三菱PLC工业自动化通讯应用：MODBUS TCP详解与案例分析


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 协议基础

MODBUS TCP 协议是工业通信领域广泛使用的标准协议之一，它基于TCP/IP协议栈，提供了一种简单而强大的方式来控制智能设备。本章节将概述MODBUS TCP 协议的基本原理和关键元素，为理解后续章节中关于在三菱PLC中的应用和配置奠定基础。

## 1.1 MODBUS TCP 协议概述

MODBUS TCP 协议继承了MODBUS协议的许多优点，如简单性、灵活性和可靠性。它允许远程设备或主机（主站）与工业现场中的智能控制器或从站（如PLC、仪器仪表等）进行通信。使用TCP/IP作为传输层协议，MODBUS TCP 保证了网络通信的安全性和稳定性。

## 1.2 MODBUS TCP 通信原理

MODBUS TCP 协议的工作依赖于客户端-服务器模型，其中客户端发起请求，服务器响应请求。在通信过程中，数据以特定的帧结构进行封装，包括设备地址、功能码、数据以及错误检测信息等。这种结构确保了数据的一致性和正确性。

## 1.3 MODBUS TCP 应用场景

MODBUS TCP 适用于多种工业自动化环境，如工厂自动化、楼宇自动化和能源管理等。其优势在于能够轻松集成到现有的以太网基础设施中，实现高效的数据交换和控制。随着工业4.0和物联网的兴起，MODBUS TCP 的重要性与日俱增。

以上内容为第一章的简要概述，接下来将详细介绍MODBUS TCP协议在三菱PLC中的应用。

# 2. MODBUS TCP 在三菱PLC中的配置与应用

### 2.1 MODBUS TCP 通信机制

#### 2.1.1 MODBUS TCP 帧结构解析
MODBUS TCP 是基于TCP/IP协议的应用层协议，它扩展了标准MODBUS协议，使其能够在网络环境中使用。MODBUS TCP 帧结构可以分为MBAP（MODBUS 应用协议）头部和数据单元两部分。

flowchart LR
    A[MBAP头部] --> B[数据单元]
    A --> C[校验]
    B --> D[功能码]
    B --> E[数据]

MBAP头部包含事务标识符、协议标识符、长度字段、单元标识符等重要信息。事务标识符用于匹配请求和响应，协议标识符固定为0，长度字段指示数据单元的长度（包括功能码和数据字段），单元标识符用于区分网络中的不同设备。

数据单元包括功能码和数据字段。功能码指示将要执行的操作，数据字段包含具体的指令或响应数据。

在三菱PLC中配置MODBUS TCP时，理解帧结构尤为重要，因为它影响到后续的数据处理和通信的准确性。

#### 2.1.2 建立MODBUS TCP 连接过程
MODBUS TCP 连接的建立通常遵循TCP三次握手的步骤：

1. **连接请求**：客户端（主站）发送SYN包到服务器（从站），请求建立连接。
2. **确认请求**：服务器回应SYN-ACK包表示同意建立连接。
3. **确认连接**：客户端发送ACK包，完成连接建立。

连接建立后，数据就可以在客户端和服务器之间传输。对于三菱PLC来说，PLC作为服务器，需要预先配置好IP地址和端口号，等待客户端的连接请求。一旦连接建立，就可以根据功能码进行读写操作。

### 2.2 三菱PLC的MODBUS TCP 参数配置

#### 2.2.1 PLC网络设置与IP地址配置
配置三菱PLC的网络设置包括设置IP地址、子网掩码和默认网关。这些参数确保PLC能够在网络中正确地发送和接收数据包。

| 参数                | 描述                                      |
|---------------------|-------------------------------------------|
| PLC IP Address      | PLC在网络中的唯一标识                      |
| Subnet Mask         | 定义哪些IP地址属于同一个网络                |
| Default Gateway     | 数据包需要路由时的默认路由地址              |

在实际配置时，需要进入PLC的系统配置界面，手动输入上述参数。确保IP地址没有与网络中的其他设备冲突。

#### 2.2.2 MODBUS TCP 通信设置与调试
MODBUS TCP通信设置涉及到端口号、从站地址等。在三菱PLC中，需要配置用于通信的端口号，这通常是一个固定的值，例如502端口是MODBUS TCP的默认端口。

调试过程中的重要步骤包括：

1. **激活MODBUS TCP**：在PLC中启用MODBUS TCP通信功能。
2. **设置从站ID**：为PLC分配一个唯一的从站ID，以便主站能够识别和通信。
3. **诊断测试**：通过发送测试请求到PLC检查通信是否成功。

### 2.3 MODBUS TCP 在三菱PLC中的实际应用

#### 2.3.1 从站与主站通信模式
在MODBUS TCP通信中，从站和主站有明确的通信模式。主站发起请求，从站响应。从站模式的PLC需要能够处理各种功能码，并按要求发送相应的数据。

从站模式的关键在于能够：

- **监听**：持续监听网络中的MODBUS请求。
- **解析**：正确解析功能码，并做出响应。
- **执行动作**：根据请求执行读写操作，并返回响应数据。

三菱PLC支持多种数据访问，包括线圈状态、输入状态、寄存器值等。

#### 2.3.2 数据交换与监控
数据交换是PLC与外部设备通信的核心，涉及到读取输入数据和发送输出数据。在三菱PLC中，数据交换可以通过配置的数据块完成。

数据监控是指在配置好MODBUS TCP通信后，实时观察和记录数据交换的状态和结果，以便于问题的诊断和性能优化。

在三菱PLC中，可以通过其内置的监控功能或者第三方监控软件实现对MODBUS TCP通信的监控。监控内容通常包括：

- **连接状态**：显示当前是否与主站设备保持连接。
- **数据日志**：记录所有进出的数据包。
- **错误信息**：显示通信过程中产生的错误和警告信息。

通过这种方式，工程师可以及时地发现通信故障，对系统进行调整和优化。

# 3. MODBUS TCP 数据交互与处理

## 3.1 MODBUS TCP 数据格式与转换

### 3.1.1 读写数据格式规范

MODBUS TCP 作为工业通信协议之一，规定了特定的数据格式以确保数据的正确读写。在进行MODBUS TCP通信时，我们通常会用到两种类型的事务标识：请求和响应。请求帧由客户端发送到服务器，包含功能码、起始地址、数量以及必要的数据。响应帧由服务器发回给客户端，包含功能码和相应的数据。

为了保证数据的交互和处理的准确性，了解和掌握数据格式是至关重要的。MODBUS TCP 使用 TCP/IP 协议作为传输层协议，而应用层依然保持与 MODBUS RTU 相同的数据格式。MODBUS TCP 帧结构包括了一个 MODBUS 应用协议头，该头部包含了两个字节的事务标识符，两个字节的协议标识符，两个字节的长度字段，以及一个字节的单位标识符和两个字节的CRC校验码。

在编程实现数据交互时，通常需要构建符合标准的数据帧格式，例如在读取寄存器数据时，通常会使用功能码03或04，分别对应读保持寄存器和读输入寄存器。构建数据帧时，除了要包含这些功能码和相关的地址及数量信息，还需要确保数据长度正确，以及校验码的正确计算，这些都会直接影响到数据交互的成败。

### 3.1.2 数据类型与转换技巧

MODBUS TCP 支持多种数据类型，包括布尔值、整型、浮点型以及十六进制数据等。在数据交互过程中，正确处理不同数据类型的转换是至关重要的。例如，在某些情况下，一个物理量可能以浮点型表示，而在 MODBUS 帧中，则可能以16位整型表示，此时需要在发送和接收时进行适当的类型转换。

在使用三菱PLC进行MODBUS TCP通信时，PLC程序需要将内部数据转换为MODBUS格式，或者接收MODBUS