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精品课件-现场总线技术及应用-第3章

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现场总线技术及其应用课件

现场总线技术及其应用课件


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14
3. 总线访问子层
该层定义了过程控制的基本内容。其中，包括 现场总线内部信息的存取方法及信息在网内同一 节点或不同节点的其它设备间的传送方法。现场 总线结构的基础是功能块，由各功能块完成数据 采集、控制或输出。每个功能块都包含一个算法 功能和运算中所需的数据库以及由用户定义的该 功能块的唯一标识符。
11
1
应用层
2
表达层
3
会话层
4
传输层
5
网络层
6 数据链路层
7
物理层
7
应用层
6
5
4
3
总线访问子层
2
数据链路层
1
物理层
图3.2 ISO/OSI模型
图3.3 典型的现场总线协议模型
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➢ 典型的现场总线协议模型（见图3-3）采用 OSI模型中的三个典型层：物理层、数据链路层和 应用层，在省去3～6层后，考虑到现场总线的通 讯特点，设置一个现场总线访问子层。它具有结 构简单、执行协议直观、价格低廉等优点，也满 足工业现场应用的性能要求。与OSI参考模型的相 应层次相比，现场总线标准的物理层、数据链路 层与其有相同的含义。从总线访问子层看，现场
1. 现场总线是开放互连网络 2. 现场总线是现场通信网络 3. 现场总线是数字通信网络 4. 现场总线是现场设备互连网络 5. 现场设备的互操作性与互用性 6. 现场总线是结构和功能高度分散的系统 7. 对现场环境的适应性
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5
3.1.3 现场总线技术的优点
➢ 现场总线具有的数字化、开放性、分散性、 互操作性和互换性及对现场设备环境的适应 性等特点决定和派生了其一系列优点：
《现场总线技术》PPT课件

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触点去
冗余专用电缆至 卡
保护地
屏蔽接地
仪表地
自电源开关来
机柜室 现场
现场接线箱
• 网段辅助设备全部采用MTL公司的产品，每条网段设置了总线电源F60 0A和防浪涌保护器FP32。
• 总线电缆采用国产电缆（八益电缆厂生产）。主干线电缆为铠装金属 丝屏蔽电缆，型号为BJYC3Y32 H1 1X2X0.8（18AGW）;分支线电缆为 非铠装金属丝屏蔽电缆，型号为BJYC3Y2 –H11X2X0.8（18AGW）。
PWOR
SB401 SB401 ALF111 ALF111 ALF111 ALF111 ALF111 ALF111 ALF111 ALF111
PWOR
SB401 SB401 ALF111 ALF111 ALF111 ALF111 ALF111 ALF111 ALF111 ALF111
PWOR
SB401 SB401 AAR145
2
横河
3787阀门定位器
56
3.FF现场总线设计和安装以及组态应注意的问题
网段设计 网段设计应充分参考<<FF现场总线设计安装指南>>，相互关联的FF现场总线
仪表尽可能设置在同一条网段上，特别要注意宏周期和控制模块执行时间的确 定，至于是否需要采用网段浪涌保护还是设备浪涌保护应视具体环境定，应尽可 能选用大容量的网段供电设备。另外，在网段设计时,最好把现场FF仪表的位号 和分配的地址提供给设备供应商，否则，在实施时FCS系统读上来的FF设备全都 是设备出厂时的缺省值，只能一台一台确认，给组态带来诸多麻烦。此外，可以 借助于FF设备厂商提供的“现场总线网段设计工具”来检查网段设计是否满足要 求。
下图所示为FF仪表标准的单回路PID功能块设计案例。 在本工程中，模拟量输入AI块(5FI1101)始终设计在变送器上,模拟量输出AO块(5FCV1101)始 终设计在阀门定位器上，标准的单回路PID功能块(5FICA1101)一般设置在阀门定位器上。对于串 级控制回路,主回路控制PID功能块在FCS控制器里执行,而副PID功能块在阀门定位器里执行。
现场总线技术综合概述(ppt 59页)

现场总线技术综合概述(ppt 59页)


37
1.3 现场总线系统的结构特点
管控一体化 CPU、 A/D、D/A 转换模块内置于
智能仪表， 现场设备具有通信能力
一线完成 多信号、电源共用总线，不需单独
A/D、D/A转换部件
38
Interne t
11110101
39
现场总线系统的技术特点
1、系统的开放性 2、互可操作性与互用性 3、现场设备的智能化 4、现场设备的功能自治 5、系统结构的高度分散性 6、对现场环境的适应性
1
现场总线技术概述
2
主要内容
1.1 现场总线定义 1.2 现场总线发展现状 1.3 现场总线特点 1.4 现场总线发展趋势 1.5 现场总线应用系统
3
主要内容
1.1 现场总线定义 1.2 现场总线发展现状 1.3 现场总线特点 1.4 现场总线发展趋势 1.5 现场总线应用系统
4
1.1 测控领域热点技术之一的现场 总线
现场总线(Fieldbus)概念：
应用在生产现场、 在微机化测量、控制设备之间、 实现双向、串行、多节点、 数字通信的开放型、 控制网络技术。
5
总线将分散的有通信能力的测量控制设备 作为网络节点，连接成能相互沟通信息， 共同完成自控任务的控制网络。
6
现场总线 —— 控制网络
工业数据通信系统： 在生产设备之间传递数字信息 工业数据通信是形成控制网络的基础和支撑条 件， 是控制网络技术的重要组成部分.
• 它是有别于计算机网络，电视、电话网络 的另一类网络
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特点
适应工业应用环境。 要求实时性强，可靠性高，安全性好。 多为短帧传送。 通信的传输速率相对较低。
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现场总线集成自动化系统是开放的
《现场总线技术大全》课件

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管理软件
用于自动化系统的管理和维护，支持设备的远程监控、故障诊断、资 产管理等功能。
软件应用的选择
01
根据实际需求选择合适的软件应用，需要考虑软件的功能、性 能、易用性、兼容性等方面。
02
根据自动化系统的规模和复杂度选择相应的软件应用，以满足
系统的监控、控制和优化需求。
在选择软件应用时，还需考虑软件供应商的技术支持和服务质
硬件设备的性能和可靠性直接影 响到整个现场总线系统的稳定性
和可靠性。
随着技术的发展，硬件设备的种 类和功能越来越丰富，为现场总 线技术的应用提供了更多的可能
性。
常见的硬件设备
传感器
用于采集现场的各种物理量， 如温度、压力、流量等，是实
现自动化检测的关键设备。
执行器
用于控制现场设备的动作，如 阀门、电机等，是实现自动化 控制的关键设备。
现场总线技术的应用领域
现场总线技术广泛应用于工业自动化 领域，如制造业、电力、石油化工等 。
在电力行业中，现场总线技术可以用 于实现电网的自动化监控和维护，提 高电网的可靠性和安全性。
在制造业中，现场总线技术可以实现 生产设备的监控和控制，提高生产效 率和产品质量。
在石油化工领域，现场总线技术可以 实现生产过程的自动化控制和监测， 提高生产效率和安全性。
技术发展的方向
01
实时性
进一步提高数据传输的实时性， 以满足工业控制对于快速响应的 需求。
安全性
02
03
兼容性
加强安全防护，提高系统的可靠 性和稳定性，防止数据泄露和被 攻击。
增强不同品牌和型号设备之间的 兼容性，降低集成成本和维护难 度。
技术发展的前景
01
02
《现场总线技术》PPT课件

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பைடு நூலகம்
2021/6/10
6
1.1.2 现场总线的体系结构
• 1、现场通信网络
• 一直延伸到生产现场 或生产设备，用于过 程自动化和制造自动 化的现场设备或现场 仪表互联的现场通信 网络。
• 2、现场设备互联
• 现场设备指变送器、执行 器、服务器、网桥和辅助 设备及监控设备
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• 3、互操作性
• FCS由控制系统软件、测量系统、网络 系统和管理系统组成
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1、控制系统软件
• 包括监控组态软件、维护软件、仿真软 件和设备管理软件等
• 步骤：
• 1、选择开发组态软件、控制操作人机接口软 件；
• 2、组态软件、完成功能块间的连接； • 3、选定功能参数，进行网络组态； • 4、在网络运行过程中对系统实时采集、处理
楼宇、铁路交通 • 3、LonWorks总线 • 应用领域：楼宇 • 4、CAN总线 • 应用领域：汽车、机器人、液压系统等
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几种有影响的现场总线
• 5、WorldFIP总线 • 应用领域：过程自动化、制造业自动化、电力、
楼宇等 • 6、P-NET 总线 • 应用领域：石化、能源、交通、轻工、建筑、
• 应用在生产现场，在计算机控制设备之 间实现双向串行多点数字通信的系统。
• 特点： • 1、传统测量仪器仪表微机化，具有数字
计算、通信能力
• 2、可用双绞线作为总线，连接现场仪器 仪表成网络系统；
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4
特点：
• 3、执行公开、规范的通信协议 • 4、现场仪表、控制设备与远程监控计算
现场总线技术
2021/6/10
《现场总线技术》课件

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3 提高系统可靠性
4 降低系统运行成本
现场总线采用分布式结构，能够在某个设备 出现故障时实现自动切换，提高系统可靠性。
通过降低设备数量和布线成本，现场总线可 以降低系统的运行成本。
现场总线技术的应用场景
工业自动化
现场总线技术广泛应用于工业自动化系统，用于 实现设备之间的数据传输和通信。
建筑自动化
现场总线技术在建筑自动化中起到重要作用，用 于控制和监测建筑内的各种设备。
环境控制
现场总线技术可用于环境控制系统，实现对温度、 湿度、照明等因素的监测和控制。
家庭自动化
现场总线技术也可以应用于家庭自动化，实现对 家庭设备的自动控制和监测。
现场总线技术的实现方式
现场总线协议
现场总线技术的实现需要一种统一的通信协议，常见的现场总线协议有Modbus、Profibus 等。
协议栈
实现现场总线技术需要使用相应的协议栈，用于处理通信协议的各个层级和功能。
硬件实现方案
现场总线技术的硬件实现方式有多种选择，可以根据实际需求进行选型。
现场总线技术的发展趋势
1 物联网技术的发展
随着物联网技术的发展， 现场总线技术将逐渐与其 他技术结合，结合
机器学习和人工智能将为 现场总线技术带来新的应 用和优化方向。
《现场总线技术》PPT课 件
现场总线技术是一种用于实现系统内部设备通信的技术。它简化了设备之间 的连接，降低了系统成本，提高了可靠性。
什么是现场总线技术？
现场总线技术是一种用于设备之间进行数据交换和通信的技术。它简化了设备之间的连接，降低了系统的成本 和维护费用。
现场总线技术的分类
数字现场总线
以数字信号进行通信，具有较高的数据传输速率和抗干扰能力。
现场总线技术及应用教程第2版

现场总线技术及应用教程第2版

3.2.1 设备类型 1)1类主站(Class1 Master)：它是DP网络中的主角，负责和从站交 换数据，并控制整个网络的运行。
2)2类主站(Class2 Master)：它负责对DP系统进行组态，对网络进 行诊断等，它一般是装有通信卡和工程软件的上位机。 3)从站(Slaves)：从站是更接近于底层现场的设备，它们负责执行 主站的输出命令，并向主站提供从现场传感器采集到的输入信号 或其他输入信号。 4)网络连接器件：中继器、耦合器、链接器、电缆等。 3.2.2 系统配置
现场总线技术及应用教程
（第2版）
王永华 A.Verwer(英) 编著
第 1章 第 2章 第 3章 第 4章 第 5章 第 6章 第 7章 第 8章 第 9章
现场总线技术概述 工业网络与通信基础知识 PROFIBUS基础及安装技术 PROFIBUS通信技术及DP-V0/V1 PROFINET基础及安装技术 PROFINET技术 AS-i技术及应用 现场总线技术应用综合举例 标准工业控制编程语言IEC61131-3
3.3 PRቤተ መጻሕፍቲ ባይዱFIBUS设备集成工具
图3-������
8 设备管理工具的特点以及使用场合
(1)GSD (2)EDD (3)FDT/DTM 1)厂级的操作员要使用具有诊断能力的智能现场设备的复杂、非 标准化的特性参数；
3.3 PROFIBUS设备集成工具
2)在“资产最优化”场合，要求支持预防性维护和维护程序的功 能； 3)设备的操作需要用软件方式来“封装”(安全技术、校准等)。
3.2.5 设备地址 1)地址127保留用于全局控制或广播信息。 2)地址126保留用于尚未分配地址，需要使用2类主站来设置地址 的从站。
3.2 PROFIBUS基础
《现场总线及其应用技术》课件

《现场总线及其应用技术》课件


2020/4/15
4
要求及考试
上课认真做笔记 认真完成课后作业
平时成绩
30％
实验成绩
60%
平时表现及作业 40%
期末笔试
70％
2020/4/15
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第一讲 现场总线概述
1.1 现场总线的现状和发展
现场总线 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室 之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、 互联、多变量、多点、多站的通信网络。
公司)
2020/4/15
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1.1.5 现场总线的现状
1. 多种总线共存
世界市场对各种现场总线的需求：
过程自动化：15%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP) 医药领域：18%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP) 加工制造：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet) 交通运输：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet) 航空，国防：34%(PROFIBUS-FMS,LonWorks,
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典型ABB的AC800M系统组成
iFIX
IFix Client 1
IFix Client 2
Gateway 3 NIC
MIS ERP
ห้องสมุดไป่ตู้
IFix Primary Server
ABB AC800M
AC800M
iFix OPC Client ABB OPC Server
AC800M
IFix Secondary Server
应用层
分为两子层：应用服务层(FMS)，用于为用户提供服务； 现场总线存取层(FAS)，用于实现数据链路的连接。
2020/4/15
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第3章 Modbus现场总线及其应用 3.2 Modscan软件与ATS48软启Modbus RTU通信实例
3.2.1 硬件连接 实验需要使用的硬件如表3-3所示。
第3章 Modbus现场总线及其应用 TSXCUSB485通信电缆如图3-5所示，分别有一个USB接口
和一个RJ45接口，USB接口直接连接至PC，RJ45接口通过网络 电缆连接至ATS48软启。
Modbus有Modbus RTU和Modbus ASCⅡ两种传输方式。它 们的主要区别在于Modbus RTU是以RTU(远程终端单元)模式通 信，消息中传送的是数字；而Modbus ASCII是以ASCII(美国 标准信息交换代码)模式通信，消息中传送的是ASCII字符。
第3章 Modbus现场总线及其应用
第3章 Modbus现场总线及其应用
2. Modbus RTU硬件连接 Modbus RTU的物理层是基于RS485的，它的标准连接方式 是二线制多点连接串行总线，如图3-2所示。 总线上的干线电缆类型、总线最大长度、最大站数量、分 接连线的最大长度、总线极化、线路端接器、公共端极性的具 体规定如表3-1所示。
第3章 Modbus现场总线及其应用
(1) 配置为奇校验或者偶校验，“1”的位数将算到每个 字符的位数中(RTU中为8个数据位)。例如，RTU字符帧中包含 8个数据位11000101，整个“1”的数量是4个。如果使用了偶 校验，则帧的奇偶校验位将是0，使得整个“1”的个数仍然是 4个；如果使用了奇校验，则帧的奇偶校验位将是1，使得整个 “1”的个数变为5个。
数据：主站发送的请求数据或者从站反馈的应答数据。 CRC16：循环冗余校验参数。
消息在标准的Modbus系列网络传输时，每个字符或字节 以如下方式发送，从左到右依次表示为最低有效位到最高有效 位。
第3章 Modbus现场总线及其应用 使用RTU字符帧时，有奇偶校验，位的序列是：
第3章 Modbus现场总线及其应用
第3章 Modbus现场总线及其应用
如果从站产生一个正常的回应，回应消息中的功能码则是 在查询消息中的功能码的回应。数据段包括了从站收集的数据： 寄存器的值或者状态。如果有错误发生，功能码将被修改以用 于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息 的代码。错误检测允许主站确认消息内容是否可用。
主站和从站之间的数据交换方式有以下两种： (1) 主站向从站发送请求并等待其响应。 (2) 主站向所有从站发送请求，但不等待它们响应(广播 模式)。 主站和从站的查询和回应周期如图3-1所示。
第3章 Modbus现场总线及其应用 图3-1 查询和回应的周期
第3章 Modbus现场总线及其应用
主站发送的查询消息中，通过功能码告知被查询的从站需 要执行哪种功能，数据段中包含了从设备需要执行功能的附加 信息。例如，功能代码03是要求从设备读取保持寄存器并返回 它们的内容。数据段必须包含要告知从设备的信息：从哪个寄 存器开始读取，需要读取的寄存器数量。错误检测为从站提供 一种验证消息内容是否正确的方法。
ATS48软启在和PLC等上位机通信时，可以使用分线箱或 者分线盒来实现多个从站通信线路的并联，分别如图3-3和图 3-4所示。
第3章 Modbus现场总线及其应用 图3-3 通过分路块和RJ45型连接器的连接
第3章 Modbus现场总线及其应用 图3-4 通过接线盒的连接
第3章 Modbus现场总线及其应用
(1) 03功能码的消息格式： 主机请求
第3章 Modbus现场总线及其应用
(2) 06功能码的主机请求和从机应答的消息格式是相同 的：
第3章 Modbus现场总线及其应用
4. 错误检测 标准的Modbus采用两种错误检测方法：奇偶校验和帧检 测。奇偶校验应用于每个字符，帧检测(LRC或CRC)则应用于 整个消息。它们都是在消息发送前由主设备产生的，从设备在 接收过程中检测每个字符和整个消息。 1) 奇偶校验 用户需要配置控制器是奇校验、偶校验或无校验，这将决 定每个字符中的奇偶校验位是如何设置的。
第3章 Modbus现场总线及其应用
3.1.2 Modbus RTU通信协议 1．Modbus RTU数据交换 Modbus RTU的数据是以二进制代码传输的，数据帧里不
包含任何消息报头字节或消息字节结束符。其基本格式定义如 下：
第3章 Modbus现场总线及其应用
请求代码：即功能码。不同的功能码能实现数据的读写、 诊断等不同的功能。
第3章 Modbus现场总线及其应用
FOr：通信格式，即Modbus通信的数据格式。本实验中设 置为8E1，即8个数据位，Even偶校验，1个停止位。
tLP：串口超时设定，即Modbus通信的超时时间。本实验 使用出厂值5 s，即PC和ATS48的通信数据交换中断超过5 s则 软启进入通信故障状态。
第3章 Modbus现场总线及其应用 图3-2 Modbus RTU的标准连接方式
第3章 Modbus现场总线及其应用
第3章 Modbus现场总线及其应用
实际应用中，尤其要注意终端电阻的使用，在整个总线的 起始和终止位置都要加上终端电阻，它们可以消除在通信总线 上由于阻抗不连续或者阻抗不匹配引起的信号反射，从而保证 通信数据的稳定传输。
能力目标 (1) 掌握PLC和其他设备Modbus通信的建立方法。 (2) 掌握通信程序的结构。
第3章 Modbus现场总线及其应用
3.1 Modbus总线概述
3.1.1 Modbus总线简介 Modbus是莫迪康(Modicon)公司在1979年发布的，莫迪康
被施耐德(Schneider)收购以后，施耐德将Modbus作为中高端 设备的标准配置广泛应用于现场中。
第3章 Modbus现场总线及其应用
第3章 Modbus现场总线及其应用
Add：通信地址，即ATS48的从站通信地址。在Modbus通 信中，每个从站都有自己唯一的不重复的地址。本实验中将该 软启的通信地址设置为3。
tbr：通信速度，即Modbus通信的波特率。在实际应用中， 通信速度越快，数据的刷新速度就越快，但通信距离越短；通 信速度越慢，数据的刷新速度就越慢，但通信距离越长。本实 验中PC和ATS48仅有1 m左右，可以使用最高波特率19.2 kb/s。
第3章 Modbus现场总线及其应用
CRC16校验码计算方法如下： (1) 将CRC寄存器(16位)初始化为16#FFFF。 (2) 把通信信息帧的第一个字节(8位二进制数据)与CRC 寄存器的低8位相异或，并把结果储存于CRC寄存器的低8位， CRC寄存器的高8位数据不变。 (3) 将CRC寄存器的内容朝低位右移1位，并用0填补最高 位。 (4) 检查右移后的输出位，如果输出位为0，则重复步骤 (3)；如果输出位为1，则CRC寄存器和16#A001相异或。
第3章 Modbus现场总线及其应用
错误检测域为CRC循环冗长检测。 Modbus RTU的主要优点是在波特率相同的情况下可以比 Modbus ASCII传送更多的数据。施耐德的变频器、软启、电 机控制器等使用的Modbus都是Modbus RTU。
第3章 Modbus现场总线及其应用
2. Modbus ASCII传输方式 Modbus ASCII消息中每个8 bit字节都作为两个ASCII字 符发送。代码系统为十六进制，ASCII字符0，…，9，A，…， F；消息中的每个ASCII字符都是由一个十六进制字符组成。 每个字节的位包括： · 1个起始位。 · 7个数据位，最小的有效位先发送。 · 1个奇偶校验位，无校验则无。 · 1个停止位(有校验时)，2个bit(无校验时)。 错误检测域为LRC纵向冗长检测。 Modbus ASCII的主要优点是字符发送的时间间隔可以达 到1秒而不产生错误。
3. Modbus RTU常用功能码 功能码是Modbus通信的基础，不同的功能码能够实现数 据的读/写、对设备的诊断等功能。Modbus公用功能码定义如 表3-2所示。
第3章 Modbus现场总线及其应用
第3章 Modbus现场总线及其应用
其中最常用的就是03(读取保持寄存器)和06(写入单个寄 存器)等功能码。它们的消息格式如下：
第3章 Modbus现场总线及其应用 图3-6 ATS48的Modbus通信端口
第3章 Modbus现场总线及其应用
3.2.2 软启配置 本实验中，只需要和ATS48进行只需要在CL1、CL2端子上连接 控制电源即可。
ATS48软启通信相关的设置都集中在COP菜单中，如表3-4 所示。
第3章 Modbus现场总线及其应用
注意：在实际使用过程中，Modbus作为协议在主机和从 机中都已经被定义好，主机在发送和接受命令时是参考以上格 式来进行的，但是在编写主机的命令时需要按照主机的语言来 编写。例如，施耐德的M340 PLC的读写命令是Read_var和 Write_var，编程时只需要按PLC的格式发出读/写命令即可， PLC会将命令转换成Modbus的格式发送出去，功能码、CRC16 校验码等是不需要人为编写的。
第3章 Modbus现场总线及其应用
Modbus是位于OSI模型第7层的应用层消息传送协议，它 为连接于不同总线或网络的设备提供了主/从模式的通信。总 线上只能有一个主机，可以有多个从机(最多支持247个从机， 主机和从机通过请求和应答的方式来实现通信，所有的请求都 由主机发出，从机负责应答，需要使用Modbus规定的功能码。
1. Modbus RTU传输方式 Modbus RTU消息中每个8 bit字节包含两个4 bit的十六 进制字符。代码系统为8位二进制，十六进制数0，…，9， A，…，F；消息中的每个8位域都是由两个十六进制字符组成。 每个字节的位包括： · 1个起始位。 · 8个数据位，最小的有效位先发送。 · 1个奇偶校验位，无校验则无。 · 1个停止位(有校验时)，2个bit(无校验时)。