Python3通过Modbus协议获取寄存器数据

Posted 2022-12-02 xiongsheng666

Python3通过Modbus协议获取寄存器数据

1. Modbus通讯协议

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。

1.1 Modbus比其他通信协议使用的更广泛的主要原因有：

1. 公开发表并且无版权要求
2. 易于部署和维护
3. 对供应商来说，修改移动本地的比特或字节没有很多限制

Modbus允许多个 (大约240个) 设备连接在同一个网络上进行通信，举个例子，一个测量温度和湿度的装置，并且将结果发送给计算机。在数据采集与监视控制系统（SCADA）中，Modbus通常用来连接监控计算机和远程终端控制系统（RTU）。

1.2 协议版本

1. Modbus协议目前存在用于串口、以太网以及其他支持互联网协议的网络的版本。
2. 大多数Modbus设备通信通过串口EIA-485物理层进行。
3. 对于串行连接，存在两个变种，它们在数值数据表示不同和协议细节上略有不同。
4. Modbus RTU是一种紧凑的，采用二进制表示数据的方式，Modbus ASCII是一种人类可读的，冗长的表示方式。
这两个变种都使用串行通信（serial communication）方式。RTU格式后续的命令/数据带有循环冗余校验的校验和，
而ASCII格式采用纵向冗余校验的校验和。被配置为RTU变种的节点不会和设置为ASCII变种的节点通信，反之亦然。
5. 对于通过TCP/IP（例如以太网）的连接，存在多个Modbus/TCP变种，这种方式不需要校验和计算。
 对于所有的这三种通信协议在数据模型和功能调用上都是相同的，只有封装方式是不同的。
6. Modbus有一个扩展版本Modbus Plus（Modbus+或者MB+），不过此协议是Modicon专有的，和Modbus不同。
7. 它需要一个专门的协处理器来处理类似HDLC的高速令牌旋转。它使用1Mbit/s的双绞线，并且每个节点都有转换隔离装置，
8. 是一种采用转换/边缘触发而不是电压/水平触发的装置。连接Modbus Plus到计算机需要特别的接口，通常是支持ISA（SA85），PCI或者PMCIA总线的板卡。

1.3 通信和设备

    Modbus协议是一个master/slave架构的协议。有一个节点是master节点，其他使用Modbus协议参与通信的节点是slave节点。
每一个slave设备都有一个唯一的地址。在串行和MB+网络中，只有被指定为主节点的节点可以启动一个命令（在以太网上，
任何一个设备都能发送一个Modbus命令，但是通常也只有一个主节点设备启动指令）。

  一个ModBus命令包含了打算执行的设备的Modbus地址。所有设备都会收到命令，但只有指定位置的设备会执行及回应指令
（地址0例外，指定地址0的指令是广播指令，所有收到指令的设备都会运行，不过不回应指令）。
所有的Modbus命令包含了检查码，
以确定到达的命令没有被破坏。基本的ModBus命令能指令一个RTU改变它的寄存器的某个值，控制或者读取一个I/O端口，
以及指挥设备回送一个或者多个其寄存器中的数据。

   有许多modems和网关支持Modbus协议，因为Modbus协议很简单而且容易复制。它们当中一些为这个协议特别设计的。
有使用有线、无线通信甚至短消息和GPRS的不同实现。不过设计者需要克服一些包括高延迟和时序的问题。

1.4 实现

几乎所有的实现都是官方标准的某种变体。不同的供应商设备之间可能无法正确的通信。一些主要的变化有：

数据类型
IEEE标准的浮点数
32位整型数
8位数据
混合数据类型
整数中的位域
multipliers to change data to/from integer. 10, 100, 1000, 256 ...
协议扩展
16位的从站地址
32位的数据大小（1个地址 = 返回32位数据）
字交换数据

1.5 限制

Modbus是在1970年末为可编程逻辑控制器通信开发的，这些有限的数据类型在那个时代是可以被PLC理解的，大型二进制对象数据是不支持的。
对节点而言，没有一个标准的方法找到数据对象的描述信息，举个例子，确定一个寄存器数据是否表示一个介于30-175度之间的温度。
由于Modbus是一个主/从协议，没有办法要求设备“报告异常”（构建在以太网的TCP/IP协议之上，被称为open-mbus除外）- 主节点必须循环的询问每个节点设备，并查找数据中的变化。在带宽可能比较宝贵的应用中，这种方式在应用中消耗带宽和网络时间，例如在低速率的无线链路上。
Modbus在一个数据链路上只能处理247个地址，这种情况限制了可以连接到主控站点的设备数量（再一次指出以太网TCP/IP除外）
Modbus传输在远端通讯设备之间缓冲数据的方式进行，有对通信一定是连续的限制，避免了传输中的缓冲区漏洞的问题
Modbus协议自身提供针对未经授权的命令或截取数据没有安全性。

2. 基于Python的Modbus通讯协议对接采集器项目实战

2.1 安装超声波一体式气象站采集器

具体安装可以查看设备安装说明书
部分安装过程如图

2.2 配置软件安装及使用

2.2.1 485 现场布线说明

多个 485 型号的设备接入同一条总线时，现场布线有一定的要求，具体请参考资料包中 《485 设备现场接线手册》

2.2.2 软件选择选择“调试软件”—“485 参数配置软件”，找到“485 参数配置工具” 打开即可。

2.2.3 参数设置

①、选择正确的 COM 口（“我的电脑—属性—设备管理器—端口”里面查看 COM 端口）， 下图列举出几种不同的 485 转换器的驱动名称。

②、单独只接一台设备并上电，点击软件的测试波特率，软件会测试出当前设备的波特率以 及地址，默认波特率为 4800bit/s,默认地址为 0x01。
③、根据使用需要修改地址以及波特率，同时可查询设备的当前功能状态。
④、如果测试不成功，请重新检查设备接线及485驱动安装情况。

2.3 底层数据采集Python代码部分展示

2.4 环境检测预警系统项目效果展示

2.4.1 python后端项目部分展示

2.4.2 前端效果展示