Modbus TCP: сборка и разбор кадров

Как пользоваться калькулятором

Собрать запрос. Задайте номер транзакции и Unit ID — десятичными числами или в виде 0x1501, — затем функцию и её поля, как в калькуляторе Modbus RTU: адрес с нуля, количество, значения через пробел или запятую. На выходе — кадр с заголовком MBAP, таблица полей, длина нормального ответа и ответа с исключением, а для функций записи — весь ответ байт в байт. Строка «Тот же запрос в Modbus RTU» показывает кадр, который отправит шлюз на линию: Unit ID становится адресом устройства, в конце добавляется CRC-16.

Разобрать кадр. Вставьте байты в любом виде: 00 01 00 00, 0x00,0x01 или 00010000. Калькулятор проверит идентификатор протокола и поле длины, разберёт PDU по полям, покажет регистры как uint16 и int16, а пары регистров — как uint32, int32 и float32 в четырёх порядках байтов. Если вставлен кадр Modbus RTU — с адресом в начале и верной CRC в конце, — калькулятор узнает его и покажет тот же кадр в виде Modbus TCP.

Состояние хранится в адресе страницы: ссылкой на собранный запрос или разобранный кадр можно поделиться.

Заголовок MBAP

Поле длины считает Unit ID и PDU, поэтому длина на 6 меньше длины всего кадра. В запросе на чтение PDU занимает 5 байт: длина — 6, кадр — 12 байт. В ответе с десятью регистрами PDU — 22 байта (код функции, счётчик байт и 20 байт данных): длина — 23, кадр — 29 байт.

Пример из руководства Modbus по TCP/IP — чтение регистра № 5 с номером транзакции 0x1501 и незначащим Unit ID:

15 01 | 00 00 | 00 06 | FF | 03 00 04 00 01
 TID    протокол  длина  Unit  PDU: функция 03, адрес 4, количество 1

Регистр № 5 в кадре имеет адрес 4: адреса Modbus считаются с нуля. Вставьте эти байты в режим «Разобрать кадр» — калькулятор разложит их так же.

Отличия от Modbus RTU

PDU одинаков на обоих транспортах: те же коды функций, адреса, количества и форматы данных, те же коды исключений. Меняется только обёртка.

Нет CRC. Кадр Ethernet защищён своей CRC-32, а TCP повторяет потерянные и искажённые сегменты, поэтому своя контрольная сумма Modbus не нужна. Посчитать CRC-16 для кадра RTU можно в калькуляторе CRC.

Нет пауз в 3,5 символа. На последовательной линии конец кадра находят по тишине, а TCP — это поток байтов без пауз: один кадр может прийти двумя сегментами, а два кадра — одним. Поэтому длина записана в заголовке явно. Приёмник читает 6 байт, берёт из них длину и дочитывает ровно столько байтов. Калькулятор так же предупреждает, если байтов меньше, чем обещает поле длины, и показывает отдельно лишние байты — начало следующего кадра.

Unit ID вместо адреса. Устройство в сети TCP/IP находят по IP-адресу, и Unit ID для него ничего не значит: руководство рекомендует 0xFF, допускает и 0. Значение нужно шлюзу Modbus TCP — RTU: у шлюза один IP-адрес на всю линию RS-485, и по Unit ID он выбирает, какому устройству на линии переслать запрос. Тогда Unit ID — это обычный адрес от 1 до 247. Как шлюз поступит с Unit ID 0, руководство не говорит; если он передаст его на линию как есть, это будет широковещательный адрес 0: запрос выполнят все устройства, ответа не будет, а запрос на чтение потеряет смысл. Поэтому калькулятор предупреждает о Unit ID 0 в кадре RTU — это наш вывод, а не правило спецификации.

Транзакции. На линии RS-485 ведущий ждёт ответа на каждый запрос. По TCP клиент может отправить несколько запросов подряд и разобрать ответы по номеру транзакции: сервер копирует его из запроса. Сколько запросов одновременно держит клиент, руководство относит к его характеристикам — от 1 до 16. Ответ с номером, которого клиент не ждёт, отбрасывается.

Функции и длина кадров

Каждый кадр Modbus TCP на 4 байта длиннее того же кадра RTU: 7 байт заголовка вместо 1 байта адреса и 2 байт CRC. Пределы количества те же, что на последовательной линии: до 2000 битов и 125 регистров на чтение, 1968 битов и 123 регистра на запись — их задаёт размер PDU в 253 байта, а не транспорт.

Функция 23 (Read/Write Multiple registers) сначала записывает регистры, затем читает — за один обмен. В запросе по порядку: адрес и количество для чтения (до 125), адрес и количество для записи (до 121), счётчик байт и значения. Пример из спецификации — записать три регистра с адреса 14 (0x0E) значениями 00FF и прочитать шесть с адреса 3:

запрос PDU: 17 00 03 00 06 00 0E 00 03 06 00 FF 00 FF 00 FF
ответ  PDU: 17 0C 00 FE 0A CD 00 01 00 03 00 0D 00 FF

В ответе — счётчик байт 0C и шесть регистров: 00FE, 0ACD, 0001, 0003, 000D, 00FF.

Исключения и шлюзы

Ответ с исключением в Modbus TCP — 9 байт: заголовок с длиной 3, код функции плюс 0x80 и код исключения. На запрос чтения регистров, которых нет, устройство ответит, например, 00 01 00 00 00 03 01 83 02. Коды те же, что в RTU, их таблица — в калькуляторе Modbus RTU. Два из них встречаются в основном в TCP:

• 0A, GATEWAY PATH UNAVAILABLE — шлюз не смог выделить путь к устройству: неверно настроен или перегружен;
• 0B, GATEWAY TARGET DEVICE FAILED TO RESPOND — шлюз переслал запрос на линию, но устройство с таким Unit ID не ответило. Чаще всего неверен Unit ID, скорость или формат порта шлюза.

Сервер, у которого кончились свободные транзакции, отвечает исключением 06 — устройство занято. А кадр с идентификатором протокола не 0 сервер не разбирает вовсе и молча отбрасывает: ответа не будет.

Типичные ошибки

• Кадр RTU по TCP. Некоторые преобразователи Ethernet — RS-485 работают «прозрачно» и передают по TCP кадр RTU с адресом и CRC. Спецификация такой режим не описывает, и с клиентом Modbus TCP он не работает: калькулятор распознаёт такой кадр по верной CRC и показывает правильный вид.
• Неверная длина. Поле длины считает Unit ID и PDU, но не 6 байт заголовка перед ним. Длина, равная длине всего кадра, — частая ошибка самодельных реализаций.
• Unit ID не тот. Устройство прямо в сети может отвечать только на один Unit ID или игнорировать его; шлюз пересылает запрос по Unit ID на линию. Если ответа нет или приходит исключение 0B, проверьте Unit ID первым делом.
• Сдвиг на один регистр. Адреса в кадре считаются с нуля: регистр 40001 — адрес 0. Номер в нотации Modicon переведёт в адрес калькулятор Modbus RTU в режиме «Номер → адрес».

Как устроены функции и данные самого протокола — в статье «Modbus RTU». Прибор на линии RS-485 можно опросить прямо из браузера через Web Serial в Modbus RTU мастере, а сетевой адрес и маску для контроллера с Ethernet подобрать в калькуляторе подсетей.