【PLC与MODBUS RTU通信案例分析】：FX3系列实战解读


参考资源链接：[FX3S·FX3G·FX3GC·FX3U·FX3UC 用户手册 MODBUS通信篇.pdf](https://wenku.csdn.net/doc/646186fa543f844488933e8f?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. PLC与MODBUS RTU通信概述

在工业自动化领域，PLC（可编程逻辑控制器）是控制机械设备的核心部件，而MODBUS RTU协议作为工业通讯标准之一，广泛应用于PLC与各种仪器仪表之间的数据交换。本章将概述PLC与MODBUS RTU通信的背景、特点及其重要性。

## 1.1 通信背景及重要性

PLC通过MODBUS RTU协议实现数据的可靠传输，支持包括温度、压力等多种工业数据的采集、处理与控制。在复杂的工业环境中，这种通信机制是保障生产效率和设备稳定运行的关键。

## 1.2 MODBUS RTU概述

MODBUS RTU（Remote Terminal Unit）是一种在串行通信环境下的主从式协议。它以二进制方式编码数据帧，允许在单个通信链路上管理多个设备，包括读取传感器数据和控制执行器。

## 1.3 通信流程简介

通信流程通常涉及主机（例如SCADA系统）发送查询请求到从机（PLC），从机处理请求后返回响应。该流程涉及数据封装、传输、解析、确认以及错误处理等关键步骤。

在接下来的章节中，我们将深入探讨MODBUS RTU协议的内部机制，以及如何在FX3系列PLC中进行通信配置和故障诊断。

# 2. MODBUS RTU协议解析

## 2.1 MODBUS RTU协议基础

### 2.1.1 协议的历史背景和适用场景

MODBUS RTU协议的历史可以追溯到1979年，当时由Modicon公司推出，旨在为可编程逻辑控制器（PLC）之间提供一种简单、可靠且经济的通信机制。由于其开放性、简单性和成熟度，MODBUS RTU广泛应用于工业自动化领域，成为工业通信标准之一。在各种监控系统、制造执行系统和自动化设备中，MODBUS RTU协议是实现设备间数据交换的首选。

适用场景主要集中在：
- **传感器和执行器数据采集**：工厂自动化中，传感器和执行器设备常使用MODBUS RTU进行状态和控制信号的交换。
- **过程控制**：在化工、石油天然气等流程工业中，MODBUS RTU协议用于流程监控和控制，保证系统的高效运行。
- **远程监控**：适合用于远程监控系统，例如电力变电站监控，可以远程读取和调整设备参数。

### 2.1.2 MODBUS RTU数据帧格式

MODBUS RTU协议以二进制的形式进行数据传输，每个数据帧都遵循一定的格式。一个典型的MODBUS RTU数据帧由设备地址、功能码、数据和错误检测码（CRC）组成。

数据帧格式如下：

| 字节位置 | 描述 | 长度 |
|----------|--------------------------|------|
| 1 | 设备地址 | 1字节 |
| 2 | 功能码 | 1字节 |
| 3 | 数据字段的起始字节 | N字节 |
| ... | 数据字段的其他字节 | N字节 |
| 最后两字节 | 循环冗余校验（CRC） | 2字节 |

数据帧的长度是变化的，取决于功能码和数据字段的内容。数据字段的内容则根据功能码的不同而有所差异，例如读取寄存器功能码03，数据字段将包含寄存器的起始地址和数量。

## 2.2 MODBUS RTU功能码详解

### 2.2.1 读写寄存器功能码

MODBUS RTU协议规定了一系列的功能码，用于定义不同类型的命令。其中，读写寄存器是应用最为广泛的功能码。例如：

- 功能码**03**用于读取保持寄存器的值。
- 功能码**06**用于写入单个保持寄存器的值。
- 功能码**16**用于批量写入多个保持寄存器的值。

每个功能码都有其特定的使用条件和数据格式要求，只有正确构造请求帧并处理响应帧，才能成功实现寄存器的读写操作。

### 2.2.2 错误检测和异常响应

在MODBUS RTU通信中，错误检测是重要的组成部分。错误检测主要依靠CRC校验来完成，如果接收到的数据帧CRC校验错误，则认为该帧数据有误。通信双方都可以通过此机制及时发现错误，并进行相应的处理，如请求重发。

异常响应是当从站无法处理请求或发生错误时发送给主站的响应。异常响应包含一个特定的功能码**08**，后面跟随一个表示错误类型的代码。

## 2.3 MODBUS RTU网络构建

### 2.3.1 网络拓扑结构和布线要求

MODBUS RTU网络的拓扑结构可以是星形、总线形或环形。在实际应用中，总线形是最常见的网络拓扑结构，因为它布线简单、成本低廉且易于扩展。一条通信线路上可以连接多个设备，每个设备分配唯一的地址。

布线要求方面，MODBUS RTU使用RS-485标准进行串行通信，因此需要确保使用屏蔽双绞线，以减少电气干扰。接线时，还需注意终端电阻的配置，以减少信号反射导致的通信错误。

### 2.3.2 设备地址和通信参数设置

在MODBUS RTU网络中，每个从站设备都分配有一个唯一的地址。主站通过发送带有特定地址的数据帧与对应的从站进行通信。设备地址的配置需根据实际网络设计进行设置，避免地址冲突。

通信参数设置包含波特率、数据位、停止位和奇偶校验。参数必须在所有设备之间一致，否则会造成通信失败。通常，通信参数在设备的初始化配置中设定。

**代码块展示示例：**

// MODBUS RTU典型请求帧示例
// 读取保持寄存器03的请求帧
// 设备地址0x01, 功能码03, 寄存器起始地址0x006B, 寄存器数量0x0003, CRC校验值
01 03 00 6B 00 03 4B E1

**参数说明与逻辑分析：**

- **设备地址**：0x01（十六进制），表示从站设备的地址。
- **功能码**：03（十六进制），表示读取保持寄存器。
- **寄存器起始地址**：0x006B（十六进制），表示从该地址开始读取寄存器。
- **寄存器数量**：0x0003（十六进制），表示读取三个寄存器。
- **CRC校验值**：4B E1（十六进制），用于检查帧是否有错误。

在进行MODBUS RTU通信设置时，需要确保所有通信参数与设备设置相匹配，包括波特率、数据位、停止位和奇偶校验。下面展示一个常见的设备参数配置过程：

// 以某型号PLC为例的MODBUS RTU参数配置代码块
// 配置波特率、数据位、停止位、奇偶校验
// 例如配置波特率为19200，数据位为8，停止位为1，奇偶校验为无
// PLC特定配置命令取决于具体的PLC型号和编程环境
MODBUS_CONFIGURE波特率=19200, 数据位=8, 停止位=1, 奇偶校验=无

通过以上配置确保了MODBUS RTU通信的基础设置正确，从而为后续的读写操作和通信诊断提供前提条件。

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# 第三章：FX3系列PLC通信设置

## 3.1 FX3系列PLC简介

### 3.1.1 系列特点和应用场景

FX3系列PLC是三菱电机推出的一款高性能可编程逻辑控制器，它具有高速处理能力、强大的指令集以及易于使用的编程软件。FX3系列的设计兼顾了小型化和高性能，能够灵活应用于多种工业自动化场合，如生产线自动化、物料搬运系统、包装机械等领域。

该系列PLC的特点在于其模块化的设计，用户可以根据实际需要选择不同的输入输出模块，以及各种通信模块来扩展PLC的功能。FX3系列支持