在工业自动化的 PLC 通讯体系中，MODBUS 协议以其跨品牌兼容性和简洁的交互逻辑，成为连接不同厂商 PLC 与上位机的核心桥梁。无论是西门子、三菱等主流品牌 PLC，还是国产中小型 PLC，大多支持 MODBUS 协议作为通用通信接口。GraniStudio 软件针对 PLC 通讯场景，对 MODBUS 协议进行了深度定制化整合，解决了 PLC 寄存器映射、多品牌适配、实时性保障等关键问题。本文将从 PLC 与 MODBUS 的适配原理、帧交互细节、GraniStudio 的技术实现及工业应用四个维度，全面解析 PLC 通讯中 MODBUS 协议的技术内核。

一、Modbus-TCP和Modbus-RUT

1.Modbus-TCP

Modbus-TCP 是 Modbus 协议家族的一员，基于 TCP/IP 协议，将 Modbus 协议帧嵌入以太网数据包中传输，实现设备间的远程通信。它继承了 Modbus 协议简单易用、跨平台性强的特点，广泛应用于工业自动化、楼宇自动化等领域，方便不同厂商设备进行数据交互。

Modbus-TCP 网络通讯流程图

Modbus-TCP 是 Modbus 协议在以太网中的扩展，基于 TCP/IP 协议栈，采用 “客户端 - 服务器” 架构，数据帧格式简化（去除校验位，依赖 TCP 可靠性）。

Modbus-RUT通讯流程图

Modbus-RTU 基于串行通信（RS-485/RS-232），采用主从架构（仅主站可发起请求），数据帧通过串口传输，依赖起始位 / 停止位和 CRC 校验确保可靠性。

客户端：通常是可编程逻辑控制器（PLC）、上位机软件等，负责发起数据读写请求。

服务器：可以是传感器、执行器、智能仪表等设备，接收并处理客户端请求，返回相应数据。

以太网交换机：实现设备间网络连接，确保数据在网络中正确传输。

Modbus-TCP 数据传输流程

建立连接：客户端通过 TCP 三次握手与服务器建立可靠连接。

构建请求帧：客户端按照 Modbus-TCP 协议格式，将功能码（如 01 读线圈、03 读保持寄存器等）、设备地址、数据地址等信息封装成请求帧。

发送与接收：客户端将请求帧发送到服务器，服务器接收后进行解析。

处理与响应：服务器根据请求内容，访问对应寄存器获取数据或执行操作，再构建响应帧返回给客户端。

结束交互：客户端接收响应帧，完成一次数据交互。

Modbus-TCP 在工业自动化中的应用架构

在工业自动化场景中，上位机通过 Modbus-TCP 与 PLC 通信，PLC 作为核心控制单元，一方面控制执行器工作，另一方面采集传感器数据，并与其他 Modbus-TCP 设备进行数据交互，实现整个生产流程的自动化控制与监测。

2. Modbus-RTU

Modbus-RTU是 Modbus 协议的一种串行通信模式，基于主从架构，采用二进制数据传输，适用于RS-485/RS-232物理层，是工业自动化领域最常用的现场总线协议之一。其特点包括：

高效性：二进制编码压缩数据量，传输效率高于 Modbus ASCII。

可靠性：通过 CRC（循环冗余校验）确保数据完整性。

实时性：支持短距离（通常≤1200 米）、实时性通信，适合传感器、PLC、变频器等设备互联。

帧结构

Modbus-RTU 帧由4 个部分组成，总长度≤256 字节：

Modbus-RTU 通信流程图

详细步骤说明

步骤 1：主设备发送查询帧

主设备构造帧结构：

从机地址 + 功能码 + 数据字段 + CRC校验

示例：读取从机地址为 1 的寄存器 40001-40002 的数据：

0x01 0x03 0x00 0x00 0x00 0x02 [CRC校验]

功能码0x03：读取保持寄存器。

数据字段：寄存器起始地址0x0000（40001 对应 Modbus 地址 0x0000），寄存器数量0x0002。

步骤 2：从设备接收与解析

CRC 校验：先验证 CRC 是否正确，错误则丢弃帧。

地址匹配：检查从机地址是否为自身地址或广播地址（0）。

若是广播地址：所有从机执行操作（无响应）。

若是目标地址：继续解析功能码。

步骤 3：功能码处理

正常响应：

从设备执行操作后，返回响应帧，结构为：

从机地址 + 功能码 + 数据长度 + 数据内容 + CRC校验

示例响应：

0x01 0x03 0x04 0x12 0x34 0x56 0x78 [CRC校验]

数据长度0x04：返回 4 字节数据（2 个 16 位寄存器）。

数据内容0x1234、0x5678：寄存器 40001 和 40002 的值。

异常响应：

若操作失败（如非法功能码、寄存器地址错误），功能码最高位设为 1（如0x83），并返回错误码：

从机地址 + 异常功能码 + 错误码 + CRC校验

示例：0x01 0x83 0x02 [CRC校验]（错误码 0x02：非法数据地址）。

步骤 4：主设备处理响应

解析响应帧的 CRC 校验，验证数据有效性。

若超时未收到响应（需预设超时时间，如 50ms），重新发送请求（通常重试 3 次），或报错提示通信失败。

二、PLC 与 MODBUS 协议的适配原理

PLC 作为工业控制的核心设备，其内部寄存器（输入 / 输出继电器、数据寄存器等）的访问方式是 MODBUS 协议适配的关键。不同品牌 PLC 对 MODBUS 的支持存在差异，但核心均遵循 “寄存器地址映射 + 功能码映射” 的适配逻辑。

2.1 PLC 寄存器与 MODBUS 地址的映射规则

PLC 的内部寄存器（如西门子的 I/Q/M/DB，三菱的 X/Y/M/D）需映射为 MODBUS 协议可识别的地址格式，常见映射方式如下：

这种映射关系由 PLC 的 MODBUS 服务器固件定义，例如西门子 S7-1200 通过 “MODBUS 服务器” 指令块（MB_SERVER）配置映射表，用户可自定义 I/Q 区与 MODBUS 地址的对应关系，GraniStudio 则通过读取 PLC 的映射表元数据实现自动适配。

2.2 PLC 作为从设备的功能码支持

PLC 作为 MODBUS 从设备时，支持的功能码取决于其固件实现，通常包含：

必选功能码：0x01（读线圈）、0x02（读离散输入）、0x03（读保持寄存器）、0x06（写单寄存器），确保基本的数据读写能力；

可选功能码：0x10（写多寄存器）、0x0F（写多线圈），支持批量操作，提升通信效率；

厂商自定义功能码：如某些 PLC 支持 0x41（读系统信息），返回固件版本、运行状态等私有数据。

三、PLC 通讯中 MODBUS 协议的帧交互细节

PLC 与上位机的 MODBUS 通讯帧结构虽遵循通用规范，但针对 PLC 寄存器的特性存在细节差异，尤其是在数据区编码和错误响应方面。

3.1 读取 PLC 保持寄存器的帧交互（以 0x03 功能码为例）

以上位机（GraniStudio）读取三菱 FX5U 的 D100-D101（保持寄存器 0x0064-0x0065）为例：

1.请求帧（RTU 模式）：

从地址（1字节）：0x02（FX5U的MODBUS地址）
功能码（1字节）：0x03（读保持寄存器）
数据区（4字节）：0x00 0x64（起始地址0x0064） + 0x00 0x02（读取2个寄存器）
CRC校验（2字节）：0x7A 0x3B

2.响应帧（正常响应）：

从地址（1字节）：0x02
功能码（1字节）：0x03
数据长度（1字节）：0x04（4字节数据）
数据区（4字节）：0x00 0x64（D100=100） + 0x01 0xF4（D101=500）
CRC校验（2字节）：0x1C 0x8D

3.响应帧（错误响应）：

若 FX5U 的 D101 为只读寄存器，响应帧为：

从地址（1字节）：0x02

错误功能码（1字节）：0x83（0x03+0x80）

错误码（1字节）：0x04（寄存器只读）

CRC校验（2字节）：0x9D 0x2F

3.2 写入 PLC 线圈的帧交互（以 0x05 功能码为例）

向上位机写入西门子 S7-1200 的 Q0.0（线圈 0x0000）为例：

1.请求帧（TCP 模式）：

MBAP头（7字节）：0x00 0x01（事务ID） + 0x00 0x00（协议ID） + 0x00 0x06（长度） + 0x03（单元ID）
功能码（1字节）：0x05（写单线圈）
数据区（4字节）：0x00 0x00（线圈地址0x0000） + 0xFF 0x00（置位，0x0000为复位）

2.响应帧（正常响应）：

MBAP头（7字节）：0x00 0x01（事务ID） + 0x00 0x00（协议ID） + 0x00 0x06（长度） + 0x03（单元ID）

功能码（1字节）：0x05

数据区（4字节）：0x00 0x00（线圈地址） + 0xFF 0x00（确认置位）

西门子 S7-1200 的 Q 区线圈在 MODBUS 协议中为 “可读可写”，写入成功后 Q0.0 立即置位，PLC 程序可直接读取该状态用于逻辑控制，这种 “软 PLC 与 MODBUS 的实时联动” 是工业控制的关键特性。

四、GraniStudio 对 PLC 通讯 MODBUS 协议的整合

针对 PLC 通讯的特殊性（寄存器映射复杂、实时性要求高、多品牌差异大），GraniStudio 在通用 MODBUS 整合基础上，增加了 PLC 专属功能模块，实现 “一键适配 + 精准控制”。

4.1 PLC 寄存器映射自动解析

GraniStudio 通过 “PLC 型号选择 + 映射表导入” 机制，解决不同品牌 PLC 的地址映射难题：

型号选择：根据plc型号，使用相应的plc连接模块，进行连接。如软件提供了西门子PLC初始化、松下PLC初始化、三菱PLC初始化。

映射表可视化配置：提供 “PLCIO配置”算子，用户可手动配置 “PLC 地址→MODBUS 地址” 对应关系，例如将西门子 DB1.DBW0 映射为保持寄存器 0x0100，并保存为设备模板；

地址格式智能转换：支持用户输入 PLC 原生地址（如 “I0.0”“D100”），系统自动转换为 MODBUS 地址（0x0000、0x0064），无需记忆协议编码。

例如，配置三菱 FX5U 的映射关系时，用户输入 “D200”，编辑器自动填充 “MODBUS 地址 0x00C8”“功能码 0x03”，并通过寄存器读取/写入进行读写操作。

4.2 实时性优化与 PLC 程序联动

PLC 通讯对实时性要求苛刻（通常需＜100ms），GraniStudio 通过二项技术优化保障：

轮询策略定制：支持 “固定周期轮询”（如 100ms 一次）和 “事件触发轮询”（如 PLC 状态变化时），避免无效通信占用带宽。例如，对生产线节拍控制的 PLC，采用 100ms 固定周期轮询；对状态稳定的仓储 PLC，采用事件触发轮询；

批量操作合并：将多个连续寄存器的读写请求合并为单帧，如读取 D100-D105 时，生成 1 条 0x03 功能码请求（长度 0x0006），较逐条读取效率提升 500%；

某汽车焊装线的实践显示，采用该方案后，GraniStudio 与西门子 S7-1500 的通信延迟稳定在 30-50ms，满足焊接时序控制需求。

4.3 多品牌 PLC 的兼容与故障诊断

针对不同 PLC 品牌存在的兼容性差异，GraniStudio 采用多品牌专属算子方案，为各品牌 PLC 定制独立连接逻辑：通过为三菱、松下、西门子等不同品牌，开发针对性的 PLC 连接算子，内置对应品牌通信协议解析、连接适配逻辑，自动处理品牌差异导致的指令格式、校验规则、地址映射等兼容性问题，简化跨品牌 PLC 通信开发流程 。

五、工业应用场景与 PLC-MODBUS 协同价值

在工业控制中，MODBUS 协议是 PLC 与上位机、PLC 与 PLC 之间的 “通用语言”，GraniStudio 的整合方案使其价值在三类场景中尤为突出：

5.1 多品牌 PLC 的集中监控

某电子代工厂的生产线同时使用西门子 S7-1200（焊接设备）、三菱 FX5U（装配机械臂）、信捷 XD3（输送线），通过 GraniStudio 实现集中监控：

西门子 S7-1200：通过 MODBUS TCP 读取 I0.0（焊接完成信号）、DB1.DBW0（焊接电流）；

三菱 FX5U：通过 MODBUS RTU 读取 D100（机械臂位置）、Y0（抓取完成）；

松下 FPOR：通过 MODBUS TCP 写入 D200（输送速度）、Y10（启停控制）。

系统将所有数据汇总至 SCADA 界面，实现 “一屏监控三品牌设备”，较传统方案节省 3 套专属协议驱动的开发成本。

5.2 PLC 与 PLC 的跨品牌通信

在某水处理系统中，西门子 S7-300 PLC（主控制）需通过 MODBUS RTU 控制台达 PLC（水泵控制）：

西门子作为 MODBUS 主设备，通过 GraniStudio 配置 “写线圈 0x0000”（台达 Y0，水泵启动）；

台达作为从设备，接收指令后控制水泵启动，并通过 “保持寄存器 0x0000” 返回运行电流；

西门子读取电流值后，通过内部逻辑调整控制策略，实现 “主从 PLC 协同控制”。

这种跨品牌联动避免了专用通信模块的采购（节省约 5000 元 / 套），且响应时间控制在 80ms 以内。

5.3 PLC 与 IoT 平台的数据桥接

某智能工厂需将 PLC 数据上传至云端 IoT 平台，通过 GraniStudio 的 “MODBUS-PLC - 云端” 桥接方案：

GraniStudio 作为中间层，每 500ms 通过 MODBUS 读取 PLC 的 D100（产量）、D101（能耗）；

进行数据预处理（如单位转换、异常值过滤）；

通过 MQTT 协议上传至云端，实现 “PLC 实时数据→云端分析→远程优化” 的闭环。

该方案在某食品厂应用后，云端数据延迟＜1 秒，生产效率分析准确率提升 90%。

六、与 PLC 专属协议的对比及选择策略

在实际应用中，常采用 “专属协议 + MODBUS” 的混合策略：对核心控制链路（如西门子 PLC 之间）采用专属协议保障实时性；对非核心链路（如 PLC 与第三方仪表）采用 MODBUS 保障兼容性。GraniStudio 支持这种混合架构，通过统一的算子界面实现多协议协同，降低系统复杂度。

七、总结与技术展望

MODBUS 协议在 PLC 通讯中的核心价值在于 “打破品牌壁垒”，而 GraniStudio 的定制化整合使其从 “通用协议” 升级为 “PLC 专用通信解决方案”。通过寄存器自动映射、实时性优化、多品牌兼容等功能，软件解决了工业现场 PLC 通讯的 “配置繁、调试难、兼容差” 三大痛点。

对于工业用户而言，GraniStudio 中的 PLC-MODBUS 方案不仅是一种通信工具，更是构建 “开放、灵活、低成本” 工业控制系统的核心支撑，在多品牌协同、跨系统集成等场景中，将持续发挥不可替代的作用。