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Modbus通信从入门到精通_2_Modbus TCP通信详解及仿真（搭建ModbusTCP仿真环境：创建虚拟PLC并进行ModbusTCP通讯；寄存器与PLC中映射关系；适合理解如何编写上位机）

作者：从前慢现在也慢 | 2024-06-04 10:36:30

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modbus tcp

本篇将会以西门子PLC软件搭建ModbusTCP仿真环境，并通过仿真环境，介绍基础知识及模拟实际应用中写一个简单的通信读取PLC数据方法，并简介了编写上位机的方法。

由于具有TCP/IP栈协议，通常在Modbus TCP通讯的上位机开发中，上位机是作为客户端，控制器作为服务器。Modbus TCP使用基于客户端-服务器的模式，其中 客户端是发送请求的设备，服务器是响应请求的设备 。客户端发送称为"Modbus报文"的请求到服务器，服务器对请求进行解析并返回相应的数据。这种模式允许多个客户端同时与服务器通信。这在上篇中已做解释，本篇中的案例也是采用上位机是作为客户端，控制器作为服务器的方式。

文章目录

1. 搭建ModbusTCP仿真环境

搭建ModbusTCP仿真环境可以采用以下两种方式

  • 怎么快速搭建一个ModbusTCP服务器? ModbusSlave。
  • 可以用西门子PLC来做ModbusTCP仿真环境

先搭建西门子PLC的仿真环境，写ModbusTCP的程序才能实现ModbusTCP仿真环境

1.1 PLC仿真环境搭建

1.1.1 S7-PLCSIM Advanced V3.0设置与程序下载

先安装博图软件（安装环境需要纯净，也可以使用虚拟机），安装授权完成之后启动以下软件来仿真PLC（不需要实际的PLC），设置如下图所示：IP为：192.168.1.166，黄色代表准备状态
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由于是第一次创建实例，需要使用博图下载程序进去，首先创建一个解决方案
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解决方案中还没有项目存在
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创建新项目->“添加新设备”
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因为是要做仿真，必选选择1500的PLC，一般选择如下图所示：
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创建之后，需要改IP地址为与第一张截图中的IP地址一致，即：192.168.1.166

PLC有两个网卡，三个pn/dp，下图显示的是1段的也就是第二个网卡的信息，而我们一般使用的时默认的0段也就是第一个网卡
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修改第一个网卡的IP地址为192.168.1.166，修改完之后会发现报错，这是因为网口1和网卡2是在一个网段，因此需要将网卡2的网段进行修改
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将网卡2的网段进行修改到另一个网段就正常了
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点击上方的“保存项目”
按照下图方式，尝试进行程序的下载
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选择接口为“Siemens PLCSIM Virtual Ethernet Adapter”，后点击“开始搜索”
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搜索之后找到了我们创建的虚拟的PLC的地址，但是无法下载
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按下图进行编译之后，选择“下载到设备”->“硬件配置”->“开始搜索”，“下载按钮”就显示正常
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点击“下载”之后
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点击“装载”
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如下图选择“启动模块”->“完成”，重启模块
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此时一直无法装载成功，重新编译下载还是会报如下错误：
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进行如下设置，细节如下：
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重新编译下载之后进行装载成功
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此时再查看软件界面，状态为绿色，代表程序下载成功
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1.1.2 创建虚拟PLC并进行通讯

下载成功还是不能与虚拟的PLC进行通讯
可以进行一下尝试
利用以下软件创建一个西门子的PLC
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设置如下：
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创建一个组即M存储区
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“保存配置”->“启动”
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但仍显示“未连接”
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还需进行操作：勾选“PUTGET”，并对设置进行保存，重新下载PLC
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重新启动，显示已经连接
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此时可以看到“MW0”的值为0
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通过“组对象变量”->“修改变量”，将其修改为“33”
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在PLC程序中进行监控，监控方法如下，可以看到“MW0”的值变为33
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上述的过程就可以实现一个虚拟的PLC与程序之间的通讯。“新阁教育配置一体化软件”扮演的角色就是实体PLC，“S7-PLCSIM Advanced V3.0”可能起到的一个中间环境配置的作用，具体后期可以查查官网资料。

在上面的基础上，增加一个“DB1”的“组对象”，同时将“MW0”的组对象禁止（双击组对象，“Active”取消勾选），启动之后发现无法连接
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这是因为PLC程序中不存在“DB1”，所以也就无法连接进行读取
PLC中添加“DB1”
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创建变量
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创建变量值之后，点击“启动”还是无法访问，这是因为需要做以下设置
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“优化的块访问”取消勾选
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保存下载，重新启动，显示连接成功
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修改值成功
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1.1.3 PLC通讯中常见问题

有些时候还会碰到如下问题
有人将读取长度改为“100”个字节,但是最大只有28个字节，这也会导致无法连接成果
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下面再给大家分享，如果出现PLC通信不上的问题之后，我们如何快速定位问题，解决问题?
1、我们首先要Ping一下PLC的IP地址，保证物理网络是正常的，一定要记住Ping通只能证明网络没问题，并不能代表一定可以通信。
2、西门子S7协议是基于TCP的，所以我们接下来可以用网络调试助手去连接PLC，IP地址填写PLC的IP地址，端口号填写102（表示端口开放）。
3、用通信测试平台测试变量，记住这里最好先测试M存储区，如MD100（M区是自带就有的，M区能读到后边主要就是优化的问题）。
4、如果通信测试平台可以，说明PLC端设置基本上都没问题了，但是如果这时候配置软件仍然有问题，可以先删除所有的组，只创建一个通信组，并且把存储区选择M存储区
5、如果上面的单个M存储区可以，一般就是你通信组配置的问题了，可以将所有的通信组的Active激活都取消然后逐个开启，定位是哪个或者哪几个通信组的问题，然后再找原因。

1.2 搭建ModbusTCP仿真环境

1.2.1 PLC中ModbusTCP通讯程序编写

需要写些程序来进行通讯，使得PLC成为ModbusTCP服务器
选择“MB_SERVER_DB”程序块
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需要查看“帮助文档”对接口所需的进行配置，创建一个DB块，改名如下：
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“InterfaceId”查看方式如下
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PLC作为Modbus TCP通讯的服务器也就是local，连接PLC的客户端就是Remote，需要通过设置“RemoteAddress”设置可以连接PLC的IP地址。当你想要实现凡是知道PLC的IP地址和端口号就可以连接，无所谓客户端是谁，采用默认的“0”的设置即可（下图既是）。“LocalPort”是PLC的端口，最终的设置如下图所示：（相关的设置都可以查看帮助文档）
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下载之后进行测试

1.2.2 上位机与PLC的ModbusTCP通讯测试

先用“网络调试助手”测试“502”端口有没有开
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再利用“Modbus Poll”进行测试
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“Modbus Poll”可以读取到PLC中DB1的值
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也可以实现对DB1中某一个地址的值进行修改
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这就实现PLC的通讯

1.2.3 使用到的寄存器与PLC中的映射关系

“MB_SERVER_DB”程序块是西门子提供，其中只写到了“MB_HOLD_REG”，但是我们知道Modbus有四个存储区（输入线圈、输出线圈、输入寄存器、输出寄存器），但是这个程序块中只写了一个存储区，这是因为西门子觉得某些是非必要的。

MB_HOLD_REG 指向Modbus TCP保持寄存器，可以是M存储区或者DB数据块 ，此处可以看到我们使用全局DB数据块为读写 Modbus 从站提供数据存储位置，当然如果使用M存储区也是可以的，看起来只能读写一类存储区
(问题：如果PLC程序中既使用了M区，又使用了DB数据块怎么处理？还是说只能控制PLC程序不要使用两类存储区？后期需要研究！)

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这里把DB1开始的28个字节映射PLC中了

  • 输入线圈与I区进行映射，读输入的话也就读的是I区；
  • 输出线圈与Q区映射

使用“Modbus Poll”进行读取的方法如下：“Setup”->“Read/Write Definition”，读已采输入

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下图是读到的I区，如果接的按钮就可以读到按钮的状态
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同理，“Setup”->“Read/Write Definition”选择“01 Read Coils(0x)” 读取线圈，输入不可改，但是输出是可以修改的，下图将值变为1
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通过PLC进行监控的话，上面修改为1的点为Q0.0，如果实际中这个点接个风扇或者电机就可以进行操作了
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  • 输入寄存器映射PIW区

上面三个存储区，西门子都不太重视，主要重视的是输出寄存器即保持型寄存器，原因是：利用输出寄存器就可以实现Modbus tcp通信功能
既能表示读取和写入；又能表示bool、数值、寄存器
因此从某种角度说明，只使用输出寄存器就可以实现Modbus tcp通信功能

如何去做对应关系：
PLC中地址偏移量是以字节为单位，而Modbus是以寄存器为单位，一个寄存器存储两个字节

40001开始到40014 映射关系 P#DB1.DBX0.0 BYTE28:
P#DB1.DBX0.0 BYTE28是以指针形式表示的DB1的DBX0.0开始（在使用的西门子Modbus tcp的程序块中设置的“MB_HOLD_REG”输出寄存器），其有28个字节（28个字节对应14个寄存器），4001是第一个寄存器，往后数14个即可

“Modbus Poll”中“Setup”->“Read/Write Definition”选择“03 Read Holding Registers(4x)” 读取保持型寄存器
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当想读取某个bool量，需要读取后做进一步的解析，将寄存器变为一个个的位，通过位做对应关系
这样写最大的问题在于bool的操作，不仅是读取，如何写入是很麻烦的
如果想操作DB1.DBX2.0怎么办？后边会讲

为什么通过“Modbus Poll”可以读取到这些数据呢？
答案是通过发报文
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可以看到内部是在发报文和回收报文
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如果没有“Modbus Poll”测试软件就得自己用程序去写，去写的前提是需要知道协议，知道如何去发和解析

一定不要错过的优秀博文： C#–通过Modbus TCP与西门子1200PLC通讯

2. ModbusTCP通信协议报文格式

对于Modbus基础的这里就不涉及了，直接讲协议

ModbusTCP 与 ModbusUDP 的报文格式是一样的，它们之间的区别其实就是 TCP 与 UDP 的区别，因此下面就针对 ModbusTCP 的协议进行分析，ModbusTCP 与 ModbusRTU (ModbusASCII)之间的区别如下图:
在这里插入图片描述
图中右上为串口协议，下为Modbus TCP的协议。从上图可以看出，ModbusTCP 在 Modbus 串行通信的基础上，去除了校验(由于 TCP 本身就带有校验)和设备地址 (ModbusTP 弱化了设备地址，用IP 地址来取代)，再加上 MBAP 报文头(占7bytes)。

2.1 报文格式

Modbus TCP报文格式： MBAP +功能码+数据

MBAP分解为四个部分：事务处理标识符+协议标识符+长度+单位标识符
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Tx:00 03 00 00 00 06 01 03 00 00 00 0A
Rx:00 03 00 00 00 17 01 03 14 00 7B 01 4E 00 0C 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

  • 1
  • 2

以上面截取到的报文进行分析

  • 事务处理标识符：占两个字节，00 03就是事务处理标识符，通过截取一段时间的报文可以看到它是依次递增的，也就是一个序号而已，没有实质意义
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  • 协议标识符：占两个字节，固定值，00 00
  • 长度：00 06后边有6个字节，00 17(16进制的，对应十进制为23)后面有3+10*2=23个字节，代表了它后面还有多少字节
  • 单位标识符（站地址（音译））：占一个字节，一般都设置为01，也可以是其他值，是否可以设置为其他值是与服务器相关的，西门子是支持改为其他值的
  • 功能码：干什么的，03代表读取保持寄存器
    Modbus 协议同时规定了二十几种功能码，但是常用的只有 8 种，用于针对上述存储区的读写如下表所示:
    在这里插入图片描述
  • 数据：是一个变化的，要读数据就配起始地址、长度，要写数据的话配写入的地址和数据

2.2 关于03(读取保持寄存器)功能码的说明

Tx:00 03 00 00 00 06 01 03 00 00 00 0A

  • 1

发送报文格式如下：
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  • 事务/协议标识符：不用管，不用自增，全部用0
  • 长度：固定为6，这是因为读取保持寄存器，只有两个参数会变：从哪读，读多少个，但是其整体的长度是不会变的

发送报文含义：读取服务器1号从站（单元标识符0x01）保持寄存器，起始地址为0x6B=107(相对地址)，对应地址为 40108(绝对地址)，寄存器数量为 0x02=2，即读取1号从站保持寄存器，地址从 40108-40109，共 2个寄存器的数值。

返回报文格式如下：
在这里插入图片描述
返回报文含义：返回服务器1 号从站保持寄存器 40108-40109，共 2个寄存器的数值，返回字节数为4个，分别为02 2B 01 06，40108 对应数值为 0x022B，40109 对应数值为 0x0106。

Rx:00 03 00 00 00 17 01 03 14 00 7B 01 4E 00 0C 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

  • 1

00 7B对应的就是DB1.DBW0的值，01 4E对应的就是DB1.DBW2的值，上面的“14”代表十进制20个字节，即返回20个字节数据

看到所谓的协议，基本上也就可以理解为不同的通讯格式

3. 写一个简单的通信读取PLC数据

如果没有“Modbus Poll”测试软件，只有网络调试助手，在懂协议的情况下就可以任意读取数据，例如想要读取下图框选的DB1.DBW14处的值：
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读取和返回对应如下图：上面的偏移量是PLC中地址偏移量是以字节为单位，而Modbus是以寄存器为单位，一个寄存器存储两个字节
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通讯就是自己组织报文并发出，解析回的东西中的数据，这样就实现了与PLC的通讯

这个过程就称为封装通讯库，后期将会介绍如何手写通讯库

4.学习地址：Modbus TCP通信详解

注：文章中涉及的软件均可以在doNet公众号中下载

5. 下篇将会介绍如何使用Qt创建一个基于ModbusTCP的通信软件

参考博文：QT下的Modbus TCP 通讯

6. 施耐德Modicon M262的ModbusTCP通信

6.1 施耐德Modicon M262

在使用施耐德Modicon M262作为server，上位机作为client中，在server中功能码读取存储区位置的对应关系如下：
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6.2 PLC中MX、MB、MW、MD的含义和长度

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6.2 Qt上位机程序与地址表的对应关系

待续…

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