Коды ошибок modbus rtu

Из данной статьи вы узнаете о протоколе Modbus RTU, который широко применяется в АСУ ТП. Англоязычная версия статьи доступна на сайте ipc2u.com. Описание протокола Modbus TCP можно найти в статье.

Оглавление:

• Описание протокола Modbus RTU
• Какие бывают команды Modbus RTU?
• Как послать команду Modbus RTU на чтение дискретного вывода? Команда 0x01
• Как послать команду Modbus RTU на чтение дискретного ввода? Команда 0x02
• Как послать команду Modbus RTU на чтение аналогового вывода? Команда 0x03
• Как послать команду Modbus RTU на чтение аналогового ввода? Команда 0x04
• Как послать команду Modbus RTU на запись дискретного вывода? Команда 0x05
• Как послать команду Modbus RTU на запись аналогового вывода? Команда 0x06
• Как послать команду Modbus RTU на запись нескольких дискретных выводов? Команда 0x0F
• Как послать команду Modbus RTU на запись нескольких аналоговых выводов? Команда 0x10
• Какие бывают ошибки запроса Modbus?
• Программы для работы с протоколом Modbus RTU
• Оборудование с поддержкой протокола Modbus RTU

Описание протокола Modbus RTU

Modbus — коммуникационный протокол, основан на архитектуре ведущий-ведомый (master-slave). Использует для передачи данных интерфейсы RS-485, RS-422, RS-232, а также Ethernet сети TCP/IP (протокол Modbus TCP).

Сообщение Modbus RTU состоит из адреса устройства SlaveID, кода функции, специальных данных в зависимости от кода функции и CRC контрольной суммы.

Если отбросить SlaveID адрес и CRC контрольную сумму, то получится PDU, Protocol Data Unit.

SlaveID – это адрес устройства, может принимать значение от 0 до 247, адреса с 248 до 255 зарезервированы.

Данные в модуле хранятся в 4 таблицах.

Две таблицы доступны только для чтения и две для чтения-записи.

В каждой таблице помещается 9999 значений.

В сообщении Modbus используется адрес регистра.

Например, первый регистр AO Holding Register, имеет номер 40001, но его адрес равен 0000.

Разница между этими двумя величинами есть смещение offset.

Каждая таблица имеет свое смещение, соответственно: 1, 10001, 30001 и 40001.

Ниже приведен пример запроса Modbus RTU для получения значения AO аналогового выхода (holding registers) из регистров от #40108 до 40110 с адресом устройства 17.

11 03 006B 0003 7687

В ответе от Modbus RTU Slave устройства мы получим:

11 03 06 AE41 5652 4340 49AD

Где:

Регистр аналогового выхода AO0 имеет значение AE 41 HEX или 44609 в десятичной системе.

Регистр аналогового выхода AO1 имеет значение 56 52 HEX или 22098 в десятичной системе.

Регистр аналогового выхода AO2 имеет значение 43 40 HEX или 17216 в десятичной системе.

Значение AE 41 HEX — это 16 бит 1010 1110 0100 0001, может принимать различное значение, в зависимости от типа представления.

Значение регистра 40108 при комбинации с регистром 40109 дает 32 бит значение.

Пример представления.

Наверх к оглавлению

Какие бывают команды Modbus RTU?

Приведем таблицу с кодами функций чтения и записи регистров Modbus RTU.

Наверх к оглавлению

Как послать команду Modbus RTU на чтение дискретного вывода? Команда 0x01

Эта команда используется для чтения значений дискретных выходов DO.

В запросе PDU задается начальный адрес первого регистра DO и последующее количество необходимых значений DO. В PDU значения DO адресуются, начиная с нуля.

Значения DO в ответе находятся в одном байте и соответствуют значению битов.

Значения битов определяются как 1 = ON и 0 = OFF.

Младший бит первого байта данных содержит значение DO адрес которого указывался в запросе. Остальные значения DO следуют по нарастающей к старшему значению байта. Т.е. справа на лево.

Если запрашивалось меньше восьми значений DO, то оставшиеся биты в ответе будут заполнены нулями (в направлении от младшего к старшему байту). Поле Byte Count Количество байт далее указывает количество полных байтов данных в ответе.

Пример запроса DO с 20 по 56 для SlaveID адреса устройства 17. Адрес первого регистра будет 0013 hex = 19, т.к. счет ведется с 0 адреса (0014 hex = 20, -1 смещение нуля = получаем 0013 hex = 19).

Состояния выходов DO 27-20 показаны как значения байта CD hex, или в двоичной системе 1100 1101.

В регистре DO 56-52 5 битов справа были запрошены, а остальные биты заполнены нулями до полного байта (0001 1011).

Модули с дискретным выводом: M-7065, ioLogik R1214, ADAM-4056S

Наверх к оглавлению

Как послать команду Modbus RTU на чтение дискретного ввода? Команда 0x02

Эта команда используется для чтения значений дискретных входов DI.

Пример запроса DI с регистров от #10197 до 10218 для SlaveID адреса устройства 17. Адрес первого регистра будет 00C4 hex = 196, т.к. счет ведется с 0 адреса.

Модули с дискретным вводом: M-7053, ioLogik R1210, ADAM-4051

Наверх к оглавлению

Как послать команду Modbus RTU на чтение аналогового вывода? Команда 0x03

Эта команда используется для чтения значений аналоговых выходов AO.

Пример запроса AO с регистров от #40108 до 40110 для SlaveID адреса устройства 17. Адрес первого регистра будет 006B hex = 107, т.к. счет ведется с 0 адреса.

Модули с аналоговым выводом: M-7024, ioLogik R1241, ADAM-4024

Наверх к оглавлению

Как послать команду Modbus RTU на чтение аналогового ввода? Команда 0x04

Эта команда используется для чтения значений аналоговых входов AI.

Пример запроса AI с регистра #30009 для SlaveID адреса устройства 17. Адрес первого регистра будет 0008 hex = 8, т.к. счет ведется с 0 адреса.

Модули с аналоговым вводом: M-7017, ioLogik R1240, ADAM-4017+

Наверх к оглавлению

Как послать команду Modbus RTU на запись дискретного вывода? Команда 0x05

Эта команда используется для записи одного значения дискретного выхода DO.

Значение FF 00 hex устанавливает выход в значение включен ON.

Значение 00 00 hex устанавливает выход в значение выключен OFF.

Все остальные значения недопустимы и не будут влиять значение на выходе.

Нормальный ответ на такой запрос — это эхо (повтор запроса в ответе), возвращается после того, как состояние DO было изменено.

Пример записи в DO с регистром #173 для SlaveID адреса устройства 17. Адрес регистра будет 00AC hex = 172, т.к. счет ведется с 0 адреса.

Состояние выхода DO173 поменялось с выключен OFF на включен ON.

Модули с дискретным выводом: M-7053, ioLogik R1210, ADAM-4051

Наверх к оглавлению

Как послать команду Modbus RTU на запись аналогового вывода? Команда 0x06

Эта команда используется для записи одного значения аналогового выхода AO.

Пример записи в AO с регистром #40002 для SlaveID адреса устройства 17. Адрес первого регистра будет 0001 hex = 1, т.к. счет ведется с 0 адреса.

Модули с аналоговым выводом: M-7024, ioLogik R1241, ADAM-4024

Наверх к оглавлению

Как послать команду Modbus RTU на запись нескольких дискретных выводов? Команда 0x0F

Эта команда используется для записи нескольких значений дискретного выхода DO.

Пример записи в несколько DO с регистрами от #20 до #29 для SlaveID адреса устройства 17. Адрес регистра будет 0013 hex = 19, т.к. счет ведется с 0 адреса.

В ответе возвращается количество записанных регистров.

Модули с дискретным выводом: M-7053, ioLogik R1210, ADAM-4051

Наверх к оглавлению

Как послать команду Modbus RTU на запись нескольких аналоговых выводов? Команда 0x10

Эта команда используется для записи нескольких значений аналогового выхода AO.

Пример записи в несколько AO с регистрами #40002 и #40003 для SlaveID адреса устройства 17. Адрес первого регистра будет 0001 hex = 1, т.к. счет ведется с 0 адреса.

Модули с аналоговым выводом: M-7024, ioLogik R1241, ADAM-4024

Наверх к оглавлению

Какие бывают ошибки запроса Modbus?

Если устройство получило запрос, но запрос не может быть обработан, то устройство ответит кодом ошибки.

Ответ будет содержать измененный Функциональный код, старший бит будет равен 1.

Пример:

Пример запроса и ответ с ошибкой:

Расшифровка кодов ошибок

Наверх к оглавлению

Программы для работы с протоколом Modbus RTU

Ниже перечислены программы, которые облегчают работу с Modbus.

DCON Utility Pro с поддержкой Modbus RTU, ASCII, DCON. Скачать

Modbus Master Tool с поддержкой Modbus RTU, ASCII, TCP. Скачать

Modbus TCP client с поддержкой Modbus TCP. Скачать

Наверх к оглавлению

Оборудование с поддержкой протокола Modbus RTU

Наверх к оглавлению

За более подробной информацией обращайтесь к специалистам IPC2U по телефону: +7 (495) 232 0207 или по e-mail: sales@ipc2u.ru

Основные понятия

Modbus — это протокол прикладного (седьмого) уровня модели OSI. Чаще всего он служит для обмена данными между устройствами автоматизации и реализован в виде «протокола ответов на запросы (request-reply protocol)».

В устройствах Wiren Board данные Modbus передаются по последовательным линиям связи RS-485. В последовательных линиях связи протокол RS-485 полудуплексный и работает по принципу «клиент-сервер». Каждое устройство в сети (кроме ведущего см. далее) имеет адрес от 1 до 247, адрес 0 используется для широковещательной передачи данных всем устройствам, а адреса 248–255 считаются зарезервированными согласно спецификации Modbus, их использование не рекомендуется.

Существует две спецификации протокола: Modbus RTU и Modbus ASCII. В Modbus RTU передается 11-битный символ, состоящий из 1 стартового бита, 8 бит данных (начиная с младшего бита), бит четности (необязателен) и 2 стоповых бита — если бит четности не передается, или 1 стоповый бит — если бит четности передается. Такой символ передает 1 байт данных. В устройствах Wiren Board по умолчанию бит контроля четности не передается и используется 2 стоповых бита. В Modbus ASCII каждый байт передается двумя символами, представляющими ASCII-коды младшей и старшей четырехбитной группы байта (пример). Modbus RTU передает больше информации при той же скорости последовательной линии, и в устройствах Wiren Board используется именно он. Все дальнейшее описание относится к Modbus RTU.

Ведущее устройство («мастер», или «клиент») периодически опрашивает «ведомое», или «сервер». Ведущее устройство не имеет адреса, передача сообщений от устройства-сервера ведущему без запроса ведущего в протоколе не предусмотрена.

Пакет данных Modbus выглядит, как это показано на рисунке. PDU (Protocol Data Unit) — общая часть пакета MODBUS, включающая код функции и данные пакета. ADU (Application Data Unit) — полный пакет MODBUS. Включает в себя специфичную для физического уровня часть пакета и PDU. Для последовательных линий в заголовке ADU передается адрес устройства, а в конце — контрольная сумма CRC16. Максимальный размер ADU в последовательных коммуникационных линиях составляет 253 байта (из максимальных, разрешенных спецификацией 256 байт вычитается 1 байт адреса и два байта контрольной суммы). Для справки — в Modbus TCP максимальная длина пакета составляет 260 байт.

Функция кодируется одним байтом и определяет, какое действие должно выполнить устройство-сервер. Значение кодов функций лежат в диапазоне от 1 до 255, причем коды от 128 до 255 зарезервированы для сообщений об ошибках со стороны устройства-сервера. Код 0 не используется. Размер блока данных может варьироваться от нуля до максимально допустимого. Если обработка запроса прошла без ошибок, то устройство-сервер возвращает пакет ADU, содержащий запрошенные данные.

• 

  Modbus-транзакция, прошедшая без ошибок

• 

  Modbus-транзакция с ошибками

При возникновении ошибки устройством возвращается код ошибки. При обычной транзакции код функции в ответе возвращается без изменений; при ошибке старший бит кода функции устанавливается в единицу (то есть код функции + 0x80). Так же есть таймаут ожидания ответа от ведомого устройства — бессмысленно долго ждать ответ, который, возможно, никогда и не придет.

Структуры данных Modbus

В Modbus принято кодировать адреса и данные в формате big-endian, то есть в формате, когда байты следуют, начиная со старшего: например, при передаче шестнадцатеричного числа 0x1234 сначала устройством будет принят байт 0x12, а затем — 0x34. Для передачи данных другого типа, например, чисел с плавающей запятой (float), текстовых строк, даты и времени суток и т.п. производитель может выбрать свой собственный способ кодирования — для расшифровки получаемых данных важно ознакомится со спецификацией производителя устройства.

Модель данных Modbus

Обмен данными с Modbus-устройствами происходит через регистры. В протоколе Modbus определяется четыре типа регистров, показанных в таблице:

Регистры флагов (Coils) хранят однобитные значения — то есть могут находится в состоянии 0 или 1. Такие регистры могут обозначать текущее состояние выхода (включено реле). Название «coil» буквально и означает обмотку-актюатор электромеханического реле. Регистры флагов допускают как чтение, так и запись.

Дискретные входы (Discrete Inputs) также являются однобитными регистрами, описывающими состояние входа устройства (например, подано напряжение — 1). Эти регистры поддерживают только чтение.

Регистры хранения (Holding Registers) и регистры ввода (Input Registers) представлены двухбайтовым словом и могут хранить значения от 0 до 65535 (0x0000 — 0xFFFF).
Регистры ввода допускают только чтение (например, текущее значение температуры). Регистры хранения поддерживают как чтение, так и запись (для хранения настроек). В настоящее время во многих устройствах, в частности в устройствах Wiren Board, эти регистры не разделяются. Команды на чтение регистра хранения N и регистра ввода N обратятся к одному и тому же значению в адресном пространстве устройства.

Адреса регистров

Регистры в стандарте Modbus адресуются с помощью 16-битных адресов. Адресация начинается с нуля. Адрес регистра, таким образом, может принимать значения от 0 до 65535.

Адресные пространства регистров, также называемые таблицами иди блоками, могут быть различны для всех четырёх типов регистров. Это значит, что значения регистров с одинаковым адресом, но разным типом, в общем случае разные.

Например, при чтении регистра флагов (coil) номер 42, регистра дискретного входа (Discrete), регистров ввода и хранения (Input и Holding) с теми же адресами, можно получить четыре разных значения.

Нестандартная адресация

В документации на некоторые, особенно старые, устройства адреса элементов (регистров) указываются в формате, не соответствующем стандарту. В этом формате тип элемента кодируется первой цифрой адреса, а адресация начинается не с нуля.

Например, регистр хранения с адресом 0 может записываться как 40001 или 400001, а Coil с адресом 0 как 000001.

В таблице перевода адресов в стандартный формат показаны диапазоны для двух разных нестандартных типов указания адресов и соответствующие им типы данных и диапазоны стандартных адресов.

Признаки использования нестандартной адресации:

• Адреса записываются в десятичном формате
• Во всех адресах пять или шесть цифр
• Адреса с недискретными данными (показания датчиков и т.п.) начинаются на 30 или 40

Часто рядом с нестандартными адресами указываются и адреса соответствующие стандарту, обычно в шестнадцатеричном формате.
Стоит отметить, что физически в пакете данных передаются адреса в стандартном формате, независимо от способа представления их в документации.

Пример описания регистров в документации

В готовых шаблонах устройств для контроллера Wiren Board есть шаблон для однофазного счетчика электроэнергии SDM220 (/usr/share/wb-mqtt-serial/templates/config-sdm220.json). В документации от производителя «Eastron SDM
220 Modbus Smart Meter Modbus Protocol Implementation V1.0» перечислены регистры и соответствующие им измеряемые параметры, например:

Производитель в таблице приводит и логические, и физические адреса регистров, что позволяет нам с легкостью создать шаблон устройства и проиллюстрировать связь между логическими и физическими адресами Modbus-регистров.

Коды функций чтения и записи регистров

В следующей таблице приведены наиболее распространенные коды функций Modbus:

Команды условно можно разделить по типам: чтение значений — запись значений; операция с одним значением — операция с несколькими значениями.

Формат данных запросов и ответов Modbus

Рассмотрим подробнее, как происходит обмен данными между устройством-клиентом, отправляющим запрос, и устройством-сервером, отвечающим ему.
На следующем рисунке показан обмен данными контроллера с устройством с адресом 0x01. Мы хотим прочесть 8 coil-регистров, начиная с первого.

В качестве данных мы получили шестнадцатеричное число 0x2D, то есть состояние восьми coil-регистров в двоичном виде такое: 0b10110100.

В следующей таблице приведены структуры данных запросов и ответов для основных функций Modbus.

Коды исключений (ошибки) Modbus

Если запрос не может по той или иной причине быть обработан устройством-сервером, то в ответ он отправляет сообщение об ошибке. Соообщение об ошибке содержит адрес Modbus-устройства, код функции, при выполнении которой произошла ошибка, увеличенный на 0x80, код ошибки и контрольную сумму:

В этом случае мы попытались обратиться к несуществующему адресу регистра 0xFFFF и попытались прочесть 8 регистров флагов. В результате мы получили код ошибки 0x03 — «В поле данных передано неверное значение».

Наиболее распространенные коды ошибок Modbus приведены в следующей таблице:

Вычисление контрольной суммы Modbus

Для протокола Modbus RTU 16-битная контрольная сумма (CRC) вычисляется по алгоритму, описанному в спецификации Modbus, в документе «Modbus Serial Line Protocol and Implementation Guide», раздел «CRC-generation». Передающее устройство формирует два байта контрольной суммы на основе данных сообщения, а принимающее устройство заново вычисляет контрольную сумму и сравнивает с полученной. Совпадение принятой и вычисленной контрольной суммы Modbus RTU считается индикатором успешного обмена данными.

В случае ограниченных вычислительных ресурсов для вычисления контрольной суммы существует функция, использующая табличные значения (также приведена в спецификации).

Расширение протокола Modbus от Wiren Board

Мы производим устройства, которые работают по стандартному протоколу Modbus RTU. Но протокол очень старый и имеет ряд недостатков, которые мы решили устранить с помощью своего расширения протокола.

Всё описываемое ниже справедливо только для Modbus-устройств Wiren Board.

Настраиваемое время задержки ответа устройством

Устройства работают по стандарту, поэтому отвечают master-устройству через 3.5 символа после конца кадра запроса.

Но некоторые сторонние master-устройства могут не соблюдать стандарт и после отправки запроса продолжают удерживать приемопередатчик в режиме отправки некоторое время.

В устройствах есть специальный регистр 113, в котором можно настроить время ответа slave-устройства в миллисекундах. Нужное значение подбирается опытным путём.

Стопбиты

Устройства всегда ожидают от мастера 1 стопбит, а отправляют ответ с 2.

Благодаря этому невозможно неправильно настроить стопбиты в master- и в slave-устройстве. Передача ответов более надежная даже, если мастер ожидает 1 стопбит. В последних прошивках настройка стопбита в регистре 112 игнорируется.

Режим сплошного чтения регистров

Часто на устройствах регистры расположены с зазором, который не позволяет читать все необходимые регистры подряд одной командой.

Мы добавили режим сплошного чтения, который активируется записью 1 в регистр 114. При активации можно запрашивать любой регион, который укладывается по длине в ограничения команды чтения.

При таком запросе устройство вернёт пакет со значением регистров. Если регистры отсутствуют в устройстве, то для них будет возвращено значение 0xFFFE.

Сканирование устройств на шине

Обычно инсталляция содержит несколько slave-устройств в щите или в поле на одной шине RS-485. Каждое устройство имеет адрес, который пользователь может менять. Обычно при монтаже адреса slave-устройств переписываются с корпуса устройства и вносятся вручную в конфигурацию мастера. Это не очень удобно.

Раньше для сканирования шины использовался специальный скрипт, который перебирал все возможные адреса на шине и ждал от них ответа в течение определённого времени. Процесс занимал несколько минут и зависел от настроек связи устройств: скорости, стоповых битов и т.п.

В расширении протокола мы добавили возможность быстро сканировать шину без необходимости выжидать таймаут для каждого несуществующего адреса. Более того, при сканировании могут быть обнаружены устройства с одинаковыми адресами, которым можно задать новые адреса не отключая устройства от шины! Также функция сканирования способна обнаружить на одной шине устройства с разными настройками связи.

Теперь можно собрать щит не обращая внимания на modbus-адреса устройств. В процессе сканирования будут прочитаны модели устройств, настройки связи, их серийные номера и адреса на шине. Притом, вы можете изменить адреса подключённых устройств, обращаясь к устройству по уникальному серийному номеру.

Описание расширенных команд и референсная реализация утилиты сканирования доступны в репозитории.

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. не более 1 мс.
Для скоростей более 19200 бод допускается
использовать интервалы 1,75 и 0,75 мс
соотвественно.

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.

Стандартные коды ошибок

01
Принятый код функции не может быть
обработан на подчиненном.

02
Адрес данных указанный в запросе не
доступен данному подчиненному.

03
Величина содержащаяся в поле данных
запроса является не допустимой

величиной
для подчиненного.

04
Невосстанавливаемая ошибка имела место
пока подчиненный пытался выполнить

затребованное
действие.

05
Подчиненный принял запрос и обрабатывает
его, но это требует много времени.

Этот
ответ предохраняет главного от генерации
ошибки таймаута.

06
Подчиненный занят обработкой команды.

Главный
должен повторить сообщение позже, когда
подчиненный освободится.

07
Подчиненный не может выполнить программную
функцию, принятую в запросе.

Этот
код возвращается для неудачного
программного запроса, использующего

функции
с номерами 13 или 14.

Главный
должен запросить диагностическую
информацию или информацию об

ошибках
с подчиненного.

08
Подчиненный пытается читать расширенную
память, но обнаружил ошибку паритета.

Главный
может повторить запрос, но обычно в
таких случаях требуется ремонт.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

5. Modbus

Протокол Modbus и сеть Modbus являются самыми распространенными в мире. Несмотря на свой возраст (стандартом де-факто Modbus стал еще в 1979 году), Modbus не только не устарел, но, наоборот, существенно возросло количество новых разработок и объем организационной поддержки этого протокола. Миллионы Modbus-устройств по всему миру продолжают успешно работать, а последняя версия описания протокола появилась в декабре 2006 г.

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 – многомастерный протокол с кольцевой передачей маркера и Modbus TCP, 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.

Физический уровень. В новых разработках на основе Modbus стандарт рекомендует использовать интерфейс RS-485 с двухпроводной линией передачи, но допускается применение четырехпроводной линии и интерфейса RS-232.

Modbus-шина должна состоять из одного магистрального кабеля, от которого могут быть сделаны отводы. Магистральный кабель Modbus должен содержать 3 проводника в общем экране, два из которых представляют собой витую пару, а третий соединяет общие («земляные») выводы всех интерфейсов RS-485 в сети. Общий провод и экран должны быть заземлены в одной точке, желательно около ведущего устройства.

Устройства могут подключаться к кабелю тремя способами: непосредственно к магистральному кабелю; через пассивный разветвитель (тройник); через активный разветвитель (содержащий развязывающий повторитель интерфейса).

В документации на устройство и на тройник должны быть указаны наименования подключаемых цепей.

На каждом конце магистрального кабеля должны быть установлены резисторы для согласования линии передачи, как это требуется для интерфейса RS-485. В отличие от физического интерфейса RS-485, в котором терминальные резисторы на низких скоростях обмена можно не использовать, стандарт на протокол Modbus формально требует применения терминальных резисторов для всех скоростей обмена. Их номинал может быть равным 150 Ом и мощность 0.5 Вт. Стандарт требует, чтобы в руководствах по эксплуатации устройств Modbus было сказано, имеются ли указанные резисторы внутри устройства, или их необходимо устанавливать при монтаже сети. Если требуются внешние резисторы, то они должны иметь номинал в интервале от 450 до 650 Ом и быть установлены только в одном месте в пределах каждого сегмента сети (сегментами считаются части сети между повторителями интерфейса).

Modbus-устройство обязательно должно поддерживать скорости обмена 9600 бит/с и 19200 бит/с, из них 19200 бит/с устанавливается «по умолчанию». Допускаются также скорости 1200, 2400, 4800,…,38400 бит/с, 65 кбит/с, 115 кбит/с,… .

Скорость передачи должна выдерживаться в передатчике с погрешностью не хуже 1%, а приемник должен принимать данные при отклонении скорости передачи до 2%.

Сегмент сети, не содержащий повторителей интерфейса, должен допускать подключение до 32 устройств, однако их количество может быть увеличено, если это допустимо исходя из нагрузочной способности передатчиков и входного сопротивления приемников, которые должны быть приведены в документации на интерфейсы. Указание этих параметров в документации является обязательным требованием стандарта.

Максимальная длина магистрального кабеля при скорости передачи 9600 бит/с и сечении жил более 0.13 кв. мм (AWG26) составляет 1 км. Отводы от магистрального кабеля не должны быть длиннее 20 м. При использовании многопортового пассивного разветвителя с N отводами длина каждого отвода не должна превышать значения 40 м/N.

Modbus не устанавливает конкретных типов разъемов, но если используются разъемы RJ45, mini-DIN или D-Shell, они должны быть экранированными, а цоколевки должны соответствовать стандарту.

Для минимизации ошибок при монтаже рекомендуется использовать провода следующих цветов: желтый – для положительного вывода RS-485 (на котором устанавливается логическая «1», когда через интерфейс выводится логическая «1»); коричневый – для второго вывода интерфейса RS-485; серый – для общего провода.

Типовым сечением кабеля является AWG 24 (0.2 кв. мм, диаметр провода 0.51 мм). При использовании кабеля категории 5 его длина не должна превышать 600 м. Волновое сопротивление кабеля желательно выбирать более 100 Ом, особенно для скорости обмена более 19200 бит/с.

Канальный уровень. Протокол Modbus предполагает, что только одно ведущее устройство (контроллер) и до 247 ведомых (модулей ввода-вывода) могут быть объединены в промышленную сеть. Обмен данными всегда инициируется ведущим. Ведомые устройства никогда не начинают передачу данных, пока не получат запрос от ведущего. Ведомые устройства также не могут обмениваться данными друг с другом. Поэтому в любой момент времени в сети Modbus может происходить только один акт обмена.

Адреса с 1 по 247 являются адресами Modbus устройств в сети, а с 248 по 255 зарезервированы. Ведущее устройство не должно иметь адреса и в сети не должно быть двух устройств с одинаковыми адресами.

Ведущее устройство может посылать запросы всем устройствам одновременно («широковещательный режим») или только одному. Для широковещательного режима зарезервирован адрес «0» (при использовании в команде этого адреса она принимается всеми устройствами сети).

Описание кадра (фрейма) протокола Modbus. В протоколе Modbus RTU сообщение начинает восприниматься как новое после паузы (тишины) на шине длительностью не менее 3.5 символов (14 бит), т.е. величина паузы в секундах зависит от скорости передачи.

Формат кадра показан на рисунке выше. Поле адреса всегда содержит только адрес ведомого устройства, даже в ответах на команду, посланную ведущим. Благодаря этому ведущее устройство знает, от какого модуля пришел ответ.

Поле «Код функции» говорит модулю о том, какое действие нужно выполнить.

Поле «Данные» может содержать произвольное количество байт. В нем может содержаться информация о параметрах, используемых в запросах контроллера или ответах модуля.

Поле «Контрольная сумма» содержит контрольную сумму CRC длиной 2 байта.

Структура данных в режиме RTU. В режиме RTU данные передаются младшими разрядами вперед. 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.

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.

Прикладной уровень. Прикладной уровень Modbus RTU 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.

Поле данных в сообщении, посланном от ведущего устройства ведомому, содержит дополнительную информацию, которую ведомое использует, чтобы выполнить функцию, указанную в поле «код функции». Поле данных может содержать значения состояний дискретных входов/выходов, адреса регистров, из которых надо считывать (записывать) данные, количество байт данных, ссылки на переменные, количество переменных, код подфункций и т. п.

Если ведомый нормально выполнил принятую от ведущего функцию, то в ответе поле «код функции» содержит ту же информацию, что и в запросе. В противном случае ведомый выдает код ошибки. В случае ошибки код функции в ответе равен коду функции в запросе, увеличенному на 128.

Содержание поля данных. В сообщении ведущего устройства ведомому поле данных содержит дополнительную информацию, необходимую для выполнения указанной функции. Например, если код функции указывает, что необходимо считать данные из группы регистров устройства ввода (код функции 03 hex), то поле данных содержит адрес начального регистра и количество регистров. Если ведущее устройство посылает команду записи данных в группу регистров (код функции 10 hex), то поле данных должно содержать адрес начального регистра, количество регистров, количество байтов данных и данные для записи в регистр.

Конкретное содержание поля данных устанавливается стандартом для каждой функции отдельно.

Описание протокола Modbus RTU

Сообщение Modbus RTU состоит из адреса устройства SlaveID, кода функции, специальных данных в зависимости от кода функции и CRC контрольной суммы.

Если отбросить SlaveID адрес и CRC контрольную сумму, то получится PDU, Protocol Data Unit. SlaveID – это адрес устройства, может принимать значение от 0 до 247, адреса с 248 до 255 зарезервированы. Данные в модуле хранятся в 4 таблицах. Две таблицы доступны только для чтения и две для чтения-записи. В каждой таблице помещается 9999 значений.

В сообщении Modbus используется адрес регистра. Например, первый регистр AO Holding Register, имеет номер 40001, но его адрес равен 0000. Разница между этими двумя величинами есть смещение offset. Каждая таблица имеет свое смещение, соответственно: 1, 10001, 30001 и 40001. Ниже приведен пример запроса Modbus RTU для получения значения AI аналогового выхода (holding registers) из регистров от #40108 до 40110 с адресом устройства 17.

11 03 006B 0003 7687