業(yè)以太網(wǎng)與modbusTCP/IP2009-05-1205:57一以太網(wǎng)的標準以太網(wǎng)是一種局域網(wǎng)。早期標準為IEEE802.3，數(shù)據(jù)鏈路層使用CSMA/CD,10Mb/s速度物理層有：10Base5粗同軸電纜，RG-8，一段最長為500m；10Base2細同軸電纜，RG-58，一段最長為185m；10BaseT雙絞線，UTP或STP，一段最長為100m。快速以太網(wǎng)為100Mb/s，標準為802.3a，介質(zhì)為100BaseTx雙絞線、100BaseFx光纖。目前10/100M以太網(wǎng)使用最為普遍，很多企事業(yè)用戶已實現(xiàn)100M到以太網(wǎng)桌面，確實體驗到高速“沖浪”的快感，另外從距離而言，非屏蔽雙絞線(UTP)為100m，多模光纖可達2?3km，單模光纖可大于100km。千兆以太網(wǎng)1000Mb/s為802.3z/802.3ab，萬兆以太網(wǎng)10Gb/s為802.3ae，將為新一輪以太網(wǎng)的發(fā)展帶來新的機遇與沖擊。二工業(yè)以太網(wǎng)與商用以太網(wǎng)的區(qū)別什么是工業(yè)以太網(wǎng)？技術上，它與IEEE802.3兼容，故從邏輯上可把商用網(wǎng)和工業(yè)網(wǎng)看成是一個以太網(wǎng)，而用戶可根據(jù)現(xiàn)場情況，靈活裝配自己的網(wǎng)絡部件，但從工業(yè)環(huán)境的惡劣和抗干擾的要求，設計者希望采用市場上可找到的以太網(wǎng)芯片和媒介，兼顧考慮下述工業(yè)現(xiàn)場的特殊要求：首先要考慮高溫、潮濕、振動；二是對工業(yè)抗電磁干擾和抗輻射有一定要求，如滿足EN50081-2、EN50082-2標準，而辦公室級別的產(chǎn)品未經(jīng)這些工業(yè)標準測試，表1列出了一些常用工業(yè)標準。為改善抗干擾性和降低輻射，工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品多使用多層線路板或雙面電路板，且外殼采用金屬如鑄鋁屏蔽干擾；三是電源要求，因集線器、交換機、收發(fā)器多為有源部件，而現(xiàn)場電源的品質(zhì)又較差，故常采用雙路直流電或交流電為其供電，另外考慮方便安裝，工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品多數(shù)使用DIN導軌或面板安裝；四是通信介質(zhì)選擇，在辦公室環(huán)境下多數(shù)配線使用UTP，而在工業(yè)環(huán)境下推薦用戶使用STP（帶屏蔽雙絞線）和光纖。表1常用工業(yè)標準標準測試方法描述EN55024EN610004-2靜電放電EN55024EN610004-3抗輻射干擾EN55024EN610W』快速瞬態(tài)脈沖EN55024EN610004-5浪涌電壓EN55024EN610004-6傳導干擾EN55024EN61000-4-11瞬降瞬斷電壓EN55022CISPR22輻射放射EN5502-2CISPR22傳寫?癌射三TCP/IP為什么使用TCP/IP？最主要的一個原因在于它能使用在多種物理網(wǎng)絡技術上，包括局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)技術。TCP/IP協(xié)議的成功很大程度上取決于它能適應幾乎所有底層通信技術。20世紀80年代初，先在X.25上運行TCP/IP協(xié)議；而后又在一個撥號語音網(wǎng)絡（如電話系統(tǒng)）上使用TCP/IP協(xié)議，又有TCP/IP在令牌環(huán)網(wǎng)上運行成功；最后又實現(xiàn)了TCP/IP遠程分組無線網(wǎng)點與其他Internet網(wǎng)點間TCP/IP通信。所以TCP/IP協(xié)議極其靈活，具備連接不同網(wǎng)絡的能力。另外，使用TCP/IP也簡化了OSI模型，因為它省略了表示層和會話層。如果現(xiàn)在把以太網(wǎng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層加到OSI模型就構成了基于以太網(wǎng)的TCP/IP網(wǎng)，如圖1所示。用以太網(wǎng)實現(xiàn)TCP/IP也是經(jīng)濟的一種方式。InternetProtocol(IP)IP是Internet最基本的協(xié)議，用戶可從下載RFC79來得到其文件，（要求評論RFC:RequestForComments：一系列備忘錄的名稱，包括概述、評價、意見、技術和研究，以及所提出的和被接受的互聯(lián)網(wǎng)標準）。IP層主要目的是找到IP報文的“下一個連接點”，它可以是路由器、計算機、控制器甚至I/O,關鍵該設備須有自己的IP地址。凡在網(wǎng)絡層使用IP協(xié)議的網(wǎng)絡，都通過IP地址尋址，所以使用時首先要進行復雜的設置，每個節(jié)點至少需一個“IP地址”、一個“子網(wǎng)掩碼”、一個“默認網(wǎng)點”和一個“主機名”，如此復雜的設置，對于一些初識網(wǎng)絡的用戶來說的確帶來不便，不過隨著對網(wǎng)絡熟悉，有許多IP地址配置工具，可方便進行IP設置，甚至是自動設置。IP是面向報文的協(xié)議，它獨立處理每個報文包，每個報文包必須含有完整的尋址信息。IP報文包的格式如圖2所示。

IP地址的類型共有4種（如圖3所示）：A類用于處理超大型網(wǎng)絡，最多16387064個主機（1?126）；B類網(wǎng)絡最多可有64516個主機（網(wǎng)絡地址的第一段為128?191）；C類用于小型網(wǎng)絡，最多可有254個主機（網(wǎng)絡地址的第一段為192?223）；D類用于多點播送，用于多目的信息的傳輸。全零（“”）地址對應于當前主機，全1地址（“55”）是當前子網(wǎng)的廣播地址。Nel-id.IIHost-id1oNet-idIIHost-idI1o|Nel-idHHost-id1gJMulticast08話24幻ClsssACIbssBClassCClassD圖34種IP地址類型TransmissionControlProtocol（TCP）TCP是基于傳輸層的協(xié)議（如圖4所示），協(xié)議文件可從RFC793得到，使用廣泛，面向連接的可靠協(xié)議。它能把報文分解為數(shù)段，在目的站再重新裝配這些段，支持重新發(fā)送未被收到的段，提供兩臺設備間的全雙工連接，允許它們高效地交換大量數(shù)據(jù)。TCP使用滑動窗口協(xié)議來高效使用網(wǎng)絡。由于TCP很少干預底層投遞系統(tǒng)的工作，它適應各種投遞系統(tǒng)；且

提供流量控制，能使各種不同速率的系統(tǒng)進行通信。報文段是TCP所使用的基本傳輸單元，用于傳輸數(shù)據(jù)或控制信息。0410162431SourcePort1DestinationPortSequenceNumberAcknowledgmenLNumberbitsiULEN||Reserved|Codes||WindowsChecksum1UrgentPointerOptions|paddingData--圖』TCP協(xié)議的報文段格式TCP端口TCP是使用端口（Socket）號把信息傳到上層，為用戶提供不同服務，端口號跟蹤同一時間內(nèi)通過網(wǎng)絡的不同會話。RFC1700中定義了眾所周知的特殊端口號，常用端口如表2所列。其中502端口是自動化公司唯一所擁有的端口號碼。表？常用端口十進制數(shù)關鍵字說陰20FTP-Dalg文件傳輸協(xié)議（數(shù)據(jù)）211FTP文件傳輸協(xié)議23Telnet遠程登錄25SMTP簡單郵件傳輸協(xié)議53Domain域名服務器67Pootps啟動協(xié)議服務器80Hnp超文本傳輸協(xié)議f10POP3郵件接收協(xié)議502Mocbus自動化信息傳輸協(xié)議（Protocal）的功能組建網(wǎng)絡時，必須選擇一種網(wǎng)絡通信協(xié)議，使得用戶之間能相互進行“交流”。協(xié)議是網(wǎng)絡設備用來通信的一套規(guī)則，可理解為一種彼此都能聽懂的公用語言。如在網(wǎng)絡層使用IP協(xié)議，在傳輸層使用TCP協(xié)議，就構成了目前常用的TCP/IP協(xié)議，現(xiàn)在幾乎所有廠商和操作系統(tǒng)都支持它。同時，TCP/IP也是Internet的基礎協(xié)議。如在應用層使用工業(yè)上事實標準的Modbus協(xié)議（如圖5所示），就構成了完整工業(yè)以太網(wǎng)應用。應用層tMocbus,UN「TE,Http

iranEmissionControlProtocol

5拍rn田Protocol

CSMA/CD7物理層（10胡^LiQBaseFL」…）圖5ModbusTCP/IP模型四開放和標準的ModbusTCPModbus是開放協(xié)議，IANA（InternetAssignedNumbersAuthority,互聯(lián)網(wǎng)編號分配管理機構）給Modbus協(xié)議賦予TCP端口502，Modbus協(xié)議可免費從www.M得到。Modbus是標準協(xié)議，它已提交給IETF（InternetEngineeringTaskForce,互聯(lián)網(wǎng)工程任務部），將成為Internet標準。因自1978年，工業(yè)自動化行業(yè)已安裝了百萬計串口Modbus設備和十萬計ModbusTCP/IP設備，擁有超過300個Modbus兼容設備廠商，還有90%的第三廠家I/O支持ModbusTCP/IP，所以是使用廣泛的事實標準。Modbus的普及得益于使用門坎很低，無論用串口還是用以太網(wǎng)，硬件成本低廉，Modbus和ModbusTCP都可以免費得到，不需交任何費用，且在網(wǎng)上有很多免費資源，如C/C++、JAVA樣板程序、ActiveX控件、各種測試工具等，所以用戶使用很方便。另外，幾乎可找到任何現(xiàn)場總線到ModbusTCP的網(wǎng)點，方便用戶實現(xiàn)各種網(wǎng)絡之間的互聯(lián)。ModbusTCP/IP如果使用TCP/IP以太網(wǎng)的5層：第一層：物理層，提供設備的物理接口，與市售的介質(zhì)/網(wǎng)絡適配器相兼容；第二層：數(shù)據(jù)鏈路層，格式化信號到源/目的硬件地址的數(shù)據(jù)幀；第三層：網(wǎng)絡層，實現(xiàn)帶有32位IP地址的IP報文包；第四層：傳輸層，實現(xiàn)可靠性連接、傳輸、查錯、重發(fā)、端口服務、傳輸調(diào)度；第五層：應用層，Modbus協(xié)議報文。ModbusTCP數(shù)據(jù)幀在TCP/IP以太網(wǎng)上傳輸，支持EthernetII和802.3兩種幀格式。圖6所示，ModbusTCP數(shù)據(jù)幀包含報文頭、功能代碼和數(shù)據(jù)3部分。ModbusTCP/IPPDU|MBAP報文頭］|功能代碼］「數(shù)據(jù)jAPDU圖6ModbusTCP^據(jù)楨格式MBAP報文頭（MBAP、ModbusApplicationProtocol、Modbus應用協(xié)議）分4個域，共7個字節(jié)，如表3所示。表3MBAP報文頭域長度(B)描述客戶端服務器端傳輸標志2標志某個Modbus詢問/應答的傳輸由客戶端生成應答時復制該值協(xié)議標志20=Modbus協(xié)議協(xié)議由客戶端生成應答時復制該值妝度1后續(xù)字節(jié)計數(shù)由客戶端生成應答時由服務器端重新生成單元標志1定義連續(xù)于目的其他設備由客戶端生成應答時復制該值Modbus功能代碼共有3種類型分別為：公共功能代碼(如表4所示)：已定義好的功能碼，保證其唯一性，由M認可；用戶自定義功能代碼有兩組，分別為65?72和100?110,無需認可，但不保證代碼使用的唯一性。如變?yōu)楣泊a，需交RFC認可；(3)保留的功能代碼，由某些公司使用在某些傳統(tǒng)設備的代碼，不可作為公共用途。表4Modbus常用公共功能代伺常用公共功能代碼功能碼十進碼子碼十六進制位操作開關量輸入讀輸入點0202內(nèi)部位或開關量輸出讀線圈0101寫單個線圈05寫多個線圈150F16位操作模擬量輸入讀輸入寄存器0404內(nèi)部寄存器或輸出寄存器｛模擬量輸入)讀多個寄存器0303寫單個寄存器06106寫多個寄存器1610讀/■寫多個寄存器2317屏蔽寫寄存器2216文件記錄讀文件記錄20614寫文件記錄2廠|615封裝接口讀設備標識432B功能代碼劃分：按應用深淺，可分為3個類別。類別0，對于客戶機/服務器最小的可用子集：讀多個保持寄存器(fc.3)；寫多個保持寄存器(fc.16)。類別1，可實現(xiàn)基本互易操作的常用代碼：讀線圈(fc.1)；讀開關量輸入(fc.2)；讀輸入寄存器(fc.4)；寫線圈(fc.5)；寫單一寄存器(fc.6)。類別2,用于人機界面、監(jiān)控系統(tǒng)的例行操作和數(shù)據(jù)傳送功能：強制多個線圈(fc.15)；讀通用寄存器(fc.20)；寫通用寄存器(fc.21)；屏蔽寫寄存器(fc.22)；讀寫寄存器(fc.23)。Modbus應用舉例讀寄存器(見表5)。ModbusTCP請求報文舉例(見表6)。ModbusTCP客戶端的實況。用Connect()命令建立目標設備TCP502端口的連接數(shù)據(jù)通信的過程:準備Modbus報文，包括7個字節(jié)的MBAP在內(nèi)的請求；使用send()命令發(fā)送；在同一連接等待應答；同recv()讀報文，完成一次數(shù)據(jù)交換過程。當通信任務結束時，關閉TCP連接，使服務器可以為其他服務。ModbusTCP的樣板程序用戶可通過網(wǎng)站下載到：JAVA的應用程序；基于Unix系統(tǒng)下，C的應用程序；基于Win32系統(tǒng)下，C的應用程序。ModbusTCP協(xié)議協(xié)議文本的英文版可從下載，如需協(xié)議文本的中文版，可向施耐德電氣(中國)投資有限公司各地區(qū)辦事處索要。表5讀寄存器舉例請求功能碼1B0^03起始地址2B0xOOO。到0xFFFF寄存器數(shù)2B1到1巽位x7D}功能碼1B起始地址1B2xN寄存器的值IN為寄存器的數(shù)量)出錯出錯碼IB0x83例外碼IB01或川或03或04描述大小(B)示例備注MBRP傳輸標志Hi10x15傳輸標志用于和應答配合使用傳輸標志Lo10x01每對傳輸使用唯一的標志協(xié)議標志20x0000該域可用作尋址Modxjs/Modbus+子網(wǎng)絡的路由.這時該‘直含有耳的設備的地址長度20xOQOB單元標志1D*FFModbus請求功能代碼10x03讀寄存器起始地址20x0005宰力器敬20x0001五使用TCP/IPModbus的原因TCP/IP已成為信息行業(yè)的事實標準：世界上93%的網(wǎng)絡都使用TCP/IP,只要在應用層使用ModbusTCP，就可實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換；易于與各種系統(tǒng)互連：可用于管理網(wǎng)、實時監(jiān)控網(wǎng)及現(xiàn)場設備通信；網(wǎng)絡實施價格低廉：可全部使用通用網(wǎng)絡部件；用戶強烈要求：目前中國已把ModbusTCP作為工業(yè)網(wǎng)絡標準之一，用戶可免費獲得協(xié)議及樣板程序，可在Unix、Linux、Windows下運行，不需要專門驅動程序。在國外，ModbusTCP被國際半導體業(yè)SEMI定為網(wǎng)絡標準，國際水處理、電力系統(tǒng)也把它作為應用的事實標準，還有越來越多行業(yè)作為標準來用；高速的數(shù)據(jù)：用戶最關心的是所使用網(wǎng)絡的傳輸能力，100M以太網(wǎng)的傳輸結果為：每秒40