Python Modbus库

Question

我必须使用串行接口控制Modbus设备。我没有使用modbus的经验。但是我的简短研究发现了几个Modbus库

• pymodbus
• 最小Modbus
• Modbus-tk
• uModbus

优点/缺点是什么，还有更好的替代方法吗？

Answer 1

大约在同一时间，我遇到了同样的问题-为python modbus master实现选择哪个库，但对于串行通信（modbus
RTU），则我的观察仅对modbus RTU有效。

在我的考试中，我并没有过多地关注文档，但是串行RTU主站的示例最容易找到用于modbus-tk的示例，但仍在维基百科等源代码中。

长话短说：

最小Modbus：

• 优点：
  • 轻量级模块
  • 对于读取大约10个寄存器的应用程序，性能可能是可以接受的
• 缺点：
  • （对于我的应用程序而言）读取〜64个寄存器时速度太慢
  • 相对较高的CPU负载

pymodbus：

特色：依靠串行流（作者发帖）并且必须动态设置串行超时，否则性能会很低（必须调整串行超时以获得尽可能长的响应）

• 优点：
  • 低CPU负载
  • 可接受的表现
• 缺点：
  • 即使超时是动态设置的，性能也比modbus-tk低2倍；如果将超时保留为恒定值，则性能会差很多（但是查询时间是恒定的）
  • 对硬件敏感（由于我认为是依赖于串行缓冲区的处理流的结果）或事务可能存在内部问题：如果每秒执行20次或更多次不同的读取或读取/写入操作，则可能会混淆响应。较长的超时有助于但并不总是使串行线路上的pymodbus RTU实施不足以用于生产环境。
  • 添加对动态串行端口超时设置的支持需要其他编程：继承基本同步客户端类并实现套接字超时修改方法
  • 响应验证不如modbus-tk中所述。例如，在总线衰减的情况下，仅引发异常，而在相同情况下，modbus-tk返回错误的从站地址或CRC错误，这有助于识别问题的根本原因（这可能是超时时间太短，错误的总线终止/缺少总线错误或浮动地面等）

modbus-tk：

独特的功能：探测串行缓冲区中的数据，快速组装并返回响应。

• 优点
  • 最棒的表演; 动态超时比pymodbus快约2倍
• 缺点：
  • 大约 与pymodbus相比，CPU负载高出4倍// 使这一点无效； 参见最后的“编辑”部分
  • 对于较大的请求，CPU负载的增加// 可以大大改善，使这一点无效； 参见最后的“编辑”部分
  • 代码不如pymodbus优雅

超过6个月的时间，我一直在使用pymodbus，因为它具有最佳的性能/
CPU负载比，但是在更高的请求率下，不可靠的响应成为一个严重的问题，最终我转向了更快的嵌入式系统，并添加了对我最合适的modbus-tk支持。

对于那些对细节感兴趣的人

我的目标是达到最短的响应时间。

设定：

• 波特率：153600
  • 与实现Modbus从站的微控制器的16MHz时钟同步）
  • 我的rs-485总线只有50m
• FTDI FT232R转换器以及TCP桥接上的串行（在RFC2217模式下使用com4com作为桥接）
• 如果是USB到串行转换器的最低超时时间和为串行端口配置的缓冲区大小（以降低延迟）
• 自动TX RS-485适配器（总线处于显性状态）

用例场景：

• 每秒轮询5、8或10次，并支持之间的异步访问
• 读取/写入10到70个寄存器的请求

典型的长期（周）表现：

• MinimalModbus：初始测试后删除
• pymodbus：〜30ms读取64个寄存器; 有效地高达30个请求/秒
  • 但是响应不可靠（如果来自多个线程的同步访问）
  • github上可能有一个线程安全的fork，但它在master后面，我还没有尝试过（https://github.com/xvart/pymodbus/network）
• modbus-tk：〜16ms读取64个寄存器；对于较小的请求，有效地达到每秒70-80个请求

基准

码：

import time
import traceback
import serial
import modbus_tk.defines as tkCst
import modbus_tk.modbus_rtu as tkRtu

import minimalmodbus as mmRtu

from pymodbus.client.sync import ModbusSerialClient as pyRtu

slavesArr = [2]
iterSp = 100
regsSp = 10
portNbr = 21
portName = 'com22'
baudrate = 153600

timeoutSp=0.018 + regsSp*0
print "timeout: %s [s]" % timeoutSp


mmc=mmRtu.Instrument(portName, 2)  # port name, slave address
mmc.serial.baudrate=baudrate
mmc.serial.timeout=timeoutSp

tb = None
errCnt = 0
startTs = time.time()
for i in range(iterSp):
  for slaveId in slavesArr:
    mmc.address = slaveId
    try:
        mmc.read_registers(0,regsSp)
    except:
        tb = traceback.format_exc()
        errCnt += 1
stopTs = time.time()
timeDiff = stopTs  - startTs

mmc.serial.close()

print mmc.serial

print "mimalmodbus:\ttime to read %s x %s (x %s regs): %.3f [s] / %.3f [s/req]" % (len(slavesArr),iterSp, regsSp, timeDiff, timeDiff/iterSp)
if errCnt >0:
    print "   !mimalmodbus:\terrCnt: %s; last tb: %s" % (errCnt, tb)



pymc = pyRtu(method='rtu', port=portNbr, baudrate=baudrate, timeout=timeoutSp)

errCnt = 0
startTs = time.time()
for i in range(iterSp):
  for slaveId in slavesArr:
    try:
        pymc.read_holding_registers(0,regsSp,unit=slaveId)
    except:
        errCnt += 1
        tb = traceback.format_exc()
stopTs = time.time()
timeDiff = stopTs  - startTs
print "pymodbus:\ttime to read %s x %s (x %s regs): %.3f [s] / %.3f [s/req]" % (len(slavesArr),iterSp, regsSp, timeDiff, timeDiff/iterSp)
if errCnt >0:
    print "   !pymodbus:\terrCnt: %s; last tb: %s" % (errCnt, tb)
pymc.close()


tkmc = tkRtu.RtuMaster(serial.Serial(port=portNbr, baudrate=baudrate))
tkmc.set_timeout(timeoutSp)

errCnt = 0
startTs = time.time()
for i in range(iterSp):
  for slaveId in slavesArr:
    try:
        tkmc.execute(slaveId, tkCst.READ_HOLDING_REGISTERS, 0,regsSp)
    except:
        errCnt += 1
        tb = traceback.format_exc()
stopTs = time.time()
timeDiff = stopTs  - startTs
print "modbus-tk:\ttime to read %s x %s (x %s regs): %.3f [s] / %.3f [s/req]" % (len(slavesArr),iterSp, regsSp, timeDiff, timeDiff/iterSp)
if errCnt >0:
    print "   !modbus-tk:\terrCnt: %s; last tb: %s" % (errCnt, tb)
tkmc.close()

结果：

platform:
P8700 @2.53GHz
WinXP sp3 32bit
Python 2.7.1
FTDI FT232R series 1220-0
FTDI driver 2.08.26 (watch out for possible issues with 2.08.30 version on Windows)
pymodbus version 1.2.0
MinimalModbus version 0.4
modbus-tk version 0.4.2

读取100 x 64寄存器：

没有节电

timeout: 0.05 [s]
Serial<id=0xd57330, open=False>(port='com22', baudrate=153600, bytesize=8, parity='N', stopbits=1, timeout=0.05, xonxoff=False, rtscts=False, dsrdtr=False)
mimalmodbus:    time to read 1 x 100 (x 64 regs): 9.135 [s] / 0.091 [s/req]
pymodbus:       time to read 1 x 100 (x 64 regs): 6.151 [s] / 0.062 [s/req]
modbus-tk:      time to read 1 x 100 (x 64 regs): 2.280 [s] / 0.023 [s/req]

timeout: 0.03 [s]
Serial<id=0xd57330, open=False>(port='com22', baudrate=153600, bytesize=8, parity='N', stopbits=1, timeout=0.03, xonxoff=False, rtscts=False, dsrdtr=False)
mimalmodbus:    time to read 1 x 100 (x 64 regs): 7.292 [s] / 0.073 [s/req]
pymodbus:       time to read 1 x 100 (x 64 regs): 3.170 [s] / 0.032 [s/req]
modbus-tk:      time to read 1 x 100 (x 64 regs): 2.342 [s] / 0.023 [s/req]


timeout: 0.018 [s]
Serial<id=0xd57330, open=False>(port='com22', baudrate=153600, bytesize=8, parity='N', stopbits=1, timeout=0.018, xonxoff=False, rtscts=False, dsrdtr=False)
mimalmodbus:    time to read 1 x 100 (x 64 regs): 4.481 - 7.198 [s] / 0.045 - 0.072 [s/req]
pymodbus:       time to read 1 x 100 (x 64 regs): 3.045 [s] / 0.030 [s/req]
modbus-tk:      time to read 1 x 100 (x 64 regs): 2.342 [s] / 0.023 [s/req]

最大程度的省电

timeout: 0.05 [s]
Serial<id=0xd57330, open=False>(port='com22', baudrate=153600, bytesize=8, parity='N', stopbits=1, timeout=0.05, xonxoff=False, rtscts=False, dsrdtr=False)
mimalmodbus:    time to read 1 x 100 (x 64 regs): 10.289 [s] / 0.103 [s/req]
pymodbus:       time to read 1 x 100 (x 64 regs):  6.074 [s] / 0.061 [s/req]
modbus-tk:      time to read 1 x 100 (x 64 regs):  2.358 [s] / 0.024 [s/req]

timeout: 0.03 [s]
Serial<id=0xd57330, open=False>(port='com22', baudrate=153600, bytesize=8, parity='N', stopbits=1, timeout=0.03, xonxoff=False, rtscts=False, dsrdtr=False)
mimalmodbus:    time to read 1 x 100 (x 64 regs): 8.166 [s] / 0.082 [s/req]
pymodbus:       time to read 1 x 100 (x 64 regs): 4.138 [s] / 0.041 [s/req]
modbus-tk:      time to read 1 x 100 (x 64 regs): 2.327 [s] / 0.023 [s/req]

timeout: 0.018 [s]
Serial<id=0xd57330, open=False>(port='com22', baudrate=153600, bytesize=8, parity='N', stopbits=1, timeout=0.018, xonxoff=False, rtscts=False, dsrdtr=False)
mimalmodbus:    time to read 1 x 100 (x 64 regs): 7.776 [s] / 0.078 [s/req]
pymodbus:       time to read 1 x 100 (x 64 regs): 3.169 [s] / 0.032 [s/req]
modbus-tk:      time to read 1 x 100 (x 64 regs): 2.342 [s] / 0.023 [s/req]

读取100 x 10寄存器：

没有节电

timeout: 0.05 [s]
Serial<id=0xd56350, open=False>(port='com22', baudrate=153600, bytesize=8, parity='N', stopbits=1, timeout=0.05, xonxoff=False, rtscts=False, dsrdtr=False)
mimalmodbus:    time to read 1 x 100 (x 10 regs): 6.246 [s] / 0.062 [s/req]
pymodbus:       time to read 1 x 100 (x 10 regs): 6.199 [s] / 0.062 [s/req]
modbus-tk:      time to read 1 x 100 (x 10 regs): 1.577 [s] / 0.016 [s/req]

timeout: 0.03 [s]
Serial<id=0xd56350, open=False>(port='com22', baudrate=153600, bytesize=8, parity='N', stopbits=1, timeout=0.03, xonxoff=False, rtscts=False, dsrdtr=False)
mimalmodbus:    time to read 1 x 100 (x 10 regs): 3.088 [s] / 0.031 [s/req]
pymodbus:       time to read 1 x 100 (x 10 regs): 3.143 [s] / 0.031 [s/req]
modbus-tk:      time to read 1 x 100 (x 10 regs): 1.533 [s] / 0.015 [s/req]

timeout: 0.018 [s]
Serial<id=0xd56350, open=False>(port='com22', baudrate=153600, bytesize=8, parity='N', stopbits=1, timeout=0.018, xonxoff=False, rtscts=False, dsrdtr=False)
mimalmodbus:    time to read 1 x 100 (x 10 regs): 3.066 [s] / 0.031 [s/req]
pymodbus:       time to read 1 x 100 (x 10 regs): 3.006 [s] / 0.030 [s/req]
modbus-tk:      time to read 1 x 100 (x 10 regs): 1.533 [s] / 0.015 [s/req]

最大程度的省电

timeout: 0.05 [s]
Serial<id=0xd56350, open=False>(port='com22', baudrate=153600, bytesize=8, parity='N', stopbits=1, timeout=0.05, xonxoff=False, rtscts=False, dsrdtr=False)
mimalmodbus:    time to read 1 x 100 (x 10 regs): 6.386 [s] / 0.064 [s/req]
pymodbus:       time to read 1 x 100 (x 10 regs): 5.934 [s] / 0.059 [s/req]
modbus-tk:      time to read 1 x 100 (x 10 regs): 1.499 [s] / 0.015 [s/req]

timeout: 0.03 [s]
Serial<id=0xd56350, open=False>(port='com22', baudrate=153600, bytesize=8, parity='N', stopbits=1, timeout=0.03, xonxoff=False, rtscts=False, dsrdtr=False)
mimalmodbus:    time to read 1 x 100 (x 10 regs): 3.139 [s] / 0.031 [s/req]
pymodbus:       time to read 1 x 100 (x 10 regs): 3.170 [s] / 0.032 [s/req]
modbus-tk:      time to read 1 x 100 (x 10 regs): 1.562 [s] / 0.016 [s/req]

timeout: 0.018 [s]
Serial<id=0xd56350, open=False>(port='com22', baudrate=153600, bytesize=8, parity='N', stopbits=1, timeout=0.018, xonxoff=False, rtscts=False, dsrdtr=False)
mimalmodbus:    time to read 1 x 100 (x 10 regs): 3.123 [s] / 0.031 [s/req]
pymodbus:       time to read 1 x 100 (x 10 regs): 3.060 [s] / 0.031 [s/req]
modbus-tk:      time to read 1 x 100 (x 10 regs): 1.561 [s] / 0.016 [s/req]

实际应用：

modbus-rpc网桥的加载示例（约3％由RPC服务器部分引起）

• 5 x 64寄存器每秒同步同步读取

• 串行端口超时设置为0.018 s的异步访问

  • modbus-tk

  • 10条：{‘currentCpuUsage’：20.6，’requestsPerSec’：73.2} // 可以改进； 请参阅下面的“编辑”部分

  • 64 regs：{‘currentCpuUsage’：31.2，’requestsPerSec’：41.91} // 可以改进； 请参阅下面的“编辑”部分

  • pymodbus：

  • 10条：{‘currentCpuUsage’：5.0，’requestsPerSec’：36.88}

  • 64条：{‘currentCpuUsage’：5.0，’requestsPerSec’：34.29}

编辑： modbus-
tk库可以轻松地改进以减少CPU使用率。在原始版本中，在发送请求并经过T3.5睡眠传递后，主控器一次汇编响应一个字节。分析证明，大多数时间都花在串行端口访问上。通过尝试从串行缓冲区读取期望的数据长度，可以改善此问题。根据pySerial文档，如果设置了超时，它应该是安全的（在缺少响应或响应太短时不会挂断）：

read(size=1)
Parameters: size – Number of bytes to read.
Returns:    Bytes read from the port.
Read size bytes from the serial port. If a timeout is set it may return less characters as   
requested. With no timeout it will block until the requested number of bytes is read.

通过以下方式修改`modbus_rtu.py’之后：

def _recv(self, expected_length=-1):
     """Receive the response from the slave"""
     response = ""
     read_bytes = "dummy"
     iterCnt = 0
     while read_bytes:
         if iterCnt == 0:
             read_bytes = self._serial.read(expected_length)  # reduces CPU load for longer frames; serial port timeout is used anyway 
         else:
             read_bytes = self._serial.read(1)
         response += read_bytes
         if len(response) >= expected_length >= 0:
             #if the expected number of byte is received consider that the response is done
             #improve performance by avoiding end-of-response detection by timeout
             break
         iterCnt += 1

修改modbus-tk之后，实际应用程序中的CPU负载显着下降，而不会显着降低性能（仍然优于pymodbus）：

更新了modbus-rpc网桥的加载示例（〜3％由RPC服务器部分引起）

• 5 x 64寄存器每秒同步同步读取

• 串行端口超时设置为0.018 s的异步访问

  • modbus-tk

  • 10条：{‘currentCpuUsage’：7.8，’requestsPerSec’：66.81}

  • 64条：{‘currentCpuUsage’：8.1，’requestsPerSec’：37.61}

  • pymodbus：

  • 10条：{‘currentCpuUsage’：5.0，’requestsPerSec’：36.88}

  • 64条：{‘currentCpuUsage’：5.0，’requestsPerSec’：34.29}