工业控制系统与Modbus功能码详解

本文档介绍了Modbus协议的部分功能码及其在ARM嵌入式系统开发中的应用，同时探讨了工业控制网络的安全基础。 在Modbus通信协议中，功能码是用于定义主设备（如PLC、计算机）与从设备（如传感器、驱动器）之间通信任务的关键元素。表4.2列出了部分常用的功能码，包括读取和写入线圈、离散输入、保持寄存器和输入寄存器，以及一些高级操作如诊断、程序更新和通信事件管理。这些功能码允许设备执行基本的读写操作，以及更复杂的控制和故障检测任务。 1. **READ_COILS（功能码1）**：用于从从设备读取线圈状态，线圈通常代表一个数字输出，例如开关状态。 2. **READ_DISCRETE_INPUTS（功能码2）**：读取离散输入状态，这些输入通常来自传感器，表示二进制的开/关状态。 3. **READ_HOLDING_REGS（功能码3）**：读取保持寄存器中的数据，这些寄存器存储过程变量，即使电源中断也会保持其值。 4. **READ_INPUT_REGS（功能码4）**：读取输入寄存器，用于获取过程变量的状态，但这些寄存器的值不保持在电源断开时。 5. **WRITE_SINGLE_COIL（功能码5）**：写入单个线圈的值，可以用来控制一个数字输出。 6. **WRITE_SINGLE_REG（功能码6）**：写入单个保持寄存器，更新过程变量或配置设置。 7. **READ_EXCEPT_STAT（功能码7）**：获取设备的异常状态信息，帮助诊断故障。 8. **DIAGNOSTICS（功能码8）**：用于执行设备的诊断测试。 9. **PROGRAM（功能码9和13）**：允许对设备进行编程或固件更新。 10. **QUERY（功能码10和14）**：发送查询请求，获取特定信息。 11. **GET_COMM_EVENT_CTRS（功能码11）**：获取通信事件计数器，了解设备的通信活动。 12. **GET_COMM_EVENT_LOG（功能码12）**：获取通信事件日志，用于故障排查。 13. **WRITE_MULT_COILS（功能码15）**：批量写入线圈状态，实现批量控制。 14. **WRITE_MULT_REGS（功能码16）**：批量写入保持寄存器，进行大规模数据更新。 15. **REPORT_SLAVE_ID（功能码17）**：报告从设备的ID，用于设备识别和网络配置。 16. **PROGRAM（功能码18）**：针对特定设备的编程操作。 17. **COMM_LINK_RESET（功能码19）**：重置通信链路，恢复网络通信。 18. **READ_FILE_RECORD（功能码20）**：读取文件记录，可能包含设备的配置或历史数据。 19. **WRITE_FILE_RECORD（功能码21）**：写入文件记录，如更新配置文件或存储数据。 20. **MASK_WRITE_REG（功能码22）**：使用掩码写入寄存器，允许选择性地修改寄存器的某些位。 21. **READ_WRITE_REG（功能码23）**：读取并写入多个寄存器，实现双向数据交换。 工业控制网络的安全基础是随着工业化和信息化融合而变得尤为重要。工控系统（ICS）包括SCADA、DCS、PLC和PCS等，它们是保证工业设施自动化运行的核心。随着工控网络与互联网的连接，安全风险也随之增加，如病毒、木马等威胁。因此，工业控制网络安全成为研究焦点。一个典型的工业控制系统分为五个逻辑层次：企业资源层、生产管理层、过程监控层、现场控制层和现场设备层。各层之间信息共享，通过网络进行通信，确保整个系统的高效协调运行。然而，这种开放性也带来了安全挑战，需要实施适当的安全措施，如等级保护，以保障工控系统的稳定和安全。