标准背景与概述
GB/T 19582.1-2008是由中国国家标准化管理委员会发布的国家标准，旨在指导和规范基于Modbus协议的工业自动化网络的设计和实施。该标准由全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会（TC124）归口，并由中国机械工业联合会主管。主要起草单位包括机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、西南大学、上海自动化仪表股份有限公司等；而主要起草人则有王玉敏、柳晓青、刘枫等人参与了这项工作。
Modbus 应用协议
1. 协议介绍
本标准首先对 Modbus 协议进行了详细介绍，涵盖了其基本原理、通信方式及帧结构等方面。Modbus 协议定义了一个独立于底层通信层的简单协议数据单元 (PDU)，这使得它能够在不同的总线或网络上灵活映射。例如，在特定的总线或网络上，Modbus 协议可以在应用数据单元 (ADU) 中引入一些额外字段以适应具体的环境要求。
2. 网络设计要求
对于基于 Modbus 协议构建的工业自动化网络，本标准明确了设计的基本要求和原则，涉及网络拓扑结构、通信速率、设备接入方式等内容。此外，还特别强调了网络安全的重要性，提出了访问控制、数据加密以及漏洞管理等方面的措施，以保障网络数据的安全性和可靠性。
3. 设备选择与配置
在网络设备的选择上，本标准提供了硬件和软件方面的明确指引，包括设备兼容性、性能指标及配置要求等。同时，也针对网络故障排除和维护给出了具体建议，确保整个系统的稳定运行。
4. 功能码描述
功能码是 Modbus 请求/应答 PDU 的重要组成部分，决定了服务器端需要执行的动作。本标准详细列出了常用的功能码及其含义，如读取保持寄存器 (0x03) 或写入单个寄存器 (0x06) 等。这些功能码不仅限于读写操作，还包括诊断查询等功能，为开发者提供了丰富的工具集来实现多样化的应用需求。
5. 数据模型与寻址
Modbus 将其数据模型建立在一系列具有显著特征的表之上，主要包括离散输入、线圈、输入寄存器和保持寄存器四大类。每种类型的对象都有固定的长度（如 1 bit 或 16-bit word），并且可以通过唯一的地址进行访问。需要注意的是，尽管寻址范围是从 0 到 65535，但在实际使用时，元素编号是从 1 开始计数的。
Modbus 协议在串行链路上的实现指南
1. Modbus 数据链路层
本标准详细描述了Modbus数据链路层的实现方式，特别是针对串行链路通信。它定义了两种不同的传输模式——RTU (Remote Terminal Unit) 和 ASCII (American Standard Code for Information Interchange)，这两种模式决定了如何在线路上打包和解码信息。对于 RTU 模式，每个8位字节含有两个4位十六进制字符，具有较高的数据密度，在相同的波特率下比ASCII模式有更高的吞吐率。相比之下，ASCII模式使用更冗长的编码方式，但提供了更好的兼容性和容错能力。
2. 物理层
在物理层方面，Modbus串行链路系统可以采用多种硬件接口进行通信，最常见的是TIA/EIA-485 (RS485) 两线制接口，适用于多点通信场景；作为附加选项，也可以实现RS485四线制接口或TIA/EIA-232-E (RS232) 串行接口用于短距离点到点通信。选择合适的物理层对于确保稳定可靠的通信至关重要。
3. 安装和文档
除了技术和协议层面的规定外，本标准还强调了正确的安装实践以及详尽文档的重要性。例如，正确布线、接地处理以及维护记录等都是保证长期可靠运行的关键因素。此外，清晰的技术文档可以帮助用户更好地理解和操作设备，减少故障发生的可能性。
4. 实现等级
根据不同的应用场景和技术要求，本标准提出了多个实现等级，从基础功能到高级特性都有所涵盖。这使得开发者可以根据具体需求灵活调整实施方案，既满足基本通信要求，又能支持复杂应用环境下的高级功能。
5. 主/从协议机制
Modbus串行链路协议是一个典型的主/从协议，位于OSI模型的第二层。在同一时刻，只有一个主节点连接于总线，一个或多个子节点(最大编号为247)连接于同一个串行总线。主节点在同一时刻只会发起一个Modbus事务处理，并且只有当主节点发出请求时，子节点才会响应。这种设计简化了网络拓扑结构，同时也提高了系统的可靠性和效率。
6. 传输模式细节
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RTU传输模式：RTU模式下，报文中每个8位字节包含两个4位十六进制字符。此模式的主要优点是较高的数据密度，在相同的波特率下比ASCII模式有更高的吞吐率。每个报文必须以连续的字符流传送，且需要通过至少3.5个字符时间的空闲间隔来区分不同的报文帧。
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ASCII传输模式：ASCII模式中，每个8位子节以两个ASCII字符发送，这意味着一个子节需要两个字符表示。虽然这种方式比RTU效率低，但它允许更大的字符间时间间隔，从而更适合某些对定时敏感的应用。
Modbus 协议在 TCP/IP 上的实现指南
1. 引言
本部分作为整个GB/T 19582系列标准的一部分，提供了关于如何在TCP/IP网络中实现Modbus协议的具体指导，是标准的核心内容之一。它不仅涵盖了基本的概念和技术细节，还提供了一系列最佳实践建议，以确保不同厂商的产品之间能够顺利互操作。
2. 报文传输服务
在TCP/IP上的Modbus报文传输服务是指定了一套规则来定义客户端和服务器之间的通信方式。根据客户机/服务器模式，存在四种类型的报文：MODBUS请求、MODBUS响应、异常响应以及广播请求。这些报文通过TCP连接进行交换，每个TCP数据段包含一个或多个完整的Modbus应用数据单元（ADU），并且每个ADU都由一个事务标识符、协议标识符、长度字段以及PDU组成。
3. 地址分配
为了保证网络中的每个设备都能被唯一识别并正确寻址，本标准对地址分配进行了详细说明。例如，在IPv4环境中，通常使用IP地址加端口号的方式来标识每一个节点；而在IPv6环境下，则可能涉及到更复杂的寻址方案。此外，还讨论了动态主机配置协议（DHCP）、域名系统（DNS）等辅助工具的应用，以便简化网络管理和维护工作。
4. 客户端与服务器角色
在一个典型的Modbus TCP/IP网络中，存在着主设备（通常是SCADA系统或HMI）和服务端设备（如PLC或其他智能装置）。主设备扮演着客户端的角色，负责发起所有的查询请求；而服务端设备则充当服务器，等待接收来自客户端的消息并作出相应的回应。这种架构有助于维持清晰的任务分工，并减少了潜在冲突的可能性。
5. 连接管理
由于TCP是一种面向连接的传输层协议，因此建立可靠的TCP连接对于确保稳定的数据交换至关重要。本标准描述了如何初始化TCP连接、处理超时情况以及优雅地关闭连接的方法。特别是针对工业应用场景下的高可靠性要求，提出了诸如心跳检测机制等增强措施。
6. 数据表示
当Modbus PDU从串行链路迁移到TCP/IP时，需要考虑字节序问题。大多数情况下，Modbus采用大端格式（Big Endian），即高位字节先传输。然而，在某些特殊情形下，也可能遇到小端格式（Little Endian）的情况。为此，本标准明确了不同平台间数据表示的一致性原则，避免因字节序差异导致误解。
7. 错误处理
尽管尽力确保通信无误，但在实际运行过程中难免会遇到各种错误。为了有效应对这些问题，本标准定义了一系列预定义的例外代码，允许服务器向客户端报告具体的问题原因。例如，非法功能码（Exception Code 0x01）、无效起始地址（Exception Code 0x02）等都是常见的错误类型。通过这种方式，不仅可以帮助诊断故障，还能提高系统的鲁棒性。
8. 安全考量
随着网络安全威胁日益严重，保护工业控制系统免受攻击变得越来越重要。虽然原始的Modbus协议并未内置安全特性，但本标准推荐了几种加强安全性的方法，比如使用SSL/TLS加密通道、实施访问控制策略以及定期更新固件版本等。这些措施可以显著提升整个网络的安全水平。