Modbus TCP报文协议（ModbusTCP）（单元标识符、分站id、单元id、unitId、从站id）
Modbus TCP报文协议详解
概述
Modbus TCP是一种基于TCP/IP协议的工业通信协议，广泛应用于PLC、DCS和SCADA系统中。它继承了Modbus协议简单、可靠的特点，同时利用了以太网的高速和灵活性。
Modbus TCP报文结构
MBAP报头
Modbus TCP报文由MBAP（Modbus Application Protocol）报头和PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）组成。MBAP报头长度为7个字节，包含以下字段：
- 事务标识符（Transaction Identifier，2字节）：用于请求和响应的配对。
- 协议标识符（Protocol Identifier，2字节）：固定为0，表示Modbus协议。
- 长度（Length，2字节）：后续数据的长度，包括单元标识符和PDU。
- 单元标识符（Unit Identifier，1字节）：用于多从站的标识，在TCP/IP中通常为0。（注意，如果有多个从站，这个值必须为各个从站指定的地址）
协议数据单元（PDU）
PDU由功能码和数据字段组成：
- 功能码（Function Code，1字节）：指定要执行的操作，例如读写寄存器。
- 数据字段（Data，N字节）：包含与功能码相关的参数或数据。
常用功能码
- 0x01：读线圈状态
- 0x02：读离散输入状态
- 0x03：读保持寄存器
- 0x04：读输入寄存器
- 0x05：写单个线圈
- 0x06：写单个保持寄存器
- 0x0F：写多个线圈
- 0x10：写多个保持寄存器
报文示例
读保持寄存器请求报文
假设需要从地址为0x0000的寄存器开始读取10个保持寄存器，构建的请求报文如下：
-
MBAP报头
- 事务标识符：0x0001
- 协议标识符：0x0000
- 长度：0x0006（后续6个字节）
- 单元标识符：0x01
-
PDU
- 功能码：0x03
- 起始地址：0x0000
- 数量：0x000A
完整报文（16进制表示）：
00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 0A00 0100 0000 06010300 0000 0A事务标识符协议标识符长度单元标识符功能码起始地址寄存器数量响应报文
假设从站返回的数据为20个字节，对应10个保持寄存器的值：
-
MBAP报头
- 事务标识符：0x0001
- 协议标识符：0x0000
- 长度：0x0015（后续21个字节）
- 单元标识符：0x01
-
PDU
- 功能码：0x03
- 字节数：0x14（20个字节）
- 数据：20个字节的寄存器值
完整报文（16进制表示）：
00 01 00 00 00 15 01 03 14 [20字节数据]00 0100 0000 15010314[20字节数据]事务标识符协议标识符长度单元标识符功能码字节计数数据Python示例代码
使用pymodbus库实现Modbus TCP通信的示例代码：
from pymodbus.client.sync import ModbusTcpClient# 创建Modbus TCP客户端client = ModbusTcpClient(\'192.168.1.100\', port=502)# 连接到服务器client.connect()# 读取保持寄存器，地址从0开始，读取10个寄存器result = client.read_holding_registers(address=0, count=10, unit=1)# 检查是否成功读取if not result.isError(): # 输出读取的寄存器值 print(result.registers)else: print(\"读取失败\")# 写单个保持寄存器，地址为0，值为123client.write_register(address=0, value=123, unit=1)# 关闭连接client.close()注意事项
- 端口号：Modbus TCP默认使用502端口，需要确保防火墙或路由器未阻挡此端口。
- 单元标识符：在TCP/IP网络中，单元标识符通常设置为0或1，但在一些网关或路由器中可能有特殊含义。
- 异常码处理：从站可能返回异常码，需要在程序中进行处理，确保通信的可靠性。
- 线程安全：在多线程环境中使用Modbus客户端时，需要注意线程安全，可能需要加锁或使用线程安全的客户端实例。
应用场景
- 工业自动化：用于PLC和上位机之间的数据交换。
- 能源管理：在电力、石油等行业，实现对设备的远程监控和控制。
- 楼宇自动化：对暖通空调、照明等系统进行集中控制。
结论
深入理解Modbus TCP报文协议，有助于在工业应用中实现高效可靠的通信。通过掌握报文结构、功能码和异常处理，可以开发出稳定的通信程序，满足各种工业现场的需求。
关于从站单元标识符（unitId）
Modbus TCP协议中的“单元标识符”（Unit Identifier，1字节）允许在一个IP地址下配置多个从站设备，但这并不是Modbus TCP的常规用法，而是协议设计中保留的一个特性。以下是详细解释：
1. 单元标识符的作用
- 协议设计背景：
Modbus TCP最初是为以太网通信设计的，继承了Modbus RTU/ASCII的主从架构。在串行通信（如RS485）中，每个从站通过唯一的从站地址（0-255）被标识。而在以太网中，设备通过IP地址唯一标识，因此理论上不需要额外的地址字段。
但为了兼容性和灵活性，Modbus TCP保留了“单元标识符”（即从站地址的替代），作为MBAP报文头的一部分（见知识库[2]、[7]、[12]）。
- 实际用途：
- 虚拟从站：如果多个从站逻辑上共享一个IP地址（例如通过网关或虚拟化设备），可以通过不同的单元标识符区分它们。
- 多协议支持：某些设备可能同时支持Modbus TCP和其他协议（如Profinet），单元标识符可用于路由到不同的协议处理模块。
- 历史兼容：在混合网络（如以太网+串口桥接）中，单元标识符可能对应串口从站地址。
2. 为什么“一个IP下多个从站”不常见？
尽管协议支持，但实际应用中很少使用单元标识符来区分同一IP下的多个从站，原因如下：
1. IP地址的唯一性：
在以太网中，每个设备通常分配一个唯一的IP地址，这已经足够标识通信目标。使用单元标识符会增加复杂性，且容易引发配置错误（例如主站发送的单元标识符与从站配置不匹配）。
2. 设备实现限制：
大多数Modbus TCP从站设备（如PLC、传感器）仅支持通过IP地址进行通信，不支持通过单元标识符区分多个从站。因此，即使协议允许，硬件或软件可能不支持该功能。
3. 网络管理复杂性：
在大型工业网络中，为每个从站分配独立IP地址更易于管理和故障排查。而通过单元标识符管理同一IP下的多个从站，会增加网络配置和调试的难度。
3. 实际场景中的替代方案
如果需要实现“一个IP下多个从站”的功能，通常采用以下方法：
1. 网关/桥接设备：
使用支持Modbus TCP的网关（如知识库[5]、[8]提到的网关设备），将多个从站（如Modbus RTU设备）连接到同一个IP地址下，并通过网关的配置分配不同的单元标识符。
- 例如：网关作为Modbus TCP从站（IP地址为192.168.1.100），内部连接两个Modbus RTU设备，分别配置单元标识符为1和2。主站通过访问192.168.1.100:502，并指定单元标识符1或2来区分设备。
2. 虚拟化技术：
在软件层面（如虚拟机或容器）中运行多个Modbus TCP从站服务，共享同一个IP地址，但通过不同的端口或单元标识符隔离逻辑从站。
3. 分布式控制系统：
如知识库[6]所述，通过多路复用技术（如贝加莱控制器）在同一个以太网接口上同时与多个从站通信，但每个从站仍需独立的IP地址或通过其他机制区分。
4. 如何验证是否支持“单元标识符”功能？
- 检查设备文档：
确认从站设备是否支持通过单元标识符区分多个逻辑从站。例如，某些网关或工业计算机可能提供此功能。
- 抓包分析：
使用Wireshark等工具捕获Modbus TCP通信数据包，观察MBAP报文头中的“单元标识符”字段是否被设置为非零值（通常默认为0）。
- 配置测试：
如果设备支持该功能，尝试在主站请求中修改单元标识符（例如从0改为1），观察从站是否响应。
