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手把手教你用 Python 搭建 ModbusTCP 服务器（含实战代码）

你有没有遇到过这样的场景：手头有一堆传感器、PLC 或工控设备，想远程读取数据却不知道从哪下手？调试通信时抓耳挠腮，Wireshark 抓包看不懂，Modbus Poll 测试又总报错？

别急。今天我们就来解决这个工业自动化领域的“入门级难题”——自己动手写一个 ModbusTCP 服务器。

不是照搬文档，也不是堆砌术语，而是像老师傅带徒弟一样，一步步带你把协议讲透、把代码跑通、把坑都踩明白。

为什么是 ModbusTCP？

在工业现场，五花八门的设备来自不同厂家，通信方式也各不相同。但有一个协议几乎无处不在：Modbus。

它诞生于1979年，由施耐德提出，初衷就是简单、开放、易实现。几十年过去，它不仅没被淘汰，反而成了工控行业的“普通话”。

而ModbusTCP，正是这门“普通话”在网络时代的升级版——把原本跑在 RS-485 串口上的 Modbus RTU，搬到以太网上运行。

好处显而易见：

• 不用再拉长长的串口线，直接走网线甚至光纤；
• 通信速率从 kb 提升到 Mb 级别；
• 可以轻松接入局域网、远程监控平台；
• 调试方便，Wireshark 一抓一个准。

更重要的是：它足够简单，连 Python 都能三分钟搭起来。

协议本质：ModbusTCP 到底是怎么工作的？

很多人被“协议”两个字吓住，觉得必须懂 TCP/IP 栈、会位运算、还得背功能码表。其实不然。

你可以把 ModbusTCP 想象成一个“点菜-上菜”的过程：

客户端（主站）说：“我要看4号餐桌上的第3道菜。”
服务器（从站）查了下菜单，把那道菜端上来。

这里的“餐桌”就是寄存器类型，“第几道菜”就是地址。

主从结构：谁发问，谁回答

Modbus 是典型的主从式协议（Master-Slave）。只有客户端可以主动发起请求，服务器只能被动响应。不能反过来。

比如：
- SCADA 系统作为 Master，轮询多个 PLC（Slave）
- HMI 触摸屏读取温湿度传感器的数据
- 上位机软件配置边缘网关参数

整个流程就四步：
1. 建立 TCP 连接（默认端口 502）
2. 客户端发送请求报文
3. 服务器处理并返回结果
4. 断开或保持连接继续轮询

没有心跳包，没有订阅机制，纯粹的“问一句答一句”，够直白吧？

报文结构拆解：一眼看懂 ModbusTCP 数据包

真正的理解，是从看清数据开始的。

我们来看一次典型的“读保持寄存器”请求（功能码 0x03）：

[00 01] [00 00] [00 06] [01] [03] [00 00] [00 05] ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ │ │ │ │ │ └─ 读5个寄存器 │ │ │ │ └─ 功能码：读保持寄存器 │ │ │ └─ Unit ID（从站地址） │ │ └─ 后续长度：6字节 │ └─ 协议ID（固定为0） └─ 事务ID（用于匹配请求和响应）

这前面7个字节叫MBAP 头部（Modbus Application Protocol Header），后面才是原始 Modbus 报文（PDU）。

后面的[03][00 00][00 05]就是标准 Modbus PDU：
-03：我要读保持寄存器
-00 00：从地址0开始读
-00 05：连续读5个

服务器收到后，如果一切正常，就会回一个类似这样的响应：

[00 01] [00 00] [00 09] [01] [03] [0A] [00 64 00 C8 01 2C 01 90]

其中0A表示后面有10个字节数据，对应5个16位寄存器值（0x0064=100, 0x00C8=200…）。

是不是比想象中简单多了？

寄存器类型：四种“数据餐桌”你得认全

Modbus 定义了四种主要的数据区，每种都有自己的“编号前缀”：

⚠️ 注意：这些前缀只是习惯标记，并不体现在实际报文中！真正决定访问哪种寄存器的是功能码。

常见功能码一览：

只要记住这几个常用的功能码，你就已经掌握了 90% 的使用场景。

实战：用 Python 写一个能跑的 ModbusTCP 服务器

终于到了动手环节。

我们要做的不是一个玩具程序，而是一个真实可用、支持标准工具测试、结构清晰可扩展的服务端程序。

第一步：安装依赖库

Python 社区有个神器叫pymodbus，纯 Python 实现，支持 TCP/RTU/UDP，无需硬件也能玩转 Modbus。

pip install pymodbus

✅ 支持 Python 3.7+，Windows/Linux/macOS 全平台通用。

第二步：最简版本 —— 三分钟启动服务器

下面这段代码，足以让你的电脑变成一台“虚拟 PLC”：

from pymodbus.server import StartTcpServer from pymodbus.datastore import ModbusSlaveContext, ModbusServerContext from pymodbus.datastore import ModbusSequentialDataBlock import logging # 启用日志，方便调试 logging.basicConfig(level=logging.INFO) log = logging.getLogger(__name__) def run_server(): # 创建四个区域的数据块：线圈、离散输入、输入寄存器、保持寄存器 store = ModbusSlaveContext( co=ModbusSequentialDataBlock(0, [0]*100), # 0x: 线圈，初始全0 di=ModbusSequentialDataBlock(0, [1]*100), # 1x: 离散输入，初始全1 hr=ModbusSequentialDataBlock(0, [998, 999, 1000]), # 4x: 保持寄存器 ir=ModbusSequentialDataBlock(0, [3]*100) # 3x: 输入寄存器，初始全3 ) # 构建上下文环境 context = ModbusServerContext(slaves=store, single=True) log.info("🚀 Modbus TCP Server 已启动，监听 0.0.0.0:502") StartTcpServer( context=context, address=("0.0.0.0", 502) # 绑定所有网卡，端口502 ) if __name__ == "__main__": run_server()

保存为modbus_server.py，运行：

python modbus_server.py

看到日志输出 “🚀 Modbus TCP Server 已启动” 就成功了！

此时你的机器已经在本地 IP 的 502 端口监听，等待客户端连接。

第三步：用 Modbus Poll 测试验证

推荐使用业内常用的测试工具Modbus Poll（Windows）或QModMaster（跨平台）来验证。

以 QModMaster 为例：

1. 协议选择Modbus/TCP
2. 输入服务器 IP（如果是本机填127.0.0.1）
3. 端口保持502
4. Slave ID 填1
5. 选择功能码03 Read Holding Registers
6. 起始地址填0，数量填3

点击“Connect” → “Read”，你应该能看到返回值：

[998, 999, 1000]

恭喜！你刚刚完成了一次完整的 Modbus 通信闭环。

进阶技巧：让服务器“活”起来

上面的例子是静态数据。但在真实项目中，我们往往需要：

• 监控某个地址的写入行为（比如写入某个值就触发动作）
• 动态生成读取数据（比如读取真实传感器值）
• 记录操作日志

这就需要用到自定义数据块。

自定义回调：拦截读写事件

我们可以继承ModbusSequentialDataBlock，重写getValues和setValues方法：

class SmartDataBlock(ModbusSequentialDataBlock): def setValues(self, address, values): print(f"🔧 收到写入指令：地址 {address}，写入值 {values}") # 在这里添加业务逻辑 if address == 0 and values[0] == 1: print("💡 触发警报：灯光开启！") elif address == 1 and values[0] == 999: print("⚠️ 紧急停机命令已接收") # 最终还是要写进内存 super().setValues(address, values) def getValues(self, address, count=1): # 模拟动态数据（比如实时采集） if address == 10: import random temp = int(random.uniform(200, 250)) # 模拟温度 ×10 self.values[address] = temp print(f"🌡️ 读取模拟温度：{temp/10:.1f}°C") result = super().getValues(address, count) print(f"🔍 读取地址 {address}，返回 {result}") return result

然后替换原来的数据块：

hr=SmartDataBlock(0, [0]*100) # 保持寄存器改用智能块

现在试试用客户端往地址0写1，你会在服务端看到：

🔧 收到写入指令：地址 0，写入值 [1] 💡 触发警报：灯光开启！

再读地址10，会自动返回随机温度值。

这种模式非常适合用来做原型验证、联动控制、软PLC模拟等高级应用。

实际开发中的那些“坑”与应对策略

你以为写完代码就万事大吉？真正的挑战才刚开始。

❌ 问题1：连接不上，端口被占用？

原因：502 端口可能已被其他服务占用（比如某些安全软件、旧进程未关闭）。

解决方案：
- 检查端口占用：netstat -ano | grep 502（Linux/Mac）或任务管理器（Win）
- 更换绑定地址：改为具体 IP（如"192.168.1.100", 502），避免冲突
- 使用非特权端口测试：如(“0.0.0.0”, 8502)，客户端同步修改

❌ 问题2：读出来全是0或异常码？

原因：地址越界、功能码不匹配、Unit ID 错误。

排查步骤：
1. 确认客户端请求的地址是否在定义范围内（如只分配了100个寄存器，别读1000）
2. 检查功能码是否对应正确的寄存器类型（不要用0x03去读线圈）
3. 查看 Unit ID 是否一致（默认是1）
4. 打开 Wireshark 抓包，对比请求与响应格式

🛠️ 小技巧：在pymodbus中启用详细日志：

python import logging logging.getLogger('pymodbus').setLevel(logging.DEBUG)

❌ 问题3：高频率轮询导致卡顿？

原因：单线程模型下，频繁请求阻塞主线程。

优化建议：
- 使用多客户端支持（pymodbus>=3.0默认异步）
- 对高频读取区域加缓存
- 关键变量用独立线程更新（如定时采集传感器）

设计建议：写出更专业的 Modbus 服务

当你准备将这个服务器用于生产环境时，请考虑以下几点：

✅ 地址规划要规范

提前设计好寄存器映射表，例如：

并在代码中用常量定义，避免魔法数字：

TEMP_CURRENT = 0 TEMP_SETPOINT = 1 HEATER_ENABLE = 2

✅ 异常处理要到位

虽然pymodbus会自动处理大多数错误，但你仍应确保：

• 越界访问返回标准异常码（如0x82非法数据地址）
• 不支持的功能码拒绝响应
• 写保护区域禁止修改

这样客户端才能正确识别问题，而不是超时断连。

✅ 安全性不可忽视

ModbusTCP本身没有任何加密和认证机制，相当于“裸奔”。

所以务必：
- 仅在内网使用
- 配合防火墙限制访问 IP
- 敏感操作增加外部鉴权（如通过 Web API 控制）

未来可探索 TLS 加密版本（Modbus/TCP Secure），但这已超出本文范围。

总结：你已经掌握了一项核心技能

看到这里，你已经完成了从“听说 Modbus 很难”到“亲手实现服务器”的跨越。

回顾一下我们都做了什么：

• 理清了 ModbusTCP 的通信模型和报文结构
• 搭建了一个可用的 Python 服务器
• 学会了如何用工具测试验证
• 掌握了动态响应、事件回调等进阶技巧
• 避开了新手常踩的几个大坑

更重要的是，这套方法不仅可以用来对接 PLC、SCADA，还能用于：

• 开发智能网关（协议转换）
• 模拟设备进行系统测试
• 构建边缘计算节点
• 实现 IoT 数据汇聚

下一步你可以尝试：

• 把 Modbus 数据写入 MySQL 或 InfluxDB
• 用 Flask 搭个网页界面来查看/设置寄存器
• 实现 ModbusTCP ↔ RTU 网关
• 结合 MQTT 推送到云平台

技术的世界永远不缺新玩具，但底层的通信能力，才是你真正立足的根基。

如果你在实现过程中遇到了其他问题，欢迎留言交流。一起把工业通信玩得更明白。