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Java实现Modbus TCP协议整合

Modbus协议

1.概述

概念

Modbus是一种串行通信协议，是Modicon公司（现在的施耐德电气 Schneider Electric）于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表。Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准（De facto），并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。

优势

  • Modbus协议标准开放、公开发表且无版权要求

  • Modbus协议支持多种电气接口，包括RS232、RS485、TCP/IP等，还可以在各种介质上传输，如双绞线、光纤、红外、无线等

  • Modbus协议消息帧格式简单、紧凑、通俗易懂。用户理解和使用简单，厂商容易开发和集成，方便形成工业控制网络

    • 通讯方式

    1、ASCII模式
    当控制器设为在Modbus网络上以ASCII模式通信，在消息中的每个8Bit字节都作为两个ASCII字符发送。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。

    2、RTU模式
    当控制器设为Modbus网络上以RTU（远程终端单元）模式通信，在消息中的每个8Bit字节包含两个4Bit的十六进制字符。这种方式的主要优点是：在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据。

    3、Modbus TCP
    在Modbus TCP/IP协议中,串行链路中的主/从设备分别演变为客户端/服务器端设备。即客户端相当于主站设备,服务器端相当于从站设备。基于TCP/IP网络的传输特性,串行链路上一主多从的构造也演变为多客户端/多服务器端的构造模型。Modbus TCP/IP服务器端通常使用端口502作为接收报文的端口, IANA（Internet Assigned Numbers Authority，互联网编号分配管理机构）给Modbus协议赋予TCP端口号为502，这是目前在仪表与自动化行业中唯一分配到的端口号。

    2.组成

    物理模型

    ModBus 基础模型

    线圈寄存器：实际上就可以类比为开关量（继电器状态），每一个bit对应一个信号的开关状态。所以一个byte就可以同时控制8路的信号。比如控制外部8路io的高低。 线圈寄存器支持读也支持写，写在功能码里面又分为写单个线圈寄存器和写多个线圈寄存器。对应上面的功能码也就是：0x01 0x05 0x0f

离散输入寄存器：如果线圈寄存器理解了这个自然也明白了。离散输入寄存器就相当于线圈寄存器的只读模式，他也是每个bit表示一个开关量，而他的开关量只能读取输入的开关信号，是不能够写的。比如我读取外部按键的按下还是松开。所以功能码也简单就一个读的 0x02

保持寄存器：这个寄存器的单位不再是bit而是两个byte，也就是可以存放具体的数据量的，并且是可读写的。一般对应参数设置，比如我我设置时间年月日，不但可以写也可以读出来现在的时间。写也分为单个写和多个写，所以功能码有对应的三个：0x03 0x06 0x10

输入寄存器：这个和保持寄存器类似，但是也是只支持读而不能写，一般是读取各种实时数据。一个寄存器也是占据两个byte的空间。类比我我通过读取输入寄存器获取现在的AD采集值。对应的功能码也就一个 0x0

    ModbusTCP数据帧: MBAP + PDU

    MBAP（报文头）

    内容 大小 描述
    00 00 2字节 报文的序列号，一般通信之后要加1来区分不同的通信数据报文。
    00 00 2字节 00 00标识Modus TCP协议
    00 06 2字节 数据的长度，单位字节
    01 1字节 设备地址

    PDU（数据体）

    功能码（1字节）+数据（不确定）

    例如

    ​ 0x03 : 读保持寄存器

    ​ 请求：MBAP（7字节） 功能码（1字节） 起始地址（2字节） 寄存器数量（2字节）

    ​ 响应：MBAP（7字节） 功能码（1字节） 数据长度（1字节） 数据n个（2n字节）

    ​ 请求

    ​ 00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 03

    ​ 00 01 ：代表该连接的第1个请求

    ​ 00 00 ：代表Modbus TCP协议

    ​ 00 06 ：后面数据长度，单位字节

    ​ 01 ：设备地址

    ​ 03 ：功能码

    ​ 00 00 ：起始地址

    ​ 00 03 ：寄存器数量

    ​ 响应

    ​ 00 01 00 00 00 09 01 03 06 00 21 00 00 00 00

    ​ 06 ：后面数据长度

    ​ 00 21 00 00 00 00：标识三个寄存器中的值（00 21代表第一个，00 00 第二 ， 00 00 第三个 ）

    功能码

    0x01: 读线圈寄存器

0x02: 读离散输入寄存器

0x03: 读保持寄存器

0x04: 读输入寄存器

0x05: 写单个线圈寄存器

0x06: 写单个保持寄存器

0x0f:  写多个线圈寄存器

0x10: 写多个保持寄存器

    3.虚拟机

    下载地址 ： Modbus Slave Sim V3.2 x 64

    1.进入页面

    模拟器初始页面

    2.连接

    模拟器中设置链接

    3.配置选择不同的寄存器/线圈

    选择不同的寄存器

    4.Java实现

    关于Modbus相关的jar包

  • Jamod：Java Modbus实现：Java Modbus库。该库由Dieter Wimberger实施。
  • ModbusPal：ModbusPal是一个正在进行的Java项目，用于创建逼真的Modbus从站模拟器。由于预定义的数学函数和/或Python脚本，寄存器值是动态生成的。ModbusPal依赖于RxTx进行串行通信，而Jython则依赖于脚本支持
  • Modbus4J：Serotonin Software用Java编写的Modbus协议的高性能且易于使用的实现。支持ASCII，RTU，TCP和UDP传输作为从站或主站，自动请求分区，响应数据类型解析和节点扫描
  • JLibModbus：JLibModbus是java语言中Modbus协议的一种实现。jSSC和RXTX用于通过串行端口进行通信。该库是一个经过积极测试和改进的项目。

    • 代码使用 Modbus4J 来演示

    引入Modbus4Jjar包

            <!-- Modbus -->
<dependencies>
        <dependency>
            <groupId>com.infiniteautomation</groupId>
            <artifactId>modbus4j</artifactId>
            <version>3.0.4</version>
        </dependency>
</dependencies>

<!-- 若想引用modbus4j需要引入下列repository id:ias-snapshots id:ias-releases 两个 ，使用默认仓库下载，不要使用阿里云仓库-->
<repositories>
        <repository>
            <releases>
                <enabled>false</enabled>
            </releases>
            <snapshots>
                <enabled>true</enabled>
            </snapshots>
            <id>ias-snapshots</id>
            <name>Infinite Automation Snapshot Repository</name>
            <url>https://maven.mangoautomation.net/repository/ias-snapshot/</url>
        </repository>
        <repository>
            <releases>
                <enabled>true</enabled>
            </releases>
            <snapshots>
                <enabled>false</enabled>
            </snapshots>
            <id>ias-releases</id>
            <name>Infinite Automation Release Repository</name>
            <url>https://maven.mangoautomation.net/repository/ias-release/</url>
        </repository>
    </repositories>

    代码实现读取和写入

    

import com.serotonin.modbus4j.ModbusFactory;
import com.serotonin.modbus4j.ModbusMaster;
import com.serotonin.modbus4j.code.DataType;
import com.serotonin.modbus4j.exception.ErrorResponseException;
import com.serotonin.modbus4j.exception.ModbusInitException;
import com.serotonin.modbus4j.exception.ModbusTransportException;
import com.serotonin.modbus4j.ip.IpParameters;
import com.serotonin.modbus4j.locator.BaseLocator;
import com.serotonin.modbus4j.msg.*;

/**
 * Modbus 工具类
 */
public class ModbusUtils {

    /**
     * 工厂
     */
    static ModbusFactory modbusFactory;
    static ModbusMaster modbusMaster;
    static {
        if(modbusFactory == null){
            modbusFactory = new ModbusFactory();
        }
    }


    /**
     * 获取master
     * @return
     */
    public static ModbusMaster getMaster() throws ModbusInitException {
        if(modbusMaster == null){
            IpParameters ipParameters = new IpParameters();
            ipParameters.setHost("127.0.0.1");
            ipParameters.setPort(502);
            modbusMaster = modbusFactory.createTcpMaster(ipParameters, true);
            modbusMaster.init();
            return modbusMaster;
        }
        return modbusMaster;
    }


    /**
     * 读取线圈开关状态数据  0x01
     * @param slaveId
     * @param offset
     * @return
     * @throws ModbusInitException
     * @throws ModbusTransportException
     * @throws ErrorResponseException
     */
    public static Boolean readCoilStatus(int slaveId,int offset) throws ModbusInitException, ModbusTransportException, ErrorResponseException {
        BaseLocator<Boolean> coilStatus = BaseLocator.coilStatus(slaveId, offset);
        Boolean res = getMaster().getValue(coilStatus);
        return res;
    }

    /**
     * 读离散输入寄存器状态数据  0x02
     * @param slaveId
     * @param offset
     * @return
     * @throws ModbusInitException
     * @throws ModbusTransportException
     * @throws ErrorResponseException
     */
    public static Boolean inputStatus(int slaveId,int offset) throws ModbusInitException, ModbusTransportException, ErrorResponseException {
        BaseLocator<Boolean> inputStatus = BaseLocator.inputStatus(slaveId, offset);
        Boolean res = getMaster().getValue(inputStatus);
        return res;
    }

    /**
     * 读保持寄存器数据  0x03
     * @param slaveId
     * @param offset
     * @param dataType
     * @return
     * @throws ModbusInitException
     * @throws ModbusTransportException
     * @throws ErrorResponseException
     */
    public static Number holdingRegister(int slaveId, int offset, int dataType) throws ModbusInitException, ModbusTransportException, ErrorResponseException {
        BaseLocator<Number> holdingRegister = BaseLocator.holdingRegister(slaveId, offset, dataType);
        Number value = getMaster().getValue(holdingRegister);
        return value;
    }

    /**
     * 读输入寄存器数据   0x04
     * @param slaveId
     * @param offset
     * @param dataType
     * @return
     * @throws ModbusInitException
     * @throws ModbusTransportException
     * @throws ErrorResponseException
     */
    public static Number inputRegister(int slaveId, int offset, int dataType) throws ModbusInitException, ModbusTransportException, ErrorResponseException {
        BaseLocator<Number> inputRegister = BaseLocator.inputRegister(slaveId, offset, dataType);
        Number value = getMaster().getValue(inputRegister);
        return value;
    }


    /**
     * 写线圈开关状态数据  0x05
     * @param slaveId
     * @param offset
     * @param status
     * @return
     * @throws ModbusTransportException
     * @throws ModbusInitException
     */
    public static Boolean writeCoilStatus(int slaveId,int offset,boolean status) throws ModbusTransportException, ModbusInitException {
        boolean coilValue = status;
        WriteCoilRequest coilRequest = new WriteCoilRequest(slaveId, offset, coilValue);
        WriteCoilResponse coilResponse = (WriteCoilResponse) getMaster().send(coilRequest);
        return !coilResponse.isException();
    }


    /**
     * 写单个保持寄存器数据 0x06
     * @param slaveId
     * @param offset
     * @param vlaue
     * @return
     * @throws ModbusTransportException
     * @throws ModbusInitException
     */
    public static Boolean writeRegister(int slaveId,int offset,int vlaue) throws ModbusTransportException, ModbusInitException {
        WriteRegisterRequest registerRequest = new WriteRegisterRequest(slaveId,offset,vlaue);
        WriteRegisterResponse registerResponse = (WriteRegisterResponse) getMaster().send(registerRequest);
        return !registerResponse.isException();

    }

    /**
     * 写线圈开关状态数据【多】  0x0f
     * @param slaveId
     * @param offset
     * @param booleans
     * @return
     * @throws ModbusTransportException
     * @throws ModbusInitException
     */
    public static Boolean writeCoils(int slaveId,int offset,boolean[] booleans) throws ModbusTransportException, ModbusInitException {
        WriteCoilsRequest writeCoils = new WriteCoilsRequest(slaveId, offset, booleans);
        WriteCoilsResponse coilsResponse = (WriteCoilsResponse) getMaster().send(writeCoils);
        return !coilsResponse.isException();
    }


    /**
     * 写保存寄存器数据【多】  0x10
     * @param slaveId
     * @param offset
     * @param nums
     * @return
     * @throws ModbusTransportException
     * @throws ModbusInitException
     */
    public static Boolean writeRegisters(int slaveId,int offset,short[] nums) throws ModbusTransportException, ModbusInitException {
        WriteRegistersRequest writeRegisters = new WriteRegistersRequest(slaveId, offset, nums);
        WriteRegistersResponse registersResponse = (WriteRegistersResponse) getMaster().send(writeRegisters);
        return !registersResponse.isException();
    }




    public static void main(String[] args) throws ModbusInitException, ModbusTransportException, ErrorResponseException {
        // 01测试
//        Boolean v0001 = readCoilStatus(1, 0);
//        Boolean v0002 = readCoilStatus(1, 1);
//        Boolean v0008 = readCoilStatus(1, 7);
//        System.out.println("get v0001 :" + v0001);
//        System.out.println("get v0002 :" + v0002);
//        System.out.println("get v0008 :" + v0008);


        // 03测试
//        Number v0001 = holdingRegister(136, 3, DataType.TWO_BYTE_INT_SIGNED);
//        Number v0003 = holdingRegister(1, 2, DataType.TWO_BYTE_INT_SIGNED);
//        Number v0009 = holdingRegister(1, 8, DataType.TWO_BYTE_INT_SIGNED);
//        System.out.println("get v0001  result:" + v0001);
//        System.out.println("get v0003  result:" + v0003);
//        System.out.println("get v0009  result:" + v0009);

        // 04测试
//        Number v0001 = inputRegister(136, 0, DataType.TWO_BYTE_INT_SIGNED);
//        Number v0003 = inputRegister(136, 2, DataType.TWO_BYTE_INT_SIGNED);
//        Number v0009 = inputRegister(136, 8, DataType.TWO_BYTE_INT_SIGNED);
//        System.out.println("get v0001  result:" + v0001);
//        System.out.println("get v0003  result:" + v0003);
//        System.out.println("get v0009  result:" + v0009);


        // 05测试
//        Boolean v0001 = writeCoilStatus(1, 0, true);
//        Boolean v0002 = writeCoilStatus(1, 1, false);
//        Boolean v0007 = writeCoilStatus(1, 6, true);
//        System.out.println("update v0001 status result:" + v0001);
//        System.out.println("update v0002 status result:" + v0002);
//        System.out.println("update v0007 status result:" + v0007);


        // 06测试
//        Boolean v0001 = writeRegister(136, 0, 98);
//        Boolean v0002 = writeRegister(136, 1, 0);
//        Boolean v0007 = writeRegister(136, 6, 100);
//        System.out.println("update v0001 status result:" + v0001);
//        System.out.println("update v0002 status result:" + v0002);
//        System.out.println("update v0007 status result:" + v0007);


        // 0f测试
        //Boolean res1 = writeCoils(1, 1, new boolean[]{true, true, false, true});
        // 10测试
        //Boolean res2 = writeRegisters(136, 7, new short[]{1, 2, 3});
        //Boolean res3 = writeRegisters(136, 7, new short[]{991, 778, 25, 0});

    }


}

    测试结果

    ​ 01测试 （读取线圈寄存器状态）

    测试读取线圈状态数据结果

     [main] DEBUG com.serotonin.modbus4j.ip.tcp.TcpMaster - Encap Request: 00 01 00 00 00 06 01 01 00 00 00 01 
 [main] DEBUG com.serotonin.modbus4j.ip.tcp.TcpMaster - Sending on port: 502
 [main] DEBUG com.serotonin.modbus4j.ip.tcp.TcpMaster - Response: 00 01 00 00 00 04 01 01 01 01 
 [main] DEBUG com.serotonin.modbus4j.ip.tcp.TcpMaster - Encap Request: 00 02 00 00 00 06 01 01 00 01 00 01 
 [main] DEBUG com.serotonin.modbus4j.ip.tcp.TcpMaster - Sending on port: 502
 [main] DEBUG com.serotonin.modbus4j.ip.tcp.TcpMaster - Response: 00 02 00 00 00 04 01 01 01 00 
 [main] DEBUG com.serotonin.modbus4j.ip.tcp.TcpMaster - Encap Request: 00 03 00 00 00 06 01 01 00 07 00 01 
 [main] DEBUG com.serotonin.modbus4j.ip.tcp.TcpMaster - Sending on port: 502
 [main] DEBUG com.serotonin.modbus4j.ip.tcp.TcpMaster - Response: 00 03 00 00 00 04 01 01 01 01 
get v0001 :true
get v0002 :false
get v0008 :true

    读取对应的寄存器/线圈 系统中能获取到模拟器中的数据。

    写入对应的寄存器/线圈 模拟器中的数据也会发生变化。

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