Как общаются машины: протокол Modbus
Протокол Modbus — самый распространенный промышленный протокол для M2M-взаимодействия. Является стандартом де-факто и поддерживается почти всеми производителями промышленного оборудования.
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.
Составим запрос:
$ modbus read 192.168.0.17 38193 4
38193 0x0000
38194 0x0000
38195 0x0000
38196 0x3459
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: 0×3459, 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.
