Python modbus 库

Question

我必须控制带有串行接口(interface)的 modbus 设备。我没有使用 modbus 的经验。但我的简短研究揭示了几个 modbus 库

pymodbus

MinimalModbus

Modbus-tk

uModbus

有什么优点/缺点，还有更好的选择吗？

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，但在我的情况下是串行通信(modbus RTU)，所以我的观察只对 modbus RTU 有效。
在我的考试中，我并没有过多关注文档，但是对于 modbus-tk 最容易找到串行 RTU 主站的示例，但是仍然在源代码中，而不是在 wiki 等上。
长话短说:
最小Modbus:

优点:

轻量模块

对于读取 ~10 个寄存器的应用程序，性能可能是可以接受的

缺点:

读取 ~64 个寄存器时速度慢得令人无法接受(对于我的应用程序)

CPU 负载相对较高

pymodbus:
显着特点:依赖于串行流( post by the author )，串行超时必须动态设置，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:

CPU 负载低

可接受的性能

缺点:

即使超时是动态设置的，性能也比 modbus-tk 低 2 倍；如果超时保持恒定值，性能会差很多(但查询时间是恒定的)

对硬件敏感(我认为是由于对来自串行缓冲区的处理流的依赖性)或者事务可能存在内部问题:如果不同的读取或读取/写入执行约每秒 20 次或更多，您可能会得到混合的响应.更长的超时有帮助，但并不总是使串行线上的 pymodbus RTU 实现不够健壮，无法用于生产。

添加对动态串口超时设置的支持需要额外的编程:继承基本同步客户端类并实现套接字超时修改方法

响应验证不像 modbus-tk 中那样详细。例如，在总线衰减的情况下，仅抛出异常，而 modbus-tk 在相同情况下返回错误的从地址或 CRC 错误，这有助于确定问题的根本原因(可能是超时太短、错误的总线终止/缺少或浮地等)

modbus-tk:
显着特点:探测串行缓冲区数据，快速组装和返回响应。

优点

最棒的表演;比具有动态超时的 pymodbus 快 2 倍

缺点:

大约与 pymodbus 相比，CPU 负载高 4 倍//可以大大改善使这一点无效；见最后的编辑部分

CPU 负载会因更大的请求而增加//可以大大改善使这一点无效；见最后的编辑部分

代码不如 pymodbus 优雅

6 个多月以来，由于最佳性能/CPU 负载率，我一直在使用 pymodbus，但在更高的请求率下，不可靠的响应成为一个严重问题，最终我转向了更快的嵌入式系统，并添加了对 modbus-tk 的支持，这对我来说效果最好。
对于那些对细节感兴趣的人
我的目标是实现最短的响应时间。
设置:

波特率:153600

与实现 modbus slave 的微 Controller 的 16MHz 时钟同步)

我的 rs-485 总线只有 50m

FTDI FT232R 转换器和串行 TCP 桥接器(在 RFC2217 模式下使用 com4com 作为桥接器)

如果 USB 到串行转换器为串行端口配置了最低超时和缓冲区大小(以降低延迟)

auto-tx rs-485 适配器(总线具有显性状态)

用例场景:

每秒轮询 5、8 或 10 次，支持异步访问

请求读/写 10 到 70 个寄存器

典型的长期(数周)表现:

MinimalModbus:初始测试后下降

pymodbus:~30ms 读取 64 个寄存器；有效高达 30 个请求/秒

但响应不可靠(在多个线程同步访问的情况下)

github 上可能有一个线程安全分支，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，有效高达 70 - 80 个请求/秒

基准
代码:

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:
不省电

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): 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]

最大节能

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:
不省电

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): 6.246 [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]

最大节能

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 桥的负载示例(~​​3% 是由 RPC 服务器部分引起的)

5 x 64 寄存器同步读取每秒和同时

串行端口超时设置为 0.018 秒的异步访问

modbus-tk

10 regs: {'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 regs: {'currentCpuUsage': 5.0, 'requestsPerSec': 36.88}

64 regs: {'currentCpuUsage': 5.0, 'requestsPerSec': 34.29}

编辑: modbus-tk 库可以轻松改进以减少 CPU 使用率。
在原始版本中，发送请求并通过 T3.5 sleep 后，主机一次一个字节地组装响应。分析证明大部分时间都花在了串行端口访问上。这可以通过尝试从串行缓冲区读取预期长度的数据来改进。根据 pySerial documentation如果设置了超时，它应该是安全的(当响应丢失或太短时不会挂断):

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. 

按以下方式修改“modbus_rtu.py”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

在 modbus-tk 修改后，实际应用程序中的 CPU 负载大幅下降，而没有显着的性能损失(仍然比 pymodbus 好):
更新 modbus-rpc 桥的负载示例(约 3% 是由 RPC 服务器部分引起的)

5 x 64 寄存器同步读取每秒和同时

串行端口超时设置为 0.018 秒的异步访问

modbus-tk

10 条:{'currentCpuUsage':7.8，'requestsPerSec':66.81}

64 regs: {'currentCpuUsage': 8.1, 'requestsPerSec': 37.61}

pymodbus:

10 regs: {'currentCpuUsage': 5.0, 'requestsPerSec': 36.88}

64 regs: {'currentCpuUsage': 5.0, 'requestsPerSec': 34.29}