Modbus

Modbus — открытый коммуникационный протокол, основанный на архитектуре ведущий — ведомый (master-slave). Широко применяется в промышленности для организации связи между электронными устройствами. Может использоваться для передачи данных через последовательные линии связи RS-485, RS-422, RS-232, и сети TCP/IP (Modbus TCP). Также существуют нестандартные реализации, использующие UDP.

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)

• 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.

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

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.

В Modbus существуют четыре типа регистров:
1. Input Registers (Входные регистры): Эти регистры предназначены только для чтения и используются для хранения данных, полученных от удаленных устройств.
2. Holding Registers (Регистры удержания): Эти регистры могут использоваться для чтения и записи данных. Они используются для передачи данных от одного устройства к другому.
3. Discrete Inputs (Дискретные входы): Эти регистры предназначены только для чтения и содержат логическое значение (0 или 1). Они обычно используются для передачи состояния датчиков или других логических сигналов.
4. Coils (Катушки): Эти регистры могут использоваться для чтения и записи данных. Они обычно используются для управления переключением устройств на удаленном узле.
Функции Modbus часто используются для чтения и записи данных в регистры. Некоторые из наиболее распространенных функций включают в себя:
1. Read Input Registers (Чтение входных регистров): Эта функция позволяет читать данные из входных регистров удаленного устройства. Она использует функциональный код 04.
2. Read Holding Registers (Чтение регистров удержания): Эта функция позволяет читать данные из регистров удержания удаленного устройства. Она использует функциональный код 03.
3. Write Single Register (Запись одного регистра): Эта функция позволяет записать одно значение в указанный регистр удаленного устройства. Она использует функциональный код 06.
4. Write Multiple Registers (Запись нескольких регистров): Эта функция позволяет записать несколько значений в последовательность регистров удаленного устройства. Она использует функциональный код 16.
Это лишь некоторые из функций, которые могут использоваться для работы с регистрами Modbus. Конкретные функции и их использование могут варьироваться в зависимости от вашего устройства и программного обеспечения.

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.

Не следует путать MODBUS и MODBUS Plus. MODBUS Plus — проприетарный протокол, принадлежащий Schneider Electric. Физический уровень уникальный, похож на Ethernet 10BASE-T, полудуплекс по одной витой паре, скорость 1 Мбит/с. Транспортный протокол — HDLC, поверх которого специфицировано расширение для передачи MODBUS PDU.

JBUS — подмножество протокола Modbus RTU с небольшими отличиями в способе адресаци