Modbus - Modbus

Modbus jsou data komunikační protokol původně publikoval Modicon (nyní Schneider Electric ) v roce 1979 pro použití s programovatelné logické automaty (PLC). Modbus se stal a de facto Standard komunikační protokol a nyní je běžně dostupným prostředkem pro připojení průmyslových elektronický zařízení.^[1] Modbus je populární v průmyslovém prostředí, protože je otevřeně publikován a bez licenčních poplatků. Byl vyvinut pro průmyslové aplikace, je relativně snadné jej nasadit a udržovat ve srovnání s jinými standardy a klade několik omezení - kromě velikosti datagramu (paketu) - na formát přenášených dat. Modbus používá RS485 nebo Ethernet jako typ zapojení. Modbus podporuje komunikaci do az více zařízení připojených ke stejné kabelové nebo ethernetové síti. Například zařízení, které měří teplotu, a jiné zařízení pro měření vlhkosti, přičemž obě tato měření komunikují s a počítač.

Modbus se často používá k propojení dohledového počítače zařízení / systému s a vzdálená koncová jednotka (RTU) v oblasti dohledu a sběru dat (SCADA ) systémy v odvětví elektrické energie. Mnoho datových typů je pojmenováno od průmyslového řízení továrních zařízení, jako je Logika žebříku z důvodu jeho použití v řízení relé: Jeden fyzický výstup se nazývá a cívkaa jediný fyzický vstup se nazývá a diskrétní vstup nebo a Kontakt.

Vývoj a aktualizace protokolů Modbus byly řízeny organizací Modbus^[2] od dubna 2004, kdy společnost Schneider Electric převedla práva na tuto organizaci.^[3] Organizace Modbus je sdružení uživatelů a dodavatelů zařízení vyhovujících protokolu Modbus, které se zasazuje o další používání této technologie.^[4]

Omezení

• Vzhledem k tomu, že Modbus byl navržen na konci 70. let ke komunikaci s programovatelnými logickými řadiči, je počet datových typů omezen na ty, kterým v té době rozuměly PLC. Velké binární objekty nejsou podporovány.
• Neexistuje žádný standardní způsob, jak uzel najít popis datového objektu, například zjistit, zda hodnota registru představuje teplotu mezi 30 a 175 stupni.
• Protože Modbus je protokol master / slave, neexistuje žádný způsob, jak by polní zařízení mohlo „hlásit výjimku“ (kromě protokolu Ethernet TCP / IP, zvaného open-mbus) - hlavní uzel musí rutinně dotazovat každé polní zařízení a hledat změny v datech. To spotřebovává šířka pásma a síťový čas v aplikacích, kde může být šířka pásma drahá, například přes rádiové spojení s nízkou bitovou rychlostí.
• Modbus je omezen na adresování 247 zařízení na jednom datovém spoji, což omezuje počet polních zařízení, která mohou být připojena k hlavní stanici (opět Ethernet TCP / IP je výjimkou).
• Přenosy Modbus musí být souvislé, což omezuje typy zařízení pro vzdálenou komunikaci na zařízení, která mohou ukládat data do vyrovnávací paměti, aby se zabránilo mezerám v přenosu.^{[je zapotřebí objasnění ]}
• Samotný protokol Modbus neposkytuje žádné zabezpečení před neoprávněnými příkazy nebo zachycením dat.^[5]

Typy objektů Modbus

Následuje tabulka typů objektů poskytovaných zařízením Modbus slave zařízení Master Modbus:

Verze protokolu

Verze protokolu Modbus existují pro sériový port a pro Ethernet a další protokoly, které podporují Sada internetového protokolu. Existuje mnoho variant protokolů Modbus:

• Modbus RTU - Používá se v sériová komunikace a využívá kompaktní, binární reprezentaci dat pro komunikaci protokolem. Formát RTU sleduje příkazy / data pomocí a kontrola cyklické redundance kontrolní součet jako mechanismus kontroly chyb k zajištění spolehlivosti dat. Modbus RTU je nejběžnější implementace dostupná pro Modbus. Zpráva Modbus RTU musí být přenášena nepřetržitě bez meziznakových váhání. Zprávy Modbus jsou orámovány (odděleny) nečinnými (tichými) obdobími.
• Modbus ASCII - Používá se v sériové komunikaci a využívá se ASCII znaky pro komunikaci protokolem. Formát ASCII používá a kontrola podélné nadbytečnosti kontrolní součet. Zprávy Modbus ASCII jsou orámovány úvodním dvojtečkou (":") a koncovým novým řádkem (CR / LF).
• Modbus TCP / IP nebo Modbus TCP - Toto je varianta Modbus používaná pro komunikaci přes TCP / IP sítě, připojení přes port 502.^[6] Nevyžaduje výpočet kontrolního součtu, protože nižší vrstvy již poskytují ochranu kontrolního součtu.
• Modbus přes TCP / IP nebo Modbus přes TCP nebo Modbus RTU / IP - Toto je varianta Modbus, která se liší od Modbus TCP tím, že je v užitečném nákladu zahrnut kontrolní součet jako u Modbus RTU.
• Modbus přes UDP - Někteří experimentovali s používáním protokolu Modbus UDP v sítích IP, čímž se odstraní režie požadované pro TCP.^[7]
• Modbus Plus (Modbus +, MB + nebo MBP) - Modbus Plus je vlastnictvím společnosti Schneider Electric a na rozdíl od ostatních variant podporuje peer-to-peer komunikace mezi více pány.^[8] K rychlé práci vyžaduje vyhrazený koprocesor HDLC -jako rotace tokenů. Používá kroucený pár rychlostí 1 Mbit / s a ​​zahrnuje izolaci transformátoru v každém uzlu, díky čemuž je spouštěno přechodem / hranou namísto spouštění napětím / úrovní. Pro připojení Modbus Plus k počítači je vyžadován speciální hardware, obvykle karta vyrobená pro JE, PCI nebo PCMCIA autobus.
• Pemex Modbus - Jedná se o rozšíření standardního protokolu Modbus s podporou historických a tokových dat. Byl navržen pro Pemex ropná a plynárenská společnost pro použití v řízení procesů a nikdy nezískala široké přijetí.
• Enron Modbus - Toto je další rozšíření standardního protokolu Modbus vyvinutého společností Enron Corporation s podporou 32bitových celočíselných proměnných a proměnných s plovoucí desetinnou čárkou a historických a dat toku Datové typy jsou mapovány pomocí standardních adres.^[9] Historická data slouží ke splnění Americký ropný institut (API) průmyslový standard pro způsob ukládání dat.^{[Citace je zapotřebí ]}

Datový model a volání funkcí jsou identické pro první 4 varianty protokolů; pouze zapouzdření je jiné. Varianty však nejsou interoperabilní ani formáty rámců.

Komunikace a zařízení

Každé zařízení komunikující (tj. Přenášející data) na Modbus dostává jedinečnou adresu.

Na Modbus RTU, Modbus ASCII a Modbus Plus (což jsou všechny multi-drop sítě s jedním kabelem RS-485) může příkaz spustit pouze uzel přiřazený jako Master. Všechna ostatní zařízení jsou podřízenými jednotkami a reagují na požadavky a příkazy.

U protokolů využívajících Ethernet, jako je Modbus TCP, může jakékoli zařízení vyslat příkaz Modbus, takže všechny mohou fungovat jako Master, i když za normálních okolností funguje jako Master pouze jedno zařízení.

Existuje mnoho modemů a bran podporujících Modbus, protože jde o velmi jednoduchý a často kopírovaný protokol. Některé z nich byly speciálně navrženy pro tento protokol. Různé implementace používají drátovou, bezdrátovou komunikaci, například v Pásmo ISM, a dokonce Služba krátkých zpráv (SMS) nebo Obecná paketová rádiová služba (GPRS). Jeden z běžnějších návrhů bezdrátových sítí využívá síťové sítě. Mezi typické problémy, které designéři musí překonat, patří problémy s vysokou latencí a načasováním.

Příkazy

Příkazy Modbus mohou zařízení Modbus pověřit:

• změnit hodnotu v jednom ze svých registrů, který je zapsán do registrů Coil a Holding.
• číst I / O port: číst data z diskrétních a cívkových portů,
• příkaz zařízení, aby odeslalo zpět jednu nebo více hodnot obsažených v jeho registrech Coil a Holding.

Příkaz Modbus obsahuje adresu Modbus zařízení, pro které je určen (1 až 247). Pouze adresované zařízení bude reagovat a jednat podle příkazu, i když by jej mohla přijmout jiná zařízení (výjimkou jsou specifické vysílané příkazy odeslané do uzlu 0, na které se jedná, ale nejsou potvrzeny).

Všechny příkazy Modbus obsahují informace o kontrolním součtu, aby příjemce mohl detekovat chyby přenosu.

Formáty rámů

"Rámec" Modbus se skládá z aplikační datové jednotky (ADU), která zapouzdřuje datovou jednotku protokolu (PDU):^[6]

• ADU = adresa + PDU + kontrola chyb,
• PDU = funkční kód + data.

Pořadí bajtů pro hodnoty v datových rámcích Modbus je nejvýznamnějším bajtem vícebajtové hodnoty, která je odeslána před ostatními. Všechny varianty Modbus používají jeden z následujících formátů rámců.^[1]

Modbus RTU formát rámu (používá se především na asynchronních sériových datových linkách, jako je RS-485 /EIA-485 )

Poznámka o CRC:

• Polynom: X¹⁶ + X¹⁵ + X² + 1 (CRC-16-ANSI také známý jako CRC-16-IBM, normální hexadecimální algebraický polynom je 8005 a obráceně A001).
• Počáteční hodnota: 65 535.
• Příklad rámce v šestnáctkové soustavě: 01 04 02 FF FF B8 80 (Výpočet CRC-16-ANSI z 01 na FF dává 80B8, který se přenáší nejméně významný bajt za prvé).

Formát rámce Modbus ASCII (používá se primárně na 7- nebo 8bitových asynchronních sériových linkách)

Adresa, funkce, data a LRC jsou všechna velká šestnáctková čitelná dvojice znaků představující 8bitové hodnoty (0–255). Například 122 (7 × 16 + 10) bude reprezentováno jako 7A.

LRC se počítá jako součet 8bitových hodnot (bez počátečních a koncových znaků), negovaných (doplněk dvou ) a zakódováno jako 8bitová hodnota. Příklad: pokud adresa, funkce a data kódují jako 247, 3, 19, 137, 0 a 10, jejich součet je 416. Dva doplňky (−416) zkrácené na 8 bitů jsou 96 (např. 256 × 2 - 416), který bude reprezentován jako 60 v šestnáctkové soustavě. Proto následující rámeček: : F7031389000A60 . Je určen pro použití pouze jako kontrolní součet: protože je uvnitř rámovacích znaků, jeho „podélná“ charakteristika je nadbytečná.

Formát rámce TCP protokolu Modbus (primárně se používá v systému Windows Ethernet sítě)

Identifikátor jednotky se používá se zařízeními Modbus / TCP, která jsou složena z několika zařízení Modbus, např. na bránách Modbus / TCP na Modbus RTU. V takovém případě identifikátor jednotky sdělí adresu slave zařízení za bránou. Nativní zařízení podporující protokol Modbus / TCP obvykle ignorují identifikátor jednotky.

Dostupné kódy funkcí / příkazů

Různé operace čtení, psaní a další operace jsou kategorizovány následovně.^[10] Nejprimitivnější čtení a zápisy jsou zobrazeny tučně. Řada zdrojů například používá alternativní terminologii Force Single Coil kde standard používá Napište Single Coil.^[11]
Prominentní subjekty v rámci Modbus slave jsou:

• Cívky: čitelné a zapisovatelné, 1 bit (vypnuto / zapnuto)
• Diskrétní vstupy: čitelné, 1 bit (vypnuto / zapnuto)
• Vstupní registry: čitelné, 16 bitů (0 až 65 535), v zásadě měření a stavy
• Holdingové registry: čitelné a zapisovatelné, 16 bitů (0 až 65 535), v podstatě konfigurační hodnoty

Formát údajů požadavků a odpovědí pro hlavní funkční kódy

Žádosti a odpovědi se řídí výše popsanými formáty rámců. Tato část poskytuje podrobnosti o datových formátech nejpoužívanějších funkčních kódů.

Kód funkce 1 (čtení cívek) a kód funkce 2 (čtení diskrétních vstupů)

Žádost:

• Adresa první cívky / diskrétního vstupu ke čtení (16bitová)
• Počet cívek / diskrétních vstupů ke čtení (16 bitů)

Normální odpověď:

• Počet bajtů cívky / diskrétních vstupních hodnot, které je třeba sledovat (8 bitů)
• Cívka / diskrétní vstupní hodnoty (8 cívek / diskrétní vstupy na bajt)

Hodnota každé cívky / diskrétního vstupu je binární (0 pro vypnuto, 1 pro zapnuto). První požadovaná cívka / diskrétní vstup je uložen jako nejméně významný bit prvního bajtu v odpovědi.
Pokud počet cívek / diskrétních vstupů není násobkem 8, nejvýznamnější bit (y) posledního bajtu budou naplněny nulami.
Například pokud je požadováno jedenáct cívek, jsou potřeba dva bajty hodnot. Předpokládejme, že stavy těchto postupných cívek jsou zapnuto, vypnuto, zapnuto, vypnuto, vypnuto, zapnuto, zapnuto, vypnuto, zapnuto, zapnuto, pak bude odpověď 02 E5 06 v šestnáctkové soustavě.

Protože počet bajtů vrácený v odpovědi je široký pouze 8 bitů a režie protokolu je 5 bajtů, lze najednou číst maximálně 2008 (251 x 8) diskrétních vstupů nebo cívek.

Kód funkce 5 (síla / zápis jedné cívky)

Žádost:

• Adresa cívky (16bitová)
• Hodnota pro vynucení / zápis: 0 pro vypnutí a 65 280 (FF00 v šestnáctkové soustavě) pro zapnutí

Normální odpověď: stejné jako požadavek.

Kód funkce 15 (vynucení / zápis více cívek)

Žádost:

• Adresa první cívky k vynucení / zápisu (16 bitů)
• Počet cívek pro vynucení / zápis (16 bitů)
• Počet bajtů hodnot cívky k následování (8 bitů)
• Hodnoty cívky (8 hodnot cívky na bajt)

Hodnota každé cívky je binární (0 pro vypnuto, 1 pro zapnuto). První požadovaná cívka je uložena jako nejméně významný bit prvního bajtu v požadavku.
Pokud počet cívek není násobkem 8, nejvýznamnější bity posledního bajtu by měly být naplněny nulami. Viz příklad pro kódy funkcí 1 a 2.

Normální odpověď:

• Adresa první cívky (16bitová)
• počet cívek (16 bitů)

Funkční kód 4 (čtení vstupních registrů) a funkční kód 3 (čtení přidržovacích registrů)

Žádost:

• Adresa prvního registru ke čtení (16 bitů)
• Počet registrů ke čtení (16 bitů)

Normální odpověď:

• Počet bajtů hodnot registru, které mají být sledovány (8 bitů)
• Hodnoty registru (16 bitů na registr)

Protože maximální délka Modbus PDU je 253 (odvozeno z maximální délky Modbus APU 256 na RS485), lze požadovat pouze až 125 registrů najednou.^[10]

Funkční kód 6 (přednastavení / zápis jednoho holdingového registru)

Žádost:

• Adresa holdingového registru pro přednastavení / zápis (16 bitů)
• Nová hodnota holdingového registru (16bitová)

Normální odpověď: stejné jako požadavek.

Funkční kód 16 (přednastavení / zápis více holdingových registrů)

Žádost:

• Adresa prvního holdingového registru pro přednastavení / zápis (16 bitů)
• Počet pozdržovacích registrů pro přednastavení / zápis (16 bitů)
• Počet bajtů hodnot registru, které mají být sledovány (8 bitů)
• Nové hodnoty holdingových registrů (16 bitů na registr)

Protože hodnoty registru jsou široké 2 bajty a lze odeslat pouze hodnoty v hodnotě 127 bajtů, lze přednastavit / zapsat pouze 63 pozdržovacích registrů.

Normální odpověď:

• Adresa prvního přednastaveného / zapsaného holdingového registru (16 bitů)
• Počet přednastavených / zapsaných holdingových registrů (16 bitů)

Odpovědi na výjimky

Pro normální odezvu slave opakuje funkční kód. Pokud by otrok chtěl nahlásit chybu, odpoví požadovaným funkčním kódem plus 128 (hex 0x80) (3 se stane 131 = hex 0x83) a bude obsahovat pouze jeden bajt dat, známý jako kód výjimky.

Hlavní kódy výjimek Modbus

Cívka, diskrétní vstup, vstupní registr, čísla a adresy registrů

Některé konvence určují, jak jsou odkazovány entity Modbus (cívky, diskrétní vstupy, vstupní registry, holdingové registry).

Je důležité rozlišovat mezi entitami číslo a entita adresa:

• Subjekt čísla kombinovat typ entity a umístění entity v rámci jejich tabulky popisu.
• Subjekt adresa je počáteční adresa, 16bitová hodnota v datové části rámce Modbus. Jeho rozsah se tak pohybuje od 0 do 65 535

V tradičním standardu^{[Citace je zapotřebí ]}entita čísla začněte jednou číslicí představující typ entity, následovanou čtyřmi číslicemi představujícími umístění entity:

• cívky čísla začít s 0 a rozpětí od 00001 až 09999,
• diskrétní vstup čísla začít s 1 a rozpětí od 10001 až 19999,
• vstupní registr čísla začít s 3 a rozpětí od 30001 až 39999,
• držení registru čísla začít s 4 a rozpětí od 40001 až 49999.

U datové komunikace účetní jednotka umístění (1 až 9 999) je přeložen do entity založené na 0 adresa (0 až 9 999) odečtením 1. Například za účelem čtení holdingových registrů začínajících na číslo 40001 bude datový rámec obsahovat funkční kód 3 (jak je vidět výše) a adresa 0. Pro uchovávání registrů od číslo 40100, adresa bude 99. atd.

To omezuje počet adresy na 9 999 pro každou entitu. A de facto odkazování to rozšiřuje na maximálně 65 536.^[12]Jednoduše spočívá v přidání jedné číslice do předchozího seznamu:

• cívka čísla rozpětí od 000001 až 065536,
• diskrétní vstup čísla rozpětí od 100001 až 165536,
• vstupní registr čísla rozpětí od 300001 až 365536,
• držení registru čísla rozpětí od 400001 až 465536.

Při použití rozšířeného odkazování vše číslo odkazy musí mít přesně 6 číslic. Tím se zabrání záměně mezi cívkami a jinými entitami. Chcete-li například znát rozdíl mezi zadržovacím registrem # 40001 a cívkou # 40001, je-li cílem cívka # 40001, musí se zobrazit jako # 040001.

Mapování JBUS

Další de facto po něm se objevil protokol úzce související s Modbusem a byl definován značkou PLC April Automates, výsledkem společného úsilí francouzských společností Renault Automatizace a Merlin Gerin et Cie v roce 1985: JBUS. Rozdíly mezi Modbus a JBUS v té době (počet entit, podřízené stanice) jsou nyní irelevantní, protože tento protokol téměř zmizel s dubnovou řadou PLC, kterou společnost AEG Schneider Automation koupila v roce 1994 a poté zastarala. Název JBUS však do jisté míry přežil.

JBUS podporuje funkční kódy 1, 2, 3, 4, 5, 6, 15 a 16, a tedy všechny výše popsané entity. U JBUS je však číslování jiné:

• Číslo a adresa se shodují: entita #X má adresu X v datovém rámci.
• V důsledku toho číslo entity nezahrnuje typ entity. Například držení registru # 40010 v Modbusu bude držení registru # 9, který se nachází na adrese 9 v JBUS.
• Číslo 0 (a tedy adresa 0) není podporováno. Slave by na tomto čísle a adrese neměl implementovat žádná skutečná data a na požádání může vrátit hodnotu null nebo vyvolat chybu.

Implementace

Téměř všechny implementace se liší od oficiálního standardu. Různé varianty nemusí správně komunikovat mezi zařízeními různých dodavatelů. Mezi nejběžnější varianty patří:

• Typy dat
  • IEEE s plovoucí desetinnou čárkou číslo
  • 32bitové celé číslo
  • 8bitová data
  • Smíšené datové typy
  • Bitová pole v celých číslech
  • Multiplikátory pro změnu dat na / z celého čísla. 10, 100, 1000, 256 ...
• Rozšíření protokolu
  • 16bitové podřízené adresy
  • 32bitová velikost dat (1 adresa = 32 bitů vrácených dat)
  • Data vyměněná za slova

Obchodní skupina

Modbus Organization, Inc. je a obchodní sdružení pro podporu a rozvoj protokolu Modbus.^[2]

Modbus Plus

Přes jméno Modbus Plus^[13] není variantou Modbus. Je to jiné protokol, zahrnující předávání žetonů.

Je to proprietární specifikace společnosti Schneider Electric, ačkoli je spíše nepublikovaná než patentovaná. Obvykle se implementuje pomocí zvyku chipset k dispozici pouze partnerům společnosti Schneider.

Viz také

• Sběrnice CAN

Reference

externí odkazy

Specifikace

• Organizace Modbus se specifikacemi protokolu
• Modbus přes sériovou linku V1
• Protokol Modbus; Modicon; 74 stránek; 2000.

jiný

• Průvodce Modbus zdarma pro polního technika
• Výukový program protokolu Modbus pro začátečníky RF bezdrátový svět