Modbus 协议的历史和应用领域

什么是 Modbus® 协议？

Modbus 协议是由 Modicon 于 1979 年开发的一种消息传递结构。它用于在智能设备之间建立客户端-服务器通信。它是一种事实上的标准，真正开放，并且是工业制造环境中最广泛使用的网络协议。数百家供应商已在数千种不同的设备上实施了它，用于在控制设备之间传输离散/模拟 I/O 和寄存器数据。它是不同制造商之间的共通语言或共同的公共标准。一份报告将其称为”多供应商集成的事实标准”。行业分析师报道在北美和欧洲单独拥有 700 万个 Modbus 节点。

Modbus® 用在哪里？

Modbus 在多个客户端-服务器应用中用于监控和编程设备；用于智能设备、传感器和仪器之间的通信；用于使用 PC 和人机界面监视现场设备。Modbus 也是需要无线通信的 RTU 应用的理想协议。因此，它被广泛应用于无数的天然气、石油和变电站应用。但 Modbus 不仅仅是一种工业协议。建筑、基础设施、交通和能源应用也充分利用其优势。

什么是 Modbus TCP/IP 协议？

TCP/IP 是互联网的常见传输协议，实际上是一组分层协议，提供了机器之间的可靠数据传输机制。Ethernet 已成为公司企业系统的事实标准，因此它也成为了工厂网络的事实标准。Ethernet 不是一种新技术，它已经成熟到可以实施这种网络解决方案的成本与当今的现场总线相当。为了将 Modbus 带入 21 世纪，于 1999 年制定了一个开放的 Modbus TCP/IP 规范。该协议规范和实施指南可供下载（www.modbus.org/specs）。

将功能丰富、可扩展且无处不在的物理网络（Ethernet）与通用网络标准（TCP/IP）以及厂商中立的数据表示结合起来，Modbus 为进程数据交换提供了一个真正的开放、可访问的网络。对于支持 TCP/IP 套接字的任何设备来说，它都很容易实现。

Modbus TCP/IP 用在哪里？

Modbus TCP/IP 由于其开放性、简单性、低成本开发以及支持它所需的最低硬件而变得无处不在。市场上有数百种 Modbus TCP/IP 设备，每年还在开发更多。它用于设备之间交换信息、监视它们并对其进行编程。它还用于管理分布式 I/O，是此类设备制造商首选的协议。

为什么应该使用 Modbus TCP/IP？

在选择设备的网络时，Modbus TCP/IP 提供了几个显著的优势：

• 简单性： Modbus TCP/IP 只是在 Modbus 指令集周围包装 TCP/IP。如果您已经有 Modbus 驱动程序并且了解以太网和 TCP/IP 套接字，您可以在几小时内启动并与 PC 进行通信。开发成本异常低。只需最少的硬件，可以在任何操作系统下轻松进行开发。
• 标准以太网： 无需特殊芯片组，您可以使用标准 PC 以太网卡与您新实施的设备进行通信。随着以太网的成本降低，您从硬件价格降低中受益，性能从 10 Mb 到 100 Mb 甚至不久后的 1 Gb 改善，您的技术也随之提升，保护了您的投资。您不再受限于供应商的支持，而是从全球数千名开发人员那里获得了支持，他们正在将以太网和互联网变成未来的网络工具。这个努力还得到了时机恰当的补充，即为 Modbus TCP/IP 协议分配了著名的以太网端口 502。
• 开放性： Modbus 协议在 2004 年从施耐德电气转移到 Modbus 组织，标志着开放性的承诺。规范可免费下载，使用 Modbus 或 Modbus TCP/IP 协议不需要后续的许可费。附加的示例代码、实现示例和诊断信息可以在 Modbus TCP 工具包上获得，这是 Modbus 组织成员的免费福利，也可供非会员购买。
• 许多设备可用： 不同供应商的设备之间的互操作性和对大量已安装的支持 Modbus 兼容设备的兼容性使 Modbus 成为极佳的选择。

如何实现 Modbus TCP/IP 设备？

要实现 Modbus® TCP/IP 设备，可以从网站下载 Modbus TCP/IP 协议规范和 Modbus TCP/IP 实现指南。您还需要了解如何实施 TCP 驱动程序的基础知识。要测试您的驱动程序，您需要至少两台设备：一个服务器和一个客户端，用于交换信息。这可以是两台使用标准以太网卡相互通信的 PC，也可以是一台 PC 与一个嵌入式微型计算机上的传感器或设备进行通信。

我可以在互联网上使用 Modbus TCP/IP 吗？

Modbus TCP/IP 是一种互联网协议。TCP/IP 作为互联网的传输协议意味着 Modbus TCP/IP 可以在互联网上使用。它被设计用于实现这一目标。在实际操作中，这意味着安装在欧洲的 Modbus TCP/IP 设备可以从世界任何地方通过互联网进行寻址。这对于设备供应商或最终用户的影响是无穷无尽的。使用 PC 和浏览器远程维护和修理设备可以降低支持成本并提高客户服务。从家中登录到工厂的控制系统，使维修工程师最大程度地提高工厂的正常运行时间并减少在现场的时间。使用商业可用的互联网/内联技术，管理地理分布式系统变得容易。

现有的 Modbus 设备能够与 Modbus TCP/IP 通信吗？

由于 Modbus TCP/IP 只是具有 TCP 封装的 Modbus 协议，因此现有的 Modbus 设备非常简单地能够通过 Modbus TCP/IP 进行通信。需要使用网关设备将当前物理层（RS232、RS485 或其他）转换为以太网，将 Modbus 协议转换为 Modbus TCP/IP。这样的网关设备可以使用 PC 实现。商业产品可以从多家不同制造商处获得。Modbus 设备数据库可以帮助您识别网关和其他 Modbus 设备。

我可以期望从 Modbus TCP/IP 系统中获得什么性能？

性能取决于网络和硬件。如果在互联网上运行 Modbus TCP/IP，则不会比典型的互联网响应时间更好。但是，对于调试和维护目的的通信来说，这可能是完全足够的，并且可以避免您不得不在周日早上坐飞机或前往现场的情况。

对于具有高速以太网交换机以保证性能的高性能企业内部网络来说，情况完全不同。在理论上，Modbus TCP/IP 可以在大规模寄存器传输时以高达 250/(250+70+70) 或约 60% 的效率传输数据。由于 10BaseT 以太网可传输约 1.25 Mbps，理论吞吐量为 1.25M/2 * 60% = 每秒 360,000 寄存器，而 100BaseT 速度高出 10 倍。

这假设您正在使用可以像可用带宽一样快速提供以太网服务的设备。施

耐德电气进行的实际测试使用具有以太网 I/O 的 MOMENTUM™ 以太网 PLC，演示了每秒可以扫描多达 4000 个 I/O 基数，每个 I/O 基数最多具有 16 个 12 位模拟 I/O 或 32 个离散 I/O。一毫秒内可以更新四个基数。尽管这低于上面计算的理论限制，但请记住，经测试的设备仅以 50 MHz 运行的 80186 CPU，并具有 3 MIPS 的有效计算能力（与 500 MHz 、700 MIPS 的奔腾相比）。然而，这些结果比迄今为止使用专有 I/O 扫描方法的速度要快。随着低端 CPU 的成本降低，像 Momentum 类型设备将逐渐接近理论限制，尽管它们永远不会达到它，因为极限将继续被推得更远，例如 1 千兆以太网、10 千兆以太网等。与其他现场总线不同，它们天生被困在一个速度上。

如何获得 Modbus 和 Modbus TCP/IP 的支持？

如果您已购买支持任何类型 Modbus 协议的产品，请联系该产品的供应商寻求支持。如果您有关于 Modbus 协议的一般问题，请使用 Modbus 讨论论坛来获取答案。Modbus 组织目前尚未提供技术支持。