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作为工程师，经常会用到各种品牌的设备，PLC等。而且在现场，经常会遇到不同设备之间需要走通讯的需求，但不同公司的设备支持的协议不尽相同。类似于来自不同国家的学生在同一公司协同工作，这时候我们怎么才能做到让不同的人能相互理解别人的意思呢？
以往经常使用的方式是采用安装第三方或厂家自带的协议转换模块。类似于给设备安装不同的翻译器。这时候会增加很多成本，让预算紧张的项目雪上加霜。
这时，有一个不成熟的想法在脑海中成型，既然物理口一样，要么是RS485，要么RJ45，要么CAN等，那我们是不是可以利用自带的功能，实现协议的相互认识？说干就干，接下来，让我们以Modbus为例，理解如何使用PLC自带功能实现不同厂家PLC之间的协议的解析及转达。
第一步：解读Modbus协议
Modbus通信协议由Modicon公司（现已经为施耐德公司并购，成为其旗下的子品牌）于1979年发明的，是全球最早用于工业现场的总线规约。由于其免费公开发行，使用该协议的厂家无需缴纳任何费用，Modbus通信协议采用的是主从通信模式（即Master/Slave通信模式)，其在分散控制方面应用极其广泛，从而使得Modbus协议在全球得到了广泛的应用。
1、Modbus协议解析
1.1 Modbus RTU协议中的指令由地址码(1Byte），功能码（1Byte），起始地址（2Byte），数据（N个Byte），校验码（2Byte）五个部分组成，其中数据又由数据长度（2Byte，表示的是寄存器个数，假定内容为M）和数据正文（M乘以2个Byte）组成，而且RTU协议是采用3.5个Byte的空闲时间作为指令的起始和结束，一般而言，只有当从机返回数据或者主机写操作的时候，才会有数据正文，而其他时候比如主机读操作指令的时候，没有数据正文，只需要数据长度即可。
Modbus 通用帧
1.2 Modbus TCP协议是在RTU协议上加一个MBAP报文头，由于TCP是基于可靠连接的服务，RTU协议中的CRC校验码就不再需要，所以在Modbus TCP协议中是没有CRC校验码，用一句比较通俗的话说就是：Modbus TCP协议就是Modbus RTU协议在前面加上五个0以及一个6，然后去掉两个CRC校验码Byte就OK了。
2、长度计算：
早期串行链路上MODBUS 执行的长度约束限制了MODBUS PDU大小(最大RS485 ADU=256Byte).因此可以得到RTU及TCP的长度：
- RTU MODBUS ADU = 253Byte 从站地址(1Byte) CRC (2 Byte) = 256 Byte。
- TCP MODBUS ADU = 249Byte MBAP (7 Byte) = 256 Byte。
MODBUS 协议定义了三种 PDU。它们是：
- MODBUS 请求 PDU，mb_req_pdu
- MODBUS 响应 PDU，mb_resp_pdu
- MODBUS 异常响应 PDU，mb_excep_resp_pdu
定义 mb_req_pdu 为：
- mb_req_pdu = { function_code, request_data}，其中
- function_code - [1个Byte] MODBUS 功能码
- request_data - [n个Byte]，这个域与功能码有关，并且通常包括诸如可变参考、变量、数据偏移量、子功能码等信息。
定义 mb_resp_pdu 为：
- mb_resp_pdu = { function_code, response_ data}，其中
- function_code - [1个Byte] MODBUS 功能码
- response_data - [n 个Byte]，这个域与功能码有关，并且通常包括诸如可变参考、变量、数据偏移量、子功能码等信息。
定义 mb_excep_resp_pdu 为：
- mb_excep_resp_pdu = { function_code, request_data}，其中
- function_code - [1个Byte] MODBUS 功能码 0x80
- exception_code - [1个Byte]，在下表中定义了 MODBUS 异常码。
Modbus TCP与Modbus RTU协议转换实例对比：
发送：
接收
3、超时时间计算：该计算与波特率、设备运算能力、数据量等参数相关，本文主要以TCP为主，这里就不做赘述。有感兴趣的小伙伴们可以自行了解。
第二步：实例解读
本文以RA官网提供的Demo程序进行Modbus TCP Slave梯形图实现解读。
1、前提准备
实验设备：
硬件：
- AB PLC ：1769-L33ERM
- 西门子PLC ：S7-1517
- 编译PC ：DELL Latitude E5501
软件：
- Modbus Slave PC端仿真：Modsim
- Modbus Master PC端仿真：Modscan
- AB PLC程序编译环境：Studio5000 V32.11
- 西门子PLC程序编译环境：TIA V16
注意点：
1、ModbusTCP 任务放在50-100ms的低优先级周期任务
2、西门子PLC可使用MB_SERVER 及MB_CLIENT 进行Modbus TCP通讯。
2、AB PLC程序流程
2.1：清空链接
2.2：创建Socket链接
2.3：Socket参数设定
2.4：获取网卡连接数
2.5：创建接收连接
2.6：Socket数据读取：读取到MBTI_Read_Resp字符组
2.7：协议解析和封装：
2.7.1：判断接收字符串是否为标准modbus格式
2.7.2：解析读取到的Modbus字符串，并根据命令字，利用不同标签进行应答数据处理
2.7.3：根据命令进行不同处理，线圈跳转到线圈处理处；寄存器跳转到寄存器处理处；
2.7.4：根据需要读取的起始地址、长度、将对应数据获取出来并复制到发送缓存区；
2.7.5：数据打包，将PDU打包成ADU
2.8 :Socket数据发送:将MBTI_Write_Data_Out数据发送到Socket
以上是实例是根据RA官网提供的Demo程序进行讲解如何使用 AB ControlLogix及CompactLogix系列PLC通过Socket方式进行Modbus TCP协议编写。由此可类比可制作其他基于Socket协议的协议解析及通讯。
协议解析类似于套娃行为，主要行为为创建连接，设定连接参数、等待连接、确认连接、获取数据包、按套娃模式一步步解包，根据命令及需求对协议进行解包分析、根据来的命令包，根据数据包进行数据转化，执行，并将处理完的数据进行指定格式封装后进行响应。遇到未知数据包则丢弃，等待下一数据包。超时后关闭连接，并重启链接。
此案例以简单的Modbus做解析，更好的理解协议的执行流程，相同思路可用于上位机协议栈开发、远程通讯等方式。当然程序过程中还有更多需要考虑的问题，需要考虑互斥、原子性、唯一性、同步、异步、批量等处理。后续如果有感兴趣，我会继续进行相关讲解。
第一次编写此类文章，如有不对，欢迎帮忙指出其中问题。
总结
2021年3月
作者简介
Borje Zhou：
专业从事于提供工厂自动化及信息化解决方案。
