Adam 5000 tcp код функции 10 modbus. Просто о Modbus RTU с подробным описанием и примерами

) для использования в её контроллерах с программируемой логикой . Впервые спецификация протокола была опубликована в 1979 году. Это был открытый стандарт, описывающий формат сообщений и способы их передачи в сети состоящей из различных электронных устройств.

Первоначально контроллеры MODICON использовали последовательный интерфейс RS-232. Позднее стал применяться интерфейс RS-485, так как он обеспечивает более высокую надёжность, позволяет использовать более длинные линии связи и подключать к одной линии несколько устройств.

Многие производители электронного оборудования поддержали стандарт, на рынке появились сотни использующих его изделий. В настоящее время развитием Modbus занимается некоммерческая организация Modbus-IDA , созданная производителями и пользователями электронных приборов .

Введение

Modbus относится к протоколам прикладного уровня сетевой модели OSI . Контроллеры на шине Modbus взаимодействуют, используя клиент-серверную модель, основанную на транзакциях , состоящих из запроса и ответа.

Обычно в сети есть только один клиент, так называемое, «главное» (англ. master ) устройство, и несколько серверов - «подчиненных» (slaves ) устройств. Главное устройство инициирует транзакции (передаёт запросы). Подчиненные устройства передают запрашиваемые главным устройством данные, или производят запрашиваемые действия. Главный может адресоваться индивидуально к подчиненному или инициировать передачу широковещательного сообщения для всех подчиненных устройств. Подчиненное устройство формирует сообщение и возвращает его в ответ на запрос, адресованный именно ему. При получении широковещательного запроса ответное сообщение не формируется.

Спецификация Modbus описывает структуру запросов и ответов. Их основа - элементарный пакет протокола, так называемый PDU (Protocol Data Unit). Структура PDU не зависит от типа линии связи и включает в себя код функции и поле данных. Код функции кодируется однобайтовым полем и может принимать значения в диапазоне 1...127. Диапазон значений 128...255 зарезервирован для кодов ошибок. Поле данных может быть переменной длины. Размер пакета PDU ограничен 253 байтами.

Modbus PDU

номер функции	данные
1 байт	N < 253 (байт)

Для передачи пакета по физическим линиям связи PDU помещается в другой пакет, содержащий дополнительные поля. Этот пакет носит название ADU (Application Data Unit). Формат ADU зависит от типа линии связи.

Существуют три основных реализации протокола Modbus, две для передачи данных по последовательным линиям связи, как медным EIA/TIA-232-E (RS-232), EIA-422, EIA/TIA-485-A (RS-485), так и оптическим и радио:

• Modbus ASCII,

и для передачи данных по сетям Ethernet поверх TCP/IP :

• Modbus TCP.

Общая структура ADU следующая (в зависимости от реализации, некоторые из полей могут отсутствовать):

• адрес ведомого устройства - адрес подчинённого устройства, к которому адресован запрос. Ведомые устройства отвечают только на запросы, поступившие в их адрес. Ответ также начинается с адреса отвечающего ведомого устройства, который может изменяться от 1 до 247. Адрес 0 используется для широковещательной передачи, его распознаёт каждое устройство, адреса в диапазоне 248...255 - зарезервированы;
• номер функции - это следующее однобайтное поле кадра. Оно говорит ведомому устройству, какие данные или выполнение какого действия требует от него ведущее устройство;
• данные - поле содержит информацию, необходимую ведомому устройству для выполнения заданной мастером функции или содержит данные, передаваемые ведомым устройством в ответ на запрос ведущего. Длина и формат поля зависит от номера функции;
• блок обнаружения ошибок - контрольная сумма для проверки отсутствия ошибок в кадре.

Максимальный размер ADU для последовательных сетей RS232/RS485 - 256 байт, для сетей TCP - 260 байт.

Для Modbus TCP ADU выглядит следующим образом:

• ид транзакции - два байта, обычно нули
• ид протокола - два байта, нули
• длина пакета - два байта, старший затем младший, длина следующей за этим полем части пакета
• адрес ведомого устройства - адрес подчинённого устройства, к которому адресован запрос. Обычно игнорируется, если соединение установлено с конкретным устройством. Может использоваться, если соединение установлено с бриджом, который выводит нас, например, в сеть RS485.

Поле контрольной суммы в Modbus TCP отсутствует.

Категории кодов функций

В действующей в настоящее время спецификации протокола определяются три категории кодов функций:

Стандартные команды Их описание должно быть опубликовано и утверждено Modbus-IDA. Эта категория включает в себя как уже определенные, так и свободные в настоящее время коды. Пользовательские команды Два диапазона кодов (от 65 до 72 и от 100 до 110), для которых пользователь может реализовать произвольную функцию. При этом не гарантируется, что какое-то другое устройство не будет использовать тот же самый код для выполнения другой функции. Зарезервированные В эту категорию входят коды функций, не являющиеся стандартными, но уже используемые в устройствах, производимых различными компаниями. Это коды 9, 10, 13, 14, 41, 42, 90, 91, 125, 126 и 127.

Модель данных

Одно из типичных применений протокола - чтение и запись данных в регистры контроллеров. Спецификация протокола определяет четыре таблицы данных:

Доступ к элементам в каждой таблице осуществляется с помощью 16-битного адреса, первой ячейке соответствует адрес 0. Таким образом, каждая таблица может содержать до 65536 элементов. Спецификация не определяет, что физически должны представлять собой элементы таблиц и по каким внутренним адресам устройства они должны быть доступны. Например, допустимо организовать перекрывающиеся таблицы, В этом случае команды работающие с дискретными данными и с 16-битными регистрами будут фактически обращаться к одним и тем же данным.

Следует отметить, что со способом адресации данных связана определённая путаница. Modbus был первоначально разработан для контроллеров Modicon. В этих контроллерах для каждой из таблиц использовалась специальная нумерация. Например, первому регистру ввода соответствовал номер ячейки 30001, а первому регистру хранения - 40001. Таким образом, регистру хранения с адресом 107 в команде Modbus соответствовал регистр № 40108 контроллера. Хотя такое соответствие адресов больше не является частью стандарта, некоторые программные пакеты могут автоматически «корректировать» вводимые пользователем адреса, например, вычитая 40001 из адреса регистра хранения.

Стандартные функции протокола Modbus

PDU запроса и ответа для стандартных функций

номер функции	запрос/ответ
1 (0x01)	A 1	A 0	Q 1	Q 0
	N	D (N байт)
2 (0x02)	A 1	A 0	Q 1	Q 0
	N	D (N байт)
3 (0x03)	A 1	A 0	Q 1	Q 0
	N	D (N байт)
4 (0x04)	A 1	A 0	Q 1	Q 0
	N	D (N байт)
5 (0x05)	A 1	A 0	D 1	D 0
	A 1	A 0	D 1	D 0
6 (0x06)	A 1	A 0	D 1	D 0
	A 1	A 0	D 1	D 0
15 (0x0F)	A 1	A 0	Q 1	Q 0	N	D (N байт)
	A 1	A 0	Q 1	Q 0
16 (0x10)	A 1	A 0	Q 1	Q 0	N	D (N байт)
	A 1	A 0	Q 1	Q 0

• A 1 и A 0 - адрес элемента,
• Q 1 и Q 0 - количество элементов,
• N - количество байт данных
• D - данные

Чтение данных

Для чтения значений из перечисленных выше таблиц данных используются функции с кодами 1-4 (шестнадцатеричные значения 0x01-0x04):

• 1 (0x01) - чтение значений из нескольких регистров флагов (Read Coil Status)
• 2 (0x02) - чтение значений из нескольких дискретных регистров (Read Discrete Inputs)
• 3 (0x03) - чтение значений из нескольких регистров хранения (Read Holding Registers)
• 4 (0x04) - чтение значений из нескольких регистров ввода (Read Input Registers)

Запрос состоит из адреса первого элемента таблицы, значение которого требуется прочитать, и количества считываемых элементов. Адрес и количество данных задаются 16-битными числами, старший байт каждого из них передается первым.

В ответе передаются запрошенные данные. Количество байт данных зависит от количества запрошенных элементов. Перед данными передается один байт, значение которого равно количеству байт данных.

Значения регистров хранения и регистров ввода передаются начиная с указанного адреса, по два байта на регистр, старший байт каждого регистра передаётся первым:

байт 1	байт 2	байт 3	байт 4	...	байт N-1	байт N
R A,1	R A,0	R A+1,1	R A+1,0	...	R A+Q-1,1	R A+Q-1,0

Значения флагов и дискретных входов передаются в упакованном виде: по одному биту на флаг. Единица означает включённое состояние, ноль - выключенное. Значения запрошенных флагов заполняют сначала первый байт, начиная с младшего бита, затем следующие байты, также от младшего бита к старшим. Младший бит первого байта данных содержит значение флага, указанного в поле «адрес». Если запрошено количество флагов, не кратное восьми, то значения лишних битов заполняются нулями:

байт 1								...	байт N
F A+7	F A+6	F A+5	F A+4	F A+3	F A+2	F A+1	F A	...	0	...	0	F A+Q-1	F A+Q-2	...

Запись одного значения

• 5 (0x05) - запись значения одного флага (Force Single Coil)
• 6 (0x06) - запись значения в один регистр хранения (Preset Single Register)

Команда состоит из адреса элемента (2 байта) и устанавливаемого значения (2 байта).

Для регистра хранения значение является просто 16-битным словом.

Для флагов значение 0xFF00 означает включённое состояние, 0x0000 - выключенное, другие значения недопустимы.

Если команда выполнена успешно, ведомое устройство возвращает копию запроса.

Запись нескольких значений

• 15 (0x0F) - запись значений в несколько регистров флагов (Force Multiple Coils)
• 16 (0x10) - запись значений в несколько регистров хранения (Preset Multiple Registers)

Команда состоит из адреса элемента, количества изменяемых элементов, количества передаваемых байт устанавливаемых значений и самих устанавливаемых значений. Данные упаковываются так же, как в командах чтения данных.

Ответ состоит из начального адреса и количества изменённых элементов.

Ниже приведён пример команды ведущего устройства и ответа ведомого (для Modbus RTU).

Контроль ошибок в протоколе Modbus RTU

Во время обмена данными могут возникать ошибки двух типов:

• ошибки, связанные с искажениями при передаче данных;
• логические ошибки.

Ошибки первого типа обнаруживаются при помощи фреймов символов, контроля чётности и циклической контрольной суммы CRC -16-IBM (используется число-полином = 0xA001).

RTU фрейм

В RTU режиме сообщение должно начинаться и заканчиваться интервалом тишины - временем передачи не менее 3.5 символов при данной скорости в сети. Первым полем затем передаётся адрес устройства.

Вслед за последним передаваемым символом также следует интервал тишины продолжительностью не менее 3.5 символов. Новое сообщение может начинаться после этого интервала.

Фрейм сообщения передаётся непрерывно. Если интервал тишины продолжительностью 1.5 возник во время передачи фрейма, принимающее устройство должно игнорировать этот фрейм как неполный.

Таким образом, новое сообщение должно начинаться не раньше 3.5 интервала, т.к. в этом случае устанавливается ошибка.

Немного об интервалах (речь идёт о Serial Modbus RTU): при скорости 9600 и 11 битах в кадре (стартовый бит + 8 бит данных + бит контроля чётности + стоп-бит): 3.5 * 11 / 9600 = 0,00401041(6), т.е. более 4 мс; 1.5 * 11 / 9600 = 0,00171875, т.е. более 1 мс. Для скоростей более 19200 бод допускается использовать интервалы 1,75 и 0,75 мс соответственно.

Логические ошибки

Для сообщений об ошибках второго типа протокол Modbus RTU предусматривает, что устройства могут отсылать ответы, свидетельствующие об ошибочной ситуации. Признаком того, что ответ содержит сообщение об ошибке, является установленный старший бит кода команды. Пример кадра при выявлении ошибки ведомым устройством, в ответ на запрос приведён в (Таблица 2-1).

1. Если Slave принимает корректный запрос и может его нормально обработать, то возвращает нормальный ответ.

2. Если Slave не принимает какого-либо значения, никакого ответа не отправляется. Master диагностирует ошибку по таймауту.

3. Если Slave принимает запрос, но обнаруживает ошибку (parity, LRC, or CRC), никакого ответа не отправляется. Master диагностирует ошибку по таймауту.

4. Если Slave принимает запрос, но не может его обработать (обращение к несуществующему регистру и т.д.), отправляется ответ содержащий в себе данные об ошибке.

Таблица 2-1. Кадр ответа (Slave→Master) при возникновении ошибки modbus RTU

Направление передачи	адрес подчинённого устройства	номер функции	данные (или код ошибки)	CRC

В уроке 48 я показал пример нестандартного протокола обмена данными через интерфейс UART. Как всегда все нестандартное позволяет оптимизировать выполнение задачи, а все универсальное упрощает разработку задачи.

Существует простой универсальный протокол обмена ModBus, в котором избыточность данных и функций сведена к минимуму. Наверное, это самый распространенный протокол для организации малых распределенных систем. В последующих уроках обмен данными между устройствами я буду реализовывать по этому протоколу.

Общее описание протокола.

ModBus – открытый протокол обмена данными в малых локальных сетях. Как правило, используется для передачи данных через интерфейсы RS-232, RS-485, RS-422, в сетях TCP/IP, UDP. Благодаря своей простоте и универсальности ModBus получил широкое распространение и стал де факто стандартом в малых распределенных вычислительных системах. Практически все современные контроллеры поддерживают работу в сетях ModBus.

В сети ModBus контроллеры, как правило, соединены по топологии ”Общая шина”. Взаимодействие контроллеров происходит в соответствии с моделью master-slave (ведущий-ведомый).

В сети есть главное устройство - ведущее. А также несколько подчиненных устройств – ведомые. Обмен может быть инициирован только ведущим устройством.

Транзакция (последовательность операций при обмене данными) состоит из запроса и ответа.

Ведущее устройство может адресовать запрос любому ведомому контроллеру или инициировать широковещательное сообщение, для всех ведомых устройств одновременно.

Ведомое устройство, определив свой адрес в запросе, формирует ответ.

В запросе от ведущего устройства обязательно содержится код функции, т.е. что надо делать. Также в зависимости от функции в запросе могут содержаться данные.

Существуют 3 варианта протокола ModBus.

• ModBus ASCII – текстовый протокол. В нем используются только ASCII символы. Каждый байт передается как два шестнадцатеричных символа.
• ModBus RTU – числовой протокол. Данные передаются в двоичном виде. Байт, передаваемый по сети это число протокола.
• ModBus TCP – протокол для передачи данных в TCP/IP сетях.

Числовые и текстовые протоколы я сравнивал еще в . По производительности и скорости обмена, безусловно, преимущество имеют числовые протоколы. Ближайшие уроки будем использовать ModBus RTU. Именно этому варианту посвящена последующая информация урока.

Протокол ModBus RTU.

В сети по топологии ”Общая шина” подключены устройства (контроллеры). Стандарт ModBus допускает совместную работу до 247 контроллеров.

В каждом контроллере есть данные, собственно говоря, которыми и обмениваются устройства.

Стандарт ModBus определяет 4 типа данных.

Тип данных	Размер	Допустимые операции
Регистр флагов (Coils)	1 бит	Запись и чтение
Дискретные входы (Discrete Inputs)	1 бит	Чтение
Регистры хранения (Holding Registers)	16 бит	Запись и чтение
Регистры ввода (Input Registers)	16 бит	Чтение

Такое функциональное разделение данных стерлось и практически не используется. Все данные в итоге считываются из памяти контроллера и не так важно, откуда они попали в нее со входов или из регистров ввода.

На практике используются только данные Регистры хранения (Holding Registers). Доступ к данным осуществляется через 16 битный адрес. В итоге:

• данные в каждом контроллере представляют собой таблицу 16 битных регистров;
• в таблице данных может быть до 65536 элементов;
• нумерация элементов начинается с 0.

Ведущее устройство инициирует транзакцию – обмен данными. Транзакция может быть индивидуальной (запрос-ответ) или широковещательной (адресуются одновременно все ведомые устройства). Транзакция состоит из одного кадра запроса и одного кадра ответа. При широковещательной транзакции используется только кадр запроса.

Данные кадра передаются сплошным потоком. Пауза между передачей данных не должна превышать время передачи 1,5 символа. Признаком нового кадра является отсутствие обмена в сети (молчание) в течение времени необходимого на передачу 3,5 символов. Если в течение этого времени линия сети находилась в неактивном состоянии, то ведомые устройства воспринимают первое принятое данное как начало кадра.

В общем случае кадр запроса имеет следующий формат.

Адрес (8 бит).

Кадр начинается с поля адреса, которое состоит из 8 разрядов. Содержит адрес ведомого устройства, которому предназначено сообщение от ведущего. Каждое ведомое устройство должно иметь уникальный адрес от 1 до 247. И только адресуемое ведомое устройство должно ответить на запрос ведущего. В ответе сообщается ведущему устройству, с каким из ведомых установлена связь.

Адрес 0 используется в широковещательном режиме. Все ведомые устройства выполняют заданную в запросе функцию, но подтверждение не посылают.

Функция (8 бит).

Поле функции сообщает адресуемому ведомому устройству, какую операцию выполнить.

Старший бит байта функция устанавливается в 1 в ответе ведомого устройства, чтобы сообщить ведущему, что операция была выполнена с ошибкой. При успешной операции старший бит равен 0.

• Стандартные команды. Коды, определенные стандартом на протокол ModBus.
• Пользовательские команды. Для кодов 65…72 и 100…110 пользователь может сам назначить произвольную функцию.
• Зарезервированные команды. Это коды, которые не были изначально определены стандартом, но уже используются в устройствах разных производителей.

Подавляющее большинство ModBus контроллеров используют только 3 функции.

Формат ответа зависит от функции. Во многих случаях нормальный ответ полностью или частично повторяет запрос.

Данные (N * 8 бит).

В поле данных содержится информация, необходимую ведомому контроллеру для выполнения заданной функции или поле содержит данные передаваемые ведомым устройством по запросу ведущего. Длина и формат поля данных зависит от кода функции. В некоторых сообщениях данные могут отсутствовать.

Каждое данное имеет 16 разрядов (2 байта). Данные передаются старшим байтом вперед. Например, последовательная передача регистров с адресами 0 и 1 должна происходить следующим образом:

• старший байт регистра 0 ->
• младший байт регистра 0 ->
• старший байт регистра 1 ->
• младший байт регистра 1 ->.

При передаче 4х байтового числа, например, с плавающей запятой последовательность та же. Число разбивается на два 16 разрядных регистра и в каждом из них первым передается старший байт (1-> 0-> 3-> 2->).

Контрольная сумма (16 бит).

Поле контроля целостности данных сообщений. Позволяет проверять кадры на наличие ошибок. Речь идет об ошибках, появляющихся при передаче данных.

Я постараюсь в общих чертах рассказать о контрольном коде. Лучше пропустить этот параграф. Может голова треснуть. У меня, когда я затрагиваю эту тему – всегда трещит. В следующем уроке я представлю практическую реализацию вычисления контрольного кода ModBus.

В качестве контрольной суммы используется циклический избыточный код (CRC). Все биты кадра передачи собираются в огромное двоичное число. Оно делится на код порождающего полинома. Остаток от деления и есть контрольный код.

Используется полиноминальная арифметика по модулю 2. Это означает, что все действия при вычислении CRC это арифметические операции без переноса. Вычитание и сложение происходят побитно, без учета переноса из-за чего эти операции дают одинаковый результат и могут быть заменены операцией ”исключающее или”. При делении вместо вычитания делителя из делимого также используется операция ”исключающее или”. Это общий принцип вычисления CRC. Практически вычисления производятся с помощью более эффективных алгоритмов.

Контрольная сумма завершает кадр передачи. Приняв кадр, ведомое устройство по такому же алгоритму вычисляет контрольную сумму для принятых данных и сравнивает с переданным контрольным кодом в конце кадра. В результате подтверждается целостность данных кадра.

Стандарт ModBus RTU использует стандартный циклический код CRC-16 с порождающим полиномом X 16 +X 15 +X 2 +1. Это 16ти разрядный код, двоичные коэффициенты 1 1000 0000 0000 0101 (8005h в шестнадцатеричном представлении).

Сообщение рассматривается как одно последовательное двоичное число, в котором старший бит передается первым. Это число умножается на X 16 (сдвиг влево на 16 разрядов), и делится на X 16 +X 15 +X 2 +1 (1 1000 0000 0000 0101). 16ти битный остаток (предварительно инициализированный всеми единицами) и есть контрольный код сообщения.

Обработка логических ошибок.

Кроме ошибок, связанных с искажением данных при передаче могут быть логические ошибки, когда запрос принят без ошибок, но не может быть выполнен. Как правило, такие ошибки связаны с недопустимым адресом, данными, кодами и т.п. Большинство ModBus контроллеров поддерживают следующие типы ошибок.

Код ошибки	Название	Описание
01	ILLEGAL FUNCTION	Код функции не поддерживается в контроллере
02	ILLEGAL DATA ADRESS	Недопустимый адрес данных
03	ILLEGAL DATA VALUE	Недопустимые значения данных
04	SLAVE DEVICE FAILURE	Произошла ошибка при выполнении операции

При возникновении ошибки в ответе в поле код функции взводится старший бит и следом вместо обычных данных передается код ошибки.

Детальное рассмотрение функций.

Функция 03 – чтение регистров хранения.

Используется для чтения значений нескольких регистров хранения. В запросе передается адрес первого элемента таблицы регистров, значение которого необходимо прочитать и количество считываемых регистров. Для адреса и количества используются 16ти разрядные числа. Старший байт передается первым.

Запрошенные данные содержатся в ответе. Перед блоком данных передается байт, который содержит число прочитанных данных в байтах.

Формат запроса функции чтения регистров хранения.

Номер байта	Номер байта в параметре	Параметр
0	0	Адрес контроллера	01	01
1	0	Функция	03	03
2	1	Начальный адрес регистров	0008	00
3	0			08
4	1	Количество регистров	0002	00
5	0			02
6	1	Контрольная сумма	45C9	45
7	0			C9

Ответ (адрес ведомого, код функции, количество прочитанных байтов, значения регистров).

Номер байта	Номер байта в параметре	Параметр	Пример чтения регистров с адресами 8 и 9
0	0	Адрес контроллера	01	01
1	0	Функция	03	03
2	0	Количество прочитанных байтов	04	04
3	1	Значение регистра 8	12A5	12
4	0			A5
5	1	Значение регистра 9	E020	E0
6	0			20
7	1	Контрольная сумма	A770	A7
8	0			70

Функция 06 – запись в один регистр хранения.

Используется для записи в единичный регистр. В запросе передается адрес регистра и значение для него. При успешном выполнении ведомый контроллер в ответе передает копию запроса.

Формат запроса функции записи одного регистра хранения.

Номер байта	Номер байта в параметре	Параметр
0	0	Адрес контроллера	01	01
1	0	Функция	06	06
2	1	Адрес регистра	0009	00
3	0			09
4	1	Значение регистра	12A5	12
5	0			A5
6	1	Контрольная сумма	9513	95
7	0			13

Ответ (повторяет запрос).

Номер байта	Номер байта в параметре	Параметр	Пример записи в регистр 9 значения 12A5
0	0	Адрес контроллера	01	01
1	0	Функция	06	06
2	1	Адрес регистра	0009	00
3	0			09
4	1	Значение регистра	12A5	12
5	0			A5
6	1	Контрольная сумма	9513	95
7	0			13

Функция 16 – запись значений в регистры хранения.

Используется для записи в несколько, последовательно расположенных в таблице, регистров.

В запросе передается адрес первого регистра, количество регистров и значения для них.

В ответе возвращается начальный адрес и количество измененных регистров.

Формат запроса функции записи регистров хранения.

Номер байта	Номер байта в параметре	Параметр
0	0	Адрес контроллера	01	01
1	0	Функция	10	10
2	1	Начальный адрес регистров	0008	00
3	0			08
4	1	Количество регистров	0002	00
5	0			02
6	0	Счетчик байтов	04	04
7	1	Значение регистра 8	12A5	12
8	0			A5
9	1	Значение регистра 9	E020	E0
10	0			20
11	1	Контрольная сумма	AF4A	AF
12	0			4A

Ответ (адрес ведомого, код функции, начальный адрес и количество регистров).

Номер байта	Номер байта в параметре	Параметр	Пример записи регистров с адресами 8 и 9
0	0	Адрес контроллера	01	01
1	0	Функция	10	10
2	1	Начальный адрес регистров	0008	00
3	0			08
4	1	Количество регистров	0002	00
5	0			02
6	1	Контрольная сумма	С00A	C0
7	0			0A

ModBus и специализированные протоколы.

Теперь можете сравнить протокол ModBus со специализированном протоколом из .

Номер байта	Формат числа	Назначение
0 … 3	float	Температура
4 … 7	float	Напряжение
8	byte	Состояние кнопки
9	byte	Резерв
10, 11	int	Контрольная сумма (сумма байтов 0 … 9 ^ 0xa1e3)

По сравнению со специализированным протоколом:

• ModBus медленнее, его производительность ниже. Для получения такого же количества информации по сети передается намного больше данных.
• Реализация его сложнее. Требуется больше ресурсов микроконтроллера и сети.

Но достоинства во многих случаях весомее.

• За счет более сложной контрольной суммы и избыточности информации ошибки сети определяются в нем надежнее, выше достоверность данных.
• Сеть легко расширяется. Очень просто добавлять новые устройства.
• ModBus – стандартный протокол. Множество контроллеров различных производителей поддерживают его.

Пожалуй, главная причина применения нестандартных протоколов – это недостаточность вычислительных ресурсов системы.

Правда, бывает еще один повод использовать нестандартный протокол. В том числе, благодаря которому наша фирма выиграла крупный тендер. Никто кроме разработчиков не сможет подключиться к устройствам со специализированным протоколом и управлять ими. Т.е. совершенно противоположное стандартным протоколам качество. Философский закон единства противоположностей действует.

В следующем уроке будем реализовывать связь платы Ардуино и компьютера по протоколу ModBus.

Рубрика: . Вы можете добавить в закладки.

Одним из преимуществ Modbus является отсутствие необходимости в специальных интерфейсных контроллерах (Profibus и CAN требуют для своей реализации заказные микросхемы), простота программной реализации и элегантность принципов функционирования. Все это снижает затраты на освоение стандарта как системными интеграторами, так и разработчиками контроллерного оборудования. Высокая степень открытости протокола обеспечивается также полностью бесплатными текстами стандартов, которые можно скачать с сайта www.modbus.org.

В России Modbus по распространенности конкурирует только с Profibus. Популярность протокола в настоящее время объясняется, прежде всего, совместимостью с большим количеством оборудования, которое имеет протокол Modbus. Кроме того, Modbus имеет высокую достоверность передачи данных, связанную с применением надежного метода контроля ошибок. Modbus позволяет унифицировать команды обмена благодаря стандартизации номеров (адресов) регистров и функций их чтения-записи.

Основным недостатком Modbus является сетевой обмен по типу "ведущий/ведомый", что не позволяет ведомым устройствам передавать данные по мере их появления и поэтому требует интенсивного опроса ведомых устройств ведущим.

Разновидностями Modbus являются протоколы Modbus Plus [Modicon ] - многомастерный протокол с кольцевой передачей маркера и Modbus TCP [Modbus ], рассчитанный на использование в сетях Ethernet и интернет.

Протокол Modbus имеет два режима передачи: RTU (Remote Terminal Unit – «удаленное терминальное устройство») и ASCII. Стандарт предусматривает, что режим RTU в протоколе Modbus должен присутствовать обязательно, а режим ASCII является опционным. Пользователь может выбирать любой из них, но все модули, включенные в сеть Modbus, должны иметь один и тот же режим передачи.

Мы рассмотрим только протокол Modbus RTU, поскольку Modbus ASCII в России практически не используется. Отметим, что Modbus ASCII нельзя путать с частно-фирменным протоколом DCON, который используется в модулях фирм Advantech и ICP DAS и не соответствует стандарту Modbus.

Стандарт Modbus предусматривает применение физического интерфейса RS-485, RS-422 или RS-232. Наиболее распространенным для организации промышленной сети является 2-проводной интерфейс RS-485. Для соединений точка-точка может быть использован интерфейс RS-232 или RS-422.

В стандарте Modbus имеются обязательные требования, рекомендуемые и опционные (необязательные). Существует три степени соответствия стандарту: «полностью соответствует» - когда протокол соответствует всем обязательным и всем рекомендуемым требованиям, «условно соответствует» - когда протокол соответствует только обязательным требованиям и не соответствует рекомендуемым, и «не соответствует».

Модель OSI протокола Modbus содержит три уровня: физический, канальный и прикладной.

По умолчанию в RTU режиме бит паритета устанавливают равным 1, если количество двоичных единиц в байте нечетное, и равным 0, если оно четное. Такой паритет называют четным (even parity) и метод контроля называют контролем четности . Стартовый бит Бит паритета Рис. 2.26. Последовательность битов в режиме RTU; МЗР – младший значащий разряд. При отсутствии бита паритета на его место записывается второй стоп-бит При четном количестве двоичных единиц в байте бит паритета может быть равен 1. В этом случае говорят, что паритет является нечетным (odd parity). Контроль четности может отсутствовать вообще. В этом случае вместо бита паритета должен использоваться второй стоповый бит. Для обеспечения максимальной совместимости с другими продуктами рекомендуется использовать возможность замены бита паритета на второй стоповый бит. Ведомые устройства могут воспринимать любой из вариантов: четный, нечетный паритет или его отсутствие. Структура Modbus RTU сообщения Сообщения Modbus RTU передаются в виде кадров, для каждого из которых известно начало и конец. Признаком начала кадра является пауза (тишина) продолжительностью не менее 3,5 шестнадцатеричных символов (14 бит). Кадр должен передаваться непрерывно. Если при передаче кадра обнаруживается пауза продолжительностью более 1,5 шестнадцатеричных символа (6 бит), то считается, что кадр содержит ошибку и должен быть отклонен принимающим модулем. Эти величины пауз должны строго соблюдаться при скоростях ниже 19200 бит/с, однако при более высоких скоростях рекомендуется использовать фиксированные значения паузы, 1,75 мс и 750 мкс соответственно. Контроль ошибок В режиме RTU имеется два уровня контроля ошибок в сообщении: контроль паритета для каждого байта (опционно); контроль кадра в целом с помощью CRC метода. CRC метод используется независимо от проверки паритета. Значение CRC устанавливается в ведущем устройстве перед передачей. При приеме сообщения вычисляется CRC для всего сообщения и сравнивается с его значением, указанным в поле CRC кадра. Если оба значения совпадают, считается, что сообщение не содержит ошибки. Стартовые, стоповые биты и бит паритета в вычислении CRC не участвуют. 2.8.3. Прикладной уровень Прикладной уровень Modbus RTU версии 1.1а описан в [Modbus ]. Он обеспечивает коммуникацию между устройствами типа "ведущий/ведомый". Прикладной уровень является независимым от физического и канального, в частности, он может использовать протоколы Ethernet TCP/IP (Modbus TCP/IP), Modbus Plus (многомастерная сеть с передачей маркера), интерфейсы RS-232, RS-422, RS-485, оптоволоконные, радиоканалы и другие физические среды для передачи сигналов. Прикладной уровень Modbus основан на запросах с помощью кодов функций . Код функции указывает ведомому устройству, какую операцию оно должно выполнить. При использовании протокола прикладного уровня с различными протоколами транспортного и канального уровня сохраняется неизменным основной блок Modbus-сообщения, включающий код функции и данные (этот блок называется PDU - "Protocol Data Unit" - "элемент данных протокола"). К блоку PDU могут добавляться дополнительные поля при использовании его в различных промышленных сетях и тогда он называется "ADU " - "Application Data Unit" - "элемент данных приложения". Коды функций Стандартом Modbus предусмотрены три категории кодов функций: установленные стандартом, задаваемые пользователем и зарезервированные. Коды функций являются числами в диапазоне от 1 до 127. Коды в диапазоне от 65 до 72 и от 100 до 110 относятся к задаваемым пользователем функциям, в диапазоне от 128 до 255 зарезервированы для пересылки кодов ошибок в ответном сообщении. Код «0» не используется. Коды ошибок используются ведомым устройством, чтобы определить, какое действие предпринять для их обработки. Значения кодов и их смысл описаны в стандарте на Modbus RTU [Modbus ]. Обозначение регистра HEX адрес регистра Что читается или записывается Код функции чтения регистра Код функции записи в регистр Примечание Дискр. выход 0 Дискр. выход 1 Дискр. вход 0 Дискр. вход 1 Дискр. вход 2 Дискр. вход 3 Дискр. вход 4 Дискр. вход 5 Дискр. вход 6 Дискр. вход 7 Дискр. вход 8 Дискр. вход 9 Дискр. вход 10 Дискр. вход 11 Дискр. вход 12 Дискр. вход 13 Дискр. вход 14 Дискр. вход 15 Имя модуля Версия программы Адрес модуля 0001h-00 F7h (Допустимый диапазон значений) Скорость UART (Допустимый диапазон значений) Протокол 0000h– ASCII, Значение на выходе после включения питания модуля Power On Value0 0000h-0003 h (Допустимый диапазон значений)

6.3. MODBUS Serial

Первые сети MODBUS базировались на асинхронных последовательных линиях связи и получили название MODBUS RTU и MODBUS ASCII . На физическом уровне они используют стандартные последовательные интерфейсы с символьным режимом передачи (см. рис.6.1).

В настоящее время в MODBUS-IDA эти сети получили название MODBUS over Serial Line и описаны в соответствующем стандарте. В нем указываются правила и рекомендации использования на канальном и физическом уровне.

Поскольку сеть MODBUS RTU/ASCII может иметь шинную топологию, определен метод доступа к шине - это модель Ведущий/Ведомый. В сетях MODBUS RTU и MODBUS ASCII Процесс Ведущего всегда является Клиентом, а Процессы Ведомых - Серверами. Это значит, что Ведущий отсылает запросы, а Ведомые их обрабатывают. Этот запрос может быть адресован как индивидуальному узлу так и всем Ведомым на шине (broadcast).

На канальном уровне MODBUS RTU/ASCII используется адресация, ориентированная на идентификаторы узлов. Каждый Ведомый должен иметь свой уникальный адрес (1-247), Ведущий не адресуется. При индивидуальных запросах, Ведущий (с клиентским Процессом) формирует кадр с сообщением-запросом и отправляет его по указанному адресу. Ведомый (с серверным Процессом) получает этот кадр и обрабатывает сообщение. После его обработки, Ведомый формирует кадр с сообщением-ответом, и отправляет его обратно Ведущему. Кадр с сообщением-ответом носит также функции кадра подтверждения, которого Ведущий будет ждать от Ведомого течение времени, определенного тайм-аутом.

При широковещательных запросах (broadcast) используется 0-вой адрес. Широковещательные запросы не требуют подтверждения, поэтому после отправки широковещательного кадра, Ведущий не ожидает ответного кадра.

6.3.1. Канальный уровень

На рис.6.11 показан общий вид кадра MODBUS Serial. Обратите внимание, что разграничение между кадрами и тип контрольной суммы здесь не указаны, поскольку это зависит от режима передачи ASCII или RTU. В поле адреса устройства Ведущий (при запросе) указывает адрес получателя, а Ведомый (при ответе) - свой адрес. Поля MODBUS PDU описаны выше.

На временной диаграмме рис.6.12 показаны три типичные ситуации работы модели Ведущий-Ведомый на MODBUS Serial. Первая ситуация - типичный обмен в одноадресном режиме, вторая - в широковещательном, третья - реакция Ведомого на коммуникационную ошибку.

6.3.2. MODBUS RTU

Данный режим предусматривает использование 8 бит данных в 11-битном символе, который позволяет передавать по байту на символ. Формат символа в RTU режиме: 1 стартовый бит, 8 бит данных (младший бит передается первым), 1 бит паритета + 1 стоповый бит или без паритета + 2 стоповых бита.

Формат кадра MODBUS RTU приведен на рисунке 6.13. Разграничение между кадрами производится с помощью пауз между символами. Новый кадр не должен появляться на шине раньше, чем 3.5 * Тс от предыдущего, где Тс - время передачи одного символа. Если отсутствие сигнала на линии (интервал тишины) будет больше чем 1.5 * Тс приемник идентифицирует окончание кадра. С другой стороны, появление нового кадра ранее 3.5 * Тс, тоже приведет к ошибке.

Поле адреса и кода функции в RTU режиме занимают по одному байту, поскольку каждый байт передается одним символом. В качестве контрольной суммы используется два байта, посчитанные по алгоритму CRC16.

6.3.3. MODBUS ASCII

В данном режиме каждый байт сообщения передается как два ASCII символа их шестнадцатеричного представления, т.е. значение байта 03 16 будет передаваться как ASCII-код символов "0" и "3" (0110000 0110011) Таким образом, байты данных, код функции и байт поля проверки будет передаваться кодами символов 0-9, A-F. Формат символа в ASCII-режиме: 1 стартовый бит, 7 битов данных (младший бит передается первым); 1 бит паритета + 1 стоповый бит или без паритета + 2 стоповых бита.

Формат кадра приведен на рис.6.14. Как видим, для разграничения между кадрами используются стартовый символ ":" и стоповая последовательность "CR LF". Приемники на шине непрерывно отслеживают символ ":" который однозначно указывает на начало кадра. Когда он принят, приемники отлавливают поле адреса и т.д. Это очень простой способ синхронизации, который позволяет некритически относиться к паузам между символами (до 1 сек.). Адрес Ведомого и код функции занимают по два символа, согласно значению одного байта. Далее идут n * 2 символов данных, где n количество байт данных. В ASCII режиме для подсчета контрольной суммы используется алгоритм LRC. Причем контрольная сумма проводится над всеми байтами кадра, кроме стартовой и стоповой последовательности символов.

Режим ASCII накладывает меньшие требования на оборудование, за счет использования стартовой и столбовой последовательности в разграничении кадров, и нечувствительности к значительным паузам между символами. Но эти преимущества отражаются на его недостатках. RTU-режим более требователен к интервалам между кадрами, но значительно продуктивнее чем ASCII .

Пример 6.4. MODBUS. Расчет времени опроса ведомых на MODBUS-RTU.

Задача . Построить кадры форматов сообщений запросов и ответов для MODBUS RTU и рассчитать общее время опроса 10-ти аналоговых 16-битных переменных для 4-х ведомых (рис.6.15). Битовая скорость передачи данных - 19200 бит/с. Клиентский Процесс Ведущего (TSX Premium) и серверные Процессы ведомых (ПЛК TSX Micro) принимают сообщения в начале цикла, а отправляют - в конце цикла. Время цикла Ведущего = 10 мс, Ведомого - 5с .

Выполнения задания. Доступ к внутренним аналоговым переменным TSX Micro проводится через 03 или 04 функцию, поэтому формат кадров будет выглядеть как на рис.6.16.

Учитывая, что структура других кадров - аналогичная, приводить их формат нет смысла.
Аналогично рис.6.12 построим временную диаграмму обмена (рис.6.17).

Со стороны клиентского приложения сообщение-запрос формируется с помощью коммуникационной функции, отправка данных которой через коммуникационный порт производится в конце цикла задачи, а получение из порта - в начале цикла. Такое поведение клиентской стороны вполне соответствует многим реализациям для различных ПЛК.

В TSX Micro MODBUS-сервер реализован на уровне операционной системы. Специфика реализации заключается в том, что прием MODBUS-запросов из коммуникационного порта системой проводится в начале цикла, а отправка сообщений-ответов – в конце.

Следует отметить, что реализация MODBUS-сервера может быть поддержана на уровне коммуникационного модуля, а обмен данными с памятью самого устройства производится через коммуникационные буферы. В этом случае реакция MODBUS-сервера будет значительно быстрее и не зависеть от цикла программы. Для расчета времени транзакции для других типов систем необходимо ознакомиться с деталями их реализации.

На рис.6.17 показано, что поступления кадра приходит где-то внутри цикла. Это значит, что их обработка и генерация ответа пройдет примерно через 1,5 цикла. Следует понимать, что это усредненное значение, для наихудшей оценки лучше резервировать 2 времени цикла (т.е. когда кадр пришел сразу после опроса коммуникационного порта). Таким образом время транзакции для одного ПЛК, например PLC1 (ТТ1), будет равна:

ТТ1=С5+T1.req+2*C1+T1.res+C5*2 (6.1)

ТТ1 рассчитан с учетом 2-х циклов затраченных Ведомым на генерацию ответа на сообщение-запрос. Если бы транзакция проводилась не периодически, как по условию задачи, а по возникновению события, то во время транзакции необходимо было бы включить также еще один цикл Ведущего. Несложно вывести время опроса всех ведомых:

ТТall=C5*9+C1*2+C2*2+C3*2+C4*2+T1.req+T1.res+ T2.req+T2.res+ T3.req+T3.res+ T4.req+T4.res (6.2)

Учитывая, что циклы Ведомых одинаковы, а кадры запросов и кадры ответов для всех ведомых имеют одинаковую структуру, общая формула будет иметь следующий вид:

ТТall= C5*9 + C1*8 + (T1.req+T2.req)*4(6.3)

Рассчитаем время T1.req и T2.req.

Время передачи кадра (Тframe) можно ориентировочно рассчитать по количеству символов (Nsymb) в кадре и времени передачи одного символа (Tsymb):

Tframe=Nsymb*Tsymb (6.4)

Время передачи одного символа рассчитывается:

время передачи одного символа = количество бит в символе/битовая скорость;
Время передачи кадров будет равна (див.рис.6.16 и рис.6.17):

T1.req=8*(11/19200)=4,58 мс

T1.res=25*(11/19200)=14,33 мс

TTall=90+40+ (4,58+14,33)*4= 206 мс.

Таким образом, для опроса 10-ти переменных из 4-х Ведомых со скоростью 19200 бит/с необходимо затратить примерно 206 мс. Если необходим периодический опрос, желательно зарезервировать определенное время, например еще дополнительно 100 мс.

В ряде случаев, реализация функций MODBUS-Клиента ложится на операционную систему, а доступ к ним в программе ПЛК происходит через интерфейсные коммуникационные функции. В частности, это характерно для большинства ПЛК от Scneider Electric (Momentum, Quantum, TSX Micro, TSX Premium, M340). В ряде других систем - клиентскую сторону на прикладном уровне необходимо полностью прописывать в программе ПЛК, а интерфейс предоставляется только для обмена с коммуникационным портом. В этом случае система предоставляет сервисы отправки и получения сообщений (которые формирует и анализирует сама программа пользователя), и генерации и проверки контрольной суммы. Рассмотрим пример .

Пример 6.5. MODBUS. Реализация MODBUS-клиента на TSX Twido.

Задача . Записать фрагмент программы в ПЛК Twido для считывания 3-х регистров с Ведомого с адресом 1 (рис.6.18).

Решение . В Twido клиентскую сторону MODBUS необходимо реализовывать через универсальную функцию EXCHx, которая отправляет и/или получает данные через коммуникационный порт с номером x. Параметрами функции являются таблица слов (%MW), в которых размещаются данные управления функцией, данные для отправки и буфер для приема. Если обмен будет проходить через коммуникационный порт 2, то вызов функции будет иметь следующий формат :

EXCH2 %MWy:n,

где y - номер первой переменной выделенной таблицы, n - количество слов в таблице.

Формат таблицы, то есть данных, которые необходимо заполнить, и область данных для приема одинаков для всех типов коммуникаций. Для функций 03/04 (чтение N слов) по MODBUS-RTU эта таблица будет иметь вид, приведенный в табл.6.2).

Таблица параметров состоит из 3-х частей-подтаблиц. В таблице управления функцией задаются параметры самой функции. Так в старшем байте 0-го слова указывается, что эта функция работает в обе стороны, т.е. после отправки данных, необходимо ждать ответа. Младший байт этого же слова указывает на длину таблицы передачи (в данном случае 6 байт), для того чтобы система знала о байтах которые необходимо передать (со 2-го слова по 4-е) и откуда начинается буфер приема (с 5-го слова) . Смещение в передаче и приеме необходимо для выравнивания данных в буферах по словам.

Таблица передачи содержит непосредственно сам запрос, т.е. кадр без кода CRC. Таблица приема - это буфер, который система заполнит кадром ответа, при положительном результате. Таким образом, перед использованием этой функции необходимо построить кадр запроса и ответа за исключением поля CRC (рис.6.19)

Таблица 6.2

Таблица параметров

	Индекс в таблице	Старший байт	Младший байт
Таблица управления комм. функцией		01 (тип ф-ции отправка+приём)	06 (длина таблицы передачи)
		03 (смещение в приёме)	00 (смещение в передаче)
Таблица передачи		адрес Ведомого	03 (номер функции)
		адрес начального регистра
		количество регистров
Таблица приёма (сообщение-ответ)		адреса Ведомого	03 (номер функции)
		00 (байт для смещения)	счнтчик байт
		первый регистр
		второй регистр
	…	...
	N+6	N-ный регистр

Как видим, в запросе 6 байт. Это количество необходимо вписать в младший байт 0-го слова таблицы. В ответе ожидается 9-байт. Если байты кадра ответа разместить в последовательности слов (в ПЛК Schneider Electric память адресуется словами), то старший байт первого принятого регистра (согласно условию это %MW100) будет находиться на младшем байте 2-го слова буфера, а младший байт принятого регистра придется на старший байт 3-го слова в буфере. Таким образом, все принятые слова будут смещены, и прочитать их будет проблематично. Для устранения этой проблемы в таблице параметров функции есть поле смещения приема, в котором указывается номер байта в буфере приема, который будет сдвигать всю последовательность.

Фрагмент программы будет выглядеть как на рис.6.20.
Верхняя цепочка LD предназначена для заполнения таблицы управления функцией и заполнения таблицы передачи.

Во второй цепочке производится непосредственно вызов функции. Переменная %MSG2.D возвращает логическую "1", когда функция EXCH2 обработана и результат получен. Ее использование не дает "затопить" сеть чрезмерным количеством кадров, ведь пока нет ответа на предыдущий запрос или не прошло время тайм-аута, новый запрос отправлять нельзя.

Последний цепочка предназначена для записи результата чтения в переменные %MW0:3 (таблица с 3-х слов начиная с %MW0). Переменная %MSG2.E будет равной 1-це тогда, когда есть место ошибки в вызове функции.

6.3.4. Реализация физического уровня для MODBUS Serial

В отличие от начальной спецификации, которая ограничивалась описанием кадра, в стандарте MODBUS-IDA описываются также правила для реализации сети на физическом уровне. MODBUS over Serial Line базируется на использовании последовательных интерфейсов RS-485, RS-422 и RS-232.

Для RS-485 определена топология - это шина, в которой предусмотрено три способа подключения устройств (рис.6.21):

- Непосредственно к магистральному (trunk) кабелю, без ответвлений;

- Через пассивную коробку подключения и кабель ответвления (Derivation);

- Через активную коробку и специфический кабель ответвления.

Интерфейсы между кабелями и элементами сети имеют следующие обозначения (см. рис.6.21): ITr - интерфейс к магистральному кабелю; IDv - интерфейс между устройством и пассивной коробкой; AUI - интерфейс между устройством и активной коробкой; LT - терминаторы линии.
Битовые скорости определены равными 9600 бит/с и 19200 бит/с (по умолчанию). Другие скорости являются опциональными. Используется метод кодирования NRZ.

При использовании RS-485 стандарт определяет правила подключения устройств по 2-х проводной и 4-х проводной схеме, а также правила совместимости 2-х проводных и 4-х проводных интерфейсов на единственной линии. Ниже рассмотрено только 2-х проводное подключение, поддержка которого является обязательным.

По сути, 2-х проводное подключение на самом деле является 3-х проводным, так как кроме линий A-(D0 ) и B+(D1 ) используется также общая линия C(Common ), которая является обязательной (рис.6.22) .

Общее количество устройств ограничено: 32 устройства на одном сегменте RS-485 без репитеров (использование репитеров разрешается). Максимальная длина кабеля зависит от скорости, типа кабеля, количества нагрузок и конфигурации сети (2-х проводная или 4-х проводная). Для битовой скорости 9600 и кабеля AWG26 максимальная длина ограничена 1000м. Кабель ответвления должен быть короче 20 м. Если используются мультипортовые коробки с n портами, то каждый кабель ответвления ограничен длиной 40/n м.

Общий сигнальный провод (Common) обязательно соединяется с экраном в одной точке шины, как правило возле узла Ведущего, либо его коробки ответвления.

Для погашения отражения волн на концах линии между D1 и D0 выставляется терминаторы линии (LT). Терминаторы разрешается выставлять только на магистральном кабеле. В качестве терминаторов можно использовать:

- Резистор номиналом 150 Ом и мощностью 0.5 Вт;

- Последовательно соединенные конденсатор (1 нФ, 10 В минимум) и резистор номиналом 120 Ом (0.25 Вт) при использовании поляризации линии

В стандарте MODBUS Serial определены правила реализации защитного смещения (поляризации), которые предусматривают подключение питания номиналом 5 В между D1 и D0 через PullUp и PullDown резисторы для поддержания логической "1" на линии при отсутствии передачи. Номинал резисторов выбирается от 450 Ом до 650 Ом в зависимости от количества устройств (650 Ом при большом количестве). Защитное смещение проводится только в одной точке линии, как правило на стороне Ведущего. Максимальное количество устройств с реализованной поляризацией уменьшается на 4 по сравнению с системой без поляризации. Поляризация является необязательной. Однако коммуникации на устройствах могут давать сбой при отсутствии логического сигнала. Если это так, то поляризацию необходимо реализовывать самостоятельно, или использовать существующие схемы, если таковые предусмотрены устройствами.

Стандарт определяет также механический интерфейс, т.е. типы разъемов, вилок и соответствие сигналов на контактах. В качестве механического терминала можно использовать клемную колодку, экранированный RJ-45 (рис.6.23) или экранированный SUB-D9 разъем (рис.6.24).

В таблице 6.3 указано назначение контактов для коннекторов при 2-х проводном подключением по RS-485, а в таблице 6.4 по RS-232

Таблица 6.3

Предназначение контактов конекторов при подключении по RS-485

номера контактов		требования к наличию	цепь IDv	цепь ITr	название RS-485	комментарий (см. раздел 3)
RJ45	SUB-D9
		опционально	PMC			управление режимом ком. порта
		обязательно	D1		B/B"	напряж V1, V1>V0 для лог. "1"
		обязательно	D0		A/A"	напряж V0, V0>V1 для лог. "0"
		желательно				Питание 5…24 VDC
		обязательно	Common	Common	C/C"	Питание и сигнальная земля

Таблица 6.4

Предназначение контактов конекторов при подключении по RS-232

DCE (модем)			контур			DTE
номера контактов		требования к наличию	название	комментарий (см. раздел 3)	источник RS-232	требования к наличию	номера контактов
RJ45	SUB-D9						RJ45	SUB-D9
		обязательно	TxD	Transmitted Data	<< DTE	обязательно
		обязательно	RxD	Received Data	DCE >>	обязательно
		опционально	CTS	Clear to Send	DCE >>	опционально
		опционально	RTS	Request to Send	<< DTE	опционально
		обязательно	Common	Signal Common		обязательно

В качестве кабелей для 2-х проводного типа соединения стандарт определяет двойную экранированную витую пару категорий 4 (до 600м) или 5 (до 1000м), где в одной паре идут сбалансированные сигналы D0 и D1, а во второй - сигнальная земля Common. Рекомендуемые цвета кабелей: D1 желтый; D0 коричновий; Common серый.

Пример 6.6. MODBUS. Схема сетевых соединений MODBUS RTU.

Задача . Нарисовать схему сетевых соединений для 2-х проводной реализации шины MODBUS RTU со следующими узлами:

- PLC1: VIPA CPU 115SER 6BL32 (Ведущий) через встроенный последовательный порт процессорного модуля;

- PLC2: TSX Twido TWDLMDA40DTK (Ведомый) через коммуникационный модуль TWD NOZ 485T

- PLC3: TSX Twido TWDLMDA40DTK (Ведомый) через коммуникационный модуль TWD NOZ 485T

Решение . На рис.6.25 показана схема сетевых соединений для поставленной задачи. Спецификация сетевых средств дана в таб.6.5.

Как видно из рис.6.25, PLC1 подключается к шине через пассивную коробку, а вернее через клеммную колодку, что в принципе равнозначно. Это вызвано тем, что на ПЛК подключения идет с использованием 9-штекерного SUB-D разъема, что требует разработку собственного кабеля, схема подключения (спая) которого к коннектору и к клеммной колодке показан ниже основной схемы.

Таким образом к вилке КК1 провода кабеля КМ2 необходимо припаять. Назначение пинов розетки SER не совпадает со стандартной. Пины 8 и 3 (соответственно А (D0) и В (D1)) идут в одну пару, затем подключаются к ХТ1:1 и ХТ1:2; 5 и 6 (соответственно M5V (-5В) и P5V (+5 В)) идут в другую витую пару кабеля КМ2. Питания 5В необходимо для того, чтобы реализовать защитное смещение (асимметрию) в соответствии со стандартом. Кроме того M5V является сигнальной землей (Common).

Кабель КМ2 подключается к ХТ1 согласно схеме, показанной на рис.6.25. Экран кабеля соединяется с сигнальной землей в соответствии с требованиями стандарта. Следует напомнить, что ПЛК VIPA в этой системе является Ведущим, следовательно и защитное смещение и соединения экрана с землей необходимо реализовывать именно в этом месте. Защитное смещение производится с помощью питания 5В, которое берется из порта SER и двух резисторов.

Таблица 6.5.

Спецификация сетевых средств

№	Обозначение	Наименование	Референс	Колич	Примечание
	PLC1	ПЛК VIPA 100	VIPA CPU 115SER 6BL32	1 шт.	VIPA
	PLC2, PLC3	ПЛК Twido	TWDLMDA40DTK	2 шт.	Schneider Electric
	MK1, MK2	коммуникационный модуль для реализации интерфейса RS-485, подключение под винт	TWD NOZ 485T	2 шт.	Schneider Electric
	KK1	9-пиновий SUB-D коннектор типа вилка		1 шт.
	XT1	клеммная колодка на 4 клеммы		1 шт.
	TL1,TL2	терминаторы линии		2 шт	изготовляются с поз. 7 и 8
		Резистор 120 Ом (0.25 Вт)		2 шт.	в составе поз.6
		Конденсатор 1 нФ (>10 В)		2 шт.	в составе поз поз.6
	Ru,Rd	Резистор 500 Ом (0.25 Вт)		2 шт
	КМ1	AWG26		300 м
	КМ2	кабель двойная экранированная витая пара 5-й категории AWG26		2 м
	КМ3	кабель двойная экранированная витая пара 5-й категории AWG26		300 м

PLC2 и PLC3 соединяются с шиной с помощью коммуникационного модуля с клеммной колодкой. Это позволяет реализовать подключение без ответвлений. Однако на колодке не предусмотрено место подключения экрана, поэтому кабель экранируется отдельно.

Терминаторы линий реализованы последовательным соединением резисторов и конденсаторов, поскольку на шине задействовано защитное смещение.

В настоящее время MODBUS Serial используется как на уровне контроллеров так и на уровне датчиков (для распределенной периферии). Его использование проблематично при наличии на шине нескольких устройств SCADA / HMI , которые в клиент-серверной архитектуре должны быть Клиентами, ведь на MODBUS RTU/ASCII только Ведущий может быть Клиентом. Но даже в такой ситуации есть возможность организовать доставку данных всем нуждающимся узлам, если они поддерживают такой режим.

Исходя из указанного, на шине MODBUS Serial можно остановить свой выбор в случае, если:

- все устройства-Серверы поддерживают MODBUS RTU / ASCII в режиме Ведомого;

- необходимо только одно устройство-Клиент, которому необходимо инициировать обмены на шине, поддерживающий MODBUS RTU/ASCII как Ведущий;

- скорость восстановления данных - удовлетворяет условию задачи;
нет необходимости в

Статья посвящена промышленному протоколу ModBus — наиболее простому, а потому широко распространённому цифровому протоколу передачи данных.

Стандарт ModBus был изобретён ещё в 1979 году компанией Modicon (ныне Schneider Electric) и с того времени не утратил своей актуальности, а даже наоборот получил широкое распространение и большую популярность среди разработчиков АСУ ТП.

Преимущества и недостатки протокола ModBus

Преимущества:

• прост в реализации
• отсутствует необходимость установки специальных микросхем для реализации протокола при разработке контроллеров и устройств
• простота диагностики и отладки
• поддерживается большинством устройств, применяемых при построении АСУ ТП
• высокая надёжность и достоверность при передаче данных

Недостатки:

• ModBus сеть построена по принципу «ведущий-ведомый», где ведущее устройство может быть только одно. Поэтому обмен данными происходит только по инициативе ведущего устройства (оно по очереди опрашивает все ведомые). Если ведомому устройству нужно срочно передать данные, оно не может этого сделать, пока его не опросит «ведущий».

Общие сведения о ModBus сети

ModBus сеть объединяет одно ведущее (мастер) и несколько ведомых (слейвов). Обмен данными в сети происходит по инициативе мастера. Он может отправить запрос одному из подчинённых устройств или широковещательное сообщение сразу всем ведомым устройствам сети.

После отправки запроса мастер ожидает ответ в течение заданного времени («время таймаута»). Если в течение этого времени ответ не получен, мастер считает, что связь с ведомым отсутствует. На широковещательное сообщение ответ не предусмотрен.

Слейвы (ведомые устройства) не могут самостоятельно инициировать передачу данных. Они могут передать данные только после запроса мастера (и только те данные, которые мастер запросит).

Существует три разновидности протокола:

• ModBus ASCII — разновидность протокола, в которой сообщения кодируются с помощью ASCII-символов. Сообщения разделяются символами «:» и CR/LF. Не очень удобен, в России используется крайне редко.
• ModBus RTU — разновидность протокола, в которой сообщения кодируются «как есть» (числами). Между собой сообщения разделяются временной паузой в 3,5 символа при заданной скорости передачи.
• ModBus TCP — разновидность протокола для работы поверх TCP/IP стека, требуется при соединении устройств по Ethernet.

Физический уровень протокола ModBus

Для передачи ModBus сообщений используется последовательные асинхронные интерфейсы (RS232, RS485, RS422) в случае использования протоколов ASCII и RTU и Ethernet интерфейс для протокола ModBus TCP.

Использование стандартных интерфейсов делает ModBus удобным для пользователей и разработчиков.

Типы данных ModBus

Любой узел сети ModBus — это интеллектуальное устройство (контроллер, регулятор, датчик и др.). Согласно спецификации узел сети может иметь следующие структуры данных:

• Discrete Inputs — состояния дискретных входов устройства, их можно только прочитать. Однобитовый тип данных.
• Coils — состояния дискретных выходов устройства, их можно прочитать и изменить (записать новое состояние). Однобитовый тип.
• Input Registers — 16-битные регистры, доступные только для чтения.
• Holding Registers — 16-битные регистры свободного назначения, доступны для чтения и записи.

Указанные типы данных необязательны для всех устройств, поддерживающих ModBus. Например, Discrete Inputs и Coils характерны больше для .

Производитель устройства сам решает, какой тип данных сделать доступным для чтения и записи по ModBus, и об этом написано в руководстве устройства. В большинстве случае пользуются типом Holding Registers, поскольку он самый универсальный.

Структура обмена данными по ModBus

Как уже было сказано, обмен данными по ModBus состоит из запросов и ответов. Ведущее устройство посылает запрос одному из подчинённых устройств, указывая в запросе его адрес, или всем устройствам сразу, указывая адрес 0.

Рис. Структура ModBus-пакета

Типовой запрос или ответ состоит из следующих блоков:

• адрес подчинённого устройства
• номер функции — определяет тип запрашиваемых данных и что с ними нужно сделать (прочитать/записать)
• данные — содержит параметры функции («куда», «сколько» и «какие» данные записывать или читать)
• блок контроля подлинности — содержит контрольную сумму для проверки целостности полученных данных.

Состав данных блоков отличается для RTU и TCP реализаций ModBus. Далее мы подробно рассотрим каждый из них.

ModBus ASCII мы не будем подробно рассматривать, поскольку он используется крайне редко. Состав пакета в ModBus ASCII такой же как и ModBus RTU, и отличается только типом кодирования и способом разделения пакетов.

Номер функции определяет тип запрашиваемых данных и что с ними нужно сделать (прочитать/записать).

Функций ModBus достаточно много и они разделены на три категории:

• стандартные — функции, описанные в стандарте протокола. Среди них много устаревших и неиспользуемых.
• пользовательские — диапазон номеров функций (с 65 по 72 и с 100 по 110), которые может использовать любой производитель устройств для реализации своих специфичных функций. При этом вполне возможно, что у устройств различных производителей под одинаковыми номерами будут разные по смыслу функции.
• зарезервированные — функции, не описанные в базовом стандарте, но реализованные в устройствах различных производителей. При этом гарантируется, что данные производители зарезервировали эти номера для себя и другие производители не могут ими воспользоваться.

Однако, это всё лирика… На практике в большинстве случаев используются всего несколько функций, мы подробно поговорим о них в , а в этой будем рассматривать всё на примере функции Read Holding Registers (чтение регистров общего назначения).

Функция Read Holding Registers (0x03)

Функция под номером 3 — одна из самых употребимых функций, предназначена для чтения регистров общего назначения устройства.

В запросе указывается количество регистров, которые нужно прочитать и адрес первого из них.

Ответ содержит количество байт (количество регистров умноженное на 2) и значения запрошенных регистров.

Рис. Запрос от мастера

Рис. Ответ слейва

Количество байт в ответе помогает ведущему устройству по мере получения данных понять, когда все данные уже получены. То есть если мастер получил третий байт с числом 200 — это означает, что ему осталось получить еще 100 байт + 2 байта контроля целостности. Это позволит ему посчитать количество пришедших байт и закончить приём, не дожидаясь, когда закончится время таймаута, отведённое слейву на ответ.

Вместо нормального ответа, содержащего запрошенные данные, подчинённое устройство может ответить ошибкой. При этом к номеру функции в ответе добавляется код 0х80 в шестнадцатеричной системе исчисления.

Обратимся к предыдущему примеру. Там подчинённое устройство ответило без ошибки и второй байт в ответе был 0х03. Если бы ответ содержал код ошибки, то к номеру функции подчинённое устройство добавило бы 0х80 и получилось бы 0х83. Вот так:

Рис. Ответ слейва с признаком ошибки

В этом примере код ошибки 02 — это один из стандартных кодов. Вот какие они бывают:

01 — функция не поддерживается. Это значит, что, возможно, функция не стандартная или просто не реализована конкретно в этом устройстве.

02 — запрошенная область памяти не доступна. Каждое устройство содержит определённое количество данных определённого типа. Например, в устройстве доступно 100 регистров общего назначения. Если при этом запросить чтение 101 регистров — возникнет ошибка 02.

03 — функция не поддержит запрошенное количество данных. Например, функция №3 «Read Holding Registers» позволяет читать от 1 до 2000 регистров общего назначения. Поэтому, даже если в подчинённом устройстве доступно для чтения 10 000 регистров, при запросе более 2000 с помощью функции №3 — возникнет эта ошибка.

04 — функция выполнена с ошибкой. Такой код ошибки будет возвращён, если есть какое-то иное препятствие для нормального выполнения команды, не охваченное тремя предыдущими кодами ошибки. Проще говоря, это такая заглушка «на всякий случай», если что-то пошло не так, но в протоколе специального кода для такой ошибки не предусмотрено.

Нужно помнить, что существуют не только стандартные функции, но ещё и пользовательские и зарезервированные. Поэтому, производители устройств, которые дополнили протокол своими функциями, возможно заложили туда другие коды ошибок. Но это всё очень большая экзотика…

ModBus RTU

Как уже говорилось, в протоколе ModBus RTU данные передаются в виде сообщений, разделённых между собой временными паузами длиной в 3,5 символа при заданной скорости передачи.

В сообщении обязательно указывается адрес получателя (или 0, если сообщение широковещательное) и номер функции.Номер функции определяет какие данные содержит сообщение и как их интерпретировать.

За номером функции идут данные. Регистры данных в ModBus 32-битные, а передаются ввиде двух 16-битных сло. Сначала идёт старший байт, затем младший.

Пример. Допустим, мы хотим прочитать из удалённого модуля сбора данных 2 регистра, начиная с первого. Адрес удалённого модуля в сети ModBus «4». Для этого воспользуемся функцией №3 Read Holding Registers.

Рис. Запрос на чтение 2-х регистров, начиная с 1-го

Рис. Ответ от слейва на запрос

В ответе подчинённое устройство повторяет свой адрес и номер функции, далее следует количество полезных байт в ответе. Каждый регистр состоит из двух байт (сначала идёт старший, затем младший). Значение запрошенных регистров оказались равны 11 и 22 в десятичной системе исчисления (0B и 16 в шестнадцатеричной соответственно).

О том, как использовать другие ModBus функции мы выпустим отдельную статью.

Контроль целостности пакета в ModBus RTU (CRC-16)

В предыдущем примере за байтами данных идут два байта проверки целостности пакета. Они являются результатом вычисления кода CRC-16 для всего сообщения.

Мастер, передавая запрос, вычисляет CRC-код и добавляет его в конец сообщения. Слейв, получив сообщение, проверяет сообщение на целостность согласно алгоритму CRC-16. Затем подчинённое устройство составляет ответ, точно так же вычисляет для него CRC и добавляет в конец пакета.

Подробно рассматривать алгоритм CRC-16 мы не будем, т.к. мы стараемся быть ближе к практике… А на практике программисту практически никогда не приходится писать блок вычисления CRC — в любой среде программирования можно найти соответствующую функцию или функциональный блок.

Заключение

В данной статье мы рассмотрели общую структуру протокола ModBus и его классическую разновидность ModBus RTU. Вообще говоря, ModBus RTU — это и есть «истинный Modbus» (если отбросить ModBus ASCII, который уже устарел).

В мы поговорим о разновидности протокола ModBus TCP, который является «притягиванием за уши» классического ModBus с целью использования его в Ethernet-сетях, что, конечно же, накладывает определённые ограничения. Но об этом в следующей статье. Следите за обновлениями на LAZY SMART .