Что такое модбас для чайников

Modbus — протокол, работающий по принципу «клиент-сервер».
Широко применяется в промышленности.
Modbus может использоваться для передачи данных через последовательные линии связи RS-485, RS-422, RS-232, а также сети TCP/IP.
В этой статье рассмотрим на примере линии RS-485.

И так, в основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно B) — его инверсная копия. Другими словами, если на одном проводе «1», то на другом «0» и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при «1» она положительна, при «0» — отрицательна.

Именно этой разностью потенциалов и передается сигнал. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. Синфазной называют помеху, действующую на оба провода линии одинаково. К примеру, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, наводит в обоих проводах потенциал. Если сигнал передается потенциалом в одном проводе относительно общего, как в RS-232, то наводка на этот провод может исказить сигнал относительно хорошо поглощающего наводки общего («земли»). Кроме того, на сопротивлении длинного общего провода будет падать разность потенциалов земель — дополнительный источник искажений. А при дифференциальной передаче искажения не происходит. В самом деле, если два провода пролегают близко друг к другу, да еще перевиты, то наводка на оба провода одинакова. Потенциал в обоих одинаково нагруженных проводах изменяется одинаково, при этом информативная разность потенциалов остается без изменений.

Воплощение
Есть несколько вариантов.
— Подешевле на известной MAX-ADM485.
Без изоляции, развязки, изолированного источника питания. Зато стоит не более 25 рублей.
— Подороже, сюда можно отнести монстра ADM2587, ADM2483 и пр.
Разводить пп желательно очень вдумчиво.
Узел RS-485 хорошо вынести подальше от точных и измерительных цепей, узлов и т.п.
На обычную сигнальную линию проложенную вдоль силовых установок и мощных потребителей, воздействует огромное количество наводок и помех.
В некоторых случаях, их потенциал может достигнуть нескольких тысяч вольт!

Так выглядит типичная посылка, от Ведущего — Ведомому.

Так выглядит ответ Ведомого — Ведущему

ID — Адрес ведомого устройства. Он может иметь значения от 1 до 247. Адрес 0 используется для широковещательной передачи, его распознаёт каждое устройство, адреса в диапазоне 248…255 — зарезервированы.
Команда(код функции):
в данном примере одна, на чтение 0x03.
Но в действительности их намного больше.
Все коды функций делятся на:
— Публичные коды, описанные в стандарте MODBUS-IDA. Их список включает уже назначенные и используемые коды, а также коды для будущего использования;
— User-Defined Function Codes (65-72, 100-110) — коды, которые могут использоваться компаниями для собственных функций, и не описаны в спецификации;
— Reserved Function Codes (9, 10, 13, 14, 41, 42, 43, 90, 91, 125, 126 и 127) — зарезервированы коды, которые не доступны для общего использования.
(0x02) — чтение значений из нескольких дискретных входов (Read Discrete Inputs).
(0x03) — чтение значений из нескольких регистров хранения (Read Holding Registers).
(0x04) — чтение значений из нескольких регистров ввода (Read Input Registers).
(0x05) — запись значения одного флага (Force Single Coil).
(0x06) — запись значения в один регистр хранения (Preset Single Register).
(0x07) — Чтение сигналов состояния (Read Exception Status)
(0x0F) — запись значений в несколько регистров флагов (Force Multiple Coils)
(0x10) — запись значений в несколько регистров хранения (Preset Multiple Registers)
(0x16) — запись в один регистр хранения с использованием маски «И» и маски «ИЛИ» (Mask Write Register).
(0x18) — Чтение данных из очереди (Read FIFO Queue)
(0x14) — Чтение из файла (Read File Record)
(0x15) — Запись в файл (Write File Record)
(0x08) — Диагностика (Diagnostic)
(0x0B) — Чтение счетчика событий (Get Com Event Counter)
(0x0C) — Чтение журнала событий (Get Com Event Log)
(0x11) — Чтение информации об устройстве (Report Slave ID)
(0x2B) — Encapsulated Interface Transport
Обработка ошибок
Ведущий отправляет запрос к Ведомому, в котором в поле «код функции» указывает ему на необходимое действие.
Байты данных содержат информацию, необходимую для выполнения данной функции.
Ведомый, в случае удачного выполнения этой функции, повторяет код функции в ответе.
При возникновении ошибки, код функции в ответе модифицируется — старший бит выставляется в 1.
В байтах данных передается причина ошибки. Например при исполнении Ведомым функции 0x0F возникла ошибка, тогда он ответит Ведущему полем функции равным 0x8F.
В дополнении к изменению кода функции, Ведомый размещает в поле данных уникальный код, который указывает на тип и причину ошибки.

CRC-16, циклически избыточный код.
Полином:

Для расчета есть два метода:
Простой

и Табличный

Использование табличной функции
unsigned char mess[3] = <1,108,8>;
volatile unsigned short res1 = CRC16(&mess,3);
res1 будет равен 0x0СС6 при подстановке в конце команды менять местами
старший и младший байты не надо. Эта функция при занесении значения в
res1 автоматически меняет местами старший и младший байты.

Как указано в даташите на ADM485, для работы на прием выводы RE-DE-DI должны быть в 0,
тогда на выводе RO появляются принятые данные.
Для работы на передачу — все противоположно, но данные следует слать на DI.
Простая функция приема

Ответ выглядит примерно так

Все интервалы организованы на прерываниях.
Сообщение должно начинаться и заканчиваться интервалом тишины, длительностью не менее 3,5 символов.
Во время передачи сообщения не должно быть пауз длительностью более 1,5 символов.
Для скоростей более 19200 бод допускается использовать интервалы 1,75 и 0,75 мс, соответственно.

Для отладки удобно использовать что-то вроде Modbus_Poll.

К сожалению он не бесплатный, триальная версия работает 25 дней, ограничивает работу 10 минутами и всячески достает сообщениями…

Файл логанализатора, с общением по Modbus Яндекс диск

Рекомендуется к прочтению:
Спецификация Modbus Link
RS-485 для чайников — Link
Modbus в Википедии Link
Modbus протокол Link

Отдельное спасибо товарищу Papandopala, за функцию табличного расчета CRC.

В промышленности (да и не только) очень часто используется протокол Modbus при настройке и программирования оборудования (Приборы, программируемые контроллеры, датчики, клапана, пускатели, расходомеры, тепловычислители, электросчётчики и даже манометры). Сам по себе протокол представляет собой некие инструкции для извлечения, обработки и передачи различных данных, зачастую физические параметры (температура, давление, влажность, расход, потреблённая электроэнергия и т.д.)

Из этой статьи вы узнаете:

Приветствую уважаемые подписчики и читатели. С вами на связи Гридин Семён. Я созрел для этой статьи, которую хотел опубликовать уже давно. Сразу оговорюсь, что основной источник статьи находится на официальном сайте IPC2U . Они являются основными поставщиками промышленного оборудования.

Фактически я переписываю статью. Это поможет мне хоть как-то врубиться в тему, что-то отложится в памяти. Ну и вам проще найти информацию.

Описание протокола Modbus RTU

Modbus —коммуникационный протокол, основан на архитектуре ведущий-ведомый (master-slave). Использует для передачи данных интерфейсы RS-485, RS-422, RS-232, а также Ethernet сети TCP/IP (протокол Modbus TCP).

Сообщение Modbus RTU состоит из адреса устройства SlaveID, кода функции, специальных данных в зависимости от кода функции и CRC контрольной суммы.

SlaveID

Код функции

Специальные данные

CRC

Если отбросить SlaveID адрес и CRC контрольную сумму, то получится PDU, Protocol Data Unit.

SlaveID – это адрес устройства, может принимать значение от 0 до 247, адреса с 248 до 255 зарезервированы.

Данные в модуле хранятся в 4 таблицах.

Две таблицы доступны только для чтения и две для чтения-записи.

В каждой таблице помещается 9999 значений.

Номер регистра	Адрес регистра HEX	Тип	Название	Тип
1-9999	0000 до 270E	Чтение-запись	Discrete Output Coils	DO
10001-19999	0000 до 270E	Чтение	Discrete Input Contacts	DI
30001-39999	0000 до 270E	Чтение	Analog Input Registers	AI
40001-49999	0000 до 270E	Чтение-запись	Analog Output Holding Registers	AO

В сообщении Modbus используется адрес регистра.

Например, первый регистр AO Holding Register, имеет номер 40001, но его адрес равен 0000.

Разница между этими двумя величинами есть смещение offset.

Каждая таблица имеет свое смещение, соответственно: 1, 10001, 30001 и 40001.

Ниже приведен пример запроса Modbus RTU для получения значения AO аналогового выхода (holding registers) из регистров от #40108 до 40110 с адресом устройства 17.

11 03 006B 0003 7687

11	Адрес устройства Slave >
03	Функциональный код Function Code (читаем Analog Output Holding Registers)
006B	Адрес первого регистра (40108-40001 = 107 =6B hex)
0003	Количество требуемых регистров (чтение 3-х регистров с 40108 по 40110)
7687	Контрольная сумма CRC

В ответе от Modbus RTU Slave устройства мы получим:

11 03 06 AE41 5652 4340 49AD

11	Адрес устройства (17 = 11 hex)	SlaveID
03	Функциональный код	Function Code
06	Количество байт далее (6 байтов идут следом)	Byte Count
AE	Значение старшего разряда регистра (AE hex)	Register value Hi (AO0)
41	Значение младшего разряда регистра (41 hex)	Register value Lo (AO0)
56	Значение старшего разряда регистра (56 hex)	Register value Hi (AO1)
52	Значение младшего разряда регистра (52 hex)	Register value Lo (AO1)
43	Значение старшего разряда регистра (43 hex)	Register value Hi (AO2)
40	Значение младшего разряда регистра (40 hex)	Register value Lo (AO2)
49	Контрольная сумма	CRC value Lo
AD	Контрольная сумма	CRC value Hi

Регистр аналогового выхода AO0 имеет значение AE 41 HEX или 44609 в десятичной системе.

Регистр аналогового выхода AO1 имеет значение 56 52 HEX или 22098 в десятичной системе.

Регистр аналогового выхода AO2 имеет значение 43 40 HEX или 17216 в десятичной системе.

Значение AE 41 HEX — это 16 бит 1010 1110 0100 0001, может принимать различное значение, в зависимости от типа представления.

Значение регистра 40108 при комбинации с регистром 40109 дает 32 бит значение.

Тип представления	Диапазон значений	Пример в HEX	Будет в десятичной форме
16-bit unsigned integer	0 до 65535	AE41	44,609
16-bit signed integer	-32768 до 32767	AE41	-20,927
two character ASCII string	2 знака	AE41	® A
discrete on/off value	0 и 1	0001	0001
32-bit unsigned integer	0 до 4,294,967,295	AE41 5652	2,923,517,522
32-bit signed integer	-2,147,483,648 до 2,147,483,647	AE41 5652	-1,371,449,774
32-bit single precision IEEE floating point number	1,2·10−38 до 3,4×10+38	AE41 5652	-4.395978 E-11
four character ASCII string	4 знака	AE41 5652	® A V R

Какие бывают команды Modbus RTU?

Приведем таблицу с кодами функций чтения и записи регистров Modbus RTU.

Код функции	Что делает функция	Тип значения	Тип доступа
01 (0×01)	Чтение DO	Read Coil Status	Дискретное	Чтение
02 (0×02)	Чтение DI	Read Input Status	Дискретное	Чтение
03 (0×03)	Чтение AO	Read Holding Registers	16 битное	Чтение
04 (0×04)	Чтение AI	Read Input Registers	16 битное	Чтение
05 (0×05)	Запись одного DO	Force Single Coil	Дискретное	Запись
06 (0×06)	Запись одного AO	Preset Single Register	16 битное	Запись
15 (0x0F)	Запись нескольких DO	Force Multiple Coils	Дискретное	Запись
16 (0×10)	Запись нескольких AO	Preset Multiple Registers	16 битное	Запись

Как послать команду Modbus RTU на чтение дискретного вывода? Команда 0×01

Эта команда используется для чтения значений дискретных выходов DO.

В запросе PDU задается начальный адрес первого регистра DO и последующее количество необходимых значений DO. В PDU значения DO адресуются, начиная с нуля.

Значения DO в ответе находятся в одном байте и соответствуют значению битов.

Значения битов определяются как 1 = ON и 0 = OFF.

Младший бит первого байта данных содержит значение DO адрес которого указывался в запросе. Остальные значения DO следуют по нарастающей к старшему значению байта. Т.е. справа на лево.

Если запрашивалось меньше восьми значений DO, то оставшиеся биты в ответе будут заполнены нулями (в направлении от младшего к старшему байту). Поле Byte Count Количество байт далее указывает количество полных байтов данных в ответе.

Пример запроса DO с 20 по 56 для Slave >

Байт	Запрос	Байт	Ответ
(Hex)	Название поля	(Hex)	Название поля
11	Адрес устройства	11	Адрес устройства
01	Функциональный код	01	Функциональный код
00	Адрес первого регистра Hi байт	05	Количество байт далее
13	Адрес первого регистра Lo байт	CD	Значение регистра DO 27-20 (1100 1101)
00	Количество регистров Hi байт	6B	Значение регистра DO 35-28 (0110 1011)
25	Количество регистров Lo байт	B2	Значение регистра DO 43-36 (1011 0010)
0E	Контрольная сумма CRC	0E	Значение регистра DO 51-44 (0000 1110)
84	Контрольная сумма CRC	1B	Значение регистра DO 56-52 (0001 1011)
45	Контрольная сумма CRC
E6	Контрольная сумма CRC

Состояния выходов DO 27-20 показаны как значения байта CD hex, или в двоичной системе 1100 1101.

В регистре DO 56-52 5 битов справа были запрошены, а остальные биты заполнены нулями до полного байта (0001 1011).

Каналы	—	—	—	DO 56	DO 55	DO 54	DO 53	DO 52
Биты				1	1		1	1
Hex	1B

Как послать команду Modbus RTU на чтение дискретного ввода? Команда 0×02

Эта команда используется для чтения значений дискретных входов DI.

Пример запроса DI с регистров от #10197 до 10218 для Slave >

Байт	Запрос	Байт	Ответ
(Hex)	Название поля	(Hex)	Название поля
11	Адрес устройства	11	Адрес устройства
02	Функциональный код	02	Функциональный код
00	Адрес первого регистра Hi байт	03	Количество байт далее
C4	Адрес первого регистра Lo байт	AC	Значение регистра DI 10204-10197 (1010 1100)
00	Количество регистров Hi байт	DB	Значение регистра DI 10212-10205 (1101 1011)
16	Количество регистров Lo байт	35	Значение регистра DI 10218-10213 (0011 0101)
BA	Контрольная сумма CRC	20	Контрольная сумма CRC
A9	Контрольная сумма CRC	18	Контрольная сумма CRC

Как послать команду Modbus RTU на чтение аналогового вывода? Команда 0×03

Эта команда используется для чтения значений аналоговых выходов AO.

Пример запроса AO с регистров от #40108 до 40110 для Slave >

Байт	Запрос	Байт	Ответ
(Hex)	Название поля	(Hex)	Название поля
11	Адрес устройства	11	Адрес устройства
03	Функциональный код	03	Функциональный код
00	Адрес первого регистра Hi байт	06	Количество байт далее
6B	Адрес первого регистра Lo байт	AE	Значение регистра Hi #40108
00	Количество регистров Hi байт	41	Значение регистра Lo #40108
03	Количество регистров Lo байт	56	Значение регистра Hi #40109
76	Контрольная сумма CRC	52	Значение регистра Lo #40109
87	Контрольная сумма CRC	43	Значение регистра Hi #40110
40	Значение регистра Lo #40110
49	Контрольная сумма CRC
AD	Контрольная сумма CRC

Как послать команду Modbus RTU на чтение аналогового ввода? Команда 0×04

Эта команда используется для чтения значений аналоговых входов AI.

Пример запроса AI с регистра #30009 для Slave >

Байт	Запрос	Байт	Ответ
(Hex)	Название поля	(Hex)	Название поля
11	Адрес устройства	11	Адрес устройства
04	Функциональный код	04	Функциональный код
00	Адрес первого регистра Hi байт	02	Количество байт далее
08	Адрес первого регистра Lo байт	00	Значение регистра Hi #30009
00	Количество регистров Hi байт	0A	Значение регистра Lo #30009
01	Количество регистров Lo байт	F8	Контрольная сумма CRC
B2	Контрольная сумма CRC	F4	Контрольная сумма CRC
98	Контрольная сумма CRC

Как послать команду Modbus RTU на запись дискретного вывода? Команда 0×05

Эта команда используется для записи одного значения дискретного выхода DO.

Значение FF 00 hex устанавливает выход в значение включен ON.

Значение 00 00 hex устанавливает выход в значение выключен OFF.

Все остальные значения недопустимы и не будут влиять значение на выходе.

Нормальный ответ на такой запрос — это эхо (повтор запроса в ответе), возвращается после того, как состояние DO было изменено.

Пример записи в DO с регистром #173 для Slave >

Байт	Запрос	Байт	Ответ
(Hex)	Название поля	(Hex)	Название поля
11	Адрес устройства	11	Адрес устройства
05	Функциональный код	05	Функциональный код
00	Адрес первого регистра Hi байт	00	Адрес первого регистра Hi байт
AC	Адрес первого регистра Lo байт	AC	Адрес первого регистра Lo байт
FF	Значение Hi байт	FF	Значение Hi байт
00	Значение Lo байт	00	Значение Lo байт
4E	Контрольная сумма CRC	4E	Контрольная сумма CRC
8B	Контрольная сумма CRC	8B	Контрольная сумма CRC

Состояние выхода DO173 поменялось с выключен OFF на включен ON.

Как послать команду Modbus RTU на запись аналогового вывода? Команда 0×06

Эта команда используется для записи одного значения аналогового выхода AO.

Пример записи в AO с регистром #40002 для Slave >

Байт	Запрос	Байт	Ответ
(Hex)	Название поля	(Hex)	Название поля
11	Адрес устройства	11	Адрес устройства
06	Функциональный код	06	Функциональный код
00	Адрес первого регистра Hi байт	00	Адрес первого регистра Hi байт
01	Адрес первого регистра Lo байт	01	Адрес первого регистра Lo байт
00	Значение Hi байт	00	Значение Hi байт
03	Значение Lo байт	03	Значение Lo байт
9A	Контрольная сумма CRC	9A	Контрольная сумма CRC
9B	Контрольная сумма CRC	9B	Контрольная сумма CRC

Как послать команду Modbus RTU на запись нескольких дискретных выводов? Команда 0x0F

Эта команда используется для записи нескольких значений дискретного выхода DO.

Пример записи в несколько DO с регистрами от #20 до #29 для Slave >

Байт	Запрос	Байт	Ответ
(Hex)	Название поля	(Hex)	Название поля
11	Адрес устройства	11	Адрес устройства
0F	Функциональный код	0F	Функциональный код
00	Адрес первого регистра Hi байт	00	Адрес первого регистра Hi байт
13	Адрес первого регистра Lo байт	13	Адрес первого регистра Lo байт
00	Количество регистров Hi байт	00	Кол-во записанных рег. Hi байт
0A	Количество регистров Lo байт	0A	Кол-во записанных рег. Lo байт
02	Количество байт далее	26	Контрольная сумма CRC
CD	Значение байт DO 27-20 (1100 1101)	99	Контрольная сумма CRC
01	Значение байт DO 29-28 (0000 0001)
BF	Контрольная сумма CRC
0B	Контрольная сумма CRC

В ответе возвращается количество записанных регистров.

Как послать команду Modbus RTU на запись нескольких аналоговых выводов? Команда 0×10

Эта команда используется для записи нескольких значений аналогового выхода AO.

Пример записи в несколько AO с регистрами #40002 и #40003 для Slave >

Байт	Запрос	Байт	Ответ
(Hex)	Название поля	(Hex)	Название поля
11	Адрес устройства	11	Адрес устройства
10	Функциональный код	10	Функциональный код
00	Адрес первого регистра Hi байт	00	Адрес первого регистра Hi байт
01	Адрес первого регистра Lo байт	01	Адрес первого регистра Lo байт
00	Количество регистров Hi байт	00	Кол-во записанных рег. Hi байт
02	Количество регистров Lo байт	02	Кол-во записанных рег. Lo байт
04	Количество байт далее	12	Контрольная сумма CRC
00	Значение Hi 40002	98	Контрольная сумма CRC
0A	Значение Lo 40002
01	Значение Hi 40003
02	Значение Lo 40003
C6	Контрольная сумма CRC
F0	Контрольная сумма CRC

Какие бывают ошибки запроса Modbus?

Если устройство получило запрос, но запрос не может быть обработан, то устройство ответит кодом ошибки.

Ответ будет содержать измененный Функциональный код, старший бит будет равен 1.

Благодаря универсальности и открытости, стандарт позволяет интегрировать оборудование разных производителей. Modbus используется для сбора показания с датчиков, управления реле и контроллерами, мониторинга, и т.д.

В статье разберем реализации протокола Modbus, форматы данных, программное обеспечение для работы с протоколом. Попробуем на практике прочитать данные из устройства.

История Modbus

Modbus был представлен в 1979 году компанией Modicon (ныне Schneider Electric). Это был открытый стандарт, работающий по интерфейсу RS-232. Позже появилась реализации протокола для интерфейсов RS-485 и Modbus TCP. Протокол быстро набрал популярность, и многие производители стали внедрять его в своих устройствах.

Позже права на протокол были переданы некоммерческой организации Modbus Organization, которая до сегодняшнего дня владеет стандартом.

В описании стандарта Modbus используются терминология, унаследованная от языков релейной логики. Так, например, некоторые регистры называются катушками (англ. coil).

Физический уровень

• RS-232/422/485 — последовательные интерфейсы, широко распространенные в промышленности. Интерфейсы RS-422/485 обеспечивают дальность сигнала до 1200 метров. Используются протоколы Modbus RTU/ASCII
• Сети TCP/IP — физическим каналом передачи данных могут любые ethernet-интерфейсы. Используется протокол Modbus TCP

Логический уровень

Различия протоколов Modbus

Modbus ASCII

Данные кодируются символами из таблицы ASCII и передаются в шестнадцатеричном формате. Начало каждого пакета обозначается символом двоеточия, а конец — символами возврата каретки и переноса строки. Это позволяет использовать протокол на линиях с большими задержками и оборудовании с менее точными таймерами.

Modbus RTU

В протоколе Modbus RTU данные кодируются в двоичный формат, и разделителем пакетов служит временной интервал. Этот протокол критичен к задержкам и не может работать, например, на модемных линиях. При этом, накладные расходы на передачу данных меньше, чем в Modbus ASCII, так как длина сообщений меньше.

Modbus TCP

Структура пакетов схожа с Modbus RTU, данные также кодируются в двоичный формат, и упаковываются в обычный TCP-пакет, для передачи по IP-сетям. Проверка целостности, используемая в Modbus RTU, не применяется, так как TCP уже имеет собственный механизм контроля целостности.

Формат пакета

Форматы пакета разных реализаций Modbus

Все устройства Modbus взаимодействуют, следуя модели master-slave. Запросы может инициировать только master-устройство, slave-устройства могут только отвечать на запросы, и не могут самостоятельно начинать передачу данных. В зависимости от реализации протокола, заголовки пакета различаются. Вот основные составляющие пакета, которые важно знать:

ADU (Application Data Unit) — пакет Modbus целиком, со всеми заголовками, PDU, контрольной суммой, адресом и маркерами. Отличается, в зависимости от реализации протокола.

PDU (protocol data unit) — основная часть пакета, одинаковая для всех реализаций протокола. Содержит сам payload.

Адрес устройства — адрес получателя, то есть slave-устройства. В одном сегменте Modbus-сети могут находится до 247 устройств. Только slave-устройства имеют различающиеся адреса, master-устройство не имеет адреса. Адрес «0» используется для широковещательных запросов от master, при этом, slave-устройства не могут отвечать на эти широковещательные пакеты.

Контрольная сумма — алгоритмы проверки целостности пакетов. В Мodbus RTU и ASCII используется 2 байта контрольной суммы. В Modbus RTU применяется алгоритм CRC16, в Modbus ASCII — более простой и менее надежный LRC8. В Modbus TCP контрольная сумма не добавляется в ADU, так как целостность проверяется на уровне TCP.

Мы не будем разбирать дополнительные заголовки, специфичные для каждой отдельной реализации протокола, так как это не имеет существенного значения при работе с протоколом на прикладном уровне.

Регистры и функции Modbus

В упрощенном виде, структура запросов Modbus состоит из кода функции (чтение/запись), и данных, которые нужно считать или записать. При этом, коды функции различаются для разных типов данных. Разберем, какие бывают регистры, и функции для работы с ними.

• Discrete Inputs — дискретные входы устройства, доступны только для чтения. Диапазон адресов регистров: с 10001 по 19999. Имеют функцию «02» — чтение группы регистров
• Coils — дискретные выходы устройства, или внутренние значения. Доступны для чтения и записи. Диапазон адресов регистров: с 20001 по 29999. Имеет функции: «01» — чтения группы регистров, «05» — запись одного регистра, «15» — запись группы регистров
• Input Registers — 16-битные входы устройства. Доступны только для чтения. Диапазон адресов регистров: с 30001 по 39999. Имеют функцию: «04» — чтение группы регистров
• Holding Registers — 16-битные выходы устройства, либо внутренние значения. Доступны для чтения и записи. Диапазон адресов регистров: с 40001 по 49999. Имеют

Несмотря на названия, входы и выходы могут на самом деле являться внутренними переменными, хранить счетчики, флаги, или быть управляющими триггерами. Существуют также и другие диапазоны регистров, но в подавляющем большинстве устройств они не используется, поэтому мы рассмотрим четыре основных типа регистров. В разных устройствах могут быть задействованы разные диапазоны регистров, или же все сразу.

Примеры работы

Для примера работы с протоколом Modbus TCP воспользуемся максимально простой консольной утилитой modbus-cli, написанной на языке Ruby. Она позволяет легко читать и писать данные в регистры Modbus.

Попробуем прочесть состояние счетчиков переданных пакетов на промышленном коммутаторе Advantech EKI-5524SSI. Для начала необходимо определить адреса регистров, хранящие нужную информацию, для этого заглянем в документацию устройства. Описание регистров находятся в разделе «Modbus Mapping Table»:

Описание значений регистров в документации коммутаторов EKI

Видно, что значение переданных пакетов для одного порта хранится в четырех регистрах, и для первого порта это регистры с 38193 по 38197. Также дано описание формата хранения данных, из которого следует, что целое число переданных пакетов хранится шестнадцатеричном формате, и значение 11223344 пакетов будет записано как 0xAB4130, справа налево.

read — команда чтения. Программа сама понимает, какую конкретно команду чтения использовать в зависимости от адреса регистра, в нашем случае будет использована команда «04», для чтения 16-битных регистров.

192.168.0.17 — IP-адрес устройства.

38193 — начальный адрес регистра.

4 — смещение относительно начального адреса. Мы читаем четыре регистра для порта 1, как следует из даташита.

Получаем ответ, содержащий значения четырех регистров. Видим, что число пакетов невелико: 0x3459, то есть 13401, — коммутатор был включен недавно.

Недостатки протокола Modbus

Справедливости ради, стоит упомянуть и о недостатках протокола. Так как он разрабатывался более 40 лет назад, когда производительность процессоров была существенно ниже и протоколы разрабатывались без учета защиты данных, он имеет рад минусов:

• Протокол не предусматривает аутентификацию и шифрование передаваемых данных. Поэтому, при использовании Modbus TCP необходимо использовать дополнительные VPN-тоннели.
• Slave-устройство не может инициировать передачу данных, поэтому master должен постоянно опрашивать ведомые устройства
• Slave-устройство не может обнаружить потерю связи с Master. Эта проблема напрямую следует из предыдущей.

Однако, несмотря на все недостатки, Modbus по-прежнему остается самым распространенным промышленным протоколом, и благодаря открытости, позволяет легко объединять устройства разных производителей. Нетребовательность к ресурсам позволяет интегрировать протокол в самые маломощные устройства.

Оборудование с поддержкой Modbus

Advantech предлагает широкий спектр промышленного оборудования с поддержкой протокола Modbus для любых задач: автоматизации, управления, сбора и передачи данных.

ADAM-6000 и WISE-4000 — модули удаленного ввода-вывода

Модули серии ADAM-6000 и WISE-4000 позволяют удаленно управлять цифровыми и аналоговыми входами/выходами по протоколу Modbus TCP. Используются для управления периферийными устройствами и сбора данных в режиме slave. Могут работать в паре с программируемым логическим контроллером, или подключаться напрямую к SCADA-серверу.⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀

EKI-1200 — Modbus-шлюзы для преобразования интерфейсов

Для преобразования протоколов Modbus RTU/ASCII в Modbus TCP, используются Modbus шлюзы. Устройства серии EKI-1200 имеют на борту до четырех последовательных интерфейсов RS-232/422/485, и два Ethernet-порта. Они позволяют объединить в одну сеть устройства с разными протоколами. Например, подключить slave устройство, поддерживающее только Modbus RTU, по интерфейсу RS-485 к сегменту сети Modbus TCP.

APAX-5000, ADAM-3600, WISE-5000 — контроллеры автоматизации

Контроллеры поддерживают функции Modbus RTU в качестве slave/master и клиента/сервера Modbus TCP.

Примеры применения

Система мониторинга теплиц

Решение Advantech для мониторинга интегрирует устройства TPC-1070H, ADAM-6024, ADAM-6050, ADAM-6060 и программное обеспечение WebAccess в машинном шкафу рядом с сельскохозяйственными угодьями. Соединяясь с различными чувствительными устройствами, модули ADAM-6000 могут в режиме реального времени получать данные об окружающей среде и контролировать переключение оборудования, чтобы гарантировать, что теплица находится в оптимальной среде для роста растений. Благодаря особой функции Advantech — графической логике условий (GCL), пользователи могут определять свои собственные правила логики управления и загружать эти правила в модули ввода / вывода Ethernet ADAM-6000, а затем модули автоматически выполняют логические правила, как автономные модули. контроллер. Еще одна особенность — Peer-to-Peer (P2P) использует наиболее открытую и гибкую сеть Ethernet, чтобы не только упростить процесс внедрения без контроллера, но и сэкономить затраты на аппаратное оборудование.

Все полученные данные затем передаются через Ethernet на компьютер с сенсорной панелью TPC-1070H. Благодаря системе охлаждения без вентилятора и передней панели, соответствующей стандарту IP65, TPC-1070H представляет собой прочную и компактную конструкцию, подходящую для изменяемой операционной среды, а его мощные вычислительные возможности способны обрабатывать большие объемы данных. Для управления устройствами Advantech WebAccess позволяет инженерам или менеджерам просматривать, контролировать и настраивать систему мониторинга через интрасеть или Интернет с помощью обычного веб-браузера с любого устройства, включая планшеты и смартфоны.

Мониторинг системы нагрева воды солнечной энергией

Инжиниринговая компания должна была иметь возможность контролировать количество солнечной энергии, температуры и расход воды в системе нагрева воды на солнечной энергии для бассейна олимпийских размеров, обеспечиваемого их недавно разработанной солнечной панелью. Они также должны были иметь возможность непосредственно отслеживать эти значения и их аварийные сигналы на ЖК-панелях и сохранять эти значения для дальнейшего использования.

Модули Adam от Advantech предоставили заказчику решение, в котором использовались модули сбора данных, подключенные через RS485, и двухпроводная шина для передачи данных со всех датчиков. Эта системная архитектура имеет два основных преимущества: во-первых, она позволяет в любое время добавлять в систему большее количество датчиков модулей сбора данных, и, во-вторых, очень легко добавлять дополнительные метки в программное обеспечение для мониторинга и записи этих значений на ПК.