Modbus, protokol: opis, obseg, prednosti in slabosti

Modbus je odprti serijski komunikacijski protokol. Razvit je bil leta 1979 za uporabo s programabilnimi logičnimi krmilniki (PLC), sedaj pa se široko uporablja za povezovanje številnih vrst industrijskih elektronskih naprav, priključenih na različne vrste omrežij.

Najpogostejši protokol v vseh industrijskih avtomatizacijah. Modbus je zelo priljubljen. To je zelo preprosta in enostavna naprava s standardno serijsko komunikacijo. V omrežju Modbus vsaka naprava gleda na omrežje kot niz tuljav (bitov) in registrov. Čarovnik bere in zapisuje te tuljave in registre z zelo preprostim in jedrnatim nizom ukazov. Komunikacija se premika samo v eni smeri hkrati.

Izvajanje Modbusovega protokola, vzpostavljenega v praksi, je zelo kratko. Čeprav je dvajset osnovnih ukazov, se le nekateri od njih resnično izvajajo. Najpogostejši ukazi so berljive tuljave, zapisljive tuljave, branje registra, nastavljanje registrov. Majhen nabor ukazov je še en razlog za priljubljenost protokola.

Modbus - razširjeni protokol aplikacij

Protokolni pretvornik se pogosto uporablja iz več razlogov:

• Modbus je odprtokodni protokol. To pomeni, da ga lahko vključite v različne vrste naprav od katerega koli prodajalca strojne opreme.
• Uporablja preprosto strukturo sporočil, zaradi česar je težje uporabljati. Mogoče bo zahtevalo le nekaj dni za izvedbo. To je jasna konkurenčna prednost nad drugimi protokoli, ki lahko traja nekaj mesecev za učenje in uporabo.
• Podpira serijske ali Ethernet povezave.
• Uporablja se z dvema vrstama serijskih povezav: RS-232 in RS-485. Nekatere različice protokola Modbus tcp lahko pošljete tudi prek omrežja Ethernet ali TCP / IP. Ta sporočila Modbus so pakirana kot en-bitni ali 16-bitni paketi besed.

Mrežni protokol Modbus ni del fizičnega sloja v omrežju. Komunikacija se prenaša preko fizičnih slojev, kar omogoča uporabo v različnih vrstah omrežij. Ta lastnost ne-fizične ravni naredi Modbus protokol aplikacij.

Komunikacijski protokol Modbus je običajen način zbiranja podatkov iz različnih virov za pregledovanje operacij, arhiviranje in odpravljanje težav s centralne oddaljene lokacije. To se pogosto uporablja in je dokaj preprosta tehnologija. Glede na aplikacijo ima lahko novejši protokol več prednosti.

Običajno je računalnik konfiguriran za zaganjanje programov, kot so Wonderware, Intellution ali LabVIEW, na enem mestu za zbiranje podatkov iz različnih procesov v celotnem podjetju. Druga aplikacija je zasnovana za konfiguriranje oddaljenih procesnih krmilnikov (PLC, Allen-Bradley, Siemens, PLCDirect in drugi). Če želite odgovoriti na različne ravni ali načine, ki se prenašajo iz naprave.

Dve različici protokola

Obstajajo dve protokolarni možnosti, ki gredo skozi serijske povezave. Eden od njih je protokol Modbus RTU. Opis te variante: je bolj kompaktna, uporablja binarno povezavo. V tej obliki prenosa podatkov vedno spremlja kontrolna vsota ciklične redundance, ki se uporablja za odkrivanje težav pri prenosu.

Druga možnost je Modbus ASCII. Ta različica je podrobnejša, uporablja heksadecimalno kodiranje ASCII, ki jo lahko prebereta operaterji. Modbus ASCII je manj varen protokol. Ker je manj učinkovit od Modbus RTU, morajo operaterji uporabljati ASCII samo za prenos podatkov v naprave, ki ne podpirajo RTU. ASCII je lahko uporaben tudi, če ni mogoče pravilno uporabiti sporočila RTU.

Modbus protokol za lutke

Modbus je serijski komunikacijski protokol, ki se uporablja za prenos informacij preko serijskih linij med elektronskimi napravami. Tisti, ki zahteva informacije, se imenuje poveljnik, podatki o dobavi naprav pa so sužnji. V standardnem omrežju Modbus je en Master in do 247 Slavov, od katerih ima vsak edinstven podrejeni naslov od 1 do 247. Mojster lahko pisal informacije tudi Slavom.

Za kaj se uporablja?

Modbus je odprt protokol. To pomeni, da ga lahko proizvajalci brezplačno gradijo v svoji opremi. V industriji je postal standardni komunikacijski protokol in je trenutno najpogostejši način povezovanja industrijskih elektronskih naprav. Veliko ga uporablja veliko proizvajalcev v mnogih panogah.

Modbus se običajno uporablja za prenos signalov iz naprav in krmilnih naprav nazaj v glavni krmilnik ali sistem za pridobivanje podatkov, na primer sistem, ki meri temperaturo in vlažnost, prenaša rezultate v računalnik. Modbus se pogosto uporablja za povezavo nadzornega računalnika z daljinsko terminalsko enoto (RTU) v sistemih nadzornega nadzora in zbiranja podatkov (SCADA). Za serijske linije (RTU in ASCII) in za Ethernet (TCP) obstajajo različice protokola Modbus.

Kako deluje?

Modbus se prenaša prek serijskih linij med napravami. Najpreprostejša nastavitev je en serijski kabel, ki povezuje serijska vrata z dvema napravama: Master in Slave.

Podatki se pošiljajo kot serija enot in ničel, imenovanih bitov. Vsak bit se prenaša kot napetost, ničle so pozitivne in enote so negativne napetosti. Biti se pošiljajo zelo hitro. Tipična hitrost prenosa je 9600 baud (bitov na sekundo).

Master / Slave protokol

Pri opisu protokola Modbus RTU se komunikacija izvaja med osrednjo glavno opremo, 247 priključenimi elektronskimi napravami v enem omrežju. Oblika se ponavadi imenuje protokol master / slave, ker glavni sistem zahteva podatke iz priključenih naprav, ki se imenujejo "sužnji". Slavniki pošiljajo informacije samo poveljniku v odgovor na te zahteve, ne delujejo samostojno. Poveljnik lahko tudi napiše podatke na podrejene naprave, vendar pomožne naprave ne morejo zapisovati podatkov na glavno enoto.

Ko pomožna enota pošlje sporočilo Modbus, začne ustvarjati sporočilo z edinstvenim identifikatorjem naslova. To število je od 1 do 247, kar čarovniku omogoča, da določi, katera določena naprava ustreza zahtevanim podatkom.

Komunikacija in naprave

Vsaki napravi, dodeljeni za komunikacijo z uporabo Modbusa, je dodeljen edinstven naslov. V zaporednih omrežjih lahko ukaz zažene samo vozlišče, ki ga je dodelil poveljnik. V ethernetu lahko vsaka naprava pošlje ukaz Modbus, čeprav običajno to samo en glavni. Ukaz vsebuje naslov naprave, za katero je namenjena (od 1 do 247). Vsi ukazi vključujejo informacije o preverjanju, da prejemniku omogočajo odkrivanje napak pri prenosu. Osnovni ukazi Modbus sporočajo RTU, da spremeni vrednost v enem od svojih registrov, nadzoruje ali prebere vhodno / izhodno vmesno postajo in napoti napravo, da pošlje nazaj eno ali več vrednosti v svojih registrih.

Obstaja veliko modemov in prehodov, ki podpirajo Modbus, saj je to zelo preprost protokol in se pogosto kopira. Nekateri so bili posebej zasnovani zanj. Različne izvedbe uporabljajo žično brezžično komunikacijo, na primer v pasu ISM in celo storitev kratkih sporočil (SMS) ter storitev splošne paketne radijske storitve (GPRS). Tipični problemi, s katerimi se soočajo oblikovalci, vključujejo težave z visoko latenco in časom.

Pregled tipov registra Modbus

Vrste registrov, na katere se nanašajo naprave, vključujejo:

• tuljava (digitalni izhod) -
• diskretni vhod /
• vhodni register-
• registracija gospodarstva.

Funkcijske kode

Obstajajo tri kategorije funkcijskih kod Modbus:

• Skupne kode funkcij - od 1 do 127, z izjemo uporabniških kod, ki jih testira skupnost Modbus, so javno dokumentirane in zajamčene so edinstvene.
• Funkcijske kode po meri so v dveh razponih od 65 do 72, od 100 do 110.
• Kode rezerviranih funkcij, ki jih nekatera podjetja uporabljajo za zastarele izdelke, niso na voljo za splošno uporabo.

Koristi

Nekatere prednosti uporabe protokola Modbus:

• Če je gonilnik že nameščen in uporabnik pozna omrežne vtičnice Ethernet in TCP / IP, lahko voznik dela in komunicira z računalnikom v nekaj urah. Razvojni stroški se štejejo za nizke. Potrebno je minimalno število opreme. Gonilnik je združljiv z vsemi operacijskimi sistemi.
• Ni potrebe po "eksotičnih" čipih, zato lahko sistem uporablja standardne ethernetne PC-kartice za komuniciranje z novo izvedeno napravo. Ker stroški Ethernet padajo, se stroški strojne opreme zmanjšajo. Uporabniki niso povezani z enim ponudnikom storitev za podporo, lahko pa izkoristijo trenutni razvoj.
• Specifikacija je na voljo za brezplačen prenos, za uporabo protokolov Modbus ni potrebno dodatno licenčne pristojbine.
• Interakcija med napravami različnih proizvajalcev in združljivost z nameščeno bazo združljivih naprav.

Pretvorniki protokola Modbus so dragi. Cena industrijskih pristanišč je 1000 dolarjev.

Omejitve

Ker je bila Modbus razvita konec sedemdesetih let, s katero bi komunicirali programabilni logični krmilniki, število tipov podatkov je omejeno na tiste, ki jih je takrat PLC razumel. Veliki binarni predmeti niso podprti.

Standardnega načina za vozlišče ni, da najde opis podatkovnega objekta, na primer, da ugotovi, ali vrednost registra predstavlja temperaturno vrednost med 30 in 175 stopinjami.

Ker je Modbus glavni / pomožni protokol, naprava ne more "poročati o izjemo" (razen Ethernet TCP / IP, imenovan open-mbus). Glavno vozlišče mora redno prejemati podatke iz svojih otroških naprav, kot tudi iskati spremembe v podatkih. To zmanjša pasovno širino, podaljša čas povezave omrežja v aplikacijah, kjer je lahko pasovna širina draga, na primer v nizkih kanalih s hitrostjo prenosa podatkov.

Modbus je omejen na obravnavo 254 naprav v isti podatkovni liniji, kar omejuje število naprav, ki jih je mogoče povezati z glavno postajo (izjema je Ethernet TCP / IP). Prenosi morajo biti neprekinjeni, kar omejuje tipe oddaljenih komunikacijskih naprav, ki lahko shranjujejo podatke, da bi se izognili prepadnim prenosom. Protokol Modbus sama ne zagotavlja zaščite pred nepooblaščenimi ukazi ali prestrezanjem podatkov. Pomembno je razumeti, da med prenosom informacij obstajajo logične napake, pa tudi povezani z izkrivljanjem v izmenjavi.