第二章：PLC通信基础——串口通信RS232/RS485原理、Modbus RTU协议详解、Modbus TCP协议详解
各位同学，欢迎来到第二章。这一章我们聊聊PLC通信的基础。说实话，很多刚入行的工程师觉得通信协议很神秘，其实说白了，就是两个设备之间约定好怎么说话、用什么语速、怎么确认对方听懂了。
我个人习惯把通信协议比作两个人打电话——你得先拨号建立连接，然后说清楚谁先讲、讲多久、讲完怎么挂断。PLC通信也是这个道理。今天我们就从最基础的串口通信讲起，再到工业界最常用的Modbus协议。
2.1 串口通信：RS232与RS485
先说说串口通信。你想想看，PLC和传感器、变频器、仪表之间怎么传数据？最原始也最可靠的方式就是串口。我最早接触PLC时，用的就是RS232，一根线连电脑，下载程序全靠它。
RS232——老前辈，但还在用
RS232是串口通信的鼻祖。它用正负电压表示逻辑1和0，比如-3V~-15V是逻辑1，+3V~+15V是逻辑0。嗯，这里要注意：RS232是全双工的，也就是说可以同时收发数据，就像两个人同时说话也能听见对方。
RS232关键参数：
- 传输距离：通常不超过15米（我试过20米，信号就开始飘了）
- 通信方式：点对点（一台设备只能连一台）
- 信号线：至少3根（TX发送、RX接收、GND地线）
- 电平标准：±12V左右
我的经验：RS232虽然老，但在调试阶段特别好用。我习惯用USB转RS232线连PLC，打开串口助手就能看数据。不过工业现场别用RS232走长线，干扰太大，我曾经吃过这个亏。
RS485——工业现场的主力军
RS485就不一样了。它用差分信号传输，说白了就是两根线（A和B）之间的电压差来决定逻辑。抗干扰能力比RS232强太多了。而且它是半双工的，同一时刻只能发或收，不能同时进行。
为什么会这样？因为RS485支持多点通信，一条总线上可以挂最多32个节点（现在有些芯片能挂256个）。如果大家都在发，总线就打架了。所以必须分时复用。
RS485关键参数：
- 传输距离：最远1200米（我实际测过800米，稳定运行）
- 通信方式：多点（一主多从，最多32~256个节点）
- 信号线：2根（A+、B-），有时加GND
- 电平标准：差分信号，A-B > 200mV为逻辑1
避坑指南：我曾经在一条RS485总线上挂了15台变频器，结果通信老是丢包。查了半天发现是终端电阻没加。记住：RS485总线两端必须各加一个120Ω的终端电阻，否则信号反射会让你怀疑人生。
2.2 Modbus RTU协议详解
好了，串口讲完了，我们聊聊Modbus。Modbus是工业界最通用的协议，没有之一。你随便找个PLC，基本都支持Modbus。我个人最喜欢Modbus的一点——它简单到令人发指，但够用。
Modbus RTU是运行在串口（通常是RS485）上的版本。它用二进制格式传输，效率高，适合工业现场。
报文结构
Modbus RTU的报文就三部分：地址码 + 功能码 + 数据 + CRC校验。我拆开给你看：
| 字段 | 长度 | 说明 |
|---|---|---|
| 从站地址 | 1字节 | 0x01~0xF7，0x00为广播地址 |
| 功能码 | 1字节 | 指示操作类型（读/写线圈、寄存器等） |
| 数据区 | N字节 | 寄存器地址、数量、数据值等 |
| CRC校验 | 2字节 | 低字节在前，高字节在后 |
常用功能码
你不需要背所有功能码，记住这几个就够了：
- 0x01：读线圈状态（读DO）
- 0x02：读离散输入（读DI）
- 0x03：读保持寄存器（读AO或数据寄存器）—— 这个最常用
- 0x04：读输入寄存器（读AI）
- 0x05：写单个线圈（写单个DO）
- 0x06：写单个寄存器（写单个AO）
- 0x0F：写多个线圈
- 0x10：写多个寄存器
我的习惯：调试时我一般先用0x03功能码读几个寄存器，确认通信通了，再试写操作。这样一步步来，出问题好定位。
CRC校验怎么算？
Modbus RTU用16位CRC校验，多项式是0x8005。你不用手算，PLC和上位机库都帮你算好了。但你要知道：CRC校验失败，报文直接丢弃。我曾经遇到一个案例，现场干扰大，CRC错误率高达30%，后来换了屏蔽双绞线才解决。
// 一个简单的CRC16计算示例（C语言风格）
uint16_t crc16_modbus(uint8_t *data, uint16_t len) {
uint16_t crc = 0xFFFF;
for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {
crc ^= data[i];
for (uint8_t j = 0; j < 8; j++) {
if (crc & 0x0001) {
crc = (crc >> 1) ^ 0xA001;
} else {
crc >>= 1;
}
}
}
return crc;
}
2.3 Modbus TCP协议详解
Modbus TCP就是把Modbus搬到以太网上。你想想看，现在工厂里到处都是网线，走TCP/IP多方便。而且Modbus TCP不需要CRC校验，因为TCP/IP协议栈自己会保证数据完整性。
和RTU的区别
说白了，Modbus TCP就是把RTU报文去掉CRC，前面加一个MBAP报文头。MBAP头有7个字节：
| 字段 | 长度 | 说明 |
|---|---|---|
| 事务处理标识符 | 2字节 | 用于匹配请求和响应（随便填，但同一会话要一致） |
| 协议标识符 | 2字节 | 固定为0x0000（表示Modbus协议） |
| 后续长度 | 2字节 | 从单元标识符开始到报文结束的字节数 |
| 单元标识符 | 1字节 | 相当于RTU的从站地址 |
然后后面紧跟着功能码和数据区，和RTU一模一样，只是没有CRC。
Modbus TCP报文示例（读保持寄存器）：
请求：00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 0A
|--MBAP头--| |--PDU--|
事务ID=0x0001
协议ID=0x0000
长度=0x0006（后面6个字节）
单元ID=0x01
功能码=0x03（读保持寄存器）
起始地址=0x0000
寄存器数量=0x000A（10个）
响应：00 01 00 00 00 17 01 03 14 00 01 00 02 ...
长度=0x0017（23个字节）
功能码=0x03
字节数=0x14（20个数据字节）
后面是10个寄存器的值（每个2字节）端口号
Modbus TCP默认使用端口502。这个端口是IANA分配给Modbus的，一般不会被其他服务占用。但如果你在电脑上调试，记得关掉防火墙或者放行502端口。
我曾经踩过的坑：有一次现场调试，PLC和上位机怎么都连不上Modbus TCP。查了半天，发现IT部门把502端口封了。所以做项目前，一定先和IT确认网络策略。
2.4 实战建议：选型与调试
最后给你一些实战建议，都是我用真金白银换来的经验：
- 距离短（<15米）、设备少（1对1）：用RS232，简单直接。
- 距离远（>15米）、设备多（多个从站）：用RS485 + Modbus RTU，工业现场首选。
- 有以太网环境、数据量大：用Modbus TCP，速度快，调试方便。
- 调试工具：我习惯用Modbus Poll（主站模拟）和Modbus Slave（从站模拟），免费版就够用。
- 接线注意：RS485的A+接A+，B-接B-，别接反了。我见过有人接反了还调了一天，最后发现是线序问题。
小技巧：调试串口通信时，先用串口助手发个简单的Modbus RTU报文，看从站有没有响应。如果没响应，先检查接线和波特率。波特率不一致是最常见的低级错误，我刚开始也犯过。
好了，这一章的内容就到这里。串口通信和Modbus协议是工业视觉引导项目的基础，后面我们会用实际案例来演示怎么在PLC和视觉系统之间跑通这些协议。记住：理论是死的，现场是活的，多动手比什么都强。
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