IEC 104规约与MODBUS协议对比深度分析：选择最适合你的协议


# 摘要
本文首先概述了IEC 104规约与MODBUS协议的基本概念和特点，随后深入解析了IEC 104规约的框架、通信机制及其在电力自动化中的应用，同时探讨了MODBUS协议的核心概念、通信模式及其在工业自动化中的应用范围。文章通过对比分析，重点探讨了两种协议在通信效率、网络适应性、安全性和可靠性方面的差异，并通过实际应用案例进行了说明。最后，本文讨论了选择通信协议的标准、实施过程中的挑战及解决方案，并展望了通信协议智能化发展和未来趋势，为行业提供了选择和使用通信协议的参考依据。

# 关键字
IEC 104规约；MODBUS协议；通信效率；安全性；智能化发展；物联网(IoT)；人工智能(AI)

参考资源链接：[IEC 104规约仿真工具：客户端与服务器端的协同工作](https://wenku.csdn.net/doc/1knvaynorr?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. IEC 104规约与MODBUS协议概述

在工业自动化和电力系统中，通信协议是数据交换和设备互连的基础。IEC 104规约和MODBUS协议是其中的两个主流标准，它们各自在保证数据传输的稳定性和可靠性方面扮演着重要角色。

## 1.1 IEC 104规约简介

IEC 104规约，即IEC 60870-5-104，是电力系统自动化领域中广泛使用的一种国际标准通信协议。它基于IEC 60870-5-101规约的主从式架构，为电力系统的远程监控和数据采集（SCADA）提供了有效解决方案。IEC 104特别适用于电力系统的广域通信网络，支持多个控制中心与远程站点之间的信息交换。

## 1.2 MODBUS协议概述

MODBUS协议由MODICON公司于1979年首次发布，广泛应用于工业领域中的仪器和控制系统。MODBUS协议具有开放性、透明性和易于实现的特点，可以支持串行和基于TCP/IP的网络通信。MODBUS有两种主要的通信模式：MODBUS RTU（远程终端单元）和MODBUS TCP/IP。MODBUS RTU模式使用二进制编码，适用于串行通信；而MODBUS TCP/IP模式则在TCP/IP网络中提供相同的数据访问和控制机制。

在接下来的章节中，我们将深入解析IEC 104规约和MODBUS协议的细节，并对它们的通信机制、适用场景以及各自的优势进行详尽探讨。这将为读者提供一个全面理解这两种协议的基础，并在选择时做出更加明智的决策。

# 2. IEC 104规约深入解析

## 2.1 IEC 104规约的基本框架

### 2.1.1 IEC 104规约的结构和层次

IEC 104规约（IEC 60870-5-104）是一种国际标准，专门用于电力系统自动化领域的远程控制和监视。它基于ISO/IEC 8802-3标准（即以太网标准），为数据的可靠传输提供了保障。IEC 104规约的结构可以分为三个层次：应用层、传输层和链路层。

应用层使用APDU（应用协议数据单元）进行数据封装，传输层主要利用TCP协议确保数据包的正确顺序和可靠性，而链路层则关注于帧的正确传输和错误处理。

### 2.1.2 应用协议数据单元(APDU)的分析

APDU是IEC 104规约中用于数据交换的基本单位。APDU包含启动字符、控制域、类型标识、可变结构限定词、传输原因、数据单元标识符以及数据域等部分。

代码块可以用来展示APDU的结构，并进行详细分析：

typedef struct {
    unsigned char start_char;      // 启动字符（68H）
    unsigned char control_field;   // 控制域
    unsigned char type_id;         // 类型标识
    unsigned char vsq;             // 可变结构限定词
    unsigned char cause_of_trans;  // 传输原因
    unsigned short data_unit_id;   // 数据单元标识符
    unsigned char *data;           // 数据域
    unsigned short data_len;       // 数据长度
} APDU;

每部分的解释如下：

- 启动字符：标识一个APDU的开始，固定为68H。
- 控制域：包含序列号和确认信息，用于标识和同步数据包。
- 类型标识：区分APDU的类型，例如单点信息、双点信息、测量值等。
- 可变结构限定词：指示数据单元是否是可变长度，以及数据域的结构。
- 传输原因：指定APDU发送的原因，例如周期性、自发性或询问。
- 数据单元标识符：唯一标识数据交换中的数据对象。
- 数据域：实际要传输的数据。

## 2.2 IEC 104规约的通信机制

### 2.2.1 链路层的传输和确认

IEC 104规约的链路层协议依赖于TCP/IP，确保了数据包能够可靠地传输。链路层负责将APDU封装成TCP数据包，并通过网络传输。每收到一个数据包，接收方会立即发送一个确认消息（ACK）以确认接收成功。如果发送方未在规定时间内收到ACK，它会重新发送数据包。

### 2.2.2 连接的建立和维持

IEC 104规约建立连接的过程是基于TCP三次握手。首先，客户端发送一个同步序列号（SYN）包请求建立连接，服务器响应并发送自己的同步序列号（SYN-ACK）包，最后客户端确认并发送ACK包以完成连接建立。

为了维持连接，IEC 104规约定义了保持活动的机制。如果在一定时间内没有数据交换，双方会发送特定的消息来保持连接活跃。一旦检测到活动超时，就会自动断开连接。

### 2.2.3 心跳机制和超时处理

心跳机制是IEC 104规约用来检测通信线路是否正常的一种机制。它通过周期性地发送和接收确认消息来实现。如果在设定的超时时间内未能接收到对方的响应，那么会认为连接已断开，并采取相应的处理措施。

## 2.3 IEC 104规约的适用场景与优势

### 2.3.1 IEC 104在电力自动化中的应用

IEC 104规约广泛应用于电力系统的自动化监控和数据采集（SCADA）系统中。它能够满足电力系统对实时性和可靠性的高要求，通过稳定的数据传输保证了电力系统运行的安全性和效率。

### 2.3.2 IEC 104的稳定性和可靠性分析

稳定性和可靠性是IEC 104规约的重要优势。由于基于TCP/IP协议，它能够提供流控制、拥塞控制和错误检测与恢复机制。此外，IEC 104规约定义了多个检测和恢复策略，如确认应答、超时重发等，大大增强了数据传输的稳定性。

以上为第二章的内容，本章节深入探讨了IEC 104规约的基本框架、通信机制、适用场景以及优势，为读者构建了IEC 104规约的全面理解。在后续章节中，我们将进一步探讨MODBUS协议，并与IEC 104进行对比分析。

# 3. MODBUS协议详尽探讨

MODBUS协议作为工业通信领域广泛使用的协议之一，它为工业设备之间的数据通信提供了基本框架。本章节深入解析了MODBUS协议的核心概念、通信模式以及在不同应用范围内的表现，从而为读者提供一个全面的MODBUS协议知识体系。

## 3.1 MODBUS协议的核心概念

### 3.1.1 MODBUS协议的数据封装

MODBUS协议的数据封装包括帧格式、地址和功能码。在数据封装中，协议定义了消息的结构，包括从站地址、功能码、数据以及一个错误检测