Wie Maschinen kommunizieren: Modbus-Protokoll

Das Modbus-Protokoll ist das gängigste Industrieprotokoll für die M2M- Kommunikation. Es ist ein De-facto-Standard und wird von fast allen Herstellern von Industrieanlagen unterstützt.

Aufgrund seiner Vielseitigkeit und Offenheit ermöglicht der Standard die Integration von Geräten verschiedener Hersteller. Modbus wird zum Sammeln von Messwerten von Sensoren, Steuern von Relais und Controllern, Überwachen usw. verwendet.

In dem Artikel werden wir die Implementierung des Modbus-Protokolls, Datenformate und Software für die Arbeit mit dem Protokoll analysieren. Versuchen wir in der Praxis, Daten vom Gerät zu lesen.

Geschichte von Modbus

Modbus wurde 1979 von Modicon (heute Schneider Electric) eingeführt. Es war ein offener Standard für die RS-232-Schnittstelle. Später erschienen Protokollimplementierungen für RS-485- und Modbus-TCP-Schnittstellen. Das Protokoll wurde schnell populär und viele Hersteller begannen, es in ihre Geräte zu implementieren.

Später wurden die Rechte an dem Protokoll auf die gemeinnützige Organisation Modbus Organization übertragen , die bis heute den Standard besitzt.

Der Modbus-Standard verwendet eine Terminologie, die von der Kontaktplanlogik abgeleitet ist . So werden beispielsweise einige Register als Spulen (englische Spule) bezeichnet.

Körperliche Ebene

• RS-232/422/485 sind serielle Schnittstellen, die in der Industrie weit verbreitet sind. RS-422/485-Schnittstellen bieten eine Signalreichweite von bis zu 1200 Metern. Verwendete Modbus RTU / ASCII-Protokolle
• TCP / IP-Netzwerke - Alle Ethernet-Schnittstellen können ein physischer Datenübertragungskanal sein. Verwenden des Modbus TCP-Protokolls

Logikebene

Unterschiede im Modbus-Protokoll

Modbus ASCII

Die Daten werden mit Zeichen aus der ASCII-Tabelle codiert und im Hexadezimalformat übertragen. Der Anfang jedes Pakets wird durch einen Doppelpunkt und das Ende durch Wagenrücklauf und Zeilenvorschub angezeigt. Dies ermöglicht die Verwendung des Protokolls auf Leitungen mit längeren Verzögerungen und auf Geräten mit weniger genauen Zeitgebern.

Modbus RTU

Im Modbus RTU-Protokoll werden Daten im Binärformat codiert, und ein Zeitintervall dient als Pakettrennzeichen. Dieses Protokoll ist kritisch für Verzögerungen und kann beispielsweise auf Modemleitungen nicht funktionieren. Gleichzeitig ist der Overhead für die Datenübertragung geringer als bei Modbus ASCII, da die Nachrichtenlänge geringer ist.

Modbus TCP

Die Paketstruktur ähnelt der von Modbus RTU, die Daten werden ebenfalls im Binärformat codiert und zur Übertragung über IP-Netzwerke in ein reguläres TCP-Paket gepackt. Die in Modbus RTU verwendete Integritätsprüfung wird nicht angewendet, da TCP bereits über einen eigenen Integritätskontrollmechanismus verfügt.

Paketformat

Paketformate für verschiedene Modbus-Implementierungen

Alle Modbus-Geräte kommunizieren nach dem Master-Slave-Modell. Anforderungen können nur vom Master-Gerät initiiert werden, Slaves können nur auf Anforderungen antworten und die Datenübertragung nicht selbst starten. Abhängig von der Protokollimplementierung sind die Paket-Header unterschiedlich. Hier sind die wichtigsten Komponenten des Pakets, die wichtig zu wissen sind:

ADU (Application Data Unit) - das gesamte Modbus-Paket mit allen Headern, PDUs, Prüfsummen, Adressen und Token. Sie unterscheidet sich je nach Implementierung des Protokolls.

PDU (Protocol Data Unit) - der Hauptteil des Pakets, der für alle Implementierungen des Protokolls gleich ist. Enthält die Nutzlast selbst.

Geräteadresse - Die Adresse des Empfängers, dh des Slave-Geräts. In einem Segment eines Modbus-Netzwerks können sich bis zu 247 Geräte befinden. Nur Slaves haben unterschiedliche Adressen, der Master hat keine Adresse. Die Adresse "0" wird für Broadcast-Anforderungen vom Master verwendet, während Slaves nicht auf diese Broadcast-Pakete antworten können.

Prüfsumme - Paketintegritätsalgorithmen. Modbus RTU und ASCII verwenden 2 Bytes Prüfsumme. Modbus RTU verwendet den CRC16-Algorithmus, während Modbus ASCII den einfacheren und weniger zuverlässigen LRC8 verwendet. In Modbus TCP wird die Prüfsumme nicht zur ADU hinzugefügt, da die Integrität auf TCP-Ebene überprüft wird.

Wir werden keine zusätzlichen Header analysieren, die für jede einzelne Implementierung des Protokolls spezifisch sind, da dies bei der Arbeit mit dem Protokoll auf Anwendungsebene nicht von Bedeutung ist.

Modbus-Register und -Funktionen

In vereinfachter Form besteht die Modbus-Anforderungsstruktur aus einem Funktionscode (Lesen / Schreiben) und Daten, die gelesen oder geschrieben werden müssen. Gleichzeitig unterscheiden sich Funktionscodes für verschiedene Datentypen. Wir werden analysieren, was Register sind und welche Funktionen es gibt, mit ihnen zu arbeiten.

• Diskrete Eingänge - Diskrete Eingänge des Geräts sind schreibgeschützt. Bereich der Registeradressen: von 10001 bis 19999. Sie haben die Funktion „02“ - Lesen einer Gruppe von Registern
• Spulen - diskrete Ausgänge des Geräts oder interne Werte. Verfügbar zum Lesen und Schreiben. Der Bereich der Registeradressen reicht von 20001 bis 29999. Er hat folgende Funktionen: "01" - liest eine Gruppe von Registern, "05" - schreibt ein einzelnes Register, "15" - schreibt eine Gruppe von Registern
• Eingangsregister - 16-Bit-Geräteeingänge. Nur lesen. Bereich der Registeradressen: von 30001 bis 39999. Haben Sie eine Funktion: "04" - lesen Sie eine Gruppe von Registern
• Halteregister - 16-Bit-Geräteausgänge oder interne Werte. Verfügbar zum Lesen und Schreiben. Der Bereich der Registeradressen: von 40001 bis 49999. Haben

Trotz der Namen können die Ein- und Ausgänge tatsächlich interne Variablen, Speicherzähler, Flags oder Steuerauslöser sein. Es gibt auch andere Registerbereiche, aber in der überwiegenden Mehrheit der Geräte werden sie nicht verwendet, sodass wir vier Haupttypen von Registern betrachten werden. Verschiedene Geräte können unterschiedliche Registerbereiche oder alle gleichzeitig verwenden.

Arbeitsbeispiele

Als Beispiel für die Arbeit mit dem Modbus-TCP-Protokoll verwenden wir das einfachste in Ruby geschriebene Konsolendienstprogramm modbus-cli . Es erleichtert das Lesen und Schreiben von Daten in Modbus-Register.

Versuchen wir, den Status der Zähler der übertragenen Pakete auf einem industriellen Switch Advantech EKI-5524SSI zu lesen. Zuerst müssen Sie die Adressen der Register ermitteln, in denen die erforderlichen Informationen gespeichert sind. Lesen Sie dazu die Dokumentation des Geräts. Registerbeschreibungen finden Sie im Abschnitt Modbus-Zuordnungstabelle:


Beschreibung der Registerwerte in der Dokumentation zum EKI-Switch

Es ist ersichtlich, dass der Wert der übertragenen Pakete für einen Port in vier Registern gespeichert ist, und für den ersten Port sind dies die Register 38193 bis 38197. Es wird auch eine Beschreibung des Datenspeicherformats gegeben, aus dem folgt, dass die Ganzzahl der übertragenen Pakete im hexadezimalen Format gespeichert ist und der Wert von 11223344 Paketen sein wird geschrieben als 0xAB4130, von rechts nach links.

Anfrage stellen:

$ modbus read 192.168.0.17 38193 4 38193 0x0000 38194 0x0000 38195 0x0000 38196 0x3459 

read ist ein Lesebefehl . Das Programm selbst versteht, welcher spezifische Lesebefehl abhängig von der Adresse des Registers verwendet werden muss. In unserem Fall wird der Befehl "04" zum Lesen von 16-Bit-Registern verwendet.

192.168.0.17 - IP-Adresse des Geräts.

38193 - Die Startadresse des Registers.

4 - Versatz relativ zur Startadresse. Wir lesen vier Register für Port 1 wie folgt aus dem Datenblatt.

Wir erhalten eine Antwort mit den Werten von vier Registern. Wir sehen, dass die Anzahl der Pakete gering ist: 0x3459, dh 13401, - der Switch wurde kürzlich eingeschaltet.

Nachteile des Modbus-Protokolls

Fairerweise ist es erwähnenswert, die Mängel des Protokolls zu erwähnen. Da es vor mehr als 40 Jahren entwickelt wurde, als die Prozessorleistung erheblich niedriger war und Protokolle ohne Berücksichtigung des Datenschutzes entwickelt wurden, hat es eine Reihe von Minuspunkten:

• Das Protokoll bietet keine Authentifizierung und Verschlüsselung der übertragenen Daten. Daher müssen bei Verwendung von Modbus TCP zusätzliche VPN-Tunnel verwendet werden.
• Der Slave kann keine Datenübertragung initiieren, daher muss der Master ständig Slaves abfragen
• Das Slave-Gerät kann einen Verbindungsverlust mit dem Master nicht erkennen. Dieses Problem folgt direkt aus dem vorherigen.

Trotz aller Mängel ist Modbus nach wie vor das am weitesten verbreitete Industrieprotokoll. Dank seiner Offenheit ist es einfach, Geräte verschiedener Hersteller zu kombinieren. Geringe Ressourcenanforderungen ermöglichen die Integration des Protokolls in die Geräte mit dem geringsten Stromverbrauch.

Modbus-fähige Hardware

Advantech bietet eine breite Palette an Industrieanlagen mit Unterstützung des Modbus-Protokolls für jede Aufgabe: Automatisierung, Steuerung, Datenerfassung und -übertragung.

ADAM-6000 und WISE-4000 - Remote-E / A-Module

Mit den Modulen der Serien ADAM-6000 und WISE-4000 können Sie digitale und analoge Ein- / Ausgänge mithilfe des Modbus TCP-Protokolls fernsteuern. Dient zur Steuerung von Peripheriegeräten und zur Datenerfassung im Slave-Modus. Sie können mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung gekoppelt oder direkt mit einem SCADA-Server verbunden werden. ⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀

EKI-1200 - Modbus-Gateways für die Schnittstellenkonvertierung

Zum Konvertieren von Modbus RTU / ASCII-Protokollen in Modbus TCP werden Modbus-Gateways verwendet. Die Geräte der EKI-1200- Serie verfügen über bis zu vier serielle RS-232/422/485-Schnittstellen und zwei Ethernet-Ports. Mit ihnen können Sie Geräte mit unterschiedlichen Protokollen in einem Netzwerk kombinieren. Schließen Sie beispielsweise ein Slave-Gerät, das nur Modbus RTU über die RS-485-Schnittstelle unterstützt, an ein Modbus TCP-Netzwerksegment an.

APAX-5000, ADAM-3600, WISE-5000 - Automatisierungssteuerungen

Die Controller unterstützen Modbus RTU-Funktionen als Slave / Master und Modbus TCP-Client / Server.

Anwendungsbeispiele

Gewächshausüberwachungssystem

Die Advantech-Überwachungslösung integriert die Software TPC-1070H, ADAM-6024, ADAM-6050, ADAM-6060 und WebAccess in einen Maschinenschrank neben Ackerland. Durch die Verbindung mit verschiedenen empfindlichen Geräten können die ADAM-6000-Module Echtzeit-Umgebungsdaten empfangen und die Geräteumschaltung überwachen, um sicherzustellen, dass sich das Gewächshaus in der optimalen Umgebung für das Pflanzenwachstum befindet. Dank der besonderen Funktion von Advantech, der grafischen Bedingungslogik (GCL), können Benutzer ihre eigenen Steuerlogikregeln definieren und diese Regeln in die ADAM-6000-Ethernet-E / A-Module laden. Anschließend führen die Module automatisch logische Regeln wie eigenständige Module aus. die Steuerung. Eine weitere Funktion - Peer-to-Peer (P2P) verwendet das offenste und flexibelste Ethernet-Netzwerk, um nicht nur den Implementierungsprozess ohne Controller zu vereinfachen, sondern auch Hardwarekosten zu sparen.

Alle empfangenen Daten werden dann über Ethernet an einen Computer mit einem TPC-1070H-Touchpanel übertragen. Der TPC-1070H verfügt über ein lüfterloses Kühlsystem und eine IP65-konforme Frontplatte und ist ein robustes und kompaktes Design, das für eine sich ändernde Betriebsumgebung geeignet ist. Seine leistungsstarken Rechenfunktionen können große Datenmengen verarbeiten. Für die Geräteverwaltung ermöglicht Advantech WebAccess Ingenieuren oder Managern, das Überwachungssystem über ein Intranet oder das Internet mit einem Standard-Webbrowser von jedem Gerät aus, einschließlich Tablets und Smartphones, anzuzeigen, zu überwachen und zu konfigurieren.

Überwachung der Solarwarmwasserbereitung

Das Ingenieurbüro hätte in der Lage sein müssen, die Menge an Sonnenenergie, Temperatur und Wasserfluss in einem solarbetriebenen Wasserheizsystem für einen olympischen Pool zu steuern, der von seinem neu entwickelten Solarpanel bereitgestellt wird. Sie sollten auch in der Lage sein, diese Werte und ihre Alarme direkt auf den LCD-Panels zu überwachen und diese Werte zur späteren Bezugnahme zu speichern.

Advantech Adam Modules stellte dem Kunden eine Lösung zur Verfügung, die Datenerfassungsmodule verwendete, die über RS485 und einen Zweidrahtbus verbunden waren, um Daten von allen Sensoren zu übertragen. Diese Systemarchitektur bietet zwei Hauptvorteile: Erstens können Sie den Datenerfassungsmodulen jederzeit weitere Sensoren hinzufügen, und zweitens können Sie der Software ganz einfach zusätzliche Tags hinzufügen, um diese Werte auf einem PC zu überwachen und aufzuzeichnen.