ModBus TCP协议是工业通信系统领域的基石。它是一种应用层消息传递协议，与以太网配合使用，以实现连接在不同类型网络上的设备之间的客户端/服务器通信。ModBus起源于ModBus串行协议（ModBus RTU），现已发展到采用TCP/IP等现代技术，在楼宇自动化、能源管理和工业自动化等领域发挥关键作用。其简单性、鲁棒性、易用性、开放性和集成能力使其成为首选协议。
什么是ModBus TCP？
ModBus TCP是对经典ModBus协议的改编，用于TCP/IP网络。它提供了标准化的TCP接口，使ModBus设备能无缝通过以太网通信，实现高效可靠的数据交换。该协议继承了ModBus的简单性和鲁棒性，并增加了TCP/IP的可靠性和互操作性。它利用TCP传输协议确保数据可靠、有序地传递，并通过IP层进行寻址和路由。ModBus TCP/IP在客户端-服务器模型下工作，一个设备作为客户端发起请求，其他设备作为服务器响应。它为现代网络基础设施上的ModBus通信提供了优雅解决方案，增强了其在数字化工业环境中的相关性。
ModBus TCP/IP架构
ModBus TCP/IP架构实现分层的网络通信，包含TCP/IP堆栈和ModBus应用协议（MBAP）。TCP/IP协议负责物理层（Ethernet）、网络层（IP）和传输（TCP）层的数据传输，而MBAP则作为应用层部分，将ModBus消息封装在TCP/IP数据包中。这种架构确保ModBus数据通过标准网络基础设施无缝通信，其核心是包含MBAP标头、Function代码和Data字段的ModBus消息。此结构对于不同设备间的无缝互操作性至关重要，同时保持ModBus协议的简单性和鲁棒性。
ModBus TCP帧结构
ModBus帧结构可分为MBAP报头+PDU这两部分。
MBAP 报头帧结构
MBAP 报头是以标准 ModBus 消息为前缀的 7 字节结构，具体组成如下。
| 事务处理标识 | 协议标识 | 长度 | 单元标识符 |
| 2字节 | 2字节 | 2字节 | 1字节 |
| 内容 | 解释 |
| 事务处理标识 | 可以理解为报文的序列号，一般每次通信之后就要加1以区别不同的通信数据报文。 |
| 协议标识符 | 00 00表示ModBus TCP协议。 |
| 长度 | 表示接下来的数据长度，单位为字节。 |
| 单元标识符 | 可以理解为设备地址。 |
PDU帧结构
ModBus TCP PDU帧结构部分是与ModBus RTU一致的，由功能码和数据两部分组成。
| 功能码 | 数据 |
| 1字节 | 数据长度不定，由具体功能决定 |
1.ModBus的操作对象有四种：线圈、离散输入、输入寄存器、保持寄存器
| 对象 | 含义 |
| 线圈 | 开关量，在ModBus中可读可写 |
| 离散量 | 开关量，在ModBus中只读 |
| 输入寄存器 | 只能从模拟量输入端改变的寄存器，在ModBus中只读 |
| 保持寄存器 | 用于输出模拟量信号的寄存器，在ModBus中可读可写 |
2.根据对象的不同，ModBus的功能码有以下几类：
| 功能码 | 含义 | 位操作/字操作 | 操作数量 |
| 01 | 读线圈状态 | 位操作 | 单个或多个 |
| 02 | 读离散输入状态 | 位操作 | 单个或多个 |
| 03 | 读保持寄存器 | 字操作 | 单个或多个 |
| 04 | 读输入寄存器 | 字操作 | 单个或多个 |
| 05 | 写线圈状态 | 位操作 | 单个 |
| 06 | 写单个保持寄存器 | 字操作 | 单个 |
| 15 | 写多个线圈 | 位操作 | 多个 |
| 16 | 写多个保持寄存器 | 字操作 | 多个 |
ModBus TCP与串行链路ModBus的数据域是一致的，具体数据域可以参考串行ModBus。
ModBus TCP 与 ModBus RTU
ModBus TCP/IP与ModBus RTU是ModBus协议的两大分支，各有优势和应用领域。TCP/IP基于以太网，速度高（100 Mbps+），适用于大规模、分散的工业网络，采用客户端-服务器模型，利用TCP/IP堆栈通信，支持复杂网络拓扑。而ModBus RTU是串行传输版本，通过RS-232/485接口，速度较慢（最高115200 bps），基于主从模型，包含CRC错误检查以确保数据完整性，适用于电噪声较多的环境。选择时需考虑数据速度、网络拓扑、设备数量和环境条件。
ModBus TCP/IP：实际应用
1.工业自动化领域的核心应用
ModBus TCP/IP在工业自动化领域占据核心地位，它作为一种通用的通信协议，能够无缝连接各种工业设备，包括可编程逻辑控制器（PLC）、远程终端单元（RTU）以及传感器等。这一连接能力使得工业设备的通信变得更加高效，推动了工业自动化水平的提升。ModBus TCP/IP的广泛应用，不仅提高了生产效率，降低了人工成本，还加强了设备之间的协同合作，确保了工业过程的稳定性和可靠性。
2.楼宇自动化系统的关键支撑
在楼宇自动化系统中，ModBus TCP/IP发挥着至关重要的作用。作为不同子系统之间的通信桥梁，它能够实现楼宇内各个系统（如HVAC、照明控制、门禁系统等）的无缝连接和数据交换。这种无缝通信不仅提升了楼宇的智能化水平，还使得管理者能够实时监控和控制楼宇内的各种设备和系统，从而提供更加舒适、安全、节能的居住和工作环境。
3.能源管理系统的核心组件
ModBus TCP/IP在能源管理系统中扮演着核心组件的角色。通过连接功率计、分表和能源管理软件等设备，它能够提供实时的能源使用数据，为能源管理提供有力支持。这些数据不仅有助于企业识别能源浪费、制定节能策略，还能够预测未来的能源需求，为企业的能源管理提供科学依据。同时，ModBus TCP/IP的开放性和标准化特性，使得不同厂商的设备能够无缝集成到能源管理系统中，提高了系统的兼容性和可扩展性。
ModBus TCP/IP的优点
ModBus TCP/IP 具有多项优势，使其成为工业自动化和其他应用的首选协议。
无缝集成：基于TCP/IP，与现有网络基础设施兼容，易于集成，支持跨网络通信。
简单高效：功能代码集小且定义明确，数据模型简单，易于实现，并减少处理开销。
可靠鲁棒：基于TCP协议，提供可靠、有序的字节流传输，确保控制命令和状态更新 的准确性。
高度可扩展：支持大地址空间，支持广播，适用于大规模应用。
开放多功能：协议规范免费，无需许可，拥有庞大的兼容设备和软件生态系统。
ModBus TCP/IP 的局限性和挑战
ModBus TCP/IP虽普及，但亦存挑战。以下为其主要局限：
安全性不足：设计之初未充分考虑网络安全，不支持加密和身份验证，数据易被拦截更改，且易遭未授权设备接入。
设备配置不便：不支持自动设备发现，新设备加入需手动配置，维护较耗时。
功能有限：仅支持简单的请求/响应通信，对于复杂通信或实时性能需求可能不适用。
TCP拥塞控制影响：依赖TCP的拥塞控制可能导致网络繁忙或远距离连接时效率低下、延迟。
可扩展性受限：随设备增加，网络性能可能下降，设计大型系统时需留意此点。
结论
ModBus TCP/IP 是成熟的 ModBus RTU 协议的改编版，专为 TCP/IP 网络而设计。它将原始协议的简单性和可靠性带入了以太网和互联网通信领域。凭借其开放标准，它在工业自动化和楼宇管理系统中获得了广泛的认可。然而，人们担心该协议缺乏安全措施和其他现代网络功能，这可能会影响其对某些应用程序的适用性。
尽管存在这些挑战，ModBus TCP/IP 仍然是一个相关的选择，因为它的广泛使用、业内的熟悉程度以及广泛的支持设备库。
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