可扩展式modbus通信远程IO模块.docx
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可扩展式modbus通信远程IO模块
GCAN-8100
Modbus总线耦合器
用户手册
文档版本：
V3.02（2018/01/22）
1.功能简介
1.1功能概述
GCAN-8100Modbus总线耦合器可以用于连接Modbus总线系统与分布式总线端子模块，这些端子模块可以通过模块化的方式进行扩展。
一个完整的节点由一个总线耦合器、1-64个任意数量的端子模块以及一个终端端子模块组成。
GCAN-8100总线耦合器通过GC-bus扩展技术，最多可连接64个输入/输出端子模块。
GCAN-8100Modbus总线耦合器采用标准的Modbus总线协议，是一个标准的Modbus从站设备。
GCAN-8100总线耦合器具有两种不同的款式，GCAN-8100-TCP支持ModbusTCP通讯，GCAN-8100-RTU支持ModbusRTU通讯。
除此之外，通过组态接口还可以对固件进行升级，以满足客户的定制化需求。
GCAN-8100总线耦合器可连接所有的总线端子模块。
就用户而言，模拟量输入/输出信号的处理方式与其它种类信号的处理方式没有任何区别。
控制器过程映像区内的信息以字节阵列格式显示。
根据不同型号，模拟量总线端子模块寄存器中包含温度范围、增益值和线性化的特性曲线。
GCAN-8100总线耦合器支持自动组态，您无需在PC上设置参数。
GCAN-8100总线耦合器采用ModbusRTU通信方式时，通信参数可通过RS-485接口进行配置；采用ModbusTCP通信方式时，通信参数可通过以太网接口进行配置。
1.2性能特点
●支持标准Modbus协议，是一个标准的Modbus从站设备；
●支持ModbusTCP、ModbusRTU通讯（分别对应两种不同的型号）；
●RS485接口采用标准2线制；
●串口波特率支持600bps~115200bps之间，可通过串口配置；
●总线端子模块最大数量为64个；
●组态方式为自动组态形式，可自由扩展；
●以太网口支持静态或动态IP获取；
●以太网口支持心跳和超时断开功能；
●以太网口工作端口固定，目标IP和目标端口均可设定；
●以太网口网络断开后自动恢复连接资源，可靠地建立TCP连接；
●以太网口兼容SOCKET工作方式（TCPServer、TCPClient、UDP等），上位机通讯软件编写遵从标准的SOCKET规则。
●电源采用24VDC（-15%/+20%）；
●输入电流为70mA+（总GC-bus电流），最大为4500mA；
●启动电流：
约为2.5倍的持续电流；
●电源触电：
最大24VDC/最大10A；
●电气隔离为1000Vrms（电源触点/总线耦合电源电压）；
●工作温度范围：
-40℃~+85℃；
●标准DIN导轨安装方式，专为工业设计。
●尺寸：
长100mm*宽69mm*高48mm。
1.3典型应用
●与分布式总线端子模块相连接，构成一个完整的控制节点；
●执行数据采集并以Modbus协议进行数据传输。
2.设备安装与使用
本章节将详细说明GCAN-8100Modbus总线耦合器的安装方法、接线方法、指示灯的含义与接口的含义。
2.1模块固定
GCAN-8100Modbus总线耦合器的安装方法如图2.1所示，您需要使用一字螺丝刀进行辅助安装。
图2.1GCAN-8100模块安装
图2.2GCAN-8100模块自锁机制
请按照图2.1所示，把GCAN-8100Modbus总线耦合器安装在导轨上，直到锁扣卡死并发出“咔”的一声。
GCAN-8100Modbus总线耦合器具有自锁机制，可有效防止设备掉落。
如图2.2所示，您可以通过拉出橙色的标签来释放自锁机制。
GCAN-8100Modbus总线耦合器最多可以连接64个分布式总线端子模块。
插入总线端子模块时，一定要沿着凹槽，在已有模块的右侧顺次插入，直到锁扣卡死并发出“咔”的一声。
在整个节点的最右端，您需要安装终端端子模块。
该终端可以保障GC-Bus的数据传输与电力供应。
当您正确组装节点时，在端子模块之间不会存在明显的缝隙。
如果模块之间未被正确组装，整个节点将不会正常运行。
2.2接线方法
如图2.3所示，先使用一字螺丝刀插入方形孔中，顶住方形孔中的螺丝。
之后将线缆插入圆形孔中。
插好之后，拔出螺丝刀，线缆即可稳固地锁死在圆形孔中。
图2.3GCAN-8100模块安装
图2.4GCAN-8100模块接线端子排
GCAN-8100Modbus总线耦合器的接线端子排如图2.4所示。
GCAN-8100Modbus总线耦合器包含8个端子，各个端子对应的序号及其含义如表2.1所示。
请注意，3号端子与4号端子之间、5号端子与6号端子之间、7号端子与8号端子之间，在模块的内部是相连的。
端子
序号
含义
24V
1
电源24V输入
0V
2
电源GND
+
3
IO电源正
+
4
IO电源正
-
5
IO电源负
-
6
IO电源负
PE
7
屏蔽
PE
8
屏蔽
表2.1GCAN-8100模块接线端子定义
2.3系统状态指示灯
GCAN-8100Modbus总线耦合器具有两组状态指示灯。
左侧区域包含6个圆形状态指示灯，右侧区域包含2个小型电源指示灯。
指示灯的具体指示功能见表2.2。
指示灯处于不同状态下时，GCAN-8100模块状态如表2.3所示。
指示灯
颜色
指示状态
PWR
绿
电源指示
SYS
绿
系统指示
RUN
绿
运行指示
ERR
绿
错误指示
IORUN
绿
内部总线运行指示
IOERR
绿
内部总线错误指示
右侧1号位置
绿
电源指示
右侧3号位置
绿
内部总线电源指示
表2.2GCAN-8100模块指示灯
指示灯
状态
指示状态
PWR
常亮
供电正常
不亮
供电异常
SYS
闪烁
设备初始化通过，进入工作状态
不亮
设备初始化失败
RUN
闪烁
设备运行正常
不亮
设备运行停止
ERR
常亮
系统错误
不亮
系统未出现错误
IORUN
闪烁
内部总线运行正常
不亮
内部总线停止
IOERR
常亮
内部总线运行错误
不亮
内部总线运行未出现错误
右侧1号位置
常亮
端子侧供电正常
不亮
端子侧供电异常
右侧3号位置
常亮
端子内部总线供电正常
不亮
端子内部总线供电异常
表2.3GCAN-8100模块指示灯状态
3.通信连接
3.1串口连接
GCAN-8100-RTU模块使用标准串口电平（RS485），因此该模块可以直接与带有RS485接口的设备进行连接。
3.2与以太网连接
用户可以使用标准5类以上网线直接与GCAN-8100-TCP模块的LAN接口连接，并建立通信。
4.通信举例
GCAN-8100Modbus总线耦合器执行Modbus通信协议，为Modbus从站设备。
当搭载GC-1008模块（8路数字量输入）时，GCAN-8100会将DI数据存放于Modbus数字量输入寄存器中，您可以通过02功能码进行读取。
当搭载GC-2008模块（8路数字量输出）时，GCAN-8100会将DO数据存放于Modbus数字量输出寄存器中，您可以通过05、15功能码进行写入，通过01功能码进行读取。
当搭载GC-3804模块（4路PT100模拟量输入）时，GCAN-8100会将AI数据存放与Modbus模拟量输入寄存器中，您可以通过04功能码进行读取。
本章将以ModbusTCP为例，使用网络调试助手进行Modbus协议数据的接收与发送。
随货附带的ModbusPoll软件具有Modbus主站功能，可以您帮助调试GCAN-8100Modbus从站，非常的方便实用。
您可以通过网络调试助手或ModbusPoll软件给GCAN-8100Modbus总线耦合器发送控制指令。
如果我们使用一个GCAN-8100Modbus从站，搭载两个GC-1008模块（8路数字量输入）和两个GC-2008模块（8路数字量输出），那么距离GCAN-8100模块最近的GC-1008模块为1008-1，稍远的GC-1008为1008-2。
同理，距离GCAN-8100模块最近的GC-2008模块为2008-1，稍远的GC-2008为2008-2。
控制指令含义
控制指令及返回指令
功能码及含义
使能2008-1第一个通道
发送：
00000000000601050000FF00
返回：
00000000000601050000FF00
05强置单线圈
使能2008-1第二个通道
发送：
00000000000601050001FF00
返回：
00000000000601050001FF00
05强置单线圈
失能2008-1第一个通道
发送：
000000000006010500000000
返回：
000000000006010500000000
05强置单线圈
读取1008-1所有通道状态
发送：
000000000006010200000008
返回：
0000000000040102010C
02读取输入状态
使能2008-2所有
发送：
000000000008010F0008000801FF
返回：
000000000008010F00080008
04读取模拟量输入寄存器
表4.1ModbusTCP实验测试指令
4.1搭载GC-1008模块
数字量输入的状态由一个字节来表示，通道8在高位，通道1在低位。
例如，GCAN-8100模块节点号设为1。
通道8和通道4状态为1，其他状态均为0，则Modbus一端显示的DI状态数据为88。
下表列举了两种常见的DI状态及其对应的状态数据。
DI状态
通道数
8
7
6
5
4
3
2
1
状态
1
0
0
0
1
0
0
0
Modbus显示的数据
88
DI状态
通道数
8
7
6
5
4
3
2
1
状态
0
1
0
1
1
0
1
0
Modbus显示的数据
5A
4.2搭载GC-2008模块
数字量输出的状态由一个字节来表示，通道8在高位，通道1在低位。
例如，GCAN-8100模块节点号设为1。
需设置通道8和通道4状态为1，设置其他状态均为0，则需要发送的ModbusDO状态数据为88（15功能码）。
DO状态
通道数
8
7
6
5
4
3
2
1
状态
1
0
0
0
1
0
0
0
Modbus显示的数据
88
DO状态
通道数
8
7
6
5
4
3
2
1
状态
0
1
0
1
1
0
1
0
Modbus显示的数据
5A
4.3搭载GC-3804模块
每个通道的温度状态由两个字节来表示，四个通道共八个字节。
其中，代表温度状态的两个字节，第一个字节为低位，需将该字节的数据转换为十进制后乘以0.1；第二个字节为高位，需将该字节的数据转换为十进制之后乘以25.6。
最后将两个数值加和，即为最终的温度值，单位为摄氏度。
例如，四个通道的温度分别为25.6度，25.5度，20度，30度。
模拟量输入数据为0x00，0x01，0xFF，0x00，0xC8，0x00，0x2C，0x01。
GC-3804温度与CAN数据对应关系
Modbus显示的数据
低字节C8
高字节00
系数
200（0xC8）x0.1
0（0x00）x25.6
温度值
20℃
GC-3804温度与CAN数据对应关系
Modbus显示的数据
低字节2C
高字节01
系数
44（0x2C）x0.1
1（0x01）x25.6
温度值
30℃
4.4同时搭载多组模块
若GCAN-8100同时搭载多组GC-1008模块，那么我们以它们距离GCAN-8100的远近，从近到远进行编号，离得最近的为1号。
GCAN-8100耦合器将按照下表进行数字量输入寄存器首地址的确认。
例如，当GCAN-8100搭载9个GC-1008模块时，数字量输入寄存器地址依次为01-09。
若GCAN-8100同时搭载多组GC-2008模块，那么我们以它们距离GCAN-8100的远近，从近到远进行编号，离得最近的为1号。
GCAN-8100耦合器将按照下表进行数字量输出寄存器首地址的确认。
例如，当GCAN-8100搭载9个GC-2008模块时，数字量输出寄存器地址依次为01-09。
若GCAN-8100同时搭载多组GC-3804模块，那么我们以它们距离GCAN-8100的远近，从近到远进行编号，离得最近的为1号。
GCAN-8100耦合器将按照下表进行模拟量输入寄存器首地址的确认。
例如，当GCAN-8100搭载3个GC-3804模块时，模拟量输入寄存器地址依次为01-04、05-08、09-12。
5.技术规格
接口特点
Modbus总线协议
ModbusTCP、ModbusRTU
总线端子模块数量
64个
现场总线的最大字节数
32字节输入和32字节输出
数字量I/O信号
256输入/输出
模拟量I/O信号
60输入/输出
组态方式
自动组态
总线接口
RJ45
电源
24VDC（-15%/+20%）
输入电流
70mA+（总GC-bus电流）/最大4500mA
启动电流
约2.5倍持续电流
建议保险丝容量
≤10A
GC-bus供电电流
500mA
电源触电
最大24VDC/最大10A
电气隔离
1000Vrms（电源触点/总线耦合电源电压）
环境试验
工作温度
-40℃~+85℃
工作湿度
95%RH，无凝露
EMC测试
EN55024:
2011-09
EN55022:
2011-12
抗振/抗冲击性能
EN60068-2-6/EN60068-2-27/29
抗电磁干扰/抗电磁辐射性能
EN61000-6-2/EN61000-6-4
防护等级
IP20
基本信息
外形尺寸
100mm*69mm*44mm
重量
100g
附录A：
Modbus协议简介
Modbus通信协议是由Modicon公司开发的应用在PLC或其他工业控制器上的一种通用语言。
通过此协议，各控制器之间可以实现串行通信，Modbus通信协议定义了一个控制器能识别使用的消息结构，描述了主控制器访问从站设备的过程，例如规定从站怎样做出应答响应，检查和报告传输错误等。
Modbus协议的通信方式为主从方式。
主站首先向从站设备发送通信请求指令，从节点根据请求指令中的功能码向主站发回回答数据。
网络中的每个从站设备都必须分配给一个唯一的地址，最多可达31个从站设备。
通过多达24种总线命令实现主控制器与从站设备之间的信息交换。
从站设备只执行发给自己的指令，对于其它从站地址开头的报文不作应答。
这种一问一答的通信模式，大大提高了通信的正确率。
因其具有操作简单、高效、通信可靠等优点，Modbus协议已成为一个国际通信标准，得到了国际上大多数工控产品生产厂家的支持。
该通信协议已广泛应用于机械、水利、电力、环保等行业设备中。
ModbusTCP通信协议可供自动化设备的监控使用。
常见的应用是开发基于该协议的网关，通过网关可以将PLC、I/O模块和其它总线连到以太网上。
ModbusTCP是在不改变原有的Modbus协议基础上，只是将其作为应用层协议简单的移植到TCP/IP协议上。
ModbusTCP协议每一个呼叫都要求一个应答。
利用TCP/IP协议，通过网页的形式可以使用户界面更加友好。
利用网络浏览器就可以查看企业网内部的设备运行情况。
Schneider公司已经为Modbus注册了502端口，这样就可以将实时数据嵌入到网页中，通过在设备中嵌入Web服务器，就可以将Web浏览器作为设备的操作终端。
但是Modbus协议本身存在一些缺陷，它不支持诸如基于对象的通信模型等一些正在被广泛采用的网络新技术，用户在使用的时候，不得不手工配置一些参数，比如信息数据类型、寄存器号等等。
A.1ModbusRTU协议数据格式
Modbus协议有ASCII（美国标准信息交换代码）和RTU（远程终端单元）两种数据传输方式可由用户选择，但在一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。
其中RTU模式信息帧中的8位数据包括两个4位16进制字符，相对于ASCII模式表达相同的信息只需较少的位数，在相同的速率下较ASCII模式具有更大的数据流量。
因此，在通常情况下较多使用RTU模式。
GCAN-204设备也采用RTU模式。
RTU模式消息发送至少以3.5个字符间隔时间（如表A.1的T1-T2-T3-T4）标志开始和结束，信息帧由地址域、功能域、数据域和CRC校验域构成，所有字符位由16进制0-9、A-F组成。
整个消息帧必须作为一连续的流传输。
如果在帧完成之前有超过1.5个字符时间的停顿时间，接受设备将刷新不完整的消息并假定下一个字节是一个新消息的地址域。
同样的，如果一个新消息在小于3.5个字符时间内接着前个消息开始，接收的设备将认为它是前一消息的延续。
这将导致一个错误，因为在最后的CRC域的值不可能是正确的。
起始位
设备地址
功能代码
数据
CRC校验
结束符
T1-T2-T3-T4
8Bit
8Bit
N个8Bit
16Bit
T1-T2-T3-T4
表A.1RTU消息帧格式
（1）地址域
指定报文的目的地址，包括8bit。
单个设备的地址范围是1~247。
主设备通过将要联络的从设备的地址放入消息中的地址域来选通从设备。
当从设备发送回应消息时，它把自己的地址放入回应的地址域中，以便主设备知道是哪一个设备作出回应。
地址0用作广播地址，以使所有的从设备都能认识。
（2）功能域
当消息从主设备发往从设备时，功能代码域将告之从设备需要执行哪些行为。
例如去读取输入的开关状态，读一组寄存器的数据内容，读从设备的诊断状态，允许调入、记录、校验在从设备中的程序等。
当从设备回应时，它使用功能代码域来指示是正常回应（无误）还是有某种错误发生（称作异议回应）。
对正常回应，从设备仅回应相应的功能代码。
主设备应用程序得到异议的回应后，典型的处理过程是重发消息，或者诊断发给从设备的消息并报告给操作员。
（3）数据域
数据域是由两个十六进制数集合构成的，范围00~FF。
从主设备发给从设备消息的数据域包含从机执行主机功能代码中所需的参数，如处理对象的寄存器地址，要处理项的数目，域中实际数据字节数。
举例说明，如果主设备需要从设备读取一组保持寄存器（功能代码03），数据域指定了起始寄存器以及要读的寄存器数量。
如果主设备写一组从设备的寄存器（功能代码16，即10H），数据域则指明了要写的起始寄存器以及要写的寄存器数量，数据域的数据字节数，要写入寄存器的数据。
如果没有错误发生，从设备返回的数据域包含请求的数据。
如果有错误发生，此域包含一异议代码，主设备应用程序可以用来判断采取下一步行动。
在某种消息中数据域可以是不存在的（0长度）。
例如，主设备要求从设备回应通信事件记录（功能代码0BH），从设备不需任何附加的信息。
当传送一个2个字节的数据时，高字节（MSB）将被首先传送，然后传送低字节（LSB）。
这与DeviceNet的传送方式刚好相反。
（4）CRC校验域
CRC域检测整个消息的内容，包括两个字节，包含一个16位的二进制值。
它由传输设备计算后加入到消息中。
接收设备将重新计算收到消息的CRC，并与接收到的CRC域中的值进行比较。
如果两值不同，则有误。
CRC添加到消息中时，低字节先加入，然后是高字节。
A.2ModbusTCP协议数据格式
TCP/IP协议和以太网的链路层校验机制已可保证数据包传递的正确性，因此ModbusTCP报文中不再存在CRC-16或LRC校验域，但需要添加一个Modbus应用帧头（MBAP）。
它可对Modbus的参数及功能进行解释。
每个TCP/IP报文仅可含有一个Modbus帧。
在ModbusTCPADU中，MBAP头部占7个字节（含4个子域），及交易标识符TI（TransactionIdentifier）、协议标识符PI（ProtocolIdentifier），长度标识符L（Length）（占用2字节，指明ProtocolIdentifier和Data域的总长度）和单元标识符UI（UnitIdentifier）组成。
TI占用2字节，用来标识Modbus帧的次序，PI占用2字节，用于确认应用层协议。
UI占1字节，用于标识Modbus设备单元。
功能码占1字节，可分为位操作和16位字操作两类。
功能码指出要进行的操作，如功能码15代表写多个位寄存器，功能码06表示对独立的16位字寄存器进行写操作。
数据域最多可达248字节，其具体格式与功能码相关。
当客户机发送请求数据时，数据域给出要操作的寄存器的起始地址（2字节）和个数（l字节）；当服务器发送应答数据时，数据域给出被操作的寄存器个数（1字节）及各寄存器状态值。
图A.1给出了Modbus与ModbusTCP数据帧格式比较。
图A.1Modbus与ModbusTCP/IP帧格式
ModbusTCP的ADU数据单元规范如表A.1所示。
描述
所占字节
MBAP头
传输标识码高位Hi
1
传输标识码低位Lo
1
协议标识符
2
长度标识符
2
单元标识符
1
Modbus请求
功能码
1
开始地址
2
寄存器数目
2
表A.2ModbusTCP的ADU数据单元规范
在通过ModbusTCP传送数据之前，需要在客户机和服务器之间建立一个TCP/IP连接。
服务器使用端口502作为ModbusTCP的连接端口。
ModbusTCP连接的建立通常由TCP/IPSocket接口的软件协议自动实现，因此对应用完全透明。
一旦客户端和服务器之间的TCP/IP连接建立，同样的连接可以根据要求的方向用来传输任意数量的用户数据。
客户端和服务器还可以同时建立多个TCP/IP连接，最大的连接数量取决于TCP/IP接口的规范。
当某一设备发出请求，则其相应的设备要做出响应。
响应的数据格式如表A.2所示。
字节
响应数据
Byte0、Byte1
传输标识码=0（响应时拷贝该数据）
Byte2、Byte3
协议标识符
Byte4
长度标识符高字节=0
Byte5
长度标识符低字节（标识其后有多少个字节）
Byte6
单元标识符（从设备地址）
Byte7
Modbus功能码
Byte8
数据
表A.3ModbusTCP响应数据格式
A.3Modbus常用功能码
在Modbus消息帧的功能码中较常使用的是01、02、03、04、05、06和16功
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