Modbus, protokol: popis, rozsah, výhody a nevýhody

Modbus je protokol otevřené sériové komunikace. Byl vyvinut v roce 1979 pro použití s ​​programovatelnými logickými řadiči (PLC), nyní je široce používán pro připojení mnoha typů průmyslových elektronických zařízení připojených k různým typům sítí.

Nejpoužívanější protokol ve všech průmyslových automatech. Modbus je velmi populární. Jedná se o velmi jednoduché a snadno použitelné zařízení se standardní sériovou komunikací. V síti Modbus každé zařízení vypadá v síti jako sada cívků (bity) a registrů. Průvodce čte a zapisuje tyto cívky a registry pomocí velmi jednoduché a stručné sady příkazů. Komunikace se pohybuje pouze v jednom směru najednou.

Implementace protokolu Modbus, zavedeného v praxi, je velmi krátká. Přestože existuje dvacet základních příkazů, jen některé z nich jsou skutečně implementovány. Nejčastějšími příkazy jsou čitelné cívky, zapisovatelné cívky, čtení registrů, nastavení registrů. Malá sada příkazů je dalším důvodem pro popularitu protokolu.

Modbus - rozšířený aplikační protokol

Konvertor protokolu je široce používán z mnoha důvodů:

• Modbus je protokol s otevřeným zdrojovým kódem. To znamená, že může být zařazen do široké škály typů zařízení od jakéhokoli dodavatele hardwaru.
• Používá jednoduchou strukturu zpráv, což znesnadňuje nasazení. Může vyžadovat pouze několik dní k implementaci. To je jasná konkurenční výhoda oproti jiným protokolům, což může trvat několik měsíců, než se naučíte a nasazujete.
• Podporuje sériové nebo ethernetové připojení.
• Používá se se dvěma typy sériových připojení: RS-232 a RS-485. Některé verze protokolu Modbus tcp mohou být také odesílány přes Ethernet nebo TCP / IP. Tyto zprávy Modbus jsou zabaleny jako jednobitové nebo 16bitové balíčky slov.

Síťový protokol Modbus není součástí fyzické vrstvy v síti. Komunikace je přenášena přes fyzické vrstvy, což umožňuje její použití v mnoha různých typech sítí. Tato vlastnost nefyzikální úrovně činí Modbus aplikační protokol.

Komunikační protokol Modbus je běžným způsobem sběru dat z různých zdrojů pro prohlížení, archivaci a odstraňování problémů z centrálního vzdáleného místa. Je široce používán a je poměrně jednoduchou technologií. V závislosti na aplikaci může mít novější protokol více výhod.

Typicky je počítač nakonfigurován tak, aby spouštěl programy jako Wonderware, Intellution nebo LabVIEW na jednom místě, aby shromažďoval data z různých procesů v celém podniku. Další aplikace je navržena pro konfigurování vzdálených procesních řadičů (PLC, Allen-Bradley, Siemens, PLCDirect a další). Chcete-li reagovat na různé úrovně nebo režimy, které jsou přenášeny ze zařízení.

Dva varianty protokolu

Existují dvě možnosti protokolů, které procházejí sériovými připojeními. Jedním z nich je protokol Modbus RTU. Popis této varianty: je kompaktnější a používá binární připojení. V tomto formátu je přenos dat vždy doprovázen cyklickou kontrolní kontrolou nadbytečnosti, která se používá k detekci přenosových problémů.

Druhou možností je Modbus ASCII. Tato verze je podrobnější, používá hexadecimální ASCII kódování, které lze číst operátory. Modbus ASCII je méně bezpečný protokol. Protože je to méně efektivní než Modbus RTU, musí operátoři používat ASCII pouze k přenosu dat do zařízení, která nepodporují formát RTU. ASCII může být také užitečné, pokud zpráva RTU nelze správně použít.

Modbus Protokol pro Dummies

Modbus je sériový komunikační protokol používaný k přenosu informací přes sériové linky mezi elektronickými zařízeními. Ten, který požaduje informace, se nazývá master a informace o doručení zařízení jsou slave. Ve standardní síti Modbus je tam jeden mistr a až 247 otroků, z nichž každá má jedinečnou adresu slave od 1 do 247. Mistr může také zapisovat informace do podřízených.

Na co se používá?

Modbus je otevřený protokol. To znamená, že výrobci je mohou bezplatně vyrobit ve svém zařízení. Stala se v průmyslu standardním komunikačním protokolem a v současné době je nejběžnějším prostředkem pro připojení průmyslových elektronických zařízení. To je široce používáno mnoha výrobců v mnoha průmyslových odvětvích.

Modbus se obvykle používá pro přenos signálů z měření a regulace zařízení zpět do regulátoru nebo systému pro sběr dat, například systém, který měří teplotu a vlhkost, odešle výsledek k počítači. Modbus se často používá pro připojení řídicího počítače se vzdálenou terminálovou jednotkou (RTU) v systémech řízení kontroly a získávání dat (SCADA). Pro sériové linky (RTU a ASCII) a pro Ethernet (TCP) existují verze protokolu Modbus.

Jak to funguje?

Modbus je přenášena přes sériové linky mezi zařízeními. Nejjednodušším nastavením by byl jeden sériový kabel, který spojuje sériové porty se dvěma zařízeními: Master a Slave.

Data jsou odesílána jako série jednotek a nul, nazývaných bity. Každý bit se přenáší jako napětí, nuly jsou kladné a jednotky jsou záporné napětí. Bity jsou odesílány velmi rychle. Typická přenosová rychlost je 9600 baudů (bitů za sekundu).

Protokol Master / Slave

Při popisu protokolu Modbus RTU se komunikace provádí mezi centralizovaným základním zařízením a 247 připojenými elektronickými zařízeními v jedné síti. Konstrukce se obvykle nazývá protokol master / slave, protože systém Master požaduje informace z připojených zařízení, které se nazývají "slave". Otroci zasílají informace pouze veliteli v reakci na tyto požadavky, nepracují autonomně. Master může také psát informace na podřízené zařízení, ale slave zařízení nemohou zaznamenávat informace do masteru.

Když podřízený vysílá zprávu Modbus, začne generovat zprávu s jedinečným identifikátorem adresy. Toto číslo je od 1 do 247, což umožňuje průvodce určit, které konkrétní zařízení splňuje požadované informace.

Komunikace a zařízení

Každému zařízení přiřazenému pro komunikaci pomocí Modbus je přiřazena jedinečná adresa. V následných sítích může příkaz iniciovat pouze uzel přiřazený velitelem. V síti Ethernet může každé zařízení odeslat příkaz Modbus, ačkoli to obvykle dělá pouze jeden velitel. Příkaz obsahuje adresu zařízení, pro které je určeno (od 1 do 247). Všechny příkazy obsahují informace o kontrolní součty, které umožňují příjemci zjistit chyby přenosu. Základní příkazy Modbus RTU indikovat změnu hodnoty v jednom ze svých registrů, řízení nebo čtení vstupně-výstupní port příkaz zařízení poslat zpět jednu nebo více hodnot obsažených ve svých registrech.

Existuje mnoho modemy a brány, které podporují Modbus, protože se jedná o velmi jednoduchý protokol a často kopírovány. Některé z nich byly pro něj speciálně navrženy. Různé implementace používají drátové, bezdrátové komunikace, například v pásmu ISM, a dokonce i krátké textové zprávy (SMS), stejně jako General Packet Radio Service (GPRS). Typické problémy, kterým čelí návrháři, zahrnují problémy s vysokou latencí a časem.

Přehled typů registru Modbus

Typy registrů, na které se vztahují zařízení, zahrnují:

• cívka (digitální výstup)
• diskrétní vstup /
• Vstupní registr -
• registrace hospodářství.

Funkční kódy

Existují tři kategorie kódů funkcí Modbus:

• Společné kódy funkcí - od 1 do 127, s výjimkou uživatelských kódů testovaných komunitou Modbus, jsou veřejně zdokumentovány a zaručeny jako jedinečné.
• Vlastní kódy funkcí jsou ve dvou rozmezích od 65 do 72, od 100 do 110.
• Kódy vyhrazených funkcí - používané některými společnostmi pro zastaralé produkty, nejsou k dispozici pro běžné použití.

Výhody

Některé výhody použití protokolu Modbus:

• Pokud je ovladač již nainstalován a uživatel je obeznámen s Ethernet a TCP / IP sokety, řidič může pracovat a komunikovat s PC přes několik hodin. Výdaje na vývoj jsou považovány za nízké. Je vyžadován minimální počet zařízení. Ovladač je kompatibilní s jakýmkoli operačním systémem.
• Není třeba "exotické" čipové sady, takže systém může používat standardní PC karty Ethernet pro komunikaci s nově implementovaným zařízením. S poklesem nákladů na Ethernet se sníží náklady na hardware. Uživatelé nejsou svázáni s jedním poskytovatelem služeb, ale mohou využít současného vývoje.
• Specifikace je k dispozici ke stažení zdarma, nevyžadují se žádné dodatečné poplatky za používání protokolů Modbus.
• Interakce mezi zařízeními od různých výrobců a kompatibilita s nainstalovanou základnou kompatibilních zařízení.

Konvertory protokolu Modbus jsou drahé. Cena průmyslových úniků činí 1000 dolarů.

Omezení

Modbus byl vyvinut koncem sedmdesátých let a komunikoval s ním programovatelné logické řadiče, počet datových typů je omezen na ty, které v té době PLC rozuměly. Velké binární objekty nejsou podporovány.

Neexistuje žádná standardní metoda pro hostitelský najít popis datového objektu, např., Aby se zjistilo, zda je hodnota registru - hodnota teploty mezi 30 a 175 stupni.

Vzhledem k tomu, protokol Modbus je typu „master / slave“ pro zařízení není možné, aby „zpráva o vyloučení“ (s výjimkou Ethernet TCP / IP, tzv open-mbus). Hlavní uzel musí pravidelně přijímat data z jeho podřízených zařízení a rovněž hledat změny v datech. To načte šířky pásma a zvyšuje připojení k síti v aplikacích, kde šířka pásma může být drahé, například v kanálech s nízkou mírou dat.

Modbus je omezena na adresování 254 zařízení na stejném datovém řádku, což omezuje počet zařízení, které lze připojit k hlavní stanici (výjimkou je Ethernet TCP / IP). Převody musí být nepřetržité, což omezuje typy vzdálených komunikačních zařízení, které mohou vyrovnávat data, aby nedocházelo k mezerám v přenosu. Samotný protokol Modbus neposkytuje ochranu proti neoprávněným příkazům ani zachycování dat. Je důležité si uvědomit, že při přenosu informací dochází k logickým chybám, stejně jako ke zkreslení výmene.