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工业以太网与Modbus TCP/IP 点击：3479 | 回复：26

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注册：2005年8月18日

发表于：2005-11-09 09:42:00

楼主

一、以太网的标准
以太网是一种局域网。早期标准为IEEE 802.3，数据链路层使用CSMA/CD，10Mb/s速度物理层有：（1）10 Base 5粗同轴电缆，RG-8，一段最长为500m；（2）10 Base 2细同轴电缆，RG-58，一段最长为185m；（3）10 Base T双绞线，UTP或STP，一段最长为100m。
快速以太网为100Mb/s，标准为802.3a，介质为100 Base Tx双绞线、100 Base Fx光纤。
目前10/100M以太网使用最为普遍，很多企事业用户已实现100M到以太网桌面，确实体验到高速“冲浪”的快感，另外从距离而言，非屏蔽双绞线（UTP）为100m，多模光纤可达2～3km，单模光纤可大于100km。
千兆以太网1000Mb/s为802.3z/802.3ab，万兆以太网10Gb/s为802.3ae，将为新一轮以太网的发展带来新的机遇与冲击。
二、工业以太网与商用以太网的区别
什么是工业以太网？技术上，它与IEEE802.3兼容，故从逻辑上可把商用网和工业网看成是一个以太网，而用户可根据现场情况，灵活装配自己的网络部件，但从工业环境的恶劣和抗干扰的要求，设计者希望采用市场上可找到的以太网芯片和媒介，兼顾考虑下述工业现场的特殊要求：首先要考虑高温、潮湿、振动；二是对工业抗电磁干扰和抗辐射有一定要求，如满足EN50081-2、EN50082-2标准，而办公室级别的产品未经这些工业标准测试，表1列出了一些常用工业标准。为改善抗干扰性和降低辐射，工业以太网产品多使用多层线路板或双面电路板，且外壳采用金属如铸铝屏蔽干扰；三是电源要求，因集线器、交换机、收发器多为有源部件，而现场电源的品质又较差，故常采用双路直流电或交流电为其供电，另外考虑方便安装，工业以太网产品多数使用DIN导轨或面板安装；四是通信介质选择，在办公室环境下多数配线使用UTP，而在工业环境下推荐用户使用STP（带屏蔽双绞线）和光纤。

…………

四、开放和标准的Modbus TCP
Modbus是开放协议，IANA（Internet Assigned Numbers Authority, 互联网编号分配管理机构）给Modbus协议赋予TCP端口502，Modbus协议可免费从www.Modbus.org得到。
Modbus是标准协议，它已提交给IETF（Internet Engineering Task Force, 互联网工程任务部），将成为Internet标准。因自1978年，工业自动化行业已安装了百万计串口Modbus设备和十万计Modbus TCP/IP设备，拥有超过300个Modbus兼容设备厂商，还有90%的第三厂家I/O支持Modbus TCP/IP，所以是使用广泛的事实标准。Modbus的普及得益于使用门坎很低，无论用串口还是用以太网，硬件成本低廉，Modbus和Modbus TCP都可以免费得到，不需交任何费用，且在网上有很多免费资源，如C/C++、JAVA样板程序、ActiveX控件、各种测试工具等，所以用户使用很方便。另外，几乎可找到任何现场总线到Modbus TCP的网点，方便用户实现各种网络之间的互联。
1．Modbus TCP/IP
如果使用TCP/IP以太网的5层：第一层：物理层，提供设备的物理接口，与市售的介质/网络适配器相兼容；第二层：数据链路层，格式化信号到源/目的硬件地址的数据帧；第三层：网络层，实现带有32位IP地址的IP报文包；第四层：传输层，实现可靠性连接、传输、查错、重发、端口服务、传输调度；第五层：应用层，Modbus协议报文。
2．Modbus TCP数据帧
在TCP/IP以太网上传输，支持Ethernet II和802.3两种帧格式。
图6所示，Modbus TCP数据帧包含报文头、功能代码和数据3部分。

MBAP报文头（MBAP、Modbus Application Protocol、Modbus应用协议）分4个域，共7个字节，如表3所示。

3．Modbus功能代码
共有3种类型分别为：（1）公共功能代码（如表4所示）：已定义好的功能码，保证其唯一性，由Modbus.org认可；（2）用户自定义功能代码有两组，分别为65～72和100～110，无需认可，但不保证代码使用的唯一性。如变为公共代码，需交RFC认可；（3）保留的功能代码，由某些公司使用在某些传统设备的代码，不可作为公共用途。

功能代码划分：按应用深浅，可分为3个类别。
（1）类别0，对于客户机/服务器最小的可用子集：
读多个保持寄存器（fc.3）；写多个保持寄存器（fc.16）。
（2）类别1，可实现基本互易操作的常用代码：
读线圈（fc.1）；读开关量输入（fc.2）；读输入寄存器（fc.4）；写线圈（fc.5）；写单一寄存器（fc.6）。
（3）类别2，用于人机界面、监控系统的例行操作和数据传送功能：
强制多个线圈（fc.15）；读通用寄存器（fc.20）；写通用寄存器（fc.21）；屏蔽写寄存器（fc.22）；读写寄存器（fc.23）。
4．Modbus应用举例
（1）读寄存器（见表5）。

（2）Modbus TCP请求报文举例（见表6）。

（3）Modbus TCP客户端的实况。
用Connect（）命令建立目标设备TCP 502端口的连接数据通信的过程：
（a）准备Modbus报文，包括7个字节的MBAP在内的请求；
（b）使用send（）命令发送；
（c）在同一连接等待应答；
（d）同recv（）读报文，完成一次数据交换过程。
当通信任务结束时，关闭TCP连接，使服务器可以为其他服务。
（4）Modbus TCP的样板程序
用户可通过网站www.transparent-factory.com下载到：
（a）JAVA的应用程序；
（b）基于Unix系统下，C的应用程序；
（c）基于Win32系统下，C的应用程序。
（5）Modbus TCP协议
协议文本的英文版可从www. modbus.org下载，如需协议文本的中文版，可向施耐德电气（中国）投资有限公司各地区办事处索要。
五、使用TCP/IP Modbus的原因
（1）TCP/IP已成为信息行业的事实标准：世界上93%的网络都使用TCP/IP，只要在应用层使用Modbus TCP，就可实现工业以太网数据交换；
（2）易于与各种系统互连：可用于管理网、实时监控网及现场设备通信；
（3）网络实施价格低廉：可全部使用通用网络部件；
（4）用户强烈要求：目前中国已把Modbus TCP作为工业网络标准之一，用户可免费获得协议及样板程序，可在Unix、Linux、Windows下运行，不需要专门驱动程序。在国外，Modbus TCP被国际半导体业SEMI定为网络标准，国际水处理、电力系统也把它作为应用的事实标准，还有越来越多行业作为标准来用；
（5）高速的数据：用户最关心的是所使用网络的传输能力，100M以太网的传输结果为：每秒4000个Modbus TCP报文，而每个报文可传输125个字（16bit），故相当于4000×125=500000个模拟量数据（8000000开关量！）；
（6）厂家能提供完整解决方案：工业以太网的接线元件，包括工业集成器、工业交换机、工业收发器、工业连接电缆。工业以太网服务器，包括远程、分布式I/O扫描功能，设备地址IP的设置功能，故障设备在线更换功能，分组的信息发布与订阅功能，网络动态监视功能，还有支持瘦客户机的Web服务。其他工控设备的支持：如工业用人机界面、变频器、软起动器、电动机控制中心、以太网I/O、各种现场总线的网桥、甚至带TCP/IP Modbus的传感器，都为用户使用提供了方便。

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