什么是MODBUS？一文快速了解MODBUS基础知识

MODBUS是一种常用的串行通信协议，被广泛应用于工业自动化领域。它最初由Modicon（目前属于施耐德电气公司）于1979年开发，旨在实现PLC（可编程逻辑控制器）和外部设备之间的数据交换。MODBUS协议简单易懂，具有良好的兼容性和可扩展性，因此成为了工业领域中最流行的通信协议之一。MODBUS协议使用不同的传输方式，包括串口通信和以太网通信，适用于各种设备和系统，如PLC、传感器、仪表和监控系统等。它定义了一系列规范和命令，使得设备能够通过MODBUS进行数据的读取和写入，实现监控、控制和通信功能。MODBUS协议主要分为两种格式，即MODBUS RTU和MODBUS ASCII。MODBUS RTU使用二进制格式传输数据，而MODBUS ASCII则将数据以ASCII码形式进行传输。此外，MODBUS还可以通过TCP/IP协议进行网络通信，称为MODBUS TCP/IP。

1.MODBUS是什么？

MODBUS（Modicon Control System）是一种常用的串行通信协议，用于实现可编程逻辑控制器（PLC）和外部设备之间的数据交换。它最初由Modicon（目前属于施耐德电气公司）于1979年开发，旨在解决工业自动化系统中不同设备之间的通信问题。

1.1 MODBUS协议特点

MODBUS协议以其简单易懂、兼容性强的特点成为工业领域中最流行的通信协议之一。以下是MODBUS协议的一些特点：

简单易懂：MODBUS协议采用了直观且易于理解的帧结构，使得设备之间的通信变得简便。
广泛应用：MODBUS协议适用于各种设备和系统，如PLC、传感器、仪表和监控系统等。
可扩展性好：MODBUS协议支持多种传输方式，包括串口通信和以太网通信，满足不同场景的通信需求。
兼容性强：由于MODBUS协议已成为通信行业的标准之一，许多设备都提供了对MODBUS的原生支持。
高效可靠：MODBUS协议具有快速响应和可靠性强的特点，适用于实时控制和监测等应用场景。

1.2 MODBUS通信方式

MODBUS协议可以通过不同的传输方式进行通信：

串口通信：MODBUS串口通信是一种常见的使用RS-232或RS-485物理接口的通信方式。它适用于距离较短且设备数量较少的场景。
以太网通信：MODBUS TCP/IP是一种基于以太网的通信方式，利用TCP/IP协议栈进行数据传输。它适用于远程通信和大规模设备连接的场景。

1.3 MODBUS功能码

MODBUS协议定义了一系列功能码，用于指定设备执行不同的操作。以下是一些常见的功能码：

读取线圈状态（Read Coil Status）：用于读取设备中的开关量输出状态。
读取输入状态（Read Input Status）：用于读取设备中的开关量输入状态。
读取保持寄存器（Read Holding Registers）：用于读取设备中的保持寄存器数据。
读取输入寄存器（Read Input Registers）：用于读取设备中的输入寄存器数据。
写单个线圈（Write Single Coil）：用于写入设备中的单个开关量输出状态。
写单个寄存器（Write Single Register）：用于写入设备中的单个寄存器数据。

1.4 MODBUS应用领域

MODBUS协议广泛应用于工业自动化领域，其中一些常见的应用包括：

监控与控制：MODBUS协议可用于实现设备之间的数据传输，实现对工业过程的监控和控制。
远程访问：通过MODBUS协议，用户可以通过互联网或局域网远程访问设备，进行数据采集、参数设置等操作。
能源管理：MODBUS协议可用于能源管理系统中的数据采集、设备控制和报警功能，帮助提高能源效率和减少能源浪费。
楼宇自动化：MODBUS协议可以应用于楼宇自动化系统，实现对照明、空调、安防等设备的集中控制和监测。
工业设备集成：由于MODBUS协议的广泛使用，许多工业设备都提供了对MODBUS的支持，使得设备之间的集成变得更加便捷和灵活。
分布式控制系统：MODBUS协议适用于分布式控制系统，通过不同站点之间的通信，实现对整个系统的集中管理和监控。

MODBUS是一种常用的串行通信协议，用于PLC和外部设备之间的数据交换。该协议具有简单易懂、兼容性强、可扩展性好的特点，适用于各种设备和系统。通过串口通信和以太网通信方式，MODBUS协议可以实现设备之间的高效可靠通信。在工业自动化领域，MODBUS协议被广泛应用于监控与控制、远程访问、能源管理、楼宇自动化等领域，为工业系统带来了便捷性和效率提升。

2.MODBUS协议有哪些特点？

灵活性和可扩展性

MODBUS协议非常灵活，适用于各种设备和通信介质。它可以通过串行通信（如RS-232或RS-485）或以太网进行传输。这使得MODBUS协议非常适合不同类型的工业自动化设备之间的通信，包括传感器、执行器、PLC（可编程逻辑控制器）和计算机等。

简单易懂的结构

MODBUS协议采用了简单易懂的结构，使其易于实施和使用。它基于主从架构，其中一个设备充当主站，而其他设备则作为从站。主站可以向从站发送指令，并接收从站返回的数据。这种结构简化了通信过程，同时提高了系统的性能和稳定性。

适用于大规模系统

MODBUS协议被设计用于处理大规模系统中的通信需求。它支持一对多的通信模式，其中一个主站可以与多个从站进行通信。这种可扩展性使得MODBUS协议非常适合于大型自动化系统，如工厂自动化、能源管理和建筑自动化等领域。

高效的数据传输

MODBUS协议使用二进制编码来表示数据，这使得数据传输更加高效。它支持不同类型的数据格式，包括位（Coil）、输入状态（Discrete Inputs）、保持寄存器（Holding Registers）和输入寄存器（Input Registers）。这些数据格式提供了灵活性，以满足各种应用的需求。

广泛的应用领域

由于其灵活性和可靠性，MODBUS协议被广泛应用于各种工业自动化领域。它可以用于监控和控制设备，例如温度传感器、压力传感器、流量计和电机控制器等。此外，它还可以与其他通信协议结合使用，如TCP/IP、RS-232和RS-485等。

易于集成和兼容性

MODBUS协议具有良好的兼容性，可以与各种不同的设备和系统集成。许多设备制造商都支持MODBUS协议，并且提供了相应的驱动程序和接口，使得设备之间的通信更加方便快捷。这种易于集成和兼容性使得MODBUS协议成为工业自动化领域的一种标准。

3.MODBUS如何读取寄存器？

1）功能码

MODBUS协议定义了不同的功能码，用于执行不同的操作。对于读取寄存器操作，常用的功能码是03H（十进制为3）。该功能码表示读取保持寄存器的数据。

2）寄存器地址

在进行读取寄存器操作之前，需要确定要读取的寄存器地址。MODBUS协议中的寄存器地址是一个16位的无符号整数，范围从0到65535。不同设备的寄存器分布和映射方式可能不同，因此需要根据设备的寄存器地址表确定要读取的寄存器地址。

3）通信命令

读取寄存器的通信命令是由一系列字节组成的MODBUS请求数据帧。以下是典型的MODBUS请求数据帧结构：

Device Address | Function Code | Starting Address | Quantity of Registers | CRC

Device Address：设备地址是一个8位的无符号整数，用于标识要进行通信的设备。
Function Code：功能码是一个8位的无符号整数，用于指定要执行的操作。对于读取保持寄存器操作，功能码为03H。
Starting Address：起始地址是一个16位的无符号整数，表示要读取的起始寄存器地址。
Quantity of Registers：寄存器数量是一个16位的无符号整数，表示要读取的连续寄存器的个数。
CRC：CRC是一个16位的循环冗余校验，用于检测数据传输中的错误。

4）通信流程

使用MODBUS协议读取寄存器的通信流程如下：

发送读取寄存器的请求命令，包括设备地址、功能码、起始地址和寄存器数量等参数。
设备接收到请求命令后，根据起始地址和寄存器数量，读取相应的寄存器数据。
设备将读取到的寄存器数据封装在响应数据帧中，并发送给主设备。
主设备接收到响应数据帧后，提取寄存器数据并进行处理。

5）示例代码

以下是一个使用Python编写的示例代码，演示如何使用MODBUS协议读取保持寄存器的数据：

import minimalmodbus

# 创建MODBUS通信对象
instrument = minimalmodbus.Instrument('/dev/ttyUSB0', 1) # 根据实际情况设置串口和设备地址

# 读取保持寄存器数据
starting_address = 0x0000 # 起始地址
quantity_of_registers = 10 # 寄存器数量
registers = instrument.read_registers(starting_address, quantity_of_registers, functioncode=3)

# 处理读取到的寄存器数据
for i, value in enumerate(registers):
print(f"Register {starting_address + i}: {value}")

以上示例代码使用了minimalmodbus库，可以在Python中轻松实现MODBUS通信。通过指定起始地址和寄存器数量，调用read_registers函数即可读取保持寄存器中的数据。

4.MODBUS如何写入寄存器？

MODBUS写入寄存器的功能码

在MODBUS协议中，写入寄存器操作使用功能码16（0x10）。该功能码用于向从站发送写入多个保持寄存器（Holding Registers）的指令。要执行写入寄存器操作，主站需要向从站提供以下信息：

从站地址：指定要接收指令的从站设备。
寄存器起始地址：指定要写入的第一个寄存器的地址。
寄存器数量：指定要写入的连续寄存器的数量。
字节数：指定待写入数据的字节数。

写入寄存器的通信流程

下面是MODBUS写入寄存器的基本通信流程：

主站向从站发送写入寄存器指令，并提供从站地址、寄存器起始地址、寄存器数量和字节数等信息。
从站接收到指令后，检查地址是否匹配，并验证指令的有效性。
如果指令有效，从站准备接收主站发送的数据。
主站将待写入的数据按照字节顺序发送给从站。数据通常以16位（2字节）的格式进行传输。
从站接收到数据后，将其存储在相应的寄存器中，并更新寄存器的值。
从站向主站发送响应，确认写入操作是否成功。
主站接收到响应后，可以继续发送其他指令或结束通信。

写入寄存器的注意事项

在进行写入寄存器操作时，需要注意以下几点：

寄存器地址和数量需要根据从站设备的要求进行设置。不同设备的寄存器地址和数量范围可能会有所不同。
数据格式也需要根据从站设备的要求进行设置。通常情况下，MODBUS协议使用大端字节序（Big Endian）来表示数据。
在写入寄存器之前，需要确保从站设备处于可写状态，并且具有相应的访问权限。

5.MODBUS适用于哪些设备？

1）可编程逻辑控制器（PLC）

可编程逻辑控制器（PLC）是工业自动化中最常见的设备之一。PLC被用于控制和监视生产过程，包括机器人控制、工厂自动化、流程控制等。MODBUS协议作为PLC与外部设备之间的通信方式，能够实现可靠的数据交换和控制操作。

PLC通常具有串行通信接口（如RS-232或RS-485），可以通过MODBUS串行通信协议与其他设备进行通信。例如，一个PLC可以通过MODBUS读取传感器数据，控制执行器状态，或与上位机进行数据交换。

2）传感器和仪表

传感器和仪表在工业自动化系统中起着关键作用，用于测量和监测各种物理量。MODBUS协议提供了一种方便的方式来获取传感器和仪表的数据。

通过使用MODBUS协议，传感器和仪表可以与PLC、数据采集系统或上位机进行通信。例如，温度传感器可以通过MODBUS协议将实时温度数据传输到PLC，以便进行温度控制；压力传感器可以使用MODBUS协议将当前压力值发送给数据采集系统进行监测。

3）人机界面（HMI）

人机界面（HMI）是用于操作和监视工业自动化系统的设备，提供了图形化的用户界面。HMI通常与PLC或其他设备进行通信，以获取和显示实时数据。

MODBUS协议使HMI能够直接访问和读取PLC或其他设备中的寄存器数据。这样，HMI可以在图形界面上显示实时数据、报警状态、生产计数等信息，从而方便操作员监视和控制过程。

4）工业网络设备

工业网络设备如交换机和网关也可以使用MODBUS协议进行通信。这些设备通常具有以太网接口，支持MODBUS TCP/IP协议。

通过MODBUS TCP/IP协议，工业网络设备可以实现远程监控和控制。例如，一个以太网交换机可以使用MODBUS协议与PLC通信，获取PLC的状态信息并进行网络诊断和管理。

5）监控系统

MODBUS协议可用于构建实时监控和控制系统，对各种设备进行集中管理。这些监控系统可以包括SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系统、能源管理系统、楼宇自动化系统等。

通过使用MODBUS协议，监控系统能够与各种设备进行通信，并获取数据以进行实时监测和控制。例如，一个能源管理系统可以通过MODBUS协议读取电表、水表和空调设备的数据，以便进行能源消耗分析和优化。

6）其他设备

除了上述提到的设备类型，还有许多其他设备也适用于MODBUS协议。例如，电动机驱动器、变频器、阀门控制器、远程I/O模块等都可以使用MODBUS协议进行通信。这些设备可以通过MODBUS协议与其他设备或系统进行数据交换和控制操作。

MODBUS协议的广泛应用范围使得它成为工业自动化领域通信的标准之一。它的简单性和可靠性使得各种设备能够方便地进行集成和互联，实现整个系统的协同工作。

总结起来，MODBUS协议适用于以下类型的设备：

可编程逻辑控制器（PLC）
传感器和仪表
人机界面（HMI）
工业网络设备
监控系统
其他工业设备

通过使用MODBUS协议，这些设备能够进行数据交换、监控和控制操作，从而提高工业自动化系统的效率和可靠性。无论是在制造业、能源管理、楼宇自动化还是其他工业领域，MODBUS协议都发挥着重要的作用，并得到了广泛的应用。

6.MODBUS通信如何保证数据的可靠性？

校验和机制

MODBUS协议通过校验和机制来验证数据的完整性和准确性。在传输数据时，每个MODBUS消息都附带一个校验和字段，用于检查数据在传输过程中是否发生了错误或损坏。校验和通常使用循环冗余校验（CRC）算法来计算，并附加到消息的末尾。

接收方在接收到消息后，会对消息进行校验和的计算，并与接收到的校验和进行比较。如果两者相等，则可以确认数据没有发生错误或损坏；反之，如果校验和不匹配，则说明消息在传输过程中发生了错误，需要进行重新传输或采取其他纠错措施。

可靠的通信协议

MODBUS协议本身提供了一些功能以确保通信的可靠性。例如，MODBUS协议支持确认响应机制，即接收方在接收到消息后会向发送方发送确认响应。如果发送方在一定时间内没有接收到确认响应，就会认为数据传输失败，并尝试重新发送。

此外，MODBUS协议还支持重试机制，在数据传输过程中，如果发生了错误或丢失，发送方可以选择重新发送消息，以确保数据的可靠性。重试机制可以在发送方和接收方之间建立起稳定的通信连接，并纠正传输中的任何错误。

错误检测和故障处理

MODBUS通信也提供了一些错误检测和故障处理机制，以帮助识别和处理通信中的问题。MODBUS协议定义了一系列异常响应码，用于指示发生了何种类型的错误。如果接收方在处理消息时发现了错误，它会返回一个相应的异常响应码，以便发送方能够了解到发生了什么错误。

此外，MODBUS通信还可以使用超时机制来检测通信中的故障。如果在规定的时间内没有接收到预期的响应，发送方可以认为发生了故障，并采取适当的措施，例如重新发送消息或进行错误处理。

物理层保护

在MODBUS通信中，物理层的保护也非常重要，因为物理层的干扰或故障可能导致数据传输错误。为了保护通信链路，通常采用一些物理层技术和设备，例如电气隔离、屏蔽线缆和噪声滤波器等。这些措施可以减少干扰和噪声对数据传输的影响，并提供更可靠的通信环境。

7.MODBUS通信速度如何设置？

MODBUS通信速度是通过调整串口的波特率来设置的。波特率表示每秒传输的位数，它决定了数据传输的速度。

在MODBUS通信中，常见的波特率有9600、19200、38400、57600和115200等。选择适当的波特率取决于你的具体需求，包括通信距离、噪声干扰、传输速度等因素。

一般而言，较低的波特率可以提高通信的可靠性，适用于长距离或噪声较大的环境，但传输速度会相应较慢。较高的波特率可以实现更快的数据传输速度，适用于近距离或噪声较小的环境，但可能会降低通信的可靠性。

要设置MODBUS通信的波特率，需要在使用MODBUS设备的软件或硬件上进行配置。确保发送端和接收端的波特率设置一致，以确保正常的通信。

根据你的具体情况选择适当的波特率，平衡通信距离、噪声干扰和传输速度之间的要求，并确保发送端和接收端的波特率设置一致。

8.MODBUS在工业自动化中的应用有哪些？

监控与控制

MODBUS协议在工业自动化中被广泛应用于监控与控制系统。通过MODBUS通信，监控设备（如上位机、PLC等）可以实时获取并监测各个子系统或设备的运行状态和数据。例如，可以通过MODBUS协议读取传感器数据、电机状态、温度、压力等信息，并将这些数据用于系统的监控和控制，从而实现对生产过程的实时监测与调整。

数据采集与记录

MODBUS协议也被广泛应用于工业自动化中的数据采集与记录系统。通过MODBUS通信，可以方便地采集各个设备的数据，并将其发送到数据存储装置，如数据库、历史记录仪等。这些数据可以用于分析、报表生成、故障诊断等用途，帮助优化生产过程、提高效率和质量。

设备管理与配置

MODBUS协议在工业自动化中也用于设备的管理与配置。通过MODBUS通信，可以实现对各个设备的参数设置、状态监测和调试操作。例如，可以通过MODBUS协议修改PLC的程序、更改仪表的采样频率、设置传感器的灵敏度等。这些功能使得设备管理与配置更加便捷和高效。

能源管理

MODBUS协议还被广泛应用于能源管理系统中。通过与各种能源计量设备（如电力、气体、水等）进行MODBUS通信，实时获取能源数据，并对其进行分析和管理。这有助于实现能源消耗的监控、节约和优化，提高能源利用效率和减少能源成本。

远程监控与维护

MODBUS协议的另一个重要应用是远程监控与维护。通过MODBUS通信，可以实现对远程设备的监测、诊断和维护。管理员可以通过互联网或局域网与远程设备进行通信，实时获取设备的运行状态和数据，并进行故障排查、参数调整等操作。这使得设备的远程监控和维护变得更加便捷和高效，减少了人工巡检和维修的成本和风险。