前言：隨著工業化的發展，目前越來越多的開發，從網際網路走向傳統行業。其中，工業領域也是其中之一，包括各大廠也都在陸陸續續加入工業4.0的程式當中。
工業領域，最核心的基礎設施，應該是與下位硬體裝置或程式進行通訊有關的了，而下位機市場基本上是PLC的天下。而PLC產品就像程式語言一樣，型別繁多，協議也多種多樣。例如，西門子PLC最常用的S7協議、施耐德PLC最常用的Modbus協議、以及標準工業通訊協議CIP協議等等。而多種通訊協議裡面，基於乙太網通訊的居多。乙太網通訊的裡面，通用協議除了CIP協議，就屬於Modbus TCP協議了。
接下來的內容，我會以從頭開發一個簡單的基於modbus tcp通訊的案例，來實現一個基礎的通訊功能。
有關環境：
開發環境： VS 2022企業版
執行環境： Win 10 專業版
.NET 環境版本： .NET 6
【備註】 原始碼在文末
1、新建一個基於.NET 6帶控制器的webapi專案，以及一個類庫專案。如下圖所示，新建以後的專案目錄結構。
2、由於modbus tcp通訊實際上就是一個socket通訊，所以在類庫專案下，先建立了一個Modbus服務類，並且提供一個基於socket通訊連線的方法。socket連線以後，需要返回socket例項拿來使用。
3、為了方便一點，再新增一個通用的返回資訊類，用於儲存一些返回資訊使用。
4、基於以上的返回資訊類，我們對連線方法進行稍微改造一下，讓它看起來更方便一點。這樣可以用來驗證連線是否正常，以及返回對應的異常資訊，好做進一步處理。
5、Modbus TCP請求的報文規則，一些解析資訊如下：
站地址：預設0x01, 除非PLC告訴我們其他站地址。
功能碼：代表讀寫資料時候指定的讀寫方法等。例如讀取線圈的功能碼是0x01。
地址和讀取長度：地址目前個人在施耐德物理的PLC環境上，不能超過30000。同時，單次讀寫長度不能超過248個byte，否則PLC可能會飄。當然，也可能將來一些PLC可以支援更長的批量資料讀寫，目前在施耐德PLC環境下不支援(具體型號忘記了，有點久了，當前身邊沒得PLC了，等下會使用模擬工具來做環境)。
頭部校驗(訊息唯一識別碼)：0~65535，用於PLC服務端進行區分不同的客戶端而使用的一組資料標識，不同的客戶端必須保證標識碼不重合。例如多個客戶端同時存在時候，發起的通訊請求，必須保持不一樣的識別碼，否則Modbus服務端有可能會因為不知是哪個客戶端發起的請求而導致資訊亂了。
無(協議標識)：預設0,代表是Modbus協議。
資料長度：傳送的報文的長度，剛好是6位，所以可以寫成固定值0x06。(寫入的規則不一樣，此處固定值只當作讀取時候使用)
6、根據協議的一些具體內容，寫一個儲存功能碼和異常返回碼的資料類，用於後期做通訊時候傳參和通訊資料驗證使用。有關協議具體內容，如下程式碼所示。
7、由於異常碼是byte資料，直接驗證可能會麻煩一點，為了可以直觀一些，此處再新增一個用於解析Modbus返回的異常資訊的方法，用於備用。
8、根據協議規則，提供一些引數，並先搭建一個簡單的方法框架，用來可以進行讀取線圈的功能。包含簡單的報文資料拆分以及報文傳送和接收。由於傳送報文長度不能超過248byte（1 bool大小 == 1 byte，如果是其他型別，需要做其他長度換算），所以當長度超過時候，做個簡單的演算法進行拆分再傳送，防止發生不必要的異常。以下做一個讀取線圈(Bool型別資料)的簡單方法。
9、根據上方提供的協議報文組裝規則，進行開發一個通用的報文組織方法。有高低位之分，所以對於佔用2byte的資料，需要進行"倒裝"。
10、傳送報文以後，返回的報文含有校驗資訊：傳送的資料包文的第7位的資料，加上 0x80 以後，跟返回的報文的第7位byte資料如果一致，則代表當前通訊上可能有異常。異常碼在接收的響應報文的第8位。
所以可以繼續寫一個驗證是否成功的校驗方法：
11、由於返回的資料也都是byte資料，以上讀取的線圈值(布林值)，就需要提供一個資料型別轉換的功能用於把byte陣列轉換為bool陣列。
12、對讀取線圈的最開始的方法，進行一些完善以後的程式碼如下。響應報文長度是 傳送資料長度*2+9 。
13、接下來做一個簡單的測試。準備一下模擬環境，進行本地的測試，看看是否可以連通。先準備兩個工具，一個是 modbus poll，另一個是modbus slave。一個用來模擬服務端環境，另一個可用來模擬資料收發驗證。
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14、兩邊都設定為讀寫單個線圈的功能，用於測試以上線圈讀取的程式碼的功能。
15、兩邊都設定為modbus tcp連線方式。Slave站點啟動以後，預設為本地，poll工具上的IP地址選擇本地即可。如果是真實PLC環境，則填寫真實PLC地址。
16、測試兩邊是否通訊上。給任意一個地址寫入一個true,可以看到另一邊也同步更新，說明通訊是通的了。
【注意】modbus工具，poll和slave工具預設佔用了訊息唯一標識碼，大概是1~5左右的固定值，所以使用該工具期間，建議程式上的唯一訊息識別碼設定為5以上，以防止通訊干擾。
17、接下來就可以繼續完善程式碼進行驗證了。先新增ModbusService的介面IModbusService，用於實現依賴注入。然後在program.cs檔案裡面進行服務註冊。
18、新建一個控制器，用來進行模擬實驗。有關程式碼和註釋如圖所示。
19、進行讀取一個長度試試效果。結果是資料不支援，說明報文有問題。
20、通過斷點，找到問題所在，上面的程式碼裡面，length經過簡單演算法計算以後等於0，此處需要用的應該是newLength變數的值。
21、再次測試，地址從1開始，讀取兩個地址，結果符合預期。
22、再測試一下，從0開始讀取30個，並隨即設定若干個是True的值。
23、其他的寫入、以及其他型別讀寫，基本類似。由於篇幅有限，就不繼續進行一步一步操作的截圖了。讀取的，選好型別，報文格式都是一樣的，唯一有差別的是寫入的報文。下面是寫入單個線圈值的報文。線圈當前僅支援一個一個寫入。
24、寫入暫存器的規則會有些偏差，協議規則如下圖。
【備註】以上圖的標題，我寫錯了，應該是 “寫入暫存器”報文協議，懶得換圖了，大佬們看的時候自己辨別哈~
讀取線圈當作引導，其他型別也都異曲同工，大佬們可以自行嘗試。
另外說點，如果是生產環境下使用，建議把客戶端連線做成【長連線】，不然重複建立連線比較耗費資源，耗時也會因為新建連線而佔用一大半。同時，如果是多執行緒訪問，使用同一個客戶端連線，必須加鎖，否則會干擾資料；如果是多執行緒，不同客戶端，就要保證每個訊息識別碼必須不同，如果存在同一個識別碼，很容易發生資料異常等情況。
有關原始碼：
ModbusService原始碼：
public class ModbusService: IModbusService { public ResultInformation<Socket> ConnectModbusTcpService( IPAddress ip, int port) { ResultInformation<Socket> client = new(); try { client.Result = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp); client.Result.Connect(new IPEndPoint(ip, port)); client.IsSucceed = true; } catch (Exception ex) { client.IsSucceed=false; client.Message = ex.Message; } return client; } /// <summary> /// 讀取線圈值(Bool) /// </summary> /// <param name="client">客戶端</param> /// <param name="headCode">頭部標識</param> /// <param name="station">站地址</param> /// <param name="address">地址</param> /// <param name="length">長度</param> /// <returns></returns> public ResultInformation<bool[]> ReadCoils(Socket client,ushort headCode,byte station, ushort address, ushort length) { ResultInformation<bool[]> result = new(); int resultIndex = 0; ushort newLength = 0; ushort realLength = length; // 儲存實際長度 try { List<byte> byteResult = new List<byte>(); // 儲存實際讀取到的所有有效的byte資料 while (length > 0) { if (length > 248) // 長度限制，不能超過248 { length = (ushort)(length - 248); newLength = 248; } else { newLength = length; length = 0; } resultIndex += newLength; byte[] sendBuffers = BindByteData(headCode,station,FunctionCode.ReadCoil,address,newLength); // 組裝報文 client.Send(sendBuffers); byte[] receiveBuffers = new byte[newLength * 2 + 9]; int count = client.Receive(receiveBuffers); // 等待接收報文 var checkResult = CheckReceiveBuffer(sendBuffers, receiveBuffers); // 驗證訊息傳送成功與否 if (checkResult.IsSucceed) { // 成功，如果長度超出單次讀取長度，進行繼續讀取，然後對資料進行拼接 List<byte> byteList = new List<byte>(receiveBuffers); byteList.RemoveRange(0, 9); // 去除前面9個非資料位 byteResult.AddRange(byteList); // 讀取到的資料進行新增進集合 address += newLength; // 下一個起始地址 } else { throw new Exception(checkResult.Message); } } result.IsSucceed = true; result.Result = ByteToBoolean(byteResult.ToArray(), realLength); } catch (Exception ex) { result.IsSucceed = false; result.Result = new bool[0]; result.Message = ex.Message; } return result; } private bool[] ByteToBoolean(byte[] data,int length) { if (data == null) { return new bool[0]; } if (length > data.Length * 8) length = data.Length * 8; bool[] result = new bool[length]; for (int i = 0; i < length; i++) { int index = i / 8; int offect = i % 8; byte temp = 0; switch (offect) { case 0: temp = 0x01; break; case 1: temp = 0x02; break; case 2: temp = 0x04; break; case 3: temp = 0x08; break; case 4: temp = 0x10; break; case 5: temp = 0x20; break; case 6: temp = 0x40; break; case 7: temp = 0x80; break; default: break; } if ((data[index] & temp) == temp) { result[i] = true; } } return result; } private byte[] BindByteData(ushort headCode,byte station,byte functionCode,ushort address, ushort length) { byte[] head = new byte[6]; head[0] = station; // 站地址 head[1] = functionCode; // 功能碼 head[2] = BitConverter.GetBytes(address)[1]; // 起始地址 head[3] = BitConverter.GetBytes(address)[0]; head[4] = BitConverter.GetBytes(length)[1]; // 長度 head[5] = BitConverter.GetBytes(length)[0]; return GetSocketBytes(headCode,head); } private byte[] GetSocketBytes(ushort headCode,byte[] head) { byte[] buffers = new byte[head.Length+6]; buffers[0] = BitConverter.GetBytes(headCode)[1]; buffers[1] = BitConverter.GetBytes(headCode)[0]; // 2 和 3位置預設，所以不需要賦值 buffers[4] = BitConverter.GetBytes(head.Length)[1]; buffers[5] = BitConverter.GetBytes(head.Length)[0]; head.CopyTo(buffers, 6); return buffers; } private ResultInformation<string> CheckReceiveBuffer(byte[] send,byte[] receive) { ResultInformation<string> result = new(); if ((send[7] + 0x80) == receive[7]) { var str = FunctionCode.GetDescriptionByErrorCode(receive[8]); result.IsSucceed = false; result.Message = str; } else { result.IsSucceed = true; } return result; } }
控制器原始碼：
[Route("api/[controller]/[action]")] [ApiController] public class TestModbusController : ControllerBase { IModbusService _service; public TestModbusController(IModbusService modbusService) { _service = modbusService; } [HttpPost] public IActionResult ReadCoil(ushort address, ushort length) { var ip = IPAddress.Parse("127.0.0.1"); // ip地址 int port = 502; // modbus tcp通訊，預設埠 byte station = (byte)((short)1); // 站地址為1 var connectResult = _service.ConnectModbusTcpService(ip,port); if (connectResult.IsSucceed) { // socket連線建立成功 var readResult = _service.ReadCoils(connectResult.Result,6,station,address,length); // 唯一訊息碼設為6(大於5，且不重複即可) if (readResult.IsSucceed) { if (readResult.Result.Any()) { StringBuilder sb = new StringBuilder(); for(int i = 0; i < readResult.Result.Length; i++) { sb.AppendLine($"[{i}]:{readResult.Result[i]}"); } return Ok(sb.ToString()); } } else { return Ok(readResult.Message); } } else { return Ok(connectResult.Message); } return Ok(); } }
功能碼和異常碼：
public class FunctionCode { #region 功能碼 public const byte ReadCoil = 0x01; // 讀取線圈狀態 暫存器PLC地址 00001 - 09999 public const byte ReadInputDiscrete = 0x02; // 讀取 可輸入的離散量 暫存器PLC地址 10001 - 19999 public const byte ReadRegister = 0x03; // 讀取 保持暫存器 40001 - 49999 public const byte ReadInputRegister = 0x04; // 讀取 可輸入暫存器 30001 - 39999 public const byte WriteSingleCoil = 0x05; // 寫單個 線圈 00001 - 09999 public const byte WriteSingleRegister = 0x06; // 寫單個 保持暫存器 40001 - 49999 public const byte WriteMultiCoil = 0x0F; // 寫多個 線圈 00001 - 09999 public const byte WriteMultiRegister = 0x10; // 寫多個 保持暫存器 40001 - 49999 public const byte SelectSlave = 0x11; // 查詢從站狀態資訊 (串列埠通訊使用) #endregion #region 異常碼 public const byte FunctionCodeNotSupport = 0x01;// 非法功能碼 public const byte DataAddressNotSupport = 0x02;// 非法資料地址 public const byte DataValueNotSupport = 0x03;// 非法資料值 public const byte DeviceNotWork = 0x04;// 從站裝置異常 public const byte LongTimeResponse = 0x05;// 請求需要更長時間才能進行處理請求 public const byte DeviceBusy = 0x06;// 裝置繁忙 public const byte OddEvenError = 0x08;// 奇偶性錯誤 public const byte GatewayNotSupport = 0x0A;// 閘道器錯誤 public const byte GatewayDeviceResponseTimeout = 0x0B;// 閘道器裝置響應失敗 #endregion public static string GetDescriptionByErrorCode(byte code) { switch (code) { case FunctionCodeNotSupport: return "FunctionCodeNotSupport"; case DataAddressNotSupport: return "DataAddressNotSupport"; case DataValueNotSupport: return "DataValueNotSupport"; case DeviceNotWork: return "DeviceNotWork"; case LongTimeResponse: return "LongTimeResponse"; case DeviceBusy: return "DeviceBusy"; case OddEvenError: return "OddEvenError"; case GatewayNotSupport: return "GatewayNotSupport"; case GatewayDeviceResponseTimeout: return "GatewayDeviceResponseTimeout"; default: return "UnknownError"; } } }
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