一　以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)

　　以太網(wǎng)是一種局域網(wǎng)抛丽。早期標(biāo)準(zhǔn)為IEEE 802.3，數(shù)據(jù)鏈路層使用CSMA/CD，10Mb/s速度物理層有：

(1)10 Base 5粗同軸電纜啼阵，RG-8，一段最長(zhǎng)為500m惩赊；

(2)10 Base 2細(xì)同軸電纜电湘，RG-58，一段最長(zhǎng)為185m鹅经；

(3)10 Base T雙絞線寂呛，UTP或STP，一段最長(zhǎng)為100m瘾晃。

　　快速以太網(wǎng)為100Mb/s贷痪，標(biāo)準(zhǔn)為802.3a，介質(zhì)為100 Base Tx雙絞線蹦误、100 Base Fx光纖劫拢。

　　目前10/100M以太網(wǎng)使用最為普遍，很多企事業(yè)用戶已實(shí)現(xiàn)100M到以太網(wǎng)桌面强胰，確實(shí)體驗(yàn)到高速“沖浪”的快感舱沧，另外從距離而言，非屏蔽雙絞線(UTP)為100m偶洋，多模光纖可達(dá)2～3km熟吏，單模光纖可大于100km。千兆以太網(wǎng)1000Mb/s為802.3z/802.3ab玄窝，萬兆以太網(wǎng)10Gb/s為802.3ae蒲龟，將為新一輪以太網(wǎng)的發(fā)展帶來新的機(jī)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)讼崔？技術(shù)上凌宫，它與IEEE802.3兼容炫咱，故從邏輯上可把商用網(wǎng)和工業(yè)網(wǎng)看成是一個(gè)以太網(wǎng)，而用戶可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況麻坯，靈活裝配自己的網(wǎng)絡(luò)部件投圣，但從工業(yè)環(huán)境的惡劣和抗干擾的要求，設(shè)計(jì)者希望采用市場(chǎng)上可找到的以太網(wǎng)芯片和媒介绿相，兼顧考慮下述工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的特殊要求：首先要考慮高溫存裁、潮濕、振動(dòng)篷低；二是對(duì)工業(yè)抗電磁干擾和抗輻射有一定要求郊纱，如滿足EN50081-2、EN50082-2標(biāo)準(zhǔn)其种，而辦公室級(jí)別的產(chǎn)品未經(jīng)這些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試臼蔼，表1列出了一些常用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為改善抗干擾性和降低輻射藤树，工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品多使用多層線路板或雙面電路板浴滴，且外殼采用金屬如鑄鋁屏蔽干擾；三是電源要求岁钓，因集線器升略、交換機(jī)、收發(fā)器多為有源部件屡限，而現(xiàn)場(chǎng)電源的品質(zhì)又較差品嚣，故常采用雙路直流電或交流電為其供電，另外考慮方便安裝钧大，工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品多數(shù)使用DIN導(dǎo)軌或面板安裝翰撑；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啊央，而在工業(yè)環(huán)境下推薦用戶使用STP(帶屏蔽雙絞線)和光纖眶诈。

三　TCP/IP

1. 為什么使用TCP/IP？

　　最主要的一個(gè)原因在于它能使用在多種物理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上瓜饥，包括局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)技術(shù)。TCP/IP協(xié)議的成功很大程度上取決于它能適應(yīng)幾乎所有底層通信技術(shù)快混。

    20世紀(jì)80年代初修梭，先在X.25上運(yùn)行TCP/IP協(xié)議；而后又在一個(gè)撥號(hào)語音網(wǎng)絡(luò)(如電話系統(tǒng))上使用TCP/IP協(xié)議专勇，又有TCP/IP在令牌環(huán)網(wǎng)上運(yùn)行成功；最后又實(shí)現(xiàn)了TCP/IP遠(yuǎn)程分組無線網(wǎng)點(diǎn)與其他Internet網(wǎng)點(diǎn)間TCP/IP通信泣奏。所以TCP/IP協(xié)議極其靈活客洁，具備連接不同網(wǎng)絡(luò)的能力描刹。

　　另外，使用TCP/IP也簡(jiǎn)化了OSI模型垢类，因?yàn)樗÷粤吮硎緦雍蜁?huì)話層婆崔。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(gòu)成了基于以太網(wǎng)的TCP/IP網(wǎng)，如圖1所示革襟。用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)TCP/IP也是經(jīng)濟(jì)的一種方式十卖。

2. Internet Protocol(IP)

　　IP是Internet最基本的協(xié)議，用戶可從(暫不可見)下載RFC79來得到其文件鸭嗡，(要求評(píng)論RFC: Request For Comments：一系列備忘錄的名稱俘伤，包括概述、評(píng)價(jià)份氧、意見唯袄、技術(shù)和研究，以及所提出的和被接受的互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn))蜗帜。

　　IP層主要目的是找到IP報(bào)文的“下一個(gè)連接點(diǎn)”恋拷，它可以是路由器、計(jì)算機(jī)厅缺、控制器甚至I/O蔬顾，關(guān)鍵該設(shè)備須有自己的IP地址。凡在網(wǎng)絡(luò)層使用IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)湘捎，都通過IP地址尋址诀豁，所以使用時(shí)首先要進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)置，每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少需一個(gè)“IP地址”消痛、一個(gè)“子網(wǎng)掩碼”且叁、一個(gè)“默認(rèn)網(wǎng)點(diǎn)”和一個(gè)“主機(jī)名”，如此復(fù)雜的設(shè)置秩伞，對(duì)于一些初識(shí)網(wǎng)絡(luò)的用戶來說的確帶來不便逞带，不過隨著對(duì)網(wǎng)絡(luò)熟悉，有許多IP地址配置工具烟渴，可方便進(jìn)行IP設(shè)置吱台，甚至是自動(dòng)設(shè)置。

　　IP是面向報(bào)文的協(xié)議差按，它獨(dú)立處理每個(gè)報(bào)文包苦爸，每個(gè)報(bào)文包必須含有完整的尋址信息。IP報(bào)文包的格式如圖2所示聋账。

　　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(luò)瑟扁，最多16387064個(gè)主機(jī)(1～126)；B類網(wǎng)絡(luò)最多可有64516個(gè)主機(jī)(網(wǎng)絡(luò)地址的第一段為128～191)；C類用于小型網(wǎng)絡(luò)匹氯，最多可有254個(gè)主機(jī)(網(wǎng)絡(luò)地址的第一段為192～223)阿切；D類用于多點(diǎn)播送，用于多目的信息的傳輸重抑。全零(“0.0.0.0”)地址對(duì)應(yīng)于當(dāng)前主機(jī)擦蚣，全1地址(“255.255.255.255”)是當(dāng)前子網(wǎng)的廣播地址。

3. Transmission Control Protocol (TCP)

　　TCP是基于傳輸層的協(xié)議(如圖4所示)亿永，協(xié)議文件可從RFC793得到掠廓，使用廣泛，面向連接的可靠協(xié)議甩恼。它能把報(bào)文分解為數(shù)段蟀瞧，在目的站再重新裝配這些段，支持重新發(fā)送未被收到的段媳拴，提供兩臺(tái)設(shè)備間的全雙工連接黄橘，允許它們高效地交換大量數(shù)據(jù)。TCP使用滑動(dòng)窗口協(xié)議來高效使用網(wǎng)絡(luò)屈溉。由于TCP很少干預(yù)底層投遞系統(tǒng)的工作塞关，它適應(yīng)各種投遞系統(tǒng)；且提供流量控制子巾，能使各種不同速率的系統(tǒng)進(jìn)行通信帆赢。報(bào)文段是TCP所使用的基本傳輸單元，用于傳輸數(shù)據(jù)或控制信息线梗。

4. TCP端口

　　TCP是使用端口(Socket)號(hào)把信息傳到上層椰于，為用戶提供不同服務(wù)，端口號(hào)跟蹤同一時(shí)間內(nèi)通過網(wǎng)絡(luò)的不同會(huì)話仪搔。RFC1700中定義了眾所周知的特殊端口號(hào)姻眼，常用端口如表2所列。其中502端口是自動(dòng)化公司唯一所擁有的端口號(hào)碼袄扛。

5. 協(xié)議(Protocal)的功能

　　組建網(wǎng)絡(luò)時(shí)娄缴，必須選擇一種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，使得用戶之間能相互進(jìn)行“交流”桂付。協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用來通信的一套規(guī)則摊梯，可理解為一種彼此都能聽懂的公用語言。如在網(wǎng)絡(luò)層使用IP協(xié)議巍嘶，在傳輸層使用TCP協(xié)議杀乃，就構(gòu)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)都支持它原承。同時(shí)碳环，TCP/IP也是Internet的基礎(chǔ)協(xié)議。

         如在(如圖5所示)，就構(gòu)成了完整工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用祝鞍。

 四　開放和標(biāo)準(zhǔn)的Modbus TCP

　　Modbus是開放協(xié)議众琼，IANA(Internet Assigned Numbers Authority, 互聯(lián)網(wǎng)編號(hào)分配管理機(jī)構(gòu))給Modbus協(xié)議賦予TCP端口502，Modbus協(xié)議可免費(fèi)從(暫不可見)得到椰弊。

　　Modbus是標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它已提交給IETF(Internet Engineering Task Force, 互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)部)瓤鼻，將成為Internet標(biāo)準(zhǔn)秉版。因自1978年，工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)已安裝了百萬計(jì)串口Modbus設(shè)備和十萬計(jì)Modbus TCP/IP設(shè)備茬祷，擁有超過300個(gè)Modbus兼容設(shè)備廠商清焕，還有90%的第三廠家I/O支持Modbus TCP/IP，所以是使用廣泛的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)祭犯。Modbus的普及得益于使用門坎很低秸妥，無論用串口還是用以太網(wǎng)，硬件成本低廉沃粗，Modbus和Modbus TCP都可以免費(fèi)得到粥惧，不需交任何費(fèi)用，且在網(wǎng)上有很多免費(fèi)資源最盅，如C/C++突雪、JAVA樣板程序、ActiveX控件涡贱、各種測(cè)試工具等掠北，所以用戶使用很方便。另外翎女，幾乎可找到任何現(xiàn)場(chǎng)總線到Modbus TCP的網(wǎng)點(diǎn)攘宝，方便用戶實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)。

1. Modbus TCP/IP

　　如果使用TCP/IP以太網(wǎng)的5層：

    第一層：物理層酸飞，提供設(shè)備的物理接口下驴，與市售的介質(zhì)/網(wǎng)絡(luò)適配器相兼容；

    第二層：數(shù)據(jù)鏈路層骇俏，格式化信號(hào)到源/目的硬件地址的數(shù)據(jù)幀天殉；

    第三層：網(wǎng)絡(luò)層，實(shí)現(xiàn)帶有32位IP地址的IP報(bào)文包北郁；

    第四層：傳輸層靡鞭，實(shí)現(xiàn)可靠性連接、傳輸用劲、查錯(cuò)蜘辕、重發(fā)、端口服務(wù)、傳輸調(diào)度逼庞；

    第五層：應(yīng)用層蛇更，Modbus協(xié)議報(bào)文。

2. Modbus TCP數(shù)據(jù)幀

　　在TCP/IP以太網(wǎng)上傳輸赛糟，支持Ethernet II和802.3兩種幀格式派任。圖6所示，Modbus TCP數(shù)據(jù)幀包含報(bào)文頭璧南、功能代碼和數(shù)據(jù)3部分掌逛。

    MBAP報(bào)文頭(MBAP、Modbus Application Protocol司倚、Modbus應(yīng)用協(xié)議)分4個(gè)域豆混，共7個(gè)字節(jié)，如表3所示动知。

3. Modbus功能代碼

　　共有3種類型分別為：

    (1)公共功能代碼(如表4所示)：已定義好的功能碼皿伺，保證其唯一性，由(暫不可見)認(rèn)可盒粮；

    (2)用戶自定義功能代碼有兩組鸵鸥，分別為65～72和100～110，無需認(rèn)可柔朽，但不保證代碼使用的  唯一性垂暖。如變?yōu)楣泊a，需交RFC認(rèn)可精杜；(3)保留的功能代碼穗阐，由某些公司使用在某些傳統(tǒng)設(shè)備的代碼，不可作為公共用途澳缴。

　　功能代碼劃分：按應(yīng)用深淺能莫，可分為3個(gè)類別。

1. 類別0烧晤，對(duì)于客戶機(jī)/服務(wù)器最小的可用子集：讀多個(gè)保持寄存器(fc.3)妇愉；寫多個(gè)保持寄存器(fc.16)。

2. 類別1愈樱，可實(shí)現(xiàn)基本互易操作的常用代碼：讀線圈(fc.1)芳企；讀開關(guān)量輸入(fc.2)；讀輸入寄存器(fc.4)初之；寫線圈(fc.5)造过；寫單一寄存器(fc.6)。

3. 類別2扎唾，用于人機(jī)界面召川、監(jiān)控系統(tǒng)的例行操作和數(shù)據(jù)傳送功能：強(qiáng)制多個(gè)線圈(fc.15)南缓；讀通用寄存器(fc.20)；寫通用寄存器(fc.21)荧呐；屏蔽寫寄存器(fc.22)汉形；讀寫寄存器(fc.23)。

4. Modbus應(yīng)用舉例

讀寄存器(見表5)倍阐。

Modbus TCP請(qǐng)求報(bào)文舉例(見表6)概疆。

Modbus TCP客戶端的實(shí)況。

用Connect()命令建立目標(biāo)設(shè)備TCP 502端口的連接數(shù)據(jù)通信的過程：

準(zhǔn)備Modbus報(bào)文峰搪，包括7個(gè)字節(jié)的MBAP在內(nèi)的請(qǐng)求届案；

使用send()命令發(fā)送；

在同一連接等待應(yīng)答罢艾；

同recv()讀報(bào)文，完成一次數(shù)據(jù)交換過程尽纽。
當(dāng)通信任務(wù)結(jié)束時(shí)咐蚯，關(guān)閉TCP連接，使服務(wù)器可以為其他服務(wù)披贰。

Modbus TCP的樣板程序

用戶可通過網(wǎng)站(暫不可見)下載到：

JAVA的應(yīng)用程序须涣；

基于Unix系統(tǒng)下，C的應(yīng)用程序臣碟；

基于Win32系統(tǒng)下盐腻，C的應(yīng)用程序。

Modbus TCP協(xié)議

協(xié)議文本的英文版可從www. (暫不可見)下載踊眠，如需協(xié)議文本的中文版揽券，可向施耐德電氣(中國(guó))投資有限公司各地區(qū)辦事處索要。

五　使用TCP/IP Modbus的原因

1. TCP/IP已成為信息行業(yè)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)：世界上93%的網(wǎng)絡(luò)都使用TCP/IP布缨，只要在應(yīng)用層使用Modbus TCP豆牺，就可實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換；

2. 易于與各種系統(tǒng)互連：可用于管理網(wǎng)柜涛、實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信翎桨；

3. 網(wǎng)絡(luò)實(shí)施價(jià)格低廉：可全部使用通用網(wǎng)絡(luò)部件；

4. 用戶強(qiáng)烈要求：目前中國(guó)已把Modbus TCP作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)之一格缘，用戶可免費(fèi)獲得協(xié)議及樣板程序茫叭，可在Unix、Linux半等、Windows下運(yùn)行揍愁，不需要專門驅(qū)動(dòng)程序。在國(guó)外酱鸭，Modbus TCP被國(guó)際半導(dǎo)體業(yè)SEMI定為網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)吗垮，國(guó)際水處理垛吗、電力系統(tǒng)也把它作為應(yīng)用的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，還有越來越多行業(yè)作為標(biāo)準(zhǔn)來用烁登；

5. 高速的數(shù)據(jù)：用戶最關(guān)心的是所使用網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力怯屉，100M以太網(wǎng)的傳輸結(jié)果為：每秒4000個(gè)Modbus TCP報(bào)文，而每個(gè)報(bào)文可傳輸125個(gè)字(16bit)饵沧，故相當(dāng)于4000×125=500000個(gè)模擬量數(shù)據(jù)(8000000開關(guān)量锨络！)；

6. 廠家能提供完整解決方案：工業(yè)以太網(wǎng)的接線元件狼牺，包括工業(yè)集成器羡儿、工業(yè)交換機(jī)、工業(yè)收發(fā)器是钥、工業(yè)連接電纜姥购。工業(yè)以太網(wǎng)服務(wù)器，包括遠(yuǎn)程幅类、分布式I/O掃描功能概给，設(shè)備地址IP的設(shè)置功能，故障設(shè)備在線更換姨桩。功能跛庶，分組的信息發(fā)布與訂閱功能，網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)監(jiān)視功能戚促，還有支持瘦客戶機(jī)的Web服務(wù)质凰。其他工控設(shè)備的支持：如工業(yè)用人機(jī)界面、變頻器睡誉、軟起動(dòng)器畏琢、電動(dòng)機(jī)控制中心、以太網(wǎng)I/O遗秩、各種現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)橋伐怀、甚至帶TCP/IPModbus的傳感器，都為用戶使用提供了方便绎狭。

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