ModbusTcp协议的Java Socket

1 简介
modbus由MODICON公司于1979年开发，是一种工业现场总线协议标准。1996年施耐德公司推出基于以太网TCP/IP的modbus协议：modbusTCP。

Modbus协议是一项应用层报文传输协议，包括ASCII、RTU、TCP三种报文类型。

标准的Modbus协议物理层接口有RS232、RS422、RS485和以太网接口，采用master/slave方式通信。

2 ModbusTCP数据帧
ModbusTCP的数据帧可分为两部分：MBAP+PDU。

2.1 报文头MBAP
MBAP为报文头，长度为7字节，组成如下：

事务处理标识 协议标识 长度 单元标识符
2字节 2字节 2字节 1字节
事务处理标识 ：可以理解为报文的序列号，一般每次通信之后就要加1以区别不同的通信数据报文。
协议标识符 ：00 00表示ModbusTCP协议。
长度 ：表示接下来的数据长度，单位为字节。
单元标识符 ：可以理解为设备地址。

2.2 帧结构PDU
PDU由功能码+数据组成。功能码为1字节，数据长度不定，由具体功能决定。

2.2.1 功能码
modbus的操作对象有四种：线圈、离散输入、输入寄存器、保持寄存器。

线圈：PLC的输出位，开关量，在MODBUS中可读可写
离散量：PLC的输入位，开关量，在MODBUS中只读
输入寄存器：PLC中只能从模拟量输入端改变的寄存器，在MODBUS中只读
保持寄存器：PLC中用于输出模拟量信号的寄存器，在MODBUS中可读可写
根据对象的不同，modbus的功能码有：

• 0x01：读线圈
• 0x05：写单个线圈
• 0x0F：写多个线圈
• 0x02：读离散量输入
• 0x04：读输入寄存器
• 0x03：读保持寄存器
• 0x06：写单个保持寄存器
• 0x10：写多个保持寄存器

二,模拟了直接发送Socket套接字（上位机）跟Modbus Slave软件（下位机）进行通信，代码如下：

        Socket socket = new Socket("192.1.1.4",9600);

        InputStream is=socket.getInputStream();

        OutputStream os=socket.getOutputStream();

        byte[] sendInfo = new byte[] { 0x00, 0x07, 0x00, 0x00, 0x00, 0x06, 0x01, 0x03,0x00, 0x00, 0x00, 0x08 };  //发送给Modbus Slave软件的消息

        os.write(sendInfo);

        os.flush();

        byte[] bs = new byte[32];   

        is.read(bs);

        printHexString(bs);  //输出十六进制

软件当中Alias从0到9的值如下：

 

程序取到的结果如下：000700000013010310 0457 08AE 0D05 115C 15B3 1A0A 1E61 22B8 00000000000000

在解释结果之前，先给出ModbusTcp的报文格式。

ModbusTcp报文主要是由三部分组成，如下图所示：

其中，MBAP报文头一般为7个字节，我在这里以上封邮件的例子来做解释：

        byte[] sendInfo = new byte[] { 0x00, 0x07, 0x00, 0x00, 0x00, 0x06, 0x01, 0x03,0x00, 0x00, 0x00, 0x08 }; 

从byte数组的第1个元素开始到第七个元素，分别是：0007|0000|0006|01

        1）0007：事务处理标识符，用于将请求与未来响应之间建立联系（服务器端应答时候复制该值）；

        2）0000：协议标识，其中 0 代表Modbus协议，1代表UNI-TE协议（服务器端应答时候复制该值）；

        3）0006：长度，计算其后续所有字节数（服务器端应答时候该字节重新生成，并取返回指令的相同逻辑值）；

        4）01：单元标识符，在MODBUS或MODBUS+串行链路子网中对设备进行寻址时，这个域是用于路由的目的（服务器端应答时候复制该值）。

因此，我们可以得知服务器端应答时候，其返回的MBAP报文头为：

        0007 | 0000 | 0013 | 01

接下来是功能码（占用一个字节）。Modbus有一大堆的功能码，但常用的命令一般有01，02，03，04等几个

 1）01：读取线圈状态，Modbus对应的地址为00001开始；

        2）02：读取输入状态，Modbus对应的地址为10001开始；

        3）03：读保持寄存器，Modbus对应的地址为40001开始；

        4）04：输入寄存器，Modbus对应的地址为30001开始。

最后便是数据了。数据段的长度是根据功能码类型来对应的，因此这里我们仍然用sendInfo这个例子：

        该例子的功能码为03，说明读取的是保持寄存器。在功能码后面的 0000 为读取的起始地址，0008 为读取的数量，因此该指令可以理解为：

        读取保持寄存器当中，从0000地址开始（也就是Modbus的40001地址）依次读取八个数据（即16个字节）

根据模拟器的截图，从保持寄存器的0起始地址开始，依次有以上的数据，因此服务器端应答的内容如下：

        0007|0000|0013|01|03|10 0457 08AE 0D05 115C 15B3 1A0A 1E61 22B8

        其中MBAP报文头的内容在上面已有说明，这里就说下从单元标识符往后的内容：

 1）03：功能码，跟请求的功能码一致；

        2）10：字节计数，就是后续的字节数（同时也是请求指令当中读取数量的double）；

        3）之后的便是存放的数据了，以十六进制给出，一个数据占两个字节。

使用jlibmodbus

maven依赖
<dependency>
<groupId>com.intelligt.modbus</groupId>
<artifactId>jlibmodbus</artifactId>
<version>1.2.9.7</version>
</dependency>

package com.tcb.jlibmodbus;

import java.net.InetAddress;

import com.intelligt.modbus.jlibmodbus.Modbus;
import com.intelligt.modbus.jlibmodbus.exception.ModbusIOException;
import com.intelligt.modbus.jlibmodbus.exception.ModbusNumberException;
import com.intelligt.modbus.jlibmodbus.exception.ModbusProtocolException;
import com.intelligt.modbus.jlibmodbus.master.ModbusMaster;
import com.intelligt.modbus.jlibmodbus.master.ModbusMasterFactory;
import com.intelligt.modbus.jlibmodbus.tcp.TcpParameters;


/**
 * Hello world!
 *
 */
public class App {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 设置主机TCP参数
            TcpParameters tcpParameters = new TcpParameters();
 
            // 设置TCP的ip地址
            InetAddress adress = InetAddress.getByName("127.0.0.1");
 
            // TCP参数设置ip地址
            // tcpParameters.setHost(InetAddress.getLocalHost());
            tcpParameters.setHost(adress);
 
            // TCP设置长连接
            tcpParameters.setKeepAlive(true);
            // TCP设置端口，这里设置是默认端口502
            tcpParameters.setPort(Modbus.TCP_PORT);
 
            // 创建一个主机
            ModbusMaster master = ModbusMasterFactory.createModbusMasterTCP(tcpParameters);
            Modbus.setAutoIncrementTransactionId(true);
 
            int slaveId = 1;//从机地址
            int offset = 0;//寄存器读取开始地址
            int quantity = 10;//读取的寄存器数量
 
 
            try {
                if (!master.isConnected()) {
                    master.connect();// 开启连接
                }
 
                // 读取对应从机的数据，readInputRegisters读取的写寄存器，功能码04
                int[] registerValues = master.readInputRegisters(slaveId, offset, quantity);
 
                // 控制台输出
                for (int value : registerValues) {
                    System.out.println("Address: " + offset++ + ", Value: " + value);
                }
 
            } catch (ModbusProtocolException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (ModbusNumberException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (ModbusIOException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                try {
                    master.disconnect();
                } catch (ModbusIOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        } catch (RuntimeException e) {
            throw e;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

打印到控制台的信息

Address: 0, Value: 88
Address: 1, Value: 66
Address: 2, Value: 8
Address: 3, Value: 6
Address: 4, Value: 32727
Address: 5, Value: 32808
Address: 6, Value: 0
Address: 7, Value: 3
Address: 8, Value: 2
Address: 9, Value: 1
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