3. Modbus TCP 服务器模拟

任务目标

本案例将创建一个基于 pyModbus 库的 Modbus TCP 服务器，模拟一个从站设备。该服务器将维护一组寄存器（保持寄存器和线圈），并监听网络端口，供其他 Modbus 客户端（如 Modbus Poll、另一台设备或本机测试脚本）进行读写操作。通过本案例，你将得到一个可独立运行的从站模拟器，用于后续案例中的主站通信测试或边缘网关数据采集开发。

环境与依赖

需要 Python 3.8+ 环境，并安装 pyModbus 库（版本 ≥ 3.0）：

pip install pymodbus

完整实现代码

以下代码创建了一个 Modbus TCP 服务器，监听 0.0.0.0:5020 端口。服务器内部维护了 10 个保持寄存器（地址 0-9）和 10 个线圈（地址 0-9），并设置了初始值。客户端可对这些地址进行读写操作。

# modbus_tcp_server.py
from pymodbus.server import StartTcpServer
from pymodbus.datastore import ModbusSequentialDataBlock
from pymodbus.datastore import ModbusSlaveContext, ModbusServerContext
import logging

# 配置日志（可选，便于观察请求）
logging.basicConfig()
logging.getLogger('pymodbus').setLevel(logging.INFO)

def run_server():
    # 初始化数据块：保持寄存器(3x)地址0-9，线圈(0x)地址0-9
    # 保持寄存器初始值：0-4为100-104，5-9为0
    hr_values = [100, 101, 102, 103, 104, 0, 0, 0, 0, 0]
    # 线圈初始值：地址0-4为True(ON)，5-9为False(OFF)
    coil_values = [True, True, True, True, True, False, False, False, False, False]

    # 创建数据块（地址从0开始）
    hr_block = ModbusSequentialDataBlock(0, hr_values)
    coil_block = ModbusSequentialDataBlock(0, coil_values)

    # 创建从站上下文（从站ID=1，仅使用保持寄存器和线圈）
    slave_context = ModbusSlaveContext(
        di=None,              # 不模拟离散输入
        co=coil_block,        # 线圈
        hr=hr_block,          # 保持寄存器
        ir=None               # 不模拟输入寄存器
    )

    # 服务器上下文（单从站模式）
    server_context = ModbusServerContext(slaves=slave_context, single=True)

    # 启动TCP服务器，监听所有网卡的5020端口
    print("Modbus TCP Server 启动，监听端口 5020...")
    print("保持寄存器(3x): 地址0-9, 初始值:", hr_values)
    print("线圈(0x): 地址0-9, 初始值:", coil_values)
    StartTcpServer(context=server_context, address=("0.0.0.0", 5020))

if __name__ == "__main__":
    run_server()

运行与验证方法

1. 启动服务器：

python modbus_tcp_server.py

看到打印信息后，服务器即处于监听状态。

2. 使用 Modbus 客户端工具验证（推荐 Modbus Poll 或 QModMaster）：

• 连接设置：TCP/IP，IP 填 127.0.0.1，端口 5020，从站 ID 设为 1（或 255，取决于工具，通常 1 即可）。
• 读保持寄存器：功能码 03，起始地址 0，数量 10。预期读到值：100, 101, 102, 103, 104, 0, 0, 0, 0, 0。
• 写保持寄存器：功能码 06（写单个），地址 5，值设为 200。随后再次读取地址 5，应读到 200。
• 读线圈：功能码 01，起始地址 0，数量 10。预期读到：地址0-4为 ON，地址5-9为 OFF。
• 写线圈：功能码 05（写单个），地址 5，值设为 ON。随后读取线圈地址 5，应变为 ON。

3. 使用 Python 脚本验证（无需第三方 GUI 工具）：

在另一个终端中运行以下测试脚本（需安装 pymodbus）：

# test_client.py
from pymodbus.client import ModbusTcpClient

client = ModbusTcpClient('127.0.0.1', port=5020)
client.connect()

# 读保持寄存器
rr = client.read_holding_registers(0, 5, slave=1)
print("读取保持寄存器0-4:", rr.registers)  # 预期 [100, 101, 102, 103, 104]

# 写保持寄存器地址5
client.write_register(5, 200, slave=1)
rr = client.read_holding_registers(5, 1, slave=1)
print("写入后读取地址5:", rr.registers)  # 预期 [200]

# 读线圈
cr = client.read_coils(0, 5, slave=1)
print("读取线圈0-4:", cr.bits)  # 预期 [True, True, True, True, True]

# 写线圈地址5
client.write_coil(5, True, slave=1)
cr = client.read_coils(5, 1, slave=1)
print("写入后读取线圈5:", cr.bits)  # 预期 [True]

client.close()

运行测试脚本：

python test_client.py

若输出与注释中的预期值一致，则说明服务器读写功能正常，案例验证通过。

常见问题

• 端口被占用：若 5020 被占用，可修改代码中的端口号，并同步修改客户端连接端口。
• 连接失败：检查防火墙是否放行 TCP 5020 端口；若跨设备测试，确保 IP 可达。
• 从站 ID 不匹配：本服务器使用 single=True，从站 ID 在 0-255 范围内均可访问（pyModbus 3.x 行为）。若客户端指定从站 ID 为 0 或 255 无法访问，可尝试设为 1。