C#与西门子PLC1500的ModbusTcp服务器通信2--ModbusTcp协议

Modbus TCP是近年来越来越流行的工业控制系统通信协议之一，与其他通信协议相比，Modbus TCP通信速度快、可靠性高、兼容性强、适用于模拟或数字量信号的传输，阅读本文前你必须比较熟悉Modbus协议，了解tcp网络。
一、什么是Modbus TCP？
Modbus TCP是一种以太网协议，它将Modbus通信协议封装在TCP/IP包内进行数据传输。它通常用于工业控制系统中，比如PLC，传感器等设备之间的数据通信。Modbus协议中，数据是通过寄存器集合的方式进行通信的。这些寄存器可以是输入寄存器、输出寄存器、保持寄存器和线圈寄存器，它们各自用于不同的功能，通信时涉及到两个角色：服务器和客户端，通常情况下是客户端主动连接服务器。
二、Modbus TCP服务器和客户端
1. Modbus TCP服务器
Modbus TCP服务器是一个在网络中等待连接的设备，它侦听端口502，等待客户端连接，并提供Modbus协议服务。服务器可以实现读取和写入数据，服务器提供的几个重要的函数码，也就是功能码：
1）读输入寄存器：该功能码用于读取被称为输入寄存器的Modbus寄存器。
2）读保持寄存器：该功能码用于读取保持寄存器的值。
3）写单个保持寄存器：该功能码用于写入单个保持寄存器的值。
4）写多个保持寄存器：该功能码用于写入多个保持寄存器的值。
常见的Modbus TCP服务器设备包括PLC（可编程逻辑控制器）、Raspberry Pi和树莓派等。假设我们有一个PLC设备作为Modbus TCP服务器，它有一个输入寄存器和一个保持寄存器，我们可以使用Modbus TCP协议来读取和写入这些寄存器，本项目是将西门子PLC1500作为服务器
2. Modbus TCP客户端
Modbus TCP客户端是一个主动连接到Modbus TCP服务器的设备，并提供只读或读写服务。一旦建立了连接，客户端可以向服务器发送数据请求，读取或写入Modbus寄存器的值，客户端提供的几个重要的函数码：
1）读输入寄存器：该功能码用于读取输入寄存器的值。
2）读保持寄存器：该功能码用于读取保持寄存器的值。
3）写单个保持寄存器：该功能码用于向服务器写入单个保持寄存器的值。
4）写多个保持寄存器：该功能码用于向服务器写入多个保持寄存器的值。 
常见的Modbus TCP客户端可以是PLC设备，C#Winform程序，JAVA程序，Python程序，工具软件等都可以，本项目是C#Winform程序
对于Modbus TCP客户端来说，自己并不会产生数据，它的数据均是从服务器获取，为了得到数据就必须向服务器发起数据请求。在Modbus TCP协议中，服务器一般也不会主动向外发送数据，服务器需要根据客户端的数据请求来决定是否发送数据、发送哪些数据。这一过程如下图所示：

 上图我们不难看出，首先客户端要主动发起数据请求，客户端发起的数据请求需要告诉服务器它请求的数据有哪些。服务器收到这个数据请求后，服务器解析客户端的请求并按照客户端的请求返回数据。客户端收到数据响应后解析数据，这样就完成了客户端与服务器之间的一次数据通讯。
在Modbus TCP协议栈中实现了0x01、0x02、0x03、0x04、0x05、0x06、0x0F以及0x10等功能码。

 三、TCP服务器端和客户端
1. TCP服务器
TCP服务器是一个等待客户端连接的程序或设备。一旦客户端连接，它就会创建一个新的套接字socket，用于维护与客户端的通信连接。通常情况下，服务器会侦听一个固定的IP地址和端口号。
TCP服务器提供的几个重要函数：
1）侦听（listen）：该函数用于监听网络上的端口，以等待客户端的连接请求，该侦听是无限循环的，除非人为关闭或异常终止。
2）接收（accept）：该函数用于接受客户端连接的请求，接收到的数据全部放在缓冲区中，数据都是字节数组的形式，当接收到数据后需要转换成ascii或utf-8的格式。
3）发送（send）：该函数用于将数据发送到客户端，发送数据也必须是以字节数组byte[]形式发送，可以是ascii编码，UTF-8编码。
2. TCP客户端
TCP客户端是一个主动建立连接并发送数据请求的设备或程序。客户端通常用于向服务器发送请求以读取或写入数据。客户端可以与多个服务器建立连接，并且可以使用不同的端口号
TCP客户端提供的几个重要函数：
1）创建套接字（socket）：该函数用于创建一个新的套接字，以供客户端使用。
2）连接（connect）：该函数用于连接到一个服务器。
3）发送（send）：该函数用于将数据发送到服务器。
4）接收（recv）：该函数用于从服务器接收数据
四、两者比较
总体来说，Modbus TCP服务器和客户端以及TCP客户端和服务器端的工作原理基本相同，都需要使用Socket套接字来进行通信。不同的是Modbus TCP协议提供了更加专业的Modbus数据的读取和写入协议，便于在工业控制系统中数据的传输。从这可以看出，Modbustcp通信是建立在tcp通信的基础上实现modbus协议的传输，所以传统的tcp通信是基础。
1.协议结构
Modbus TCP是基于Modbus协议的扩展，它采用了TCP/IP协议进行通信。
Modbus协议是一种串行通信协议，而Modbus TCP是一种基于TCP/IP协议的应用层协议。它的协议结构简单明了，包括了应用层、传输层和网络层。
而TCP/IP协议则是一种四层协议结构，包括了应用层、传输层、网络层和数据链路层。
2.通信速度
Modbus TCP通信速度相对较慢，主要是因为它使用了较长的帧结构和数据格式，需要进行较多的数据解析和处理。
而TCP/IP协议则具有更高的通信速度，主要是因为它的数据传输格式更加简洁明了，可以快速进行数据交换和传输。
3.网络拓扑
Modbus TCP采用基于以太网的星型网络拓扑结构，可以支持多个设备同时进行通信。
而TCP/IP协议则支持多种网络拓扑结构，包括星型、环形、树状等多种结构，更加灵活和可扩展。
4.数据传输方式
Modbus TCP通信采用的是半双工模式，即同一时间只能进行一方的数据传输。
而TCP/IP协议则采用全双工模式，即双方可以同时进行数据传输和接收，提高了通信效率。
5.应用场景
Modbus TCP协议主要应用于工业自动化控制系统和机器设备等领域，支持广泛的设备和系统集成。
而TCP/IP协议则广泛应用于互联网、局域网和广域网等领域，支持各种类型的数据传输和通信需求。
五、小结
modbus tcp协议
Modbus TCP是一种基于TCP/IP协议的应用层协议，它是Modbus协议的扩展。Modbus协议是一种串行通信协议，最初是由Modicon公司在1979年开发的，用于工业自动化控制系统中设备之间的通信。Modbus TCP则是将Modbus协议转换为基于以太网的TCP/IP协议，以支持更广泛的设备和系统集成。Modbus TCP协议使用TCP/IP协议栈的传输层和网络层，以实现设备之间的数据通信。
Modbus TCP协议具有简单、可靠和广泛应用等优点。它不仅可以支持设备之间的通信，还可以通过互联网进行远程访问和控制。Modbus TCP协议具有广泛的应用场景，包括工业自动化控制系统、能源管理、环境监测、楼宇自控等领域。同时，Modbus TCP协议也是一种开放的协议，可以方便地与其他通信协议进行集成。
tcp/ip协议是什么
TCP/IP协议是互联网上最常用的协议之一，它是Internet协议族的核心协议。TCP/IP协议是由美国国防部高级研究计划署（ARPA）在20世纪70年代初期开发的一套互联网通信协议，旨在为全球的计算机网络提供标准化的通信协议。TCP/IP协议提供了一种可靠、灵活、通用的数据传输方式，使得互联网上不同的计算机和网络之间可以互相通信和交换信息。
TCP/IP协议由两个主要部分组成：传输控制协议（TCP）和Internet协议（IP）。其中，IP协议主要负责数据包在网络中的传输，包括数据包的路由、分片、拼装等功能。TCP协议则是建立在IP协议之上的传输层协议，主要负责在通信的两端建立可靠的连接，并对数据进行分段、组装、检验等操作。TCP/IP协议还包括许多其他的协议，如用户数据报协议（UDP）、网络时间协议（NTP）、域名系统协议（DNS）等。
TCP/IP协议是一个开放的标准协议，它具有广泛的应用场景，包括互联网、局域网、广域网等各种网络环境。TCP/IP协议提供了一种通用的通信标准，使得不同类型的计算机和设备可以互相通信和交换信息。同时，TCP/IP协议也是一种可扩展的协议，可以方便地与其他通信协议进行集成，从而实现更加复杂的通信和数据处理功能。