工業(yè)以太網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、處理及通信等功能，為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)化通信提供了一種有效的解決方案。所有這些協(xié)議都使用相同的應(yīng)用層協(xié)議－規(guī)定了統(tǒng)一的用戶數(shù)據(jù)和通訊服務(wù)。 MODBUS 協(xié)議本身的 MODBUS 服務(wù)和對(duì)象模式在 MODBUS /TCP 中都沒(méi)有改變，并簡(jiǎn)單地采用 TCP/IP 作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。MODBUS 通信協(xié)議在 TCP/IP 上的實(shí)現(xiàn) 摘要 : 伴隨著批評(píng)家的鄙夷和使用者的稱贊， MODBUS/TCP 的確已不再是新生事物。更何況對(duì)于自 1979 年就開(kāi)始使用的 MODBUS 協(xié)議，為其增加基于以太網(wǎng) TCP/IP 的傳輸技術(shù)是絕對(duì)由必要的。這使得 MODBUS 擁有了一系列協(xié)議，目前包括傳統(tǒng)的 MODBUS RTU 、 MODBUS Plus 和 MODBUS TCP 。 分析 MODBUS/TCP 協(xié)議構(gòu)成，通過(guò)采用套接字與多線程技術(shù)，設(shè)計(jì)出基于 MODBUS /TCP 協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，分析出客戶端 /服務(wù)器的通信模式的主要特性，并給出其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程 。 關(guān)鍵詞： MODBUS/TCP 、 以太網(wǎng) 、 套接字、 工業(yè) 、 TCP/IP MODBUS protocol implementate in the TCP/IP Abstract: With the contempt of critics and users praise, MODBUS / TCP is indeed no longer a novelty. Moreover, since 1979 began to use the MODBUS protocol, for increase in Etherbased TCP / IP transmission technology is absolutely the necessary. MODBUS protocol itself and the object model service MODBUS / TCP were not changed, and simply use TCP / IP as a data transfer protocol. This makes the MODBUS have a series of agreements, currently including traditional MODBUSRTU, MODBUSPlus and MODBUSTCP. All these protocols use the same application layer protocol provides a unified user data and munication services. Analysis of MODBUS / TCP protocol position, through the use of socket and multithreading technology, designed based on MODBUS / TCP protocol Ether munications work, analyze the client / server model of the main characteristics of the munication, and gives specific implementation process. Constructed based on MODBUS / TCP and MODBUS industrial Ether can achieve industrial data acquisition, processing and munications functions for industrial automation, realtime munication work provides an effective solution. Keywords: MODBUS / TCP、 Ether 、 sockets 、 industry 、 TCP / IP 第 1 章 引言 研究背景 在現(xiàn)代化工業(yè)控制中 , 由于被控對(duì)象、測(cè)控裝置等物理設(shè)備的地域分散性 , 以及控制與監(jiān)控等任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求 , 不同設(shè)備之間現(xiàn)場(chǎng)交互性信息的傳遞越來(lái)越多。不具備開(kāi)放性，各個(gè)部分的聯(lián)系過(guò)于緊密，使系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜。傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件開(kāi)發(fā)中出現(xiàn)的另 一個(gè)主要問(wèn)題是軟件的重復(fù)開(kāi)發(fā)，軟件不能夠復(fù)用，資源不能共享，造成大量的人力與物力資源的浪費(fèi)。 由于傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)的帶來(lái)的不便， 造成形成了大量的 “ 信息孤島 ”,但是，對(duì)于工業(yè)控制而言，各站點(diǎn)之間不是孤立的，它們必須互相配合、協(xié)調(diào)才能保證產(chǎn)品質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，這就需要各站點(diǎn)能互通訊息。然而，子站是采用不同開(kāi)發(fā)平臺(tái)、不同 通訊協(xié)議組成的異構(gòu)系統(tǒng)，可能由不同的廠家和個(gè)為開(kāi)發(fā)。因此，怎樣有效集成數(shù)據(jù)，避免信息孤島的出現(xiàn)，是工業(yè)控制領(lǐng)域中常遇到難點(diǎn)問(wèn)題之一。目前這方面的協(xié)議比較多， MODBUS 就是其中的一種。同時(shí)， 隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展 , 信息技術(shù)已逐步進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域 , 以太網(wǎng)技術(shù)以高速率、低成本、應(yīng)用廣泛等優(yōu)勢(shì) , 促進(jìn)了它在工控領(lǐng)域的應(yīng)用 , 形成了當(dāng)前的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 目前在全球范圍內(nèi)已經(jīng)安裝了 8,000,000 套 MODBUS 串行鏈路設(shè)備和800,000 套 MODBUS TCP/IP 設(shè)備，基于 MODBUS TCP/IP 和 Web 技術(shù)的 “透明就緒 ”的廣泛應(yīng)用可以被歸類到三大市場(chǎng)：能源與基礎(chǔ)設(shè)施，工業(yè)，以及建筑行業(yè)。為了盡量地使用已有成果， MODBUS / TCP 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是在不改變?cè)?MODBUS 協(xié)議的基礎(chǔ)上，只是將它的傳輸層協(xié)議簡(jiǎn)單的移植到 TCP/IP 上。參數(shù)和數(shù)據(jù)使用封裝的方法嵌入到 TCP 報(bào)文的用戶數(shù)據(jù)容器中進(jìn)行傳送。由于傳輸層以上遵循 MODBUS 協(xié)議，所以采用 C/S 結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)傳輸前進(jìn)行之前，需要在客戶和服務(wù)器之間建立一個(gè) TCP/IP 連接。連接的建立通常由 TCP/IP 的 Socket 接口的軟件協(xié)議自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，因此對(duì)應(yīng)用完全透明?？蛻艉头?wù)器還可以同時(shí)建立多個(gè) TCP/IP 連接，最大的連接數(shù)量取決于 TCP/IP 接口的規(guī)范。這也是 MODBUS /TCP 在工業(yè)以太網(wǎng)中采用 TCP 作為 為傳輸層協(xié)議而不采用速度更快的 UDP 協(xié)議的原因所在。但與 IDA 方案相比， MODBUS /TCP在其開(kāi)放性、簡(jiǎn)單和穩(wěn)定的性能上具有優(yōu)勢(shì)，是一個(gè)具有較高的性能價(jià)格比的工業(yè)以太網(wǎng)方案。在看到一個(gè)用軟件編程實(shí)現(xiàn)的課題時(shí)，應(yīng)該有的一些思路，需要掌握的一些知識(shí)。建構(gòu)好模型后，就應(yīng)該查找相關(guān)的理論知識(shí)。掌握原理后，接下來(lái)就應(yīng)該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程。選擇好編程工具后，就要想著怎樣實(shí)現(xiàn)課題，應(yīng)構(gòu)思一個(gè)流程。再將套接字接口與應(yīng)用層 MODBUS 協(xié)議聯(lián)系，即可實(shí)現(xiàn)該課題的要求。能夠讓讀者清楚的認(rèn)識(shí)到整個(gè)編程實(shí)例的精髓。提出自己對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的展望，以及這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展前景 。 第二章 : 構(gòu)建了實(shí)現(xiàn)課題的模型，從一臺(tái)設(shè)備上實(shí)現(xiàn) MODBUS協(xié)議，到兩臺(tái)設(shè)備通信，最后構(gòu)建多臺(tái)設(shè)備的整體通信結(jié)構(gòu)。該課題涉及到的理論主要包括 MODBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)及套接字，分析它們之間的關(guān)系所在。 第五章：程序?qū)嶒?yàn)結(jié)果演示，并對(duì) MODBUS TCP/IP報(bào)文進(jìn)行分析，通過(guò)分析體現(xiàn) MODBUS協(xié)議的數(shù)據(jù)交換過(guò)程。 第二章 基于 TCP/IP 模型的 MODBUS 通信協(xié)議 一臺(tái)設(shè)備上的 MODBUS 模型構(gòu)建 用戶應(yīng)用層 它和設(shè)備應(yīng)用相對(duì)應(yīng)，與設(shè)備完全無(wú)關(guān)。可提供一個(gè) MODBUS 后端接口，間接地允許對(duì)用戶應(yīng)用對(duì)象的訪問(wèn)。必須進(jìn)行這個(gè)接口與用戶應(yīng)用數(shù)據(jù)直接的映射。 MODBUS 客戶機(jī)根據(jù)用戶應(yīng)用向 MODBUS 客戶機(jī)接口發(fā)送的要求中所包含的參數(shù)來(lái)建立一個(gè)MODBUS 請(qǐng)求。 MODBUS 服務(wù)器 收到一個(gè) MODBUS 請(qǐng)求以后， 模塊激活一個(gè)本地操作進(jìn)行讀、寫、或完成其他操作。 MODBUS 服務(wù)器的主要功能是等待來(lái)自 TCP502 口的 MODBUS 請(qǐng)求，處理這一請(qǐng)求，根據(jù)設(shè)備的現(xiàn)狀生成 MODBUS 應(yīng)答。 TCP 管理層 報(bào)文傳輸服務(wù)的主要功能之一是管理通信的建立和結(jié)束，及管理在所建立的TCP 連接上的數(shù)據(jù)流。它負(fù)責(zé)全面管理報(bào)文傳輸 TCP 連接。客戶機(jī)和服務(wù)器均應(yīng)向用戶提供對(duì) TCP 端口號(hào)進(jìn)行 MODBUS 參數(shù)配置的可能性。這既是需要的安全模式，也是在需要時(shí)實(shí)現(xiàn)安全處理的原因。 TCP連接管理模塊采用棧接口，即 BSD 套接字接口來(lái)與 TCP/IP 棧進(jìn) 行通信。 兩臺(tái)設(shè)備間的通信模型構(gòu)建 在 TCP／ IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通信的兩個(gè)進(jìn)程相互作用的主要模式是客戶機(jī)／服務(wù)器模式，即客戶端向服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，服務(wù)器接收到請(qǐng)求后提供相應(yīng)的服務(wù)。 接收并發(fā)服務(wù)請(qǐng)求，需要激活一個(gè)新進(jìn)程來(lái)處理這個(gè)客戶請(qǐng)求，并不需要對(duì)其他請(qǐng)求作出應(yīng)答。 從以上描述過(guò)程可以看出：客戶機(jī)與服務(wù)器進(jìn)程的作用是非對(duì)稱的，因此編碼不同，而且服務(wù)進(jìn)程要先于客戶請(qǐng)求啟動(dòng)。 MODBUS 證實(shí)： MODBUS 證實(shí)是在客戶機(jī)側(cè)接收的響應(yīng)報(bào)文。 MODBUS 響應(yīng)： MODBUS 響應(yīng)時(shí)服務(wù)器發(fā)送的響應(yīng)報(bào)文。 互聯(lián)設(shè)備。 F u n c t i o n c o d e d a t aM O D B U S T C P / I P A D UM B A P H e a d e rP D UM O D B U S T C P 數(shù) 據(jù) 幀 格 式 MBAP 報(bào)文頭描述 MBAP Header 由 7 個(gè)字節(jié)組成，是 MODBUS TCP 協(xié)議的頭部。 MBAP 報(bào)文結(jié)構(gòu)如下所示： T r a n s a c t i o n I d e n t i f i e r P r o t o c o l I d e n t i f i e