В 1979 году компания Modicon представила протокол, который мог бы помочь собирать данные с оборудования. Новая разработка пришлась по нраву производителям промышленных машин. Поэтому вскоре на свет появились две реализации протокола — ModBus TCP и ModBus RS-485, подходящих для популярных интерфейсов.
Где используется протокол
Компания AdvanTech объединила несколько устройств и одно программное обеспечение WebAccess, а затем разместила компоненты в теплицах сельскохозяйственного угодья.
Все данные, благодаря protocol Modbus, передаются на ПК. Прочная и компактная комбинация датчиков отлично переносит влажность в теплицах. А инженеры настраивают работу через экран планшета или смартфона.
Еще один вариант, как работает протокол — во время контроля за нагревом воды солнечными лучами. Модули сбора данных подключились в бассейне, с помощью протокола информация с нескольких датчиков объединялась и передавалась на компьютер. Вся система подключалась через стандартный интерфейс RS-485. При такой схеме инженеры добавляют или убирают дополнительные сканеры, а в саму программу — дополнительные метки.
Стандартные функции протокола Modbus
Используются регистры от 1 до 123.
Типы данных ModBu
Ведущее устройство отправляет запрос, состоящий из адреса (строка левой колонки), количества элементов. Оба значения задаются числами — до 16 бит. В ответ устройство получает такое же числовое количество данных.
Если необходимы данные, которые можно читать и записывать, то используются функции 5 и 6. Команда состоит из адреса и значения. Есть возможность одновременно записать несколько элементов, команда строится по тому же принципу, но к адресу и значениям добавляется количество изменяемых характеристик.
Структура обмена данными по ModBus
В узле Modbus обязательно присутствуют четыре устройства. Сетевой обмен данными состоит из запросов одного из них и ответов на эти запросы.
Модель данных Modbus
Несмотря на то что один из регистров доступен для чтения и для записи, в большинстве устройств они считаются единым целым.
Два варианта протокола
Сегодня существуют два варианта протокола, которые используются с одинаковой частотой. Протокол ModBus RTU считается более простым и компактным. В основе — только двоичная связь. Передача данных невозможна без циклической контрольной суммы избыточности: с ее помощью мастер определяет, есть ли проблемы и каков их характер.
Некоторые мастера предпочитают использовать более редкую, но подробную версию — ASCII. Вариант протокола используют на тех устройствах и оборудовании, которые не поддерживают более распространенный ModBus RS 484. Из-за этого ASCII является менее безопасным протоколом. В основе — сложное шестнадцатеричное кодирование данных.
Многие программисты объединяют RTU и ASCII в одну группу, ведь они отличаются лишь типом кодирования и уровнем распространенности. Поэтому в качестве второго варианта протокола принято называть TCP.
Описание протокола Modbus RTU
Классический, слегка архаичный RTU используется для стандартных интерфейсов — RS-232, Modbus RS-485. Особенность системы заключается в строгой иерархичности: на каждом шлейфе по протоколу один аппарат назначается главным (Master), все остальные — ведомыми (Slaves). Количество ведомых может доходить до 32, но оптимально подключать в одну связку максимум 20.
Какие бывают команды Modbus RTU?
Команды от Мастера можно разделить на три группы — чтение данных, запись одного дискретного выхода и запись нескольких дискретных выходов.
Контроль ошибок в протоколе Modbus RTU
Чтобы их обнаружить, предусмотрены специальные алгоритмы действий. Для обнаружения искажений используется фрейм слов. В RTU каждое отдельное сообщение начинается и заканчивается интервалом тишины — временем, которое сопоставимо с передачей 3,5 символов на текущей скорости. Фрейм передается непрерывно и отслеживает, соответствует ли длительность интервалов положенному значению. Если он короче или длиннее, фрейм игнорируется устройством.
При отсутствии ответа отправляется отчет об ошибке.
Описание протокола Modbus TCP
В отличие от RTU, TCP устроено по иному принципу — «клиент-сервер». Чтобы обменяться данными, образуется связь между клиентом и сервером. Client-ом становится Мастер, остальные Ведомые превращаются в сервер. Меняется порядок передачи данных: теперь не Мастер задает команду, а пользователь открывает сеанс связи. Поэтому широкоформатного общения (от одного источника ко всем устройствам) в этом типе протокола нет.
Из-за более сложной системы время передачи данных увеличивается. Зато таким способом синхронизируют даже далеко расположенные устройства — по Wi-Fi.
Типы команд Modbus TCP
Процесс соединения двух устройств отличается, но команды, которые задает Клиент Серверу, не отличаются от стандартных. Можно прочесть, записать один регистр или несколько. Как и RTU, TCP обозначает каждую команду кодом: 01-06, 15-16.
Программы для работы с протоколом Modbus
Не такие популярные, но все же используемые бесплатные приложения и библиотеки для работы — FreeSCADA, PortMon, PeakHMI, QModMaster.
Требования к ПО для работы с Modbus-устройствами в режиме мастера
Кроме того, приложение должно быть лицензированным. Разработчик должен сопровождать софт и вовремя предоставлять обновление программы.
Наладка систем автоматизации, использующих Modbus устройства
Может потребоваться дополнительная аппаратура, инструмент Modbus Roll для одновременного опроса нескольких устройств или иные модули Modbus.
Реже возникают сложности с подключением в сеть, работающую по отличному от ModBus RTU протоколу. Для наладки требуется OPC сервер и Modbus Roll.
Modbus Map
Протокол обязательно снабжается ModBus Map — документацией, в которой подробно описаны допустимые регистры, адреса, команды, значения и способы доступа.
Существует два варианта — устройство поступает к оператору с уже четко сформулированным описанием регистров. Это описание находится в печатной инструкции или иной документации. Но есть конфигурация, которая по умолчанию не предусмотрена: пользователь может настроить Modbus карту по своему усмотрению. Самый простой вариант настройки — соединение нескольких регистров в одну связку, чтобы в протоколе они считались одной командой.
Связь и устройства
В общей связке работают несколько устройств. Чтобы одно из них давало команды остальным, каждому аппарату присваивается уникальный номер, адрес. Обычно только Master может отправлять команды Slaves, однако в Ethernet любое устройство имеет возможность задать команду.
Сегодня есть много модемов и шлюзов, которые разработаны специально под ModBus. Самые современные работают на базе проводной или беспроводной связи, сообщаются даже с помощью небольших сообщений типа SMS и используют пакетную радиосвязь GPRS.
Оборудование с поддержкой Modbus
Промышленное оборудование выпускается уже с поддержкой популярного протокола. Можно подобрать устройства для решения рабочих задач: сбора информации, передачи, управления или автоматизации.
Модули удаленного ввода или вывода необходимы для дистанционного управления периферией. Помогут во время сбора информации в режиме Master/Slave. Устройство подключается как к контроллеру, так и напрямую к серверу.
Шлюзы используются для преобразования интерфейсов, объединения в одну сеть устройств с разными протоколами и разъемами. Каждый шлюз имеет до 4-х интерфейсов: 232, 422, 485, Ethernet.
Контроллеры автоматизации помогут переключиться из режима Slaves-Master в режим Server-Client.
Преимущества протокола Modbus
Как и каждый протокол, Modbus (и RTU, и TCP) имеет ряд преимуществ и недостатков. Операторы выбирают этот протокол благодаря следующим достоинствам:
Modbus — протокол прикладного характера: данные передаются над физическим уровнем, связь используется в большинстве типов соединений.
Недостатки протокола Modbus
Все «ведомые» устройства передают данные только по команде Master. Если необходимость в передаче данных возникает у ведомого устройства, то потребуется время: нужно дождаться, пока ведущий даст команду в порядке очередности.
Из-за типа — Master and Slaves — протокол не сообщает информацию об исключениях. В то же время Ведущий должен получать информацию от Ведомых. Это нагружает систему, увеличивает время передачи данных с дочерних устройств к главному. А значит, ModBus становится неудобен в тех каналах, где скорость передачи низкая.
Так как передача информации происходит непрерывно, это ограничивает типы устройств: то оборудование, что буферизует данные, уже не может быть использовано.
Так как он изобретен в 1979 году, численность типов данных ограничена тем количеством, которое было доступно 40 лет назад. Большие двоичные объекты просто не поддерживаются.
Из-за неудобств от использования протокола отказываются компании, которым важно сохранить конфиденциальность данных. Протокол не защищает от сторонних команд, не санкционированных оператором. И не защищает полосу пропускания от перехвата.
https://future2day. ru/protokol-modbus/