Промышленный протокол ModBus

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 ПЛК.

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.

Функции ModBus

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 отдельной статье, 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.

Коды ошибок ModBus

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 следующей статье 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.