20-07-2023
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, а также сети TCP/IP (Modbus TCP).
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.
Modbus был разработан компанией Modicon (в настоящее время принадлежит Schneider Electric) для использования в её контроллерах с программируемой логикой. Впервые спецификация протокола была опубликована в 1979 году[1]. 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[1]. 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[2].
MODBUS специфицирует 4 типа данных:
Стандарты MODBUS состоят из 3 частей:
Основные достоинства стандарта — открытость и массовость. Промышленностью сейчас (2014 г.) выпускается очень много типов и моделей датчиков, исполнительных устройств, модулей обработки и нормализации сигналов и др. Практически все промышленные системы контроля и управления имеют программные драйвера для работы с MODBUS-сетями.
Стандарт в своей основе был разработан в 1979 году компанией Modicon (в данное время владелец Schneider Electric) с учётом потребностей и вычислительных возможностей того времени, и многие актуальные для современных промышленных сетей вопросы не были учтены[3].
Необходимо отметить, что отсутствие перечисленных возможностей упрощает протокол и делает его более простым для изучения, что ускоряет его внедрение. Эти особенности в какой-то мере являются и достоинствами стандарта.
Контроллеры на шине Modbus взаимодействуют, используя master-slave модель, основанную на транзакциях, состоящих из запроса и ответа.
Обычно в сети есть только одно ведущее, так называемое, «главное» (англ. master) устройство, и несколько ведомых — «подчинённых» (англ. slaves) устройств. Главное устройство (мастер) инициирует транзакции (передаёт запросы). Мастер может адресовать запрос индивидуально любому подчиненному или инициировать передачу широковещательного сообщения для всех подчиненных устройств. Подчинённое устройство, опознав свой адрес, отвечает на запрос, адресованный именно ему. При получении широковещательного запроса ответ подчинёнными устройствами 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.
код функции | данные |
---|---|
1 байт | N < 254 (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 варианта ADU, два для передачи данных через асинхронный интерфейс и один — через TCP/IP сети:
Общая структура ADU следующая (в зависимости от реализации, некоторые из полей могут отсутствовать):
адрес ведомого (подчинённого) устройства | код функции | данные | блок обнаружения ошибок |
---|
где
Максимальный размер ADU для последовательных сетей RS232/RS485 — 256 байт, для сетей TCP — 260 байт.
Для Modbus TCP ADU выглядит следующим образом:
ID транзакции | ID протокола | длина пакета | адрес ведомого устройства | код функции | данные |
---|
где
Следует обратить внимание, что поле контроля ошибок в Modbus TCP отсутствует, так как целостность данных обеспечивает TCP/IP стек.
В действующей в настоящее время спецификации протокола определяются три категории кодов функций:
Одно из типичных применений протокола — чтение и запись данных в регистры контроллеров. Спецификация протокола определяет четыре таблицы данных:
Таблица | Тип элемента | Тип доступа |
---|---|---|
Дискретные входы (Discrete Inputs) | один бит | только чтение |
Регистры флагов (Coils) | один бит | чтение и запись |
Регистры ввода (Input Registers) | 16-битное слово | только чтение |
Регистры хранения (Holding Registers) | 16-битное слово | чтение и запись |
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.
номер функции |
запрос/ответ | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
1 (0x01) | A1 | A0 | Q1 | Q0 | ||
N | D (N байт) | |||||
2 (0x02) | A1 | A0 | Q1 | Q0 | ||
N | D (N байт) | |||||
3 (0x03) | A1 | A0 | Q1 | Q0 | ||
N | D (N байт) | |||||
4 (0x04) | A1 | A0 | Q1 | Q0 | ||
N | D (N байт) | |||||
5 (0x05) | A1 | A0 | D1 | D0 | ||
A1 | A0 | D1 | D0 | |||
6 (0x06) | A1 | A0 | D1 | D0 | ||
A1 | A0 | D1 | D0 | |||
15 (0x0F) | A1 | A0 | Q1 | Q0 | N | D (N байт) |
A1 | A0 | Q1 | Q0 | |||
16 (0x10) | A1 | A0 | Q1 | Q0 | N | D (N байт) |
A1 | A0 | Q1 | Q0 |
Для чтения значений из перечисленных выше таблиц данных используются функции с кодами 1—4 (шестнадцатеричные значения 0x01—0x04):
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 |
---|---|---|---|---|---|---|
RA,1 | RA,0 | RA+1,1 | RA+1,0 | … | RA+Q-1,1 | RA+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 | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
FA+7 | FA+6 | FA+5 | FA+4 | FA+3 | FA+2 | FA+1 | FA | … | 0 | … | 0 | FA+Q-1 | FA+Q-2 | … |
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.
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.
Команда состоит из адреса регистра и двух 16-битных чисел, которые используются как маски, с помощью которых можно индивидуально сбросить или установить отдельные биты в регистре. Конечный результат определяется формулой:
Результат = (Текущее_значение AND Маска_И) OR (Маска_ИЛИ AND (NOT Маска_И))
Функция предназначена для получения 16-битных слов из очереди, организованной по принципу «первым пришёл — первым ушёл» (FIFO).
Эти функции используются для доступа к 16-битным регистрам, организованным в файлы, состоящие из записей произвольной длины. В команде указывается номер файла, номер записи и длина записи в 16-битных словах. С помощью одной команды можно записать или прочитать несколько записей, не обязательно соседних.
Кроме того, команда содержит однобайтовый код для указания типа ссылки на данные. В действующей версии стандарта определен только один тип (описанный выше) с кодом 0x06.
Перечисленные ниже функции предназначены для устройств на последовательных линиях связи (Modbus RTU и Modbus ASCII).
Функция предназначена для получения информации об индикаторах состояния на удалённом устройстве. Функция возвращает один байт, каждый бит которого соответствует состоянию одного индикатора.
Эти функции предназначены для проверки функционирования последовательной линий связи.
Функция предназначена для получения информации о типе устройства и его состоянии. Формат ответа зависит от устройства.
Функция предназначена для передачи данных в произвольных форматах (определённых другими стандартами) от ведущего (master) к ведомому (slave) и обратно.
Тип передаваемых данных определяется дополнительным кодом (MEI — MODBUS Encapsulated Interface), передаваемым после номера функции. Стандарт определяет MEI 13 (0x0D), предназначенный для инкапсуляции протокола CANopen. MEI 14 (0x0E) используется для получения информации об устройстве и MEI в диапазонах 0—12 и 15—255 зарезервированы.
Во время обмена данными могут возникать ошибки двух типов:
При передаче по асинхронным линиям связи ошибки первого типа обнаруживаются при помощи проверки соответствия принятого запроса установленному формату ADU и вычисления контрольной суммы. Дополнительно, для проверки каждого символа может использоваться бит четности. Если подчинённое устройство обнаруживает искажение данных, принятый запрос игнорируется, ответное сообщение не формируется. Главное устройство может обнаружить ошибку по истечению времени, отведённого на ответ.
В Modbus TCP дополнительная проверка целостности данных не предусмотрена. Передача данных без искажений обеспечивается протоколами TCP/IP.
При ошибках второго типа подчинённое устройство отсылает сообщение об ошибке (если запрос адресован этому устройству; на широковещательные запросы ответ не отправляется). Признаком того, что ответ содержит сообщение об ошибке, является установленный старший бит номера функции. За номером функции, вместо обычных данных, следует код ошибки и, при необходимости, дополнительные данные об ошибке.
Ниже приведён пример команды ведущего устройства и ответов ведомого (для Modbus RTU).
Направление передачи | адрес подчинённого устройства | номер функции | Адрес ст. байт | Адрес мл. байт | Количество флагов ст. байт | Количество флагов мл. байт | Количество байт данных | Данные ст. байт | Данные мл. байт | CRC мл. байт | CRC ст. байт |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Master→Slave
|
0x01
|
0x0F
|
0x00
|
0x13
|
0x00
|
0x0A
|
0x02
|
0xCD
|
0x01
|
0x72
|
0xCB
|
Направление передачи | адрес подчинённого устройства | номер функции | Адрес ст. байт | Адрес мл. байт | Количество флагов ст. байт | Количество флагов мл. байт | CRC мл. байт | CRC ст. байт |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Slave→Master
|
0x01
|
0x0F
|
0x00
|
0x13
|
0x00
|
0x0A
|
0x24
|
0x09
|
Направление передачи | адрес подчинённого устройства | номер функции | код ошибки | CRC мл. байт | CRC ст. байт |
---|---|---|---|---|---|
Slave→Master
|
0x01
|
0x8F
|
0x02
|
0xC5
|
0xF1
|
UART | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Физические уровни |
|
||||||
Протоколы |
|
||||||
Сферы использования | Последовательный порт • IrDA • MIDI • Промышленная сеть | ||||||
Реализации |
|
Modbus.