三菱PLC MODBUS TCP通讯高级应用：掌握异步通讯机制


参考资源链接：[三菱Q系列PLC MODBUS TCP通讯配置指南](https://wenku.csdn.net/doc/38xacpyrs6?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. MODBUS TCP通讯协议概述

## 1.1 MODBUS TCP通讯协议简介

MODBUS TCP通讯协议是在MODBUS协议的基础上发展而来，它采用了TCP/IP协议族的传输层协议——TCP来实现数据传输。MODBUS TCP通讯协议是一种开放的、应用广泛的工业通讯协议，广泛应用于工业自动化领域。该协议在继承了MODBUS协议的易于理解、易于实现、易于使用等优点的同时，又具有TCP协议的高可靠性和高效率的特点。

## 1.2 MODBUS TCP通讯协议的应用场景

MODBUS TCP通讯协议主要应用于工业自动化领域，例如工业控制系统、PLC编程、数据采集系统、SCADA系统等。在这些场景中，MODBUS TCP通讯协议能够实现设备之间的数据交换，实现远程监控和控制，以及实现设备之间的数据共享。由于其开放性和易用性，MODBUS TCP通讯协议被广泛应用于各种自动化设备和系统中，成为工业自动化领域的一种重要通讯协议。

# 2. MODBUS TCP通讯基础与实践

## 2.1 MODBUS TCP通讯机制理论

### 2.1.1 MODBUS TCP框架结构

MODBUS TCP协议在TCP/IP协议族中定义了一个应用层协议，其工作在开放系统互连（OSI）模型的第七层。为了确保与其他应用和系统的兼容性，MODBUS TCP遵循工业标准的架构和约定。MODBUS TCP框架主要由以下部分组成：

- **连接层（TCP层）**：使用标准的TCP协议，通过网络层在客户端和服务器之间建立可靠的连接。通讯双方使用固定的端口（默认为502）进行数据传输。
- **传输层**：确保数据块从源到目的地的准确传输。MODBUS TCP使用TCP协议的全双工通信特性，允许同时进行数据的接收和发送。
- **应用层**：定义了数据封装和解析的规则，包括请求/响应的格式，以及MODBUS功能码的定义。在这个层次上，数据以一系列的帧或者数据包形式交换，每帧包含地址、功能码、数据和错误校验等字段。
- **会话管理**：虽然MODBUS协议不直接提供会话管理功能，但是在TCP连接之上，可以实现会话状态的维护和管理，例如，会话超时、重连策略等。

### 2.1.2 MODBUS功能码解析

MODBUS TCP通讯中，功能码（Function Code）用于指明从站应执行的操作类型。每个功能码后通常跟随一定的数据负载，具体数据取决于功能码的类型。以下是一些常见功能码的含义：

- **01（0x01）**：读线圈状态（Read Coils）
- **02（0x02）**：读离散输入状态（Read Discrete Inputs）
- **03（0x03）**：读保持寄存器（Read Holding Registers）
- **04（0x04）**：读输入寄存器（Read Input Registers）
- **05（0x05）**：写单个线圈（Write Single Coil）
- **06（0x06）**：写单个寄存器（Write Single Register）
- **15（0x0F）**：写多个线圈（Write Multiple Coils）
- **16（0x10）**：写多个寄存器（Write Multiple Registers）

功能码的解析对于通讯协议的理解至关重要，因为它决定了控制器如何与从设备进行交互。

## 2.2 MODBUS TCP通讯的软件配置

### 2.2.1 三菱PLC与MODBUS的配置步骤

三菱PLC（可编程逻辑控制器）是工业自动化领域常见的控制设备。通过配置，三菱PLC可以作为MODBUS TCP服务器或客户端。以下是将三菱PLC配置为MODBUS TCP服务器的基本步骤：

1. **网络设置**：首先，需要在PLC的编程软件（如GX Works2或GX Developer）中设置PLC的IP地址、子网掩码和网关地址。
2. **通信参数设置**：在“通信设定”菜单中，选择MODBUS TCP作为通信协议，并设定端口号。
3. **数据区分配**：根据需要读写的MODBUS寄存器地址，将PLC内部的寄存器分配到对应的数据区。
4. **启动通信**：完成以上设置后，启动PLC的通信功能即可。

### 2.2.2 通讯参数设定与网络诊断

正确配置通信参数是确保MODBUS TCP通讯稳定性的关键。通常包括以下设置：

- **波特率**：表示每秒传输的位数，对于TCP通讯来说，通常是固定的10Mb/s（以太网标准）。
- **帧间隔**：虽然TCP不使用帧间隔，但一些特殊情况下，可能需要配置，以避免网络上的冲突。
- **超时时间**：用于设定通讯无响应时的超时时间，确保系统的健壮性。

网络诊断是确保通讯链路正常的关键环节。常见的网络诊断步骤包括：

1. **使用ping命令**：确认网络的连通性。
2. **检查交换机和路由器**：确保网络设备运行正常，并且端口转发没有问题。
3. **查看连接状态**：通过软件查看当前连接的客户端，判断连接是否正常。
4. **利用MODBUS工具测试**：如使用Modscan等工具进行通讯测试和数据读写。

## 2.3 MODBUS TCP通讯的硬件设置

### 2.3.1 网络硬件要求与连接方式

MODBUS TCP通讯依赖于可靠的以太网连接。网络硬件的基本要求包括：

- **网络接口**：所有通讯设备必须具备以太网接口，并能支持TCP/IP协议。
- **传输媒介**：可以使用双绞线、光纤等媒介。长距离通讯推荐使用光纤以保证信号质量。
- **网络交换机**：交换机需要支持标准的TCP/IP通讯，并且在必要时支持VLAN配置以隔离通讯流。

连接方式主要有以下几种：

- **点对点通讯**：最简单的连接方式，一个主站对一个从站。
- **星型连接**：多个从站连接到一个中央集线器或交换机上。
- **多点通讯**：主站直接连接到多个从站，这要求从站设备具备MAC地址，能够处理TCP/IP数据包。

### 2.3.2 IP地址规划与配置案例

合理的IP地址规划有助于网络的扩展和维护。以下为MODBUS TCP通讯网络IP地址规划的步骤：

1. **确定子网范围**：根据实际网络大小，确定子网掩码，从而划分出足够的IP地址范围。
2. **分配IP地址**：为网络中的每个设备分配一个唯一的IP地址。
3. **设置默认网关**：确保所有设备都设定相同的默认网关，以便在不同子网间通讯。

配置案例：

假设一个场景中，有1个MODBUS TCP服务器（PLC）和4个客户端设备需要连接。服务器被分配到一个C类地址范围192.168.1.100，子网掩码