【.NET6+Modbus】Modbus TCP协议解析、仿真环境以及基于.NET实现基础通信
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【.NET6+Modbus】Modbus TCP协议解析、仿真环境以及基于.NET实现基础通信
前言：随着工业化的发展，目前越来越多的开发，从互联网走向传统行业。其中，工业领域也是其中之一，包括各大厂也都在陆陆续续加入工业4.0的进程当中。
工业领域，最核心的基础设施，应该是与下位硬件设备或程序进行通信有关的了，而下位机市场基本上是PLC的天下。而PLC产品就像编程语言一样，类型繁多，协议也多种多样。例如，西门子PLC最常用的S7协议、施耐德PLC最常用的Modbus协议、以及标准工业通信协议CIP协议等等。而多种通信协议里面，基于以太网通信的居多。以太网通信的里面，通用协议除了CIP协议，就属于Modbus TCP协议了。
接下来的内容，我会以从头开发一个简单的基于modbus tcp通信的案例，来实现一个基础的通信功能。
有关环境：
开发环境： VS 2022企业版
运行环境： Win 10 专业版
.NET 环境版本： .NET 6
【备注】 源码在文末
1、新建一个基于.NET 6带控制器的webapi项目，以及一个类库项目。如下图所示，新建以后的项目目录结构。
2、由于modbus tcp通信实际上就是一个socket通信，所以在类库项目下，先创建了一个Modbus服务类，并且提供一个基于socket通信连接的方法。socket连接以后，需要返回socket实例拿来使用。
3、为了方便一点，再新增一个通用的返回信息类，用于存储一些返回信息使用。
4、基于以上的返回信息类，咱对连接方法进行稍微改造一下，让它看起来更方便一点。这样可以用来验证连接是否正常，以及返回对应的异常信息，好做进一步处理。
5、Modbus TCP请求的报文规则，一些解析信息如下：
站地址：默认0x01, 除非PLC告诉我们其他站地址。
功能码：代表读写数据时候指定的读写方法等。例如读取线圈的功能码是0x01。
地址和读取长度：地址目前个人在施耐德物理的PLC环境上，不能超过30000。同时，单次读写长度不能超过248个byte，否则PLC可能会飘。当然，也可能将来一些PLC可以支持更长的批量数据读写，目前在施耐德PLC环境下不支持(具体型号忘记了，有点久了，当前身边没得PLC了，等下会使用仿真工具来做环境)。
头部校验(消息唯一识别码)：0~65535，用于PLC服务端进行区分不同的客户端而使用的一组数据标识，不同的客户端必须保证标识码不重合。例如多个客户端同时存在时候，发起的通信请求，必须保持不一样的识别码，否则Modbus服务端有可能会因为不知是哪个客户端发起的请求而导致信息乱了。
无(协议标识)：默认0,代表是Modbus协议。
数据长度：发送的报文的长度，刚好是6位，所以可以写成固定值0x06。(写入的规则不一样，此处固定值只当作读取时候使用)
6、根据协议的一些具体内容，写一个存储功能码和异常返回码的数据类，用于后期做通信时候传参和通信数据验证使用。有关协议具体内容，如下代码所示。
7、由于异常码是byte数据，直接验证可能会麻烦一点，为了可以直观一些，此处再新增一个用于解析Modbus返回的异常信息的方法，用于备用。
8、根据协议规则，提供一些参数，并先搭建一个简单的方法框架，用来可以进行读取线圈的功能。包含简单的报文数据拆分以及报文发送和接收。由于发送报文长度不能超过248byte（1 bool大小 == 1 byte，如果是其他类型，需要做其他长度换算），所以当长度超过时候，做个简单的算法进行拆分再发送，防止发生不必要的异常。以下做一个读取线圈(Bool类型数据)的简单方法。
9、根据上方提供的协议报文组装规则，进行开发一个通用的报文组织方法。有高低位之分，所以对于占用2byte的数据，需要进行"倒装"。
10、发送报文以后，返回的报文含有校验信息：发送的数据报文的第7位的数据，加上 0x80 以后，跟返回的报文的第7位byte数据如果一致，则代表当前通信上可能有异常。异常码在接收的响应报文的第8位。
所以可以继续写一个验证是否成功的校验方法：
11、由于返回的数据也都是byte数据，以上读取的线圈值(布尔值)，就需要提供一个数据类型转换的功能用于把byte数组转换为bool数组。
12、对读取线圈的最开始的方法，进行一些完善以后的代码如下。响应报文长度是 发送数据长度*2+9 。
13、接下来做一个简单的测试。准备一下仿真环境，进行本地的测试，看看是否可以连通。先准备两个工具，一个是 modbus poll，另一个是modbus slave。一个用来模拟服务端环境，另一个可用来模拟数据收发验证。
【备注】：由于网上存在很多爬虫爬取博客文章到各个地方的，所以如果有需要这俩工具的小伙伴，可以点击该文章的 原文链接：【https://www.cnblogs.com/weskynet/p/16121383.html】的最下方的QQ群号进行加群进行获取，或者在文章最后提供的个人微信号，加我个人微信私发也可以。
14、两边都设置为读写单个线圈的功能，用于测试以上线圈读取的代码的功能。
15、两边都设置为modbus tcp连接方式。Slave站点启动以后，默认为本地，poll工具上的IP地址选择本地即可。如果是真实PLC环境，则填写真实PLC地址。
16、测试两边是否通信上。给任意一个地址写入一个true,可以看到另一边也同步更新，说明通信是通的了。
【注意】modbus工具，poll和slave工具默认占用了消息唯一标识码，大概是1~5左右的固定值，所以使用该工具期间，建议程序上的唯一消息识别码设置为5以上，以防止通信干扰。
17、接下来就可以继续完善代码进行验证了。先新增ModbusService的接口IModbusService，用于实现依赖注入。然后在program.cs文件里面进行服务注册。
18、新建一个控制器，用来进行模拟实验。有关代码和注释如图所示。
19、进行读取一个长度试试效果。结果是数据不支持，说明报文有问题。
20、通过断点，找到问题所在，上面的代码里面，length经过简单算法计算以后等于0，此处需要用的应该是newLength变量的值。
21、再次测试，地址从1开始，读取两个地址，结果符合预期。
22、再测试一下，从0开始读取30个，并随即设置若干个是True的值。
23、其他的写入、以及其他类型读写，基本类似。由于篇幅有限，就不继续进行一步一步操作的截图了。读取的，选好类型，报文格式都是一样的，唯一有差别的是写入的报文。下面是写入单个线圈值的报文。线圈当前仅支持一个一个写入。
24、写入寄存器的规则会有些偏差，协议规则如下图。
【备注】以上图的标题，我写错了，应该是 “写入寄存器”报文协议，懒得换图了，大佬们看的时候自己辨别哈~
读取线圈当作引导，其他类型也都异曲同工，大佬们可以自行尝试。
另外说点，如果是生产环境下使用，建议把客户端连接做成【长连接】，不然重复创建连接比较耗费资源，耗时也会因为新建连接而占用一大半。同时，如果是多线程访问，使用同一个客户端连接，必须加锁，否则会干扰数据；如果是多线程，不同客户端，就要保证每个消息识别码必须不同，如果存在同一个识别码，很容易发生数据异常等情况。
有关源码：
ModbusService源码：
View Code
控制器源码：
View Code
功能码和异常码：
View Code
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