Главная Баланс

Modbus tcp описание. Сеть приборов, протокол MODBUS

Статья посвящена промышленному протоколу ModBus — наиболее простому, а потому широко распространённому цифровому протоколу передачи данных.

Стандарт ModBus был изобретён ещё в 1979 году компанией Modicon (ныне Schneider Electric) и с того времени не утратил своей актуальности, а даже наоборот получил широкое распространение и большую популярность среди разработчиков АСУ ТП.

Преимущества и недостатки протокола ModBus

Преимущества:

прост в реализации
отсутствует необходимость установки специальных микросхем для реализации протокола при разработке контроллеров и устройств
простота диагностики и отладки
поддерживается большинством устройств, применяемых при построении АСУ ТП
высокая надёжность и достоверность при передаче данных

Недостатки:

ModBus сеть построена по принципу «ведущий-ведомый», где ведущее устройство может быть только одно. Поэтому обмен данными происходит только по инициативе ведущего устройства (оно по очереди опрашивает все ведомые). Если ведомому устройству нужно срочно передать данные, оно не может этого сделать, пока его не опросит «ведущий».

Общие сведения о ModBus сети

ModBus сеть объединяет одно ведущее (мастер) и несколько ведомых (слейвов). Обмен данными в сети происходит по инициативе мастера. Он может отправить запрос одному из подчинённых устройств или широковещательное сообщение сразу всем ведомым устройствам сети.

После отправки запроса мастер ожидает ответ в течение заданного времени («время таймаута»). Если в течение этого времени ответ не получен, мастер считает, что связь с ведомым отсутствует. На широковещательное сообщение ответ не предусмотрен.

Слейвы (ведомые устройства) не могут самостоятельно инициировать передачу данных. Они могут передать данные только после запроса мастера (и только те данные, которые мастер запросит).

Существует три разновидности протокола:

ModBus ASCII — разновидность протокола, в которой сообщения кодируются с помощью ASCII-символов. Сообщения разделяются символами «:» и CR/LF. Не очень удобен, в России используется крайне редко.
ModBus RTU — разновидность протокола, в которой сообщения кодируются «как есть» (числами). Между собой сообщения разделяются временной паузой в 3,5 символа при заданной скорости передачи.
ModBus TCP — разновидность протокола для работы поверх TCP/IP стека, требуется при соединении устройств по Ethernet.

Физический уровень протокола ModBus

Для передачи ModBus сообщений используется последовательные асинхронные интерфейсы (RS232, RS485, RS422) в случае использования протоколов ASCII и RTU и Ethernet интерфейс для протокола ModBus TCP.

Использование стандартных интерфейсов делает ModBus удобным для пользователей и разработчиков.

Типы данных ModBus

Любой узел сети ModBus — это интеллектуальное устройство (контроллер, регулятор, датчик и др.). Согласно спецификации узел сети может иметь следующие структуры данных:

Discrete Inputs — состояния дискретных входов устройства, их можно только прочитать. Однобитовый тип данных.
Coils — состояния дискретных выходов устройства, их можно прочитать и изменить (записать новое состояние). Однобитовый тип.
Input Registers — 16-битные регистры, доступные только для чтения.
Holding Registers — 16-битные регистры свободного назначения, доступны для чтения и записи.

Указанные типы данных необязательны для всех устройств, поддерживающих ModBus. Например, Discrete Inputs и Coils характерны больше для .

Производитель устройства сам решает, какой тип данных сделать доступным для чтения и записи по ModBus, и об этом написано в руководстве устройства. В большинстве случае пользуются типом Holding Registers, поскольку он самый универсальный.

Структура обмена данными по ModBus

Как уже было сказано, обмен данными по ModBus состоит из запросов и ответов. Ведущее устройство посылает запрос одному из подчинённых устройств, указывая в запросе его адрес, или всем устройствам сразу, указывая адрес 0.

Рис. Структура ModBus-пакета

Типовой запрос или ответ состоит из следующих блоков:

адрес подчинённого устройства
номер функции — определяет тип запрашиваемых данных и что с ними нужно сделать (прочитать/записать)
данные — содержит параметры функции («куда», «сколько» и «какие» данные записывать или читать)
блок контроля подлинности — содержит контрольную сумму для проверки целостности полученных данных.

Состав данных блоков отличается для RTU и TCP реализаций ModBus. Далее мы подробно рассотрим каждый из них.

ModBus ASCII мы не будем подробно рассматривать, поскольку он используется крайне редко. Состав пакета в ModBus ASCII такой же как и ModBus RTU, и отличается только типом кодирования и способом разделения пакетов.

Номер функции определяет тип запрашиваемых данных и что с ними нужно сделать (прочитать/записать).

Функций ModBus достаточно много и они разделены на три категории:

стандартные — функции, описанные в стандарте протокола. Среди них много устаревших и неиспользуемых.
пользовательские — диапазон номеров функций (с 65 по 72 и с 100 по 110), которые может использовать любой производитель устройств для реализации своих специфичных функций. При этом вполне возможно, что у устройств различных производителей под одинаковыми номерами будут разные по смыслу функции.
зарезервированные — функции, не описанные в базовом стандарте, но реализованные в устройствах различных производителей. При этом гарантируется, что данные производители зарезервировали эти номера для себя и другие производители не могут ими воспользоваться.

Однако, это всё лирика… На практике в большинстве случаев используются всего несколько функций, мы подробно поговорим о них в , а в этой будем рассматривать всё на примере функции Read Holding Registers (чтение регистров общего назначения).

Функция Read Holding Registers (0x03)

Функция под номером 3 — одна из самых употребимых функций, предназначена для чтения регистров общего назначения устройства.

В запросе указывается количество регистров, которые нужно прочитать и адрес первого из них.

Ответ содержит количество байт (количество регистров умноженное на 2) и значения запрошенных регистров.

Рис. Запрос от мастера

Рис. Ответ слейва

Количество байт в ответе помогает ведущему устройству по мере получения данных понять, когда все данные уже получены. То есть если мастер получил третий байт с числом 200 — это означает, что ему осталось получить еще 100 байт + 2 байта контроля целостности. Это позволит ему посчитать количество пришедших байт и закончить приём, не дожидаясь, когда закончится время таймаута, отведённое слейву на ответ.

Вместо нормального ответа, содержащего запрошенные данные, подчинённое устройство может ответить ошибкой. При этом к номеру функции в ответе добавляется код 0х80 в шестнадцатеричной системе исчисления.

Обратимся к предыдущему примеру. Там подчинённое устройство ответило без ошибки и второй байт в ответе был 0х03. Если бы ответ содержал код ошибки, то к номеру функции подчинённое устройство добавило бы 0х80 и получилось бы 0х83. Вот так:

Рис. Ответ слейва с признаком ошибки

В этом примере код ошибки 02 — это один из стандартных кодов. Вот какие они бывают:

01 — функция не поддерживается. Это значит, что, возможно, функция не стандартная или просто не реализована конкретно в этом устройстве.

02 — запрошенная область памяти не доступна. Каждое устройство содержит определённое количество данных определённого типа. Например, в устройстве доступно 100 регистров общего назначения. Если при этом запросить чтение 101 регистров — возникнет ошибка 02.

03 — функция не поддержит запрошенное количество данных. Например, функция №3 «Read Holding Registers» позволяет читать от 1 до 2000 регистров общего назначения. Поэтому, даже если в подчинённом устройстве доступно для чтения 10 000 регистров, при запросе более 2000 с помощью функции №3 — возникнет эта ошибка.

04 — функция выполнена с ошибкой. Такой код ошибки будет возвращён, если есть какое-то иное препятствие для нормального выполнения команды, не охваченное тремя предыдущими кодами ошибки. Проще говоря, это такая заглушка «на всякий случай», если что-то пошло не так, но в протоколе специального кода для такой ошибки не предусмотрено.

Нужно помнить, что существуют не только стандартные функции, но ещё и пользовательские и зарезервированные. Поэтому, производители устройств, которые дополнили протокол своими функциями, возможно заложили туда другие коды ошибок. Но это всё очень большая экзотика…

ModBus RTU

Как уже говорилось, в протоколе ModBus RTU данные передаются в виде сообщений, разделённых между собой временными паузами длиной в 3,5 символа при заданной скорости передачи.

В сообщении обязательно указывается адрес получателя (или 0, если сообщение широковещательное) и номер функции.Номер функции определяет какие данные содержит сообщение и как их интерпретировать.

За номером функции идут данные. Регистры данных в ModBus 32-битные, а передаются ввиде двух 16-битных сло. Сначала идёт старший байт, затем младший.

Пример. Допустим, мы хотим прочитать из удалённого модуля сбора данных 2 регистра, начиная с первого. Адрес удалённого модуля в сети ModBus «4». Для этого воспользуемся функцией №3 Read Holding Registers.

Рис. Запрос на чтение 2-х регистров, начиная с 1-го

Рис. Ответ от слейва на запрос

В ответе подчинённое устройство повторяет свой адрес и номер функции, далее следует количество полезных байт в ответе. Каждый регистр состоит из двух байт (сначала идёт старший, затем младший). Значение запрошенных регистров оказались равны 11 и 22 в десятичной системе исчисления (0B и 16 в шестнадцатеричной соответственно).

О том, как использовать другие ModBus функции мы выпустим отдельную статью.

Контроль целостности пакета в ModBus RTU (CRC-16)

В предыдущем примере за байтами данных идут два байта проверки целостности пакета. Они являются результатом вычисления кода CRC-16 для всего сообщения.

Мастер, передавая запрос, вычисляет CRC-код и добавляет его в конец сообщения. Слейв, получив сообщение, проверяет сообщение на целостность согласно алгоритму CRC-16. Затем подчинённое устройство составляет ответ, точно так же вычисляет для него CRC и добавляет в конец пакета.

Подробно рассматривать алгоритм CRC-16 мы не будем, т.к. мы стараемся быть ближе к практике… А на практике программисту практически никогда не приходится писать блок вычисления CRC — в любой среде программирования можно найти соответствующую функцию или функциональный блок.

Заключение

В данной статье мы рассмотрели общую структуру протокола ModBus и его классическую разновидность ModBus RTU. Вообще говоря, ModBus RTU — это и есть «истинный Modbus» (если отбросить ModBus ASCII, который уже устарел).

В мы поговорим о разновидности протокола ModBus TCP, который является «притягиванием за уши» классического ModBus с целью использования его в Ethernet-сетях, что, конечно же, накладывает определённые ограничения. Но об этом в следующей статье. Следите за обновлениями на LAZY SMART .

Интерфейс RS-48

Стандарт ANSI TIA/EIA-485, более известный как RS485, определяет сбалансированный способ надёжной передачи данных на длинные расстояния в условиях промышленных помех. Также стандарт определяет топологию сети и описывает способы согласования полного сопротивления линии интерфейса и предоставляет результаты лабораторных тестов.

Физически, интерфейс RS485 является дифференциальным, обеспечивает многоточечные соединения и позволяет передавать и принимать данные в обоих направлениях.

Упрощённо, сеть интерфейса RS485 представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары - двух скрученных проводов (см. рис. 2.1).

Типовая разница напряжений между линиями A и B передатчика равна 3В, минимальная 1.5В, максимальная 5В.

Разница напряжений между линиями A и B на приёмнике должна быть не менее 0.2В и абсолютная разница потенциалов относительно общего провода должно быть в диапазоне (-7…+12)В.

Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов. Именно этой разностью потенциалов и передается сигнал. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. Максимальная скорость связи прибора по интерфейсу RS485 может достигать нескольких Мбод. Максимальное расстояние - 1200 метров. Если необходимо организовать связь на расстоянии больше чем 1200 метров или подключить больше устройств, чем допускает нагрузочная способность передатчика - применяют специальные повторители (репитеры). Типовое правило для расчёта максимальной длины линии связи таково: произведение скорости передачи в бодах на длину в метрах должно дать результат не более чем 108.

При значительных расстояниях между устройствами, связанными по витой паре или высоких скоростях передачи начинают проявляться так называемые эффекты длинных линий. Электромагнитный сигнал имеет свойство отражаться от открытых концов линии передачи и ее ответвлений. Фронт сигнала, отразившийся от конца линии, может исказить текущий или следующий сигнал. В таких случаях нужно подавлять эффект отражения.

Существуют стандартные решения этой проблемы (R, RC - терминаторы). У любой линии связи есть такой параметр, как волновое сопротивление Zв. Оно зависит от характеристик используемого кабеля и не зависит от его длины. Для обычно применяемых в линиях связи витых пар волновое сопротивление Zв составляет (90-120) Ом. Рассмотрим варианты:

Если на удаленном конце линии, между проводниками витой пары включить резистор с номинальным омическим сопротивлением равным волновому сопротивлению линии, то электромагнитная волна, дошедшая до ≪тупика≫ поглощается на таком резисторе. Отсюда его названия - согласующий резистор или ≪терминатор≫ . Помимо достоинств этого метода (повышение скорости, увеличение длины и подавление отражений), есть и недостатки (дополнительная нагрузка на драйверы повышает энергопотребление, остальные ответвления линии продолжают вносить искажения, драйвер приёмника находится в неоднозначном состоянии: либо режим ожидания, либо режим приёма).
Если на удалённом конце вместо резистора установить RC цепочку R=(90-120) Ом, С=1000 пФ, то можно устранить проблему повышенного энергопотребления и проблему неопределённости драйвера приёмника (для приёмников с функциями open-line и failsafe). Но из-за постоянной времени RC цепи, максимальная скорость передачи и длинна линии будут меньшими.

Эффект отражения и необходимость правильного согласования накладывают ограничения на конфигурацию линии связи (топология сети). Линия связи должна представлять собой один кабель витой пары. К этому кабелю присоединяются все приемники и передатчики (гирлянда). Расстояние от линии до микросхем интерфейса RS485 должно быть как можно короче, так как длинные ответвления вносят рассогласование и вызывают отражения. В оба наиболее удаленных конца кабеля включают терминаторы. Калибр витой пары достаточно не более AWG24.

Следует также сказать, что к линии интерфейса все устройства подключаются через специализированные микросхемы (драйверы интерфейса RS485). Они могут быть разных производителей и с различными техническими параметрами и как следствие различной стоимости. Эти драйверы в значительной степени могут определять эксплуатационные свойства приборов: дальность передачи, количество приборов в одном участке сети и надёжность передачи.

Протокол MODBUS

MODBUS - это протокол уровня приложений (уровень 7 модели OSI), что обеспечивает связь между устройствами, соединёнными различными каналами связи и сетями.

Де-факто, MODBUS является стандартом в сетях промышленного назначения с 1979 года. Он обеспечивает связь миллионам устройств во всём мире, в том числе и через Интернет. Есть различные реализации протокола:

Для асинхронных беспроводных, оптических и проводных каналов связи (RS-232, RS-485, RS-422)
Для TCP/IP (порт 502) через интернет
MODBUS-PLUS - для высокоскоростных сетей с передачей меток (high speed token passing network)

Кроме того, разнородные участки сетей могут объединяться шлюзами (специальными конверторами).

Для асинхронных последовательных каналов связи существует две реализации MODBUS-SERIAL-LINE протокола МODBUS-RTU и MODBUS-ASCII (уровень 1 и 2 модели OSI). Разница между ними заключается в способе кодировки данных, способе синхронизации фреймов, и алгоритме обеспечения целостности данных. В нашем случае, в сети RS485 обмен данными реализован посредством протокола MODBUS-RTU. Далее по тексту будем рассматривать ситуацию только в этом аспекте.

MODBUS-SERIAL-LINE протокол - это протокол типа MASTER-SLAVE (протокол запросов-ответов). Ведущий в сети (MASTER) всегда один. Каждый подчинённый (SLAVE) должен иметь уникальный номер 1-247. Адрес 0 - это широковещательный запрос, адресованный сразу всем подчинённым. Таким образом, логически в одном участке сети может быть до 248 устройств (включая MASTER). Каждый запрос содержит код функции. Под MODBUS функциями понимают определённые сервисы предоставляемые подчинёнными ведущему. Таким образом, роль клиента играет MASTER, а роль сервера, с определённым набором функций-сервисов, SLAVE.

Функции протокола MODBUS

Каждый SLAVE может содержать уникальный набор функций-сервисов, но есть и ряд стандартных функций, которые подробно описаны в документе (www.modbus.org ). Также полезная информация может быть найдена в документе “MODBUS over serial line specification and implementation guide” (www.modbus.org ).

Поддерживаемые нами функции (см. табл. 4.1 - 4.2).

В более ранних версиях приборов (до 2010г) были реализованы лишь пользовательские функции, но со временем стало понятно, что для обеспечения совместного использования приборов с ПЛК (минуя ПК) необходимы и стандартные функции.

Будьте внимательны и обратите внимание на то, что стандартные функции оперируют только со словами (16-бит) и в формате big-endian, но при этом формат контрольной суммы CRC16 little-endian! Поэтому, для исключения разночтений в описании протокола MODBUS, в части порядка следования байт контрольной суммы CRC16, стоит пользоваться нехитрым правилом: правильно посчитанная контрольная сумма неповреждённого пакета (с участием 2-ух последних байт CRC16) всегда равна нулю.

Правильный запрос: CRC16 (1 104 0 0 8 0 103 195) = 0

Неверный запрос: CRC16 (1 104 0 0 8 0 195 103) <> 0

Стандартные функции (см. таб. 4.1) подробно описаны в документе “MODBUS Application Protocol Specification” (www.modbus.org ).

Функция 108 «Служебные команды» имеет следующие коды подфункций (см. таб. 4.8).
Подфункции, возвращающие какие-либо данные, имеют префикс GET. Подфункции, не возвращающие данных, не содержат поля данных и, при удачном выполнении, возвращаются эхом.

Подфункции 1 и 2, возвращающие номер тома всегда возвращают 4-х байтное значение типа DWORD.

Подфункции 3 и 4, возвращающие номера страниц могут возвращать как 2-х байтные (WORD), так и 4-х байтные (DWORD) значения, в зависимости от модели прибора.

Карты распределения памяти приборов

В следующих таблицах представлены карты распределения памяти приборов. Следует отметить тот факт, что в стандартных MODBUS функциях размеры типов данных могут отличаться от типов данных пользовательских функций (в большую сторону) в случае, если размер типа данных не кратен типу WORD (2 байта).

Порядок следования байт указан в столбце Order. Обозначение BE соответствует порядку big endian, а LE - little endian.

Операции, доступные для данной переменной, указываются в последнем столбце rw (read-write). R - разрешается только чтение, W - разрешается только запись, RW - разрешается, как чтение, так и запись.

Массивы обозначены словом array, а количество элементов массив указано в квадратных скобках [n].

Однофазный прибор OMIX измеряет 7 параметров качества электроэнергии, в массивах памяти (array) они расположены в следующем порядке -напряжение, -ток, - частота, - полная мощность, - активная мощность, - реактивная мощность, - cos(Φ).

Использованные источники информации

Electrical Characteristics of Balanced Voltage Digital Interface Circuits, ANSI/TIA/EIA-422-B-1994, Telecommunications Industry Association, 1994
Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems, ANSI/TIA/EIA-485-A-1998, Telecommunications Industry Association, 1998
Application Guidelines for TIA/EIA-485-A, TIA/EIA Telecommunications Systems Bulletin, Telecommunications Industry Association, 1998
A Comparison of Differential Termination Techniques, Joe Vo, National Semiconductor, Application Note AN-903
Data Transmission Design Seminar Reference Manual, 1998, Texas Instruments, literature number SLLE01
Data Transmission Line Circuits Data Book, 1998, Texas Instruments, literature number SLLD001
MODBUS Application Protocol Specification
MODBUS over serial line specification and implementation guide

ООО «Автоматика» 2012

Ну что же, пора рассмотреть, чем протокол Modbus TCP отличается от протокола Modbus RTU . Так как отличий не очень много, то и статья будет не очень большая.
Итак, в предыдущей стать о функциях Modbus RTU можно узнать, какие есть функции и их бинарный формат. Теперь стоит рассказать что такое Modbus TCP , как он применяется и чем отличается от стандартного Modbus RTU .

Modbus RTU через TCP соединение

Самый простой способ обмена Modbus сообщениями через сеть – просто передавать Modbus RTU пакеты через TCP сокет (соединение). В этом случае формат пакетов такой же, как и для Modbus RTU протокола. В принципе на этом можно и закончить по этому типу протокола.

Modbus TCP

Для обмена Modbsu сообщениями по сети решили использовать модифицированный протокол. Взяли стандартный Modbus RTU и немного его изменили. Во-первых убрали из него последних 2 байта CRC16 . Так как каждый пакет TCP/IP содержит свою контрольную суму, решили что делать проверку еще раз не нужно. Кроме того убрали первый байт Slave ID . В принципе, Как будет видно дальше, Его не убрали, а просто переименовали. Вот эти байты, без Slave ID и CRC16 назвали PDU – Protocol Data Unit .

Например, возьмем запрос Modbus RTU , который читает несколько HOLDING регистров с устройства #17 (Slave ID = 17)

11 03 006B 0003 7687

Теперь убираем первый и последних 2 байта. Получаем PDU !

03 006B 0003

С этим вроде все ясно. Теперь, что бы получить полноценный пакет Modbus TCP нам нужно добавить впереди MBAP Header — Modbus Application Header . Т.е. нам нужно добавить некий заголовок. Этот заголовок включает в себя Transaction ID , Protocol ID , Length и Unit ID .

Transaction ID – 2 байта, которые устанавливаются клиентом, что бы однозначно идентифицировать каждый запрос. Т.е. это просто число от 0 до 65535 уникальное для каждого запроса.

Protocol ID – 2 байта, которые определяют версию протокола. В текущей реализации всегда должны быть равны 0x00 0x00

Length – 2 байта, которые определяют длину пакета (за исключением байтов Protocol ID , Transaction ID и Length )

Unit ID – уникальный адрес устройства, которое опрашивается данной командой. Идентично Slave ID .

Небольшое отступление по поводу адресации. Может показаться что это излишне, так как TCP соединение может быть установлено только на конкретный IP адрес и порт. Т.е. у нас уже есть конкретный адрес сервера, поэтому назначение Unit ID не совсем понятно.

Но на самом деле вполне обычна ситуация, когда есть некий сервер, который просто маршрутизирует Modbus RTU запросы на другие устройства, которые подсоединены к нему по различным каналам (локальная сеть, последовательный порт, CAN интерфейс). Поэтому клиент может использовать Modbus TCP сервер как шлюз (Gateway ) для общения с устройствами за ним.

Пример Modbus TCP сервера, который используется как шлюз для перенаправления запросов на Modbus RTU устройства

Вот пример из жизни. Есть некое устройство основанное на Linux. Это устройство выступает Modbus TCP сервером. Любой клиент может подсоединиться к публичному IP адресу на порт 502 и инициировать Modbus TCP соединение. К данному Linux устройству подключены сенсоры, которые использую последовательный порт RS485. Сенсоров много, они очень простые и не могут быть подключены к Internet, у них есть только порт RS485 и они понимают только Modbus RTU . Поэтому клиенты посылают Modbus TCP запросы с Unit ID сенсоров на Modbus TCP Сервер. Сервер декодирует Modbus TCP запрос и преобразует его в Modbus RTU и отправляет в порт RS485. После того как сенсор отвечает ему, он преобразует Modbus RTU ответ в Modbus TCP ответ и отсылает его назад, к Modbus TCP клиенту, который инициировал запрос. Таким образом, имея всего один публичный IP адрес можно опрашивать онлайн сотню сенсоров, которые даже не могут быть подсоединены к Интернету или локальной сети.

А теперь наглядная схема, чем отличается Modbus RTU запрос от Modbus TCP запроса.

Посмотрим пример байтов для двух запросов:

Modbus RTU: 11 03 006B 0003 7687 Modbus TCP: 0001 0000 0006 11 03 006B 0003

Пример ответа:

Modbus TCP: 0001 0000 0009 11 03 06 AE41 5652 4340 Modbus RTU: 11 03 06 AE41 5652 4340 49AD

Как видите, конвертировать запросы между Modbus RTU и Modbus TCP очень просто. Хотя реализация Modbus RTU через TCP может показаться самым простым способом для маршрутизации запросов, на самом деле в Modbus TCP есть несколько положительных моментов:

Не нужно вычислять CRC16
Есть возможность идентифицировать пару ответ / запрос используя Transaction ID
Можно легко добавлять свои версии протоколов, меняя константу Protocol ID

Modbus - открытый протокол последовательной связи. Был разработан в 1979 году для использования с устройствами программируемого логического контроллера (PLC), в настоящее время широко используется для подключения многих типов промышленных электронных устройств, подключенных к различным типам сетей.

Наиболее широко используемый протокол в промышленной автоматизации (исключение - локальные предприятия). Modbus очень популярен. Это достаточно простое и понятное в использовании устройство со стандартной последовательной связью. В сети Modbus каждое устройство смотрит в сеть как набор катушек (бит) и регистров. Мастер считывает и записывает эти катушки и регистры, используя очень простой и сжатый набор команд. Коммуникация движется только в одном направлении за раз.

Реализация протокола Modbus, установленная на практике, является очень краткой. Хотя есть двадцать основных команд, только некоторые из них действительно реализованы. Наиболее распространенными командами считаются считываемые катушки, записываемые катушки, считывание регистра, установка регистров. Небольшой набор команд - еще одна причина популярности протокола.

Modbus — протокол расширенного применения

Преобразователь протоколов широко используется по ряду причин:

Modbus — протокол с открытым исходным кодом. Это означает, что он может быть включен в широкий диапазон типов устройств от любого поставщика оборудования.
Использует простую структуру сообщений, что делает ее менее сложной для развертывания. Может потребовать всего несколько дней для реализации. Это явное конкурентное преимущество в сравнении с другими протоколами, которые могут потребовать месяцев для изучения и развертывания.
Поддерживает последовательные или Ethernet-соединения.
Используется с двумя типами последовательных соединений: RS-232 и RS-485. Некоторые версии протокола Modbus tcp также могут быть отправлены через Ethernet или TCP/IP. Эти сообщения Modbus упакованы как однобитовые или 16-битные пакеты слов.

Modbus не является частью физического уровня в сети. Связь передается над физическими уровнями, что позволяет использовать ее во многих различных типах сетей. Это свойство нефизического уровня делает Modbus протоколом прикладного характера.

Протокол передачи данных Modbus — это общий способ сбора данных из разных источников для просмотра операций, архивирования и устранения неполадок с центрального удаленного места. Он широко используется и является довольно простой технологией. В зависимости от приложения, более новый протокол может иметь больше преимуществ.

Как правило, ПК настроен на запуск таких программ, как Wonderware, Intellution или LabVIEW в одном месте для сбора данных из разных процессов по всему предприятию. Другое приложение предназначено для настройки удаленных контроллеров производственных процессов (ПЛК, Allen-Bradley, Siemens, PLCDirect и другие). Для реагирования на различные уровни или режимы, которые передаются с устройства.

Два варианта протокола

Существует два варианта протокола, которые проходят через последовательные соединения. Одним из них является протокол Modbus RTU. Описание этого варианта: оно более компактное, использует двоичную связь. В данном формате передача данных всегда сопровождается циклической контрольной суммой избыточности, которая используется для обнаружения проблем передачи.

Второй вариант — Modbus ASCII. Эта версия более подробная, использует шестнадцатеричное кодирование ASCII-данных, которое может быть прочитано операторами. Modbus ASCII является менее защищенным протоколом. Поскольку он менее эффективен, чем Modbus RTU, операторы должны использовать ASCII только для передачи данных на устройства, которые не поддерживают формат RTU. ASCII также может быть полезным, если сообщение RTU не может быть правильно применено.

Протокол Modbus для чайников

Modbus - это протокол последовательной связи, используемый для передачи информации по последовательным линиям между электронными устройствами. То, которое запрашивает информацию, называется ведущим (Master), а информация о поставке устройств — подчиненные устройства (Slaves). В стандартной сети Modbus есть один Master и до 247 Slaves, каждый из которых имеет уникальный подчиненный адрес от 1 до 247. Master может также записывать информацию в Slaves.

Для чего его используют?

Modbus является открытым протоколом. Это означает, что производители бесплатно могут встраивать его в свое оборудование. Он стал стандартным протоколом связи в промышленности, а в настоящее время является наиболее распространенным средством подключения промышленных электронных устройств. Он широко используется многими производителями во многих отраслях.

Modbus обычно используется для передачи сигналов от приборов и устройств управления обратно в главный контроллер или систему сбора данных, например, систему, которая измеряет температуру и влажность, передает результаты на компьютер. Modbus часто используется для подключения контрольного компьютера с удаленным терминальным блоком (RTU) в системах диспетчерского управления и сбора данных (SCADA). Версии протокола Modbus существуют для последовательных линий (RTU и ASCII) и для Ethernet (TCP).

Как это работает?

Modbus передается по последовательным линиям между устройствами. Самой простой установкой был бы один последовательный кабель, соединяющий последовательные порты на двух устройствах: Master и Slave.

Данные отправляются как серия единиц и нулей, называемых битами. Каждый бит передается как напряжение, нули - положительные, а единицы - отрицательные напряжения. Биты отправляются очень быстро. Типичная скорость передачи составляет 9600 бод (бит в секунду).

Протокол Master/Slave

При описании протокола Modbus RTU связь осуществляется между централизованным ведущим оборудованием, 247 подключенными электронными устройствами в одной сети. Конструкцию обычно называют протоколом «ведущий/ведомый», поскольку система Master запрашивает информацию у подключенных устройств, которые называются «подчиненными». Ведомые устройства отправляют информацию только мастеру в ответ на эти запросы, они не работают автономно. Ведущий может также записывать информацию на подчиненные устройства, но подчиненные устройства не могут записывать информацию ведущему устройству.

Когда ведомое устройство передает сообщение Modbus, оно начинает формировать сообщение с уникальным идентификатором адреса. Это число от 1 до 247, что позволяет мастеру определять, какое конкретное устройство отвечает запрошенной информации.

Связь и устройства

Каждому устройству, предназначенному для связи с использованием Modbus, присваивается уникальный адрес. В последовательных сетях только узел, назначенный мастером, может инициировать команду. В Ethernet любое устройство может отправлять команду Modbus, хотя обычно это делает только одно ведущее. Команда содержит адрес устройства, для которого он предназначен (от 1 до 247). Все команды включают информацию контрольной суммы, чтобы позволить получателю обнаруживать ошибки передачи. Базовые команды Modbus указывают RTU на изменение значения в одном из своих регистров, управление или чтение порта ввода-вывода, команду устройству отправить обратно одно или несколько значений, содержащихся в его регистрах.

Существует много модемов и шлюзов, поддерживающих Modbus, поскольку это очень простой протокол и часто копируется. Некоторые из них были специально разработаны для него. Различные реализации используют проводную, беспроводную связь, например, в диапазоне ISM, и даже службу коротких сообщений (SMS), а также услугу общей пакетной радиосвязи (GPRS). Типичные проблемы, с которыми приходится сталкиваться дизайнерам, включают проблемы с высокой задержкой и временем.

Обзор типов регистра Modbus

Типы регистров, на которые ссылаются устройства, включают:

Катушку (дискретный выход); . дискретный вход; . входной регистр; . регистрацию холдинга.

Коды функций

Коды общих функций - от 1 до 127, за исключением пользовательских кодов, проверенных сообществом Modbus, публично задокументированы и гарантированно уникальны.
Пользовательские коды функций - находятся в двух диапазонах от 65 до 72, от 100 до 110.
Коды зарезервированных функций - используются некоторыми компаниями для устаревших продуктов, недоступны для общего пользования.

Преимущества

Некоторые преимущества использования протокола Modbus:

Если драйвер уже установлен, а пользователь знаком с Ethernet и сокетами TCP/IP, драйвер может работать и обмениваться данными с ПК через несколько часов. Расходы на разработку считаются низкими. Требуется минимальное число оборудования. Драйвер совместим с любой операционной системой.
Нет необходимости в «экзотических» наборах микросхем, поэтому система может использовать стандартные ПК-карты Ethernet для общения с недавно реализованным устройством. Поскольку стоимость Ethernet падает, сокращаются затраты на аппаратное обеспечение. Пользователи не привязаны к одному поставщику услуг для поддержки, но могут воспользоваться нынешними разработками.
Спецификация доступна бесплатно для скачивания, никаких дополнительных лицензионных сборов, необходимых для использования протоколов Modbus, не требуется.
Взаимодействие между устройствами разных производителей и совместимость с установленной базой совместимых устройств.

Стоят преобразователи протоколов Modbus дорого. Цена промышленных шлюзов составляет 1000 долларов.

Ограничения

Поскольку Modbus был разработан в конце 1970-х годов для связи с численность типов данных ограничена теми, которые были поняты ПЛК в то время. Большие двоичные объекты не поддерживаются.

Нет стандартного способа для узла, чтобы найти описание объекта данных, например, чтобы определить, представляет ли значение регистра - значение температуры между 30 и 175 градусами.

Поскольку Modbus является протоколом типа «ведущий/ведомый», для устройства нет возможности «сообщать об исключении» (кроме Ethernet TCP/IP, называемого open-mbus). Главный узел должен регулярно получать данные с дочерних устройств, а также искать изменения в данных. Это нагружает полосу пропускания, увеличивает время подключения к сети в приложениях, где пропускная способность может быть дорогой, например, в каналах с низкой скоростью передачи данных.

Modbus ограничивается адресацией 254 устройств на одной линии передачи данных, что ограничивает число устройств, которые могут быть подключены к мастер-станции (Ethernet TCP/IP является исключением). Передачи должны быть непрерывными, что ограничивает типы удаленных коммуникационных устройств теми, которые могут буферизовать данные, чтобы избежать пробелов в передаче. Сам протокол Modbus не обеспечивает защиту от несанкционированных команд или перехвата данных. Важно понимать, что в процессе передачи информации возникают логические ошибки, а также связанные с искажениями при обмене.

Протокол ModBus, несмотря на множество специализированных протоколов, появившихся в последние десятилетия, все еще занимает лидирующие позиции в задачах автоматизации и диспетчеризации зданий и технологических процессов. Многие специалисты уже привыкли к его использованию, несмотря на его явную архаичность. Тем не менее, судя по статистике поисковых запросов и популярности статей о ModBus, явно существует пласт специалистов, надеюсь, что это молодое поколение, для которых будет полезно, еще раз на пальцах объяснить, что такое ModBus.

В российской википедии существует довольно обширная , в которой рассказывается история протокола, его основные достоинства и недостатки, терминология, модель данных и функционал. Не претендуя на полноту изложения, но в то же время, не боясь повториться, рассмотрим некоторые базовые вещи для тех, кому надо всего-то «два байта переслать».

Прежде всего, как представлены данные в устройстве поддерживающем ModBus. Это четыре таблицы с данными:

Таблица	Тип элемента	Тип доступа
Дискретные входы (Discrete Inputs)	один бит	только чтение
Регистры флагов (Coils)	один бит	чтение и запись
Регистры ввода (Input Registers)	16-битное слово	только чтение
Регистры хранения (Holding Registers)	16-битное слово	чтение и запись

В реальной практике чаще всего встречаются устройства, в которых есть только таблица Holding Registers, иногда объединённая с таблицей Input Registers.

Для доступа к этим таблицам существует ряд стандартный функций ModBus:

1 (0x01) - чтение значений из нескольких регистров флагов (Read Coil Status).
2 (0x02) - чтение значений из нескольких дискретных входов (Read Discrete Inputs).
3 (0x03) - чтение значений из нескольких регистров хранения (Read Holding Registers).
4 (0x04) - чтение значений из нескольких регистров ввода (Read Input Registers).

Запись одного значения:

5 (0x05) - запись значения одного флага (Force Single Coil).
6 (0x06) - запись значения в один регистр хранения (Preset Single Register).

Запись нескольких значений:

15 (0x0F) - запись значений в несколько регистров флагов (Force Multiple Coils)
16 (0x10) - запись значений в несколько регистров хранения (Preset Multiple Registers)

Из сказанного выше следует, что самые часто используемые функции ModBus это 3, 6 и 16 («Read Holding Registers», «Preset Single Register» и «Preset Multiple Registers» — соответственно).

Что происходит при чтении или записи регистра в ModBus устройство? Рассмотрим, для начала, протокол ModBus RTU. Он применяется для передачи данных по последовательным интерфейсам, таким как RS-232 или RS-485. Большинство современных устройств используют RS-485, так как он, во первых, как правило, двух проводной и во вторых, позволяет подключить несколько устройств в один шлейф.

Важно то, что при подобной топологии на одном шлейфе может быть только один ModBus Master, то есть устройства не могут свободно «общаться» между собой. На каждом шлейфе организуется четкая иерархия Master – Slave («Ведущий» – «Ведомый»). Ведомых, как уже было сказано, может быть несколько, а ведущий только один!

Адресная модель ModBus позволяет использовать адреса устройств с 1 по 247, что иногда вводит в заблуждение некоторых «проектологов», т.к. RS-485 позволяет подключить к одной шине, без усилителей и репитеров, только 32 устройства. На самом деле я рекомендую для стабильной работы, с приемлемым количеством повторных запросов, не превышать значение 20 устройств на одну шину RS-485.

Итак, для чтения одного Holding Register ведущий посылает запрос на адрес ведомого устройства с кодом функции 3 (Read Holding Registers), указанием адреса интересующего регистра и количеством регистров для чтения, в данном случае = 1. На что ведомый отвечает пакетом, в котором повторяет собственный адрес, номер обрабатываемой функции и, в поле данных размещает значение запрашиваемого регистра. Для чтения нескольких последовательных регистров в запросе ведущий просто указывает адрес первого и их количество.

В общем виде, работу функции 3 (Read Holding Registers) протокола ModBus можно представить так:

Теперь рассмотрим, чем отличается ModBus TCP от ModBus RTU. Во первых, нет ограничения на одного ведущего в сети, все устройства могут практически свободно «общаться» между собой. Во вторых используется другой формат пакета, добавился заголовок, что более типично для данной среды передачи.

Так как транспортом для передачи служит протокол TCP, то для адресации устройств ведущему необходимо знать IP адрес ведомого устройства и порт, на котором ведомый ожидает запросов. Стандартный порт для ModBus TCP протокола 502 , но некоторые среды программирования контроллеров, например CODESYS, позволяют его изменить. Тот же самый CODESYS, а точнее контроллеры, запрограммированные в этой среде или средах производных от CODESYS, при работе по протоколу ModBus TCP игнорируют поле «Unit ID» и отвечают на запросы для любого «Unit ID», а не выдают сообщение об ошибке. Это значит, что иногда, достаточно знать IP адрес и порт контроллера.

Довольно часто сталкиваюсь с непониманием модели OSI среди инженеров и проектировщиков АСУ ТП и АСУЗ. Поэтому вот еще одна картинка, разъясняющая то, как пакет ModBus TCP передается по Ethernet сети: