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Modbus

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Modbus是一种串行通信协议,是Modicon于1979年,为使用可编程逻辑控制器(PLC)通信而发表的。Modbus是工业领域通信协议的業界標準(De facto),并且现在是工业电子设备之间相當常用的连接方式。[1] Modbus比其他通信协议使用的更广泛的主要原因有:

  1. 公开发表并且无版税要求
  2. 相对容易的工业网络部署
  3. 对供应商来说,修改移动原生的位元或字节没有很多限制

Modbus允许多个 (大約240個) 设备连接在同一个网络上进行通信,举个例子,一个由测量温度和湿度的装置,并且将结果发送给计算机。在数据采集与监视控制系统(SCADA)中,Modbus通常用来连接监控计算机和远程终端控制系统英语remote terminal unit(RTU)。

协议版本[编辑]

Modbus协议目前存在用于串口以太网以及其他支持互联网协议的网络的版本。

大多数Modbus设备通信通过串口EIA-485物理层进行[2]

对于串行连接,存在两个变种,它们在数值数据表示不同和协议细节上略有不同。Modbus RTU是一种紧凑的,采用二进制表示数据的方式,Modbus ASCII是一种人类可读的,冗长的表示方式。这两个变种都使用串行通訊(serial communication)方式。RTU格式后续的命令/数据带有循环冗余校验的校验和,而ASCII格式采用纵向冗余校验的校验和。被配置为RTU变种的节点不会和设置为ASCII变种的节点通信,反之亦然。

对于通过TCP/IP(例如以太网)的连接,存在多个Modbus/TCP变种,这种方式不需要校验和的计算。

对于所有的这三种通信协议在数据模型和功能调用上都是相同的,只有封装方式是不同的。

Modbus有一个扩展版本Modbus Plus(Modbus+或者MB+),不過此協定是Modicon专有的,和Modbus不同。它需要一个专门的协处理器来处理類似HDLC的高速令牌旋转。它使用1Mbit/s的双绞线,并且每个节点都有转换隔离装置,是一种采用转换/边缘触发而不是电压/水平触发的装置。连接Modbus Plus到计算机需要特别的接口,通常是支持ISA(SA85),PCI或者PCMCIA总线的板卡。

通信和设备[编辑]

Modbus协议是一個master/slave架構的協議。有一個節點是master節點,其他使用Modbus协议参与通信的節點是slave節點。每一个slave设备都有一个唯一的地址。在串行和MB+网络中,只有被指定为主节点的节点可以启动一个命令(在以太网上,任何一个设备都能发送一个Modbus命令,但是通常也只有一个主节点设备啟動指令)。

一个ModBus命令包含了打算执行的设备的Modbus地址。所有設備都會收到命令,但只有指定位置的设备会执行及回應指令(地址0例外,指定地址0的指令是廣播指令,所有收到指令的設備都會執行,不過不回應指令)。所有的Modbus命令包含了检查碼,以确定到达的命令没有被破坏。基本的ModBus命令能指令一个RTU改变它的寄存器的某个值,控制或者读取一个I/O端口,以及指挥设备回送一个或者多个其寄存器中的数据。

有许多modems和网关支持Modbus协议,因为Modbus协议很简单而且容易复制。它们当中一些为这个协议特别设计的。有使用有线、无线通信甚至短消息和GPRS的不同实现。不過设计者需要克服一些包括高延迟和时序的问题。

实现[编辑]

几乎所有的实现都是官方标准的某种变体。不同的供应商设备之间可能无法正确的通信。一些主要的变化有:

  • 数据类型
    • IEEE标准的浮点数
    • 32位整型数
    • 8位数据
    • 混合数据类型
    • 整数中的位域
    • multipliers to change data to/from integer. 10, 100, 1000, 256 ...
  • 协议扩展
    • 16位元的從站地址
    • 32位的数据大小(1个地址 = 返回32位数据)
    • 字交换数据

限制[编辑]

  • Modbus是在1970年末为可编程逻辑控制器通信开发的,这些有限的数据类型在那个时代是可以被PLC理解的,大型二进制对象数据是不支持的。
  • 对节点而言,没有一个标准的方法找到数据对象的描述信息,举个例子,确定一个寄存器数据是否表示一个介于30-175度之间的温度。
  • 由于Modbus是一个主/从协议,没有办法要求设备“报告异常”(构建在以太网的TCP/IP协议之上,被称为open-mbus除外)- 主节点必须循环的询问每个节点设备,并查找数据中的变化。在带宽可能比较宝贵的应用中,这种方式在应用中消耗带宽和网络时间,例如在低速率的无线链路上。
  • Modbus在一个数据链路上只能处理247个地址,这种情况限制了可以连接到主控站点的设备数量(再一次指出以太网TCP/IP除外)
  • Modbus传输在远端通讯设备之间缓冲数据的方式进行,有对通信一定是连续的限制,避免了传输中的缓冲区漏洞的问题
  • Modbus協議自身提供針對未經授權的命令或截取數據沒有安全性。[3]

參考文獻[编辑]

  1. ^ Drury, Bill. Control Techniques Drives and Controls Handbook (PDF) 2nd. Institution of Engineering and Technology. 2009: 508–. (需要订阅(help)). 
  2. ^ [1]
  3. ^ Palmer; Shenoi, Sujeets. Critical Infrastructure Protection III, Third IFIP WG 11. 10 International Conference. Hanover, New Hampshire: Springer. 23–25 March 2009: p. 87. ISBN 3-642-04797-1. 

外部连接[编辑]

开源软件