Modbus服务端实现_虚拟PLC

PLCMonitor 内置 Modbus TCP 服务端：让第三方 SCADA 零改造对接

把 PLCMonitor 变成一台"虚拟 PLC"，外部 WinCC / 触摸屏 / 能耗网关直接用 Modbus 读数据。libmodbus 在 Windows UCRT64 下的坑、越界读的排查黑洞、寄存器映射地址约定，全部说清楚。

背景：为什么要做 Modbus 服务端？

PLCMonitor 本身已经通过 S7 / Modbus TCP Client / OPC UA 等协议采集了现场数据。但现场还有另一类系统也需要这些数据——能耗管理平台、第三方 HMI、楼宇自控系统……让它们重新接一遍 PLC 通讯栈成本太高。

Modbus TCP 是工业领域最普及的协议，几乎所有 SCADA / HMI 都支持。如果 PLCMonitor 自己就是一个 Modbus Server，第三方系统直接配置地址和端口就能读到数据，零改造。

一、线程模型：N+1 连接线程，无锁热路径

libmodbus 的上下文（modbus_t）不是线程安全的，每个连接必须用独立的 ctx + mapping。

PLCMonitor 的做法：

accept 线程（主线程创建，阻塞在 modbus_tcp_listen 上）
│
│ onClientAccepted(fd, peerIp) ← QueuedConnection，主线程触发
▼
主线程 ──→ QThread::create(connWorker, params) ← 每连接一线程
├─ 持有独立的 modbus_t* ctx
├─ 持有独立的 modbus_mapping_t* mapping
└─ indication_timeout = 100ms（stop 后 100ms 内退出）

关键约束：所有 QThread 对象都在主线程创建，线程亲和性为主线程，deleteLater() 才有效。工作线程绝不直接 emit 或调用主线程对象，统一走 postMessage() / QMetaObject::invokeMethod(…, Qt::QueuedConnection)，以主线程的 m_controller 为 context。

二、寄存器映射：标签地址 → PDU 偏移

地址约定（对齐工业主流）

设计意图：第三方组态默认从 40001 开始填地址，holdStart=0 + offset = addr – 40001 的换算让 40001 直接命中 PDU 0，用户零思考即可连通。

buildTemplate 流程

// 遍历配置中的 mappings，构建 MappingTemplate
for (const ModbusMappingEntry &m : cfg.mappings) {
if (!ModbusHelper::isHoldingRegisterLabel(m.addr)) {
// 非法地址（非 40001–49999 / 400001–465536）→ WARN 跳过
continue;
}
MbMappingEntry e;
e.tagKey = m.tag;
e.addr = m.addr;
e.offset = ModbusHelper::protocolAddressToOffset(m.addr); // addr – 40001
// 类型、字节序、scale 解析…
t->addrToIndex.insert(e.offset, t->entries.size());
t->entries.append(e);
maxEnd = qMax(maxEnd, e.offset + e.regCount – 1);
}
t->holdStart = 0;
t->holdNb = qMax(1, maxEnd + 1); // 至少 1，防止 libmodbus 分配 NULL

空洞行为：基址到首个映射之间的 PDU 偏移读回 0（不是异常码 02）。这是 libmodbus 寄存器表初始化的自然结果，实测 holdNb=12 时 PDU 0/8/10/11 成功、PDU 12 才回 02。

三、一个隐藏坑：监听 fd 泄漏导致断连后无法重连

症状

修改 Modbus 配置 → 停用 → 启用，端口仍显示 502，面板显示"运行中"，但新客户端 connect 成功却无法收到响应。只能重启应用。

根因（libmodbus 源码，不是猜测）

// libmodbus modbus-tcp.c: modbus_tcp_listen()
// 自建 socket 直接 return new_s，从不写回 ctx->s
ctx->s = –1; // _modbus_init_common 置 -1
// … 创建 socket，bind，listen …
return new_s; // ← 没有 ctx->s = new_s！

而 modbus_close() 内部：

// _modbus_tcp_close()
if (ctx->s >= 0) { // ctx->s 仍是 -1 → 条件不成立
closesocket(ctx->s);
}

结果：stop() 调用 modbus_close(m_listenCtx) 是空操作，监听 socket 泄漏但端口仍被占用。

Windows 机制（探针实测）：SO_REUSEADDR 允许同端口两个活跃监听 socket 共存，但新连接归"先注册"的那个。泄漏的孤儿 socket 吃掉全部新连接，新 accept 线程永远收不到。

修复

// listenOnce() 里补一行：modbus_set_socket 回填 ctx->s
int fd = modbus_tcp_listen(ctx, 0);
modbus_set_socket(ctx, fd); // ← 补这一行
m_listenFd = fd;

// stop() 兜底：modbus_get_socket() < 0 时直接 closeFd
if (modbus_get_socket(m_listenCtx) < 0) {
closeFd(m_listenFd);
m_listenFd = –1;
}

四、越界读：libmodbus 不回调应用层，只能请求前预判

libmodbus 的 modbus_reply() 对越界读静默回异常码 02（Illegal Data Address），不回调应用层，服务端日志里完全没有痕迹。用 mbpoll 测试时只会看到 02 Illegal Data Address，却不知道为什么。

PLCMonitor 的做法：在 modbus_reply() 之前手动预判：

void logOutOfRangeRead(ConnParams &p, int fc, const uint8_t *query, int rc) {
if (rc < 12) return;
const int a = (query[8] << 8) | query[9];
const int qty = (query[10] << 8) | query[11];
const int lo = p.tmpl->holdStart;
const int hi = p.tmpl->holdStart + p.tmpl->holdNb – 1;
if (a < 0 || qty < 1 || (a >= lo && a + qty – 1 <= hi)) return;

// 每连接每秒最多一条，避免 mbpoll 类工具 1s 轮询时刷屏
const quint64 now = QDateTime::currentMSecsSinceEpoch();
if (now – p.rangeLogMs >= 1000) {
qWarning() << "[Modbus]" << p.peerIp << "读地址越界：请求 PDU "
<< a << "×" << qty << "，可读区间 [" << lo << "," << hi << "]";
p.rangeLogMs = now;
} else {
++p.rangeSuppressed;
}
// 回包仍交给 modbus_reply()，保持标准行为不变
}

五、数据类型与字节序

支持的类型

字节序

4 种排列，对应工业常见规范：

所有编解码统一到"ABCD 规范字节"中转，字节序只在寄存器层排布：

void valueToWireBytes(double val, ModbusType t, uint8_t b[4]) {
// 统一输出 b[0]=最高字节, b[3]=最低字节
// encodeIntoRegisters 再按 ByteOrder 排布到 regs[0]/regs[1]
}

六、授权门控

Modbus 服务端不是常开基础设施，受 License 模块控制：

• .lic 文件中 modules 不含 "modbus" → modbusServer()->start() 不调用，端口完全不监听，控制面板显示"未授权"
• 试用版 / 已授权 → 正常启动

这与其他对外接口（REST API、MQTT）保持一致的门控策略。

七、实际对接场景

第三方系统配置示例（WinCC / 触摸屏 / 能耗网关）：

协议： Modbus TCP
地址： PLCMonitor 所在机器的 IP
端口： 502
站号： 1（或配置中的 unit_id）
读取地址：40001 起（对应标签映射的第一个 addr）

无需安装额外驱动，无需改 PLCMonitor 任何代码，配置即通。

总结

项目地址：https://github.com/freddiezhang1990/plcmonitor

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