【工业通信协议实战手册】：三菱Q系列与汇川H3U Modbus TCP应用案例精讲


参考资源链接：[三菱Q系列与汇川H3u Modbus TCP通信配置指南](https://wenku.csdn.net/doc/6401ad02cce7214c316edf3a?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 工业通信协议概述

在现代工业自动化领域，通信协议扮演着至关重要的角色。它们是不同设备和系统间进行数据交换的标准语言，确保了信息的正确传输与理解。工业通信协议不仅限于传输数据，还包括控制命令、状态监控和故障诊断等多种信息。通信协议的多样性为不同制造商的设备互联提供了可能，但同时也带来了协议选择、集成和兼容性等挑战。

## 1.1 通信协议的定义与功能
通信协议是为实现设备间高效、准确的数据交流而制定的一系列规则和约定。这些规则定义了数据的格式、传输方式、寻址机制、错误检测和处理方法等。对于工业应用来说，协议的稳定性、实时性和安全性是其核心功能。

## 1.2 常见工业通信协议
工业界存在多种通信协议，如Modbus、Profibus、Ethernet/IP和CANopen等。这些协议各具特色，适用于不同的工业环境。例如，Modbus以其简单易实现著称，广泛应用于能源管理、楼宇自动化等领域；而Profibus则在制造业自动化中占据重要地位。选择合适的协议是集成系统设计的关键一环。

## 1.3 工业通信协议的未来趋势
随着工业4.0和物联网的发展，工业通信协议正逐步向着更高带宽、更短延迟、更强安全性的方向发展。OPC UA等新一代协议支持设备间的高级互操作性，为未来智能制造和云服务等提供了坚实基础。

本章内容为读者提供了一个关于工业通信协议的基础概念框架，为后续深入探讨Modbus TCP协议奠定了基础。在下一章，我们将深入分析Modbus TCP协议的基础知识和工作原理。

# 2. Modbus TCP协议基础

## 2.1 Modbus TCP协议原理

### 2.1.1 Modbus协议家族简介

Modbus是一个串行通信协议，广泛应用于工业自动化领域，被用于设备与主机之间的数据通信。它支持多种拓扑结构，包括点对点、多主多从和主从式网络。Modbus TCP是Modbus协议的一种变体，它在TCP/IP协议栈之上运行，适用于以太网环境。

Modbus TCP与传统的串行通信协议相比，具有安装方便、兼容性好、传输速度快和易于维护等特点。在传输层使用的是TCP协议，使得Modbus TCP具备了TCP协议的可靠性和面向连接的特性。

### 2.1.2 Modbus TCP协议架构

Modbus TCP协议基于客户端-服务器模型，其中服务器通常被称为“服务器”或“从站”，而客户端被称为“主站”或“主机”。主站负责发起请求，而从站响应这些请求。

Modbus TCP的传输数据单元（PDU）包括功能码和数据。功能码告诉从站要执行的操作，如读取寄存器、写入寄存器等。数据部分则包含请求或响应的具体信息，例如要读取或写入的寄存器地址和数量。

## 2.2 Modbus TCP帧结构与功能码

### 2.2.1 帧结构详解

Modbus TCP消息帧结构由Modbus应用协议数据单元（APDU）和TCP/IP头部组成。APDU本身由功能码和数据组成，而在TCP/IP头部包含了源端口、目的端口、序列号和确认应答等信息。

在TCP/IP头部之后是Modbus TCP的应用协议头部（MBAP），它是一个可选头部，为Modbus消息提供了额外的事务标识符、协议标识符和长度信息，增强了消息的可识别性。

### 2.2.2 功能码的作用与分类

功能码是Modbus TCP协议中用于指定从站操作类型的代码，每个功能码对应一种特定的操作。常见的功能码包括：

- 功能码0x01：读线圈状态
- 功能码0x02：读离散输入状态
- 功能码0x03：读保持寄存器
- 功能码0x04：读输入寄存器
- 功能码0x05：写单个线圈
- 功能码0x06：写单个寄存器
- 功能码0x10：写多个线圈
- 功能码0x16：写多个寄存器

每种功能码都有其适用的寄存器类型和操作范围，如线圈、离散输入、保持寄存器和输入寄存器等。这些功能码使得主站能够进行数据的读取和写入操作。

## 2.3 Modbus TCP通信流程

### 2.3.1 客户端与服务器的角色

在Modbus TCP通信中，客户端通常由监控系统或HMI（人机界面）扮演，它负责发起读取或写入请求。服务器则是PLC或其它控制设备，负责响应这些请求并执行相应的操作。

在通信过程中，客户端和服务器都有各自的IP地址和端口号。客户端通过TCP连接向服务器发起连接请求，建立连接后即可进行数据交互。

### 2.3.2 数据交互的步骤和方法

Modbus TCP通信的基本步骤包括：

1. 客户端发起TCP连接请求，并与服务器建立连接。
2. 客户端发送包含功能码和数据的Modbus TCP请求。
3. 服务器接收到请求后，根据功能码执行相应的操作。
4. 服务器将操作结果封装成Modbus TCP响应消息，返回给客户端。
5. 客户端接收响应消息，并根据需要进行处理。
6. 完成数据交互后，TCP连接可被关闭或保持活跃状态以供后续通信使用。

下面是一个使用Python的`socket`库通过Modbus TCP读取PLC数据的简单示例代码：

import socket

# 创建TCP/IP套接字
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 连接服务器
client_socket.connect(('192.168.1.10', 502))

# Modbus TCP帧格式示例数据
mbap_header = b'\x00\x00\x00\x00\x00\x06\x00\x4B'
func_code = b'\x03\x00\x00\x00\x00\x01'  # 读保持寄存器
data = mbap_header + func_code

# 发送请求数据
client_socket.sendall(data)

# 接收响应数据
response = client_socket.recv(1024)

# 关闭套接字
client_socket.close()

# 打印响应数据
print(response)

在此代码中，首先创建了一个TCP/IP套接字，然后连接到服务器的IP地址和Modbus端口（通常为502）。之后，我们构建了一个包含MBAP头部和功能码0x03（读保持寄存器）的Modbus TCP请求帧，并发送到服务器。服务器将处理请求并返回响应，最后关闭套接字并打印响应数据。

此示例展示了Modbus TCP通信的客户端部分。在实际应用中，还需要根据功能码和响应数据解析出具体的数据内容，以及处理网络异常、超时等可能出现的错误情况。

# 3. 三菱Q系列PLC与Modbus TCP集成

## 3.1 三菱Q系列PLC通信设置
### 3.1.1 PLC网络参数配置

在三菱Q系列PLC中配置网络参数是实现Modbus TCP通信的基础。以下步骤涵盖了如何通过GX Works2或GX Developer编程软件配置Q系列PLC以支持Modbus TCP协议。

首先，确保你的PLC硬件支持以太网通信，并已经连接到网络中。接下来，打开GX Works2或GX Developer软件，加载你的项目文件。

进入网络配置界面，你可以找到网络设置参数，如IP地址、子网掩码和网关地址。根据你的网络环境进行设置，确保PLC的IP地址在同一网络段内，且与Modbus TCP服务器的IP地址不冲突。

- **IP地址配置：** 为PLC分配一个静态的IP地址。确保此地址是唯一的，比如192.168.1.100。
- **子网掩码：** 根据你的网络环境设置子网掩码，例如255.255.255.0。
- **网关地址：** 设置PLC的默认网关地址，以便它能够访问网络中的其他设备，比如192.168.1.1。

配置完成后，需要将更改下载到PLC。重启PLC以使新的网络参数生效。

### 3.1.2 Modbus TCP通信模块安装

安装Modbus TCP通信模块是实现与外部设备通信的关键步骤。三菱Q系列PLC通过专用的通信模块（例如MC协议模块）来支持Modbus TCP通信。下面将详细介绍安装和配置步骤。

- **通信模