3、通信协议基础（下）：Modbus TCP/IP协议、与Modbus RTU的异同、TCP Socket编程基础、工业以太网选型
好，咱们接着聊。上一节我们把Modbus RTU和ASCII扒了个底朝天，这一节重点聊聊Modbus TCP/IP。说实话，现在新建的项目，十有八九都是走TCP/IP了。为什么？因为便宜、好布线、速度快。但便宜归便宜，坑也不少。
3.1 Modbus TCP/IP协议：其实就是RTU穿了个马甲
Modbus TCP/IP，说白了就是把Modbus RTU的报文，直接塞进TCP的数据包里。它去掉了RTU里的CRC校验，因为TCP/IP协议栈自己会做校验。你想想看，TCP已经保证了数据包不丢、不乱序、不出错，我再加个CRC不是脱裤子放屁吗？
它的报文结构很简单：
| 事务处理标识符(2字节) | 协议标识符(2字节) | 长度(2字节) | 单元标识符(1字节) | 功能码(1字节) | 数据(N字节) |这里我重点说几个容易搞混的地方：
- 事务处理标识符：客户端发请求时随便填个序号，服务器回复时原样返回。我习惯用递增的计数器，方便排查丢包。
- 协议标识符：固定为0x0000，表示这是Modbus协议。别问为什么，标准就是这么定的。
- 长度：从单元标识符开始算起，到报文结束的总字节数。注意，不包括前面的6个字节。
- 单元标识符：相当于RTU里的从站地址。但在TCP里，一个IP端口只对应一个设备，所以这个字段很多时候填0xFF或者0x00。不过我在项目里遇到过，有些老外做的PLC必须填1，否则不认。
关键区别：Modbus TCP没有从站地址的概念，用的是IP地址+端口号。单元标识符更多是为了兼容老设备，或者通过网关桥接到RTU网络时使用。
3.2 Modbus TCP与Modbus RTU的异同
很多新手问我：能不能把RTU设备直接接到以太网上？答案是不能。但你可以加个网关，网关负责把TCP转成RTU。我做过一个项目，现场有50多台老式仪表，全是RS485接口，硬是用了5个网关全部转成TCP，统一接到上位机。
咱们用表格对比一下：
| 对比项 | Modbus RTU | Modbus TCP |
|---|---|---|
| 物理层 | RS232/RS485 | 以太网（RJ45、光纤） |
| 传输方式 | 半双工，主从轮询 | 全双工，可并发 |
| 地址范围 | 1-247（从站地址） | IP地址+端口号 |
| 校验方式 | CRC16 | TCP/IP协议栈校验 |
| 报文头 | 无额外头 | MBAP头（7字节） |
| 最大节点数 | 32（RS485典型值） | 理论上无限制 |
| 典型速率 | 9.6kbps - 115.2kbps | 10/100/1000Mbps |
嗯，这里要注意：虽然TCP支持并发，但很多PLC的Modbus TCP服务器端是单线程处理的。你并发发100个请求，它还是一个一个处理。所以别以为用了TCP就能随便狂轰滥炸，该做的延时还是得做。
3.3 TCP Socket编程基础：别怕，其实就那几步
很多搞自动化的人一听Socket编程就头疼，觉得那是IT的事。其实没那么玄乎。我当年第一次写上位机采集程序，也是硬着头皮啃的。说白了，TCP Socket就三步：连上、发数据、收数据。
下面我用Python举个例子，因为Python最直观，适合快速验证：
import socket
import struct
# 1. 创建Socket
client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 2. 连接PLC（假设IP是192.168.1.100，端口502）
client.connect(('192.168.1.100', 502))
# 3. 构造Modbus TCP请求报文（读保持寄存器，起始地址0，读2个寄存器）
transaction_id = 1
protocol_id = 0
length = 6 # 后面6个字节
unit_id = 1
function_code = 0x03
start_addr = 0x0000
quantity = 0x0002
# 打包成二进制
req = struct.pack('>HHHBBHH',
transaction_id, protocol_id, length,
unit_id, function_code, start_addr, quantity)
# 4. 发送
client.send(req)
# 5. 接收响应（至少收8个字节的MBAP头，再根据长度字段收完）
resp_header = client.recv(8) # 先收头
# 解析长度字段
_, _, resp_len, _, _ = struct.unpack('>HHHBB', resp_header)
# 收完剩余数据
resp_data = client.recv(resp_len - 2) # 减掉已经收的单元标识符和功能码
# 6. 关闭
client.close()我的经验：实际项目中，千万别用阻塞式recv不加超时。我曾经有个程序，PLC突然断电，recv一直卡着不动，整个采集线程都挂了。一定要加socket.settimeout(3)，3秒收不到就重试。
为什么会这样？因为TCP是流式协议，你发的数据可能被拆成多个包发出去，也可能多个小包合并成一个。所以接收的时候一定要按Modbus TCP的报文格式来解析，不能想当然地认为一次recv就能收到完整报文。
3.4 工业以太网选型：别图便宜，血的教训
说到工业以太网，我得先泼盆冷水。别以为家里用的网线、交换机就能用到工厂里。我见过一个项目，现场用了普通交换机，结果车间里电焊机一开，网络就断。为什么？电磁干扰太强了。
工业以太网选型，我建议关注这几点：
- 防护等级：至少IP30以上，最好IP65。粉尘、油污、震动，普通交换机扛不住。
- 工作温度：工业现场夏天40度、冬天零下10度很正常。家用交换机标称0-40度，到了冬天就罢工。
- 冗余功能：关键链路一定要支持环网冗余（RSTP/ERPS）。我有个项目，一条生产线因为交换机坏了停了2小时，损失几十万。后来全部改成环网，断一条线自动切换。
- 电源：工业交换机一般支持双电源冗余，DC 24V供电。别用那种插个电源适配器的，现场震动几下就松了。
- 网线：至少超五类，最好六类屏蔽线。屏蔽层要单端接地，否则反而引入干扰。
避坑指南：我曾经在一个化工厂，用了号称工业级的交换机，结果半年坏了3台。拆开一看，里面电路板没有做三防漆处理，被腐蚀性气体搞短路了。所以选型时一定要问清楚：有没有做三防处理？有没有抗硫化能力？
最后说一句，工业以太网不是越贵越好，但一定不能图便宜。你想想看，一个交换机几百块，一条生产线几百万，哪个更重要？
好了，这一节就到这里。下一节我们聊聊OPC UA，那个才是真正的大杀器。