Průmyslová sběrnice je komunikační protokol používaný v průmyslových sítích k připojení polních zařízení k průmyslovým řídicím systémům. Průmyslová sběrnice snižuje množství kabeláže potřebné mezi řídicími systémy a zařízeními, protože k témuž páru vodičů lze připojit více zařízení.

Existuje řada oblíbených technologií průmyslových sběrnic, například Modbus, Profibus, Foundation Fieldbus, ControlNet, DeviceNet a mnoho dalších.

V roce 1979 představila společnost Modicon nový protokol využívající aplikační vrstvu modelu OSI, který byl určen speciálně pro její PLC. Tento protokol dostal název Modbus a stal se první široce používanou průmyslovou sběrnicí v historii automatizace.

 

Obrázek 1. PLC připojené k polním zařízením 

 

Úvod do protokolu Modbus

Modbus byl navržen pro připojení polních zařízení k průmyslovým řídicím systémům. V době jeho vzniku většina zařízení používala k přenosu svého stavu napěťové nebo proudové reprezentace. Modbus dokáže efektivně zpracovávat diskrétní bity odrážející stavy snímačů a akčních členů high/low i registry obsahující celočíselné hodnoty odpovídající analogovým procesním veličinám.

Pomalý přechod k technologiím průmyslových sběrnic vedl k tomu, že se Modbus stal jedním z nejjednodušších protokolů, a v průběhu let byly přidány jeho nové verze.

Původně byl Modbus implementován přes sériové komunikační spojení, tedy RS-232/RS-485. Tyto varianty se stále běžně používají pod názvy Modbus RTU a ASCII. Později byl protokol upraven pro použití přes TCP/IP a Ethernet. Tato varianta se běžně označuje jako Modbus TCP a jde o nejčastější implementaci Modbusu v moderních instalacích.

 

Komunikační model

Modbus používá pro komunikaci model master/slave (v Modbus TCP klient/server). Master Modbusu odesílá požadavek slave jednotce Modbusu, která provede požadované akce a odpoví masteru. V tomto scénáři je masterem často PLC a polní zařízení fungují jako slave jednotky. 

Rámec zprávy v protokolu Modbus se skládá z aplikační datové jednotky (ADU) a protokolové datové jednotky (PDU). ADU se liší v závislosti na typu použitého protokolu Modbus, zatímco PDU je nezávislá na způsobu komunikace.

PDU se obvykle skládá z kódu funkce a určitých dat. V ADU jsou tyto údaje zapouzdřeny spolu s adresou a kódem pro kontrolu chyb. Modbus TCP používá v ADU hlavičku MBAP (Modbus Application Protocol).

 

Obrázek 2. ADU a PDU protokolu Modbus pro Modbus ASCII/RTU (nahoře) a Modbus TCP (dole). Obrázek upraven podle Modbus.org

 

Aby PDU zůstala nezávislá na podkladové komunikační vrstvě, musí splňovat omezení velikosti původní sériové specifikace. Velikost ADU přes RS-485 byla 256 bajtů. Musíme tedy zohlednit ADU – 1 adresový bajt a 2 bajty pro kontrolu chyb – což znamená, že PDU je omezena na celkem 253 bajtů. Upozorňujeme, že adresa v ADU je ve skutečnosti ID podřízeného zařízení v síti Modbus.

Datová část PDU bude obsahovat pole specifická pro funkční kód spolu se skutečně přenášenými daty. Tato pole budou podrobněji popsána dále v článku.

 

Reprezentace dat

Klasický Modbus má dva přenosové režimy: ASCII a RTU.

V režimu ASCII jsou data odesílána jako znaky ASCII 0–9 a A–F, zatímco v režimu RTU jsou data reprezentována 8bitově binárně. Data a adresy jsou kódovány v pořadí big-endian, takže nejvýznamnější bajt se přenáší jako první.

Data Modbus se dělí na čtyři hlavní typy:

• Diskrétní vstupy
• Cívky (výstupy)
• Vstupní registry
• Záchytné registry

Diskrétní vstupy představují jediný bit dat a jsou určeny pouze pro čtení. Cívky také představují jediný bit, ale lze je číst i zapisovat. Vstupní registry představují 16bitová data pouze pro čtení, zatímco záchytné registry obsahují 16bitová data pro čtení i zápis.

 

Obrázek 3. Převzato ze specifikace protokolu Modbus

 

Pro každý typ lze v paměti zařízení umístit maximálně 2^16 (65536) datových položek. Pro přístup k jednotlivým datovým typům existují specifické funkční kódy, přičemž každý typ má často vlastní vyhrazený blok paměti.

Pro adresování datové položky jednoduše použije master rozsah 0–65535. Datová položka 1 se nachází na adrese 0x0000. Datová položka 2 je na adrese 0x0001. Datová položka 65536 se nachází na adrese 0xFFFF. Mějte na paměti, že zařízení nemusí mít všech 65536 datových položek; většina vzdálených I/O terminálů používajících Modbus bude mít ve skutečnosti výrazně méně než tento maximální počet.

 

Transakce Modbus

Nyní, když rozumíme tomu, jak jsou data v Modbusu reprezentována, můžeme transakce podrobně prozkoumat. Budeme na ně nahlížet z perspektivy PDU, protože PDU není závislá na komunikační vrstvě.

Transakce Modbus používají instrukce v hexadecimálním zápisu, kde jeden 8bitový bajt má formát 0x00 a rozsah každého znaku je 0–F. 16bitový registr se tedy rovná dvěma bajtům reprezentovaným ve formátu 0x0000. 

Specifikace Modbus definuje tři typy PDU:

• Požadavek Modbus
• Odpověď Modbus
• Výjimková odpověď Modbus

Nadřízené zařízení zahájí požadavek pomocí kódu funkce, zatímco podřízené zařízení odešle odpověď na tento požadavek. Úspěšná odpověď opakuje kód funkce, který jí nadřízené zařízení odeslalo. Odpověď s výjimkou obsahuje stejný kód funkce, ale s nastaveným nejvyšším bitem, který signalizuje, že došlo k chybě. 

Specifikace Modbus definuje řadu kódů funkcí. Kód funkce 0x01 označuje funkci čtení cívek.

Obrázek 4 ukazuje příklad toho, jak může vypadat požadavek a odpověď na čtení cívek. Nadřízené zařízení Modbus odešle požadavek s kódem funkce 0x01 (čtení cívek), který začíná u první datové položky (adresa 0x0000) a čte pouze jedinou cívku. Funkci čtení cívek lze použít ke čtení až 2000 (0x7D0) cívek najednou. 

 

Obrázek 4. Transakce čtení cívek

 

V případě úspěchu podřízené zařízení odpoví stejným kódem funkce a uvede počet cívek, na které odpovídá. Stav cívek bude mít n bajtů, přičemž každý bit určuje, zda je příslušná cívka ve stavu ZAPNUTO (1), nebo VYPNUTO (0).

V tomto případě je cívka na adrese 0x0000 ve stavu ZAPNUTO. Pokud by požadavek nebyl úspěšný, odpověď s výjimkou by obsahovala kód funkce s nastaveným nejvyšším bitem (0x81) spolu s kódem výjimky vysvětlujícím, co se pokazilo. Kód výjimky 0x02 znamená, že byla použita neplatná adresa dat, tj. v paměti tohoto podřízeného zařízení se nenachází cívka na adrese 0x0000. 

Následující příklad znázorňuje transakci zápisu jediného registru (kód funkce 0x06). V tomto případě nadřízené zařízení požaduje zápis dat 0xA0A0 na adresu 0x00FF. Odpověď podřízeného zařízení je jednoduše kopií požadavku.

Příklad odpovědi s výjimkou zde zobrazuje kód funkce s nastaveným nejvyšším bitem spolu s kódem výjimky 0x04. Tento kód znamená, že při pokusu podřízeného zařízení provést požadavek došlo k neobnovitelné chybě. 

 

Obrázek 5. Transakce zápisu jediného registru 

 

Všechny kódy funkcí Modbus se řídí podobným vzorem jako dva výše uvedené příklady.

Obrázek 6 zobrazuje seznam běžných kódů funkcí spolu s kódy výjimek pro odpovědi s výjimkou. Další informace naleznete ve specifikaci Modbus. 

 

Obrázek 6. Kódy funkcí a kódy výjimek

 

Závěr

Modbus umožňuje PLC komunikovat se všemi druhy vzdálených jednotek, včetně bloků I/O, terminálových jednotek a dalších řídicích jednotek, protože využívá standardní metodu čtení a zápisu diskrétních i celočíselných informací, která pokrývá téměř každý scénář zahrnující přenos digitálních dat.

Modbus je dnes průmyslovým standardem a dosud představuje nejrozšířenější průmyslový protokol bez licenčních poplatků, přestože předchází většině moderních řídicích systémů. Setkáme se s ním v provozech a továrnách po celém světě a navzdory své dlouhé životnosti jistě zůstane relevantním průmyslovým protokolem ještě po mnoho let.

 

Původní článek publikovaný v roce 2019