Modbus - Modbus

Modbus это данные протокол связи изначально опубликовано Modicon (сейчас Schneider Electric ) в 1979 году для использования с его программируемые логические контроллеры (ПЛК). Modbus стал де-факто стандарт протокол связи и в настоящее время является общедоступным средством подключения промышленных электронный устройств.^[1] Modbus популярен в промышленных средах, потому что он открыто публикуется и Безвозмездная. Он был разработан для промышленных приложений, относительно прост в развертывании и обслуживании по сравнению с другими стандартами и налагает несколько ограничений - кроме размера дейтаграммы (пакета) - на формат передаваемых данных. Modbus использует RS485 или Ethernet в качестве типа проводки. Modbus поддерживает связь с несколькими устройствами, подключенными к одному кабелю или сети Ethernet. Например, устройство, которое измеряет температуру, и другое устройство для измерения влажности, оба из которых передают результаты измерений в компьютер.

Modbus часто используется для подключения управляющего компьютера установки / системы к удаленный терминал (RTU) в системе диспетчерского управления и сбора данных (SCADA ) системы в электроэнергетике. Многие из типов данных названы из промышленного управления заводскими устройствами, например Лестничная логика из-за его использования в управляющих реле: один физический выход называется катушка, а один физический вход называется дискретный вход или контакт.

Разработкой и обновлением протоколов Modbus руководила организация Modbus.^[2] с апреля 2004 года, когда Schneider Electric передала права этой организации.^[3] Организация Modbus - это ассоциация пользователей и поставщиков устройств, совместимых с Modbus, которая выступает за продолжение использования этой технологии.^[4]

Ограничения

• Поскольку Modbus был разработан в конце 1970-х для связи с программируемыми логическими контроллерами, количество типов данных ограничено теми, которые понимаются ПЛК в то время. Большие двоичные объекты не поддерживаются.
• Не существует стандартного способа для узла найти описание объекта данных, например, чтобы определить, представляет ли значение регистра температуру от 30 до 175 градусов.
• Поскольку Modbus является протоколом ведущий / ведомый, у полевого устройства нет способа «сообщить об исключении» (кроме протокола Ethernet TCP / IP, называемого open-mbus) - главный узел должен регулярно опрашивать каждое полевое устройство и искать изменения. в данных. Это потребляет пропускная способность и время сети в приложениях, где полоса пропускания может быть дорогой, например, по радиоканалу с низкой скоростью передачи данных.
• Modbus ограничен адресацией 247 устройств на одном канале данных, что ограничивает количество полевых устройств, которые могут быть подключены к главной станции (опять же, Ethernet TCP / IP является исключением).
• Передачи Modbus должны быть непрерывными, что ограничивает типы удаленных коммуникационных устройств теми, которые могут буферизовать данные, чтобы избежать перерывов в передаче.^{[требуется разъяснение ]}
• Сам протокол Modbus не обеспечивает защиты от несанкционированных команд или перехвата данных.^[5]

Типы объектов Modbus

Ниже приводится таблица типов объектов, предоставляемых ведомым устройством Modbus ведущему устройству Modbus:

Версии протокола

Существуют версии протокола Modbus для Серийный порт и для Ethernet и другие протоколы, поддерживающие Набор интернет-протоколов. Существует множество вариантов протоколов Modbus:

• Modbus RTU - Это используется в последовательная связь и использует компактное двоичное представление данных для протокольной связи. Формат RTU следует за командами / данными с циклическая проверка избыточности контрольная сумма как механизм проверки ошибок для обеспечения надежности данных. Modbus RTU - наиболее распространенная реализация, доступная для Modbus. Сообщение Modbus RTU должно передаваться непрерывно, без межсимвольных колебаний. Сообщения Modbus разделены периодами ожидания (молчания).
• Modbus ASCII - Это используется в последовательной связи и использует ASCII символы для протокольной связи. В формате ASCII используется проверка продольного дублирования контрольная сумма. Сообщения Modbus ASCII выделяются начальным двоеточием (":") и завершающей новой строкой (CR / LF).
• Modbus TCP / IP или Modbus TCP - Это вариант Modbus, используемый для связи по TCP / IP сети, подключение через порт 502.^[6] Он не требует вычисления контрольной суммы, поскольку нижние уровни уже обеспечивают защиту контрольной суммы.
• Modbus через TCP / IP или Modbus через TCP или Modbus RTU / IP - Это вариант Modbus, который отличается от Modbus TCP тем, что контрольная сумма включена в полезную нагрузку, как и в случае с Modbus RTU.
• Modbus через UDP - Некоторые экспериментировали с использованием Modbus поверх UDP в IP-сетях, что устраняет накладные расходы, необходимые для TCP.^[7]
• Modbus Plus (Modbus +, MB + или MBP) - Modbus Plus является собственностью Schneider Electric и, в отличие от других вариантов, поддерживает пиринговый связь между несколькими мастерами.^[8] Для быстрой обработки требуется специальный сопроцессор. HDLC -подобное вращение токенов. Он использует витую пару со скоростью 1 Мбит / с и включает в себя изоляцию трансформатора на каждом узле, что делает его срабатывающим по переходу / фронту, а не по напряжению / уровню. Для подключения Modbus Plus к компьютеру требуется специальное оборудование, обычно это карта, сделанная для ЭТО, PCI или PCMCIA автобус.
• Pemex Modbus - Это расширение стандартного Modbus с поддержкой исторических и потоковых данных. Он был разработан для Пемекс нефтегазовой компании для использования в управлении технологическими процессами и не получила широкого распространения.
• Enron Modbus - Это еще одно расширение стандарта Modbus, разработанное Enron Corporation с поддержкой 32-битных целочисленных переменных и переменных с плавающей запятой, а также исторических и потоковых данных. Типы данных отображаются с использованием стандартных адресов.^[9] Исторические данные служат для удовлетворения Американский институт нефти (API) отраслевой стандарт хранения данных.^{[нужна цитата ]}

Модель данных и вызовы функций идентичны для первых 4 вариантов протоколов; только инкапсуляция отличается. Однако варианты и форматы кадров не совместимы.

Связь и устройства

Каждому устройству, связывающемуся (т. Е. Передающему данные) по Modbus, дается уникальный адрес.

В Modbus RTU, Modbus ASCII и Modbus Plus (все они представляют собой однокабельные многоточечные сети RS-485) только узел, назначенный в качестве ведущего, может инициировать команду. Все остальные устройства являются подчиненными и отвечают на запросы и команды.

Для протоколов, использующих Ethernet, таких как Modbus TCP, любое устройство может отправлять команду Modbus, поэтому все могут действовать как ведущие, хотя обычно только одно устройство действует как ведущее.

Существует множество модемов и шлюзов, поддерживающих Modbus, поскольку это очень простой и часто копируемый протокол. Некоторые из них были специально разработаны для этого протокола. Различные реализации используют проводную, беспроводную связь, например, в Группа ISM, и даже Сервис коротких сообщений (SMS) или Общие услуги пакетной радиосвязи (GPRS). В одной из наиболее распространенных конструкций беспроводных сетей используются ячеистая сеть. Типичные проблемы, которые приходится преодолевать дизайнерам, включают большие задержки и проблемы с синхронизацией.

Команды

Команды Modbus могут указывать устройству Modbus:

• изменить значение в одном из его регистров, которое записывается в регистры Coil и Holding.
• чтение порта ввода / вывода: чтение данных из дискретного и катушечного портов,
• дать команду устройству отправить обратно одно или несколько значений, содержащихся в его регистрах Coil и Holding.

Команда Modbus содержит адрес Modbus устройства, для которого она предназначена (от 1 до 247). Только адресуемое устройство будет реагировать и действовать по команде, даже если другие устройства могут ее получить (исключение составляют специальные широковещательные команды, отправленные на узел 0, которые выполняются, но не подтверждаются).

Все команды Modbus содержат информацию о контрольной сумме, позволяющую получателю обнаруживать ошибки передачи.

Форматы кадров

«Фрейм» Modbus состоит из блока данных приложения (ADU), который инкапсулирует блок данных протокола (PDU):^[6]

• ADU = адрес + PDU + проверка ошибок,
• PDU = Код функции + Данные.

Порядок байтов для значений в кадрах данных Modbus: самый старший байт многобайтового значения отправляется раньше остальных. Все варианты Modbus используют один из следующих форматов кадра.^[1]

Modbus RTU формат кадра (в основном используется на линиях асинхронных последовательных данных, таких как RS-485 /EIA-485 )

Примечание о CRC:

• Полином: Икс¹⁶ + Икс¹⁵ + Икс² + 1 (CRC-16-ANSI, также известный как CRC-16-IBM, нормальный шестнадцатеричный алгебраический многочлен 8005 и наоборот A001).
• Начальное значение: 65 535.
• Пример кадра в шестнадцатеричном формате: 01 04 02 FF FF B8 80 (Расчет CRC-16-ANSI из 01 к FF дает 80B8, который передается наименее значащий байт первый).

Формат кадра Modbus ASCII (в основном используется на 7- или 8-битных асинхронных последовательных линиях)

Адрес, функция, данные и LRC - все это пары символов в шестнадцатеричной системе с заглавными буквами, представляющие 8-битные значения (0–255). Например, 122 (7 × 16 + 10) будет представлено как 7А.

LRC рассчитывается как сумма 8-битных значений (исключая начальный и конечный символы), инвертированных (два дополнения ) и закодирован как 8-битное значение. Пример: если адрес, функция и данные кодируются как 247, 3, 19, 137, 0 и 10, их сумма равна 416. Дополнение до двух (-416), обрезанное до 8 бит, равно 96 (например, 256 × 2 - 416), который будет представлен как 60 в шестнадцатеричном формате. Отсюда следующий фрейм: : F7031389000A60 . Он указан только для использования в качестве контрольной суммы: поскольку он находится внутри символов кадрирования, его характеристика «Продольный» является избыточной.

Формат кадра Modbus TCP (в основном используется на Ethernet сети)

Идентификатор объекта используется с устройствами Modbus / TCP, которые являются составными частями нескольких устройств Modbus, например от Modbus / TCP до шлюзов Modbus RTU. В таком случае идентификатор устройства сообщает адрес ведомого устройства за шлюзом. Устройства с поддержкой Modbus / TCP обычно игнорируют идентификатор устройства.

Доступные коды функций / команд

Различные операции чтения, записи и другие делятся на следующие категории.^[10] Наиболее примитивные операции чтения и записи выделены жирным шрифтом. В ряде источников используется альтернативная терминология, например Силовая одиночная катушка где стандарт использует Написать одиночную катушку.^[11]
Важнейшими объектами подчиненного устройства Modbus являются:

• Катушки: читаемые и записываемые, 1 бит (выкл. / Вкл.)
• Дискретные входы: читаемые, 1 бит (выкл. / Вкл.)
• Входные регистры: читаемые, 16 бит (от 0 до 65 535), в основном измерения и состояния
• Регистры хранения: читаемые и записываемые, 16 бит (от 0 до 65 535), в основном значения конфигурации

Формат данных запросов и ответов для кодов основных функций

Запросы и ответы следуют форматам кадров, описанным выше. В этом разделе приведены подробные сведения о форматах данных наиболее часто используемых кодов функций.

Функциональный код 1 (считывание катушек) и функциональный код 2 (считывание дискретных входов)

Запрос:

• Адрес первой катушки / дискретного входа для чтения (16 бит)
• Количество катушек / дискретных входов для чтения (16 бит)

Нормальный ответ:

• Число последующих байтов значений катушки / дискретного входа (8 бит)
• Значения катушки / дискретного входа (8 катушек / дискретных входов на байт)

Значение каждой катушки / дискретного входа является двоичным (0 для выключения, 1 для включения). Первая запрошенная катушка / дискретный вход сохраняется как младший бит первого байта ответа.
Если количество катушек / дискретных входов не кратно 8, старший бит (ы) последнего байта будет заполнен нулями.
Например, если запрашиваются одиннадцать катушек, необходимы два байта значений. Предположим, что состояния этих последовательных катушек равны включено, выключено, включено, выключено, выключено, включено, включено, включено, выключено, включено, включено, то ответ будет 02 E5 06 в шестнадцатеричном формате.

Поскольку счетчик байтов, возвращаемый в ответном сообщении, имеет ширину всего 8 бит, а служебные данные протокола составляют 5 байтов, за один раз можно прочитать максимум 2008 (251 x 8) дискретных входов или катушек.

Код функции 5 (сила / запись одиночной катушки)

Запрос:

• Адрес катушки (16 бит)
• Значение для принудительной / записи: 0 для выключения и 65 280 (FF00 в шестнадцатеричном формате) для включения

Нормальный ответ: то же, что и запрос.

Код функции 15 (сила / запись нескольких катушек)

Запрос:

• Адрес первой катушки для принудительной / записи (16 бит)
• Количество катушек для принудительной / записи (16 бит)
• Количество следующих байтов значений катушки (8 бит)
• Значения катушки (8 значений катушки на байт)

Значение каждой катушки двоичное (0 для выключения, 1 для включения). Первая запрошенная катушка сохраняется как младший бит первого байта запроса.
Если количество катушек не кратно 8, старший бит (ы) последнего байта должен быть заполнен нулями. См. Пример для кодов функций 1 и 2.

Нормальный ответ:

• Адрес первой катушки (16 бит)
• количество катушек (16 бит)

Код функции 4 (чтение регистров ввода) и код функции 3 (чтение регистров хранения)

Запрос:

• Адрес первого регистра для чтения (16 бит)
• Количество регистров для чтения (16 бит)

Нормальный ответ:

• Число последующих байтов значений регистра (8 бит)
• Значения регистров (16 бит на регистр)

Поскольку максимальная длина Modbus PDU составляет 253 (выводится из максимальной длины Modbus APU 256 на RS485), одновременно можно запросить только до 125 регистров.^[10]

Код функции 6 (предварительная установка / запись одного регистра временного хранения)

Запрос:

• Адрес регистра временного хранения для предварительной установки / записи (16 бит)
• Новое значение регистра временного хранения (16 бит)

Нормальный ответ: то же, что и запрос.

Код функции 16 (предварительная установка / запись нескольких регистров хранения)

Запрос:

• Адрес первого регистра временного хранения для предварительной установки / записи (16 бит)
• Количество регистров хранения для предварительной установки / записи (16 бит)
• Количество следующих байтов значений регистра (8 бит)
• Новые значения регистров хранения (16 бит на регистр)

Поскольку значения регистров имеют ширину 2 байта и могут быть отправлены значения только на 127 байтов, одновременно можно предварительно установить / записать только 63 регистра хранения.

Нормальный ответ:

• Адрес первого предустановленного / записанного регистра временного хранения (16 бит)
• Количество предустановленных / записанных регистров хранения (16 бит)

Исключительные ответы

Для нормального ответа ведомое устройство повторяет код функции. Если ведомое устройство захочет сообщить об ошибке, оно ответит запрошенным кодом функции плюс 128 (шестнадцатеричное 0x80) (3 становится 131 = шестнадцатеричный 0x83), и будет включать только один байт данных, известный как код исключения.

Основные коды исключений Modbus

Катушка, дискретный вход, входной регистр, номера и адреса регистров временного хранения

Некоторые соглашения определяют порядок ссылок на объекты Modbus (катушки, дискретные входы, входные регистры, регистры временного хранения).

Важно различать сущность количество и сущность адрес:

• сущность числа объединить тип объекта и местоположение объекта в их таблице описания.
• сущность адрес - начальный адрес, 16-битное значение в части данных кадра Modbus. Таким образом, его диапазон составляет от 0 до 65 535

В традиционном стандарте^{[нужна цитата ]}, организация числа начинаются с одной цифры, представляющей тип объекта, за которой следуют четыре цифры, представляющие местоположение объекта:

• катушки числа начать с 0 и охватить от 00001 по 09999,
• дискретный вход числа начать с 1 и охватить от 10001 по 19999,
• регистр ввода числа начать с 3 и охватить от 30001 по 39999,
• регистр хранения числа начать с 4 и охватить от 40001 по 49999.

Для передачи данных субъект расположение (От 1 до 9 999) переводится в объект, отсчитываемый от нуля адрес (От 0 до 9998) путем вычитания 1. Например, чтобы читать регистры временного хранения, начиная с количество 40001, фрейм данных будет содержать код функции 3 (как показано выше) и адрес 0. Для регистров хранения, начиная с количество 40100, адрес будет 99. И т.д.

Это ограничивает количество адреса до 9 999 для каждой организации. А де-факто ссылки расширяют это до максимума 65 536.^[12]Он просто состоит из добавления одной цифры к предыдущему списку:

• катушка числа простирается от 000001 к 065536,
• дискретный вход числа простирается от 100001 к 165536,
• регистр ввода числа простирается от 300001 к 365536,
• регистр хранения числа простирается от 400001 к 465536.

При использовании расширенного реферирования все количество ссылки должны состоять ровно из 6 цифр. Это позволяет избежать путаницы между катушками и другими объектами. Например, чтобы узнать разницу между регистром хранения № 40001 и обмоткой № 40001, если обмотка № 40001 является целью, она должна отображаться как № 040001.

Отображение JBUS

Другая де-факто Протокол, тесно связанный с Modbus, появился после него и был определен брендом PLC April Automates, результатом совместных усилий французских компаний. Renault Автоматизация и Мерлин Герин et Cie в 1985 году: JBUS. Различия между Modbus и JBUS в то время (количество объектов, подчиненных станций) теперь неактуальны, поскольку этот протокол почти исчез с апрельской серией ПЛК, которую AEG Schneider Automation купила в 1994 году, а затем сделала устаревшей. Однако название JBUS в какой-то степени сохранилось.

JBUS поддерживает коды функций 1, 2, 3, 4, 5, 6, 15 и 16 и, следовательно, все объекты, описанные выше. Однако нумерация в JBUS отличается:

• Номер и адрес совпадают: entity #Икс имеет адрес Икс во фрейме данных.
• Следовательно, номер объекта не включает тип объекта. Например, регистр временного хранения № 40010 в Modbus будет регистром временного хранения № 9, расположенным по адресу 9 в JBUS.
• Число 0 (и, следовательно, адрес 0) не поддерживается. Slave не должен реализовывать какие-либо реальные данные по этому номеру и адресу, и он может вернуть нулевое значение или выдать ошибку по запросу.

Реализации

Почти все реализации имеют отличия от официального стандарта. Различные варианты могут неправильно взаимодействовать между оборудованием разных поставщиков. Некоторые из наиболее распространенных вариантов:

• Типы данных
  • IEEE с плавающей точкой количество
  • 32-битное целое число
  • 8-битные данные
  • Смешанные типы данных
  • Битовые поля в целых числах
  • Множители для изменения данных на / из целого числа. 10, 100, 1000, 256 ...
• Расширения протокола
  • 16-битные адреса ведомых устройств
  • 32-битный размер данных (1 адрес = 32 бита возвращаемых данных)
  • Данные с заменой слов

Торговая группа

Modbus Organization, Inc. является торговая ассоциация для продвижения и развития протокола Modbus.^[2]

Modbus Plus

Несмотря на название, Modbus Plus^[13] не является вариантом Modbus. Это другой протокол, с привлечением передача токена.

Это фирменная спецификация Schneider Electric, хотя он не был опубликован, а не запатентован. Обычно это реализуется с использованием специального чипсет доступно только партнерам Schneider.

Смотрите также

• CAN шина

использованная литература

внешние ссылки

Технические характеристики

• Организация Modbus со спецификациями протокола
• Modbus по последовательной линии V1
• Протокол Modbus; Модикон; 74 страницы; 2000 г.

Другой

• Бесплатное руководство по Modbus для полевого техника
• Учебное пособие по протоколу Modbus для начинающих RF беспроводной мир