IEC 61784-6：现场总线通信系统—Modbus

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IEC 61784-6标准中关于Modbus的内容，主要规定了Modbus协议在现场总线通信系统中的应用与要求。Modbus协议是一种广泛应用的工业通信协议，尤其是在自动化、控制系统和设备之间的数据交换中。在IEC 61784-6中，Modbus的数据交换格式主要包括以下几个方面的规定：

1. Modbus RTU与Modbus TCP

IEC 61784-6标准规定了Modbus协议的两种主要变体：Modbus RTU 和 Modbus TCP。

  • Modbus RTU（Remote Terminal Unit）：这是一种基于串行通信的协议，通常使用RS-485、RS-232等串行通信线路。
  • Modbus TCP：这是一种基于以太网的协议，适用于局域网（LAN）中设备之间的通信。

2. Modbus数据帧格式

在IEC 61784-6中，对于数据交换格式的规定，Modbus协议采用特定的数据帧结构。无论是Modbus RTU还是Modbus TCP，数据交换的核心格式是类似的，主要包括以下几个部分：

1) Modbus RTU 数据帧结构

Modbus RTU通信协议的数据帧由以下几个字段组成：

  • 地址字段（1字节）：该字段包含目标设备的唯一地址（通常在1到247之间）。
  • 功能码（1字节）：功能码定义了要执行的操作（如读取、写入）。常见功能码包括：
    • 0x03：读取保持寄存器（Read Holding Registers）
    • 0x04：读取输入寄存器（Read Input Registers）
    • 0x06：写单个寄存器（Write Single Register）
    • 0x10：写多个寄存器（Write Multiple Registers）
  • 数据字段：该字段包含与功能码相关的操作数据。根据功能码的不同，数据字段的内容也会有所不同。例如，对于读取操作，数据字段通常包含要读取的寄存器的值；对于写操作，则包含要写入寄存器的新值。
  • CRC校验码（2字节）：用于检测数据传输中的错误。Modbus RTU使用CRC-16校验来确保数据的完整性。

示例： 读取保持寄存器的Modbus RTU数据帧（请求帧）：

| 地址 | 功能码 | 数据(寄存器值) | CRC |
| 0x01 | 0x03   | 0x00 0x02      | CRC |

在此示例中，设备地址为0x01，功能码是0x03（读取保持寄存器），数据字段包含两个寄存器的值，最后是CRC校验码。

2) Modbus TCP 数据帧结构

Modbus TCP的帧结构较RTU稍微复杂一些，因为它基于以太网传输，需要添加更多的头信息。Modbus TCP的数据帧由以下部分组成：

  • TCP头部（7字节）：包括事务标识符（Transaction Identifier）、协议标识符（Protocol Identifier）、长度字段（Length）和单元标识符（Unit Identifier）。其中：
    • 事务标识符：用于标识一次请求或响应。
    • 协议标识符：用于标识Modbus协议。
    • 长度字段：指定后续数据字段的长度。
    • 单元标识符：通常为1，用于标识目标设备。
  • Modbus消息头（1字节）：与Modbus RTU相同，表示功能码。
  • 数据字段：功能码对应的操作数据字段，与Modbus RTU类似。
  • 错误检查：Modbus TCP不使用CRC校验，而是依赖于TCP/IP协议的内建错误校验机制。

示例： 读取保持寄存器的Modbus TCP数据帧（请求帧）：

| TCP头 | 单元标识符 | 功能码 | 数据(寄存器值) |
| 7字节 | 1字节      | 1字节  | 2字节          |

此处，TCP头包含7字节的元数据，单元标识符是1，功能码是读取保持寄存器（0x03），数据字段则是实际读取的寄存器值。

3. 数据交换的常见功能码与格式

IEC 61784-6标准详细规定了Modbus协议中的常见功能码以及它们的数据交换格式。以下是一些常见功能码的示例：

  • 读取保持寄存器（功能码0x03）：用于从设备中读取多个寄存器的值。

    • 请求格式：设备地址、功能码、开始地址、寄存器数量、CRC校验。
    • 响应格式：设备地址、功能码、字节数、数据（寄存器值）、CRC校验。

  • 写单个寄存器（功能码0x06）：用于将一个寄存器设置为指定的值。

    • 请求格式：设备地址、功能码、寄存器地址、寄存器值、CRC校验。
    • 响应格式：设备地址、功能码、寄存器地址、寄存器值、CRC校验。

  • 写多个寄存器（功能码0x10）：用于将多个寄存器设置为指定的值。

    • 请求格式：设备地址、功能码、起始寄存器地址、寄存器数量、字节数、数据（要写入的寄存器值）、CRC校验。
    • 响应格式：设备地址、功能码、起始寄存器地址、寄存器数量、CRC校验。

4. 错误检测与异常响应

在IEC 61784-6中，Modbus协议还规定了错误检测和异常响应的机制：

  • CRC错误：在Modbus RTU中，使用CRC校验来确保数据完整性。若出现CRC错误，接收方将不响应数据请求。
  • 异常响应：如果设备无法执行请求的操作（例如，非法功能码、非法数据等），设备会返回一个异常响应，功能码会设置为原功能码的高位加0x80，并附带异常码。常见异常码包括：
    • 0x01：非法功能码。
    • 0x02：非法数据地址。
    • 0x03：非法数据值。

总结

IEC 61784-6标准中，Modbus协议的数据交换格式主要规定了Modbus RTU和Modbus TCP的帧结构，包括数据字段的格式、功能码的作用和响应方式等。此外，标准还规定了设备之间通信的错误检测机制和异常响应格式。通过这些规定，确保了Modbus协议在现场总线通信中的稳定性、可靠性和互操作性。