マシンの通信方法：Modbusプロトコル

Modbusプロトコルは、 M2M通信用の最も一般的な業界プロトコルです。 これは事実上の標準であり、産業機器のほぼすべてのメーカーによってサポートされています。

その汎用性と開放性により、この規格ではさまざまなメーカーの機器を統合できます。 Modbusは、センサーからの読み取り値の収集、リレーとコントローラーの制御、監視などに使用されます。

この記事では、Modbusプロトコルの実装、データ形式、プロトコルを操作するためのソフトウェアを分析します。 実際にデバイスからデータを読み取ってみましょう。

Modbusの歴史

Modbusは1979年にModicon（現在のSchneider Electric）によって導入されました。 RS-232インターフェースで動作するオープンスタンダードでした。 後に、RS-485およびModbus TCPインターフェースのプロトコル実装が登場しました。 このプロトコルはすぐに人気を博し、多くのメーカーがデバイスに実装し始めました。

その後、プロトコルの権利は非営利組織Modbus Organizationに移管されました。ModbusOrganizationは今日まで標準を所有しています。

Modbus規格では、 ラダーロジックから派生した用語を使用しています。 したがって、たとえば、一部のレジスタはコイル（英語コイル）と呼ばれます。

身体レベル

• RS-232 / 422/485は、業界で広く使用されているシリアルインターフェイスです。 RS-422 / 485インターフェースは、最大1200メートルの信号範囲を提供します。 使用されるModbus RTU / ASCIIプロトコル
• TCP / IPネットワーク -イーサネットインターフェイスは物理データ伝送チャネルになります。 Modbus TCPプロトコルの使用

論理レベル

Modbusプロトコルの違い

Modbus ASCII

データはASCIIテーブルの文字でエンコードされ、16進形式で送信されます。 各パケットの開始はコロンで示され、終了はキャリッジリターンとラインフィードで示されます。 これにより、遅延が長い回線やタイマーの精度が低い機器でプロトコルを使用できます。

Modbus RTU

Modbus RTUプロトコルでは、データはバイナリ形式でエンコードされ、時間間隔はパケットセパレーターとして機能します。 このプロトコルは遅延にとって重要であり、たとえばモデム回線では機能しません。 同時に、メッセージの長さが短いため、データ転送のオーバーヘッドはModbus ASCIIよりも小さくなります。

Modbus TCP

パケット構造はModbus RTUに似ており、データもバイナリ形式でエンコードされ、IPネットワークでの送信用に通常のTCPパケットにパッケージ化されます。 TCPにはすでに独自の整合性制御メカニズムがあるため、Modbus RTUで使用される整合性チェックは適用されません。

パッケージ形式

さまざまなModbus実装のパッケージ形式

すべてのModbusデバイスは、マスタースレーブモデルに従って通信します。 要求はマスターデバイスによってのみ開始でき、スレーブは要求にのみ応答でき、自分でデータ転送を開始することはできません。 プロトコルの実装に応じて、パケットヘッダーは異なります。 知っておくべき重要なパッケージの主なコンポーネントは次のとおりです。

ADU（アプリケーションデータユニット） -すべてのヘッダー、PDU、チェックサム、アドレス、トークンを含むModbusパッケージ全体。 プロトコルの実装によって異なります。

PDU（プロトコルデータユニット） -パッケージの主要部分。プロトコルのすべての実装で同じです。 ペイロード自体が含まれます。

デバイスアドレス-受信者、つまりスレーブデバイスのアドレス。 Modbusネットワークの1つのセグメントに最大247台のデバイスを配置できます。 スレーブのみが異なるアドレスを持ち、マスターはアドレスを持ちません。 アドレス「0」はマスターからのブロードキャスト要求に使用されますが、スレーブはこれらのブロードキャストパケットに応答できません。

チェックサム -パケット整合性チェックアルゴリズム。 Modbus RTUおよびASCIIは2バイトのチェックサムを使用します。 Modbus RTUはCRC16アルゴリズムを使用し、Modbus ASCIIはよりシンプルで信頼性の低いLRC8を使用します。 Modbus TCPでは、TCPレベルで整合性がチェックされるため、チェックサムはADUに追加されません。

プロトコルの個々の実装に固有の追加のヘッダーは分析しません。これは、アプリケーションレベルでプロトコルを操作する場合は重要ではないためです。

Modbusレジスタと機能

簡略化された形式では、Modbusリクエストの構造は、機能コード（読み取り/書き込み）と、読み取りまたは書き込みが必要なデータで構成されます。 同時に、機能コードはデータ型ごとに異なります。 レジスタとは何か、それらを操作するための機能を分析します。

• 離散入力 -デバイスの離散入力は読み取り専用です。 レジスタアドレスの範囲：10001から19999。それらは機能「02」を持っています-レジスタのグループを読み取ります
• コイル -デバイスの個別出力、または内部値。 読み書きが可能です。 レジスタアドレスの範囲は20001〜29999です。機能は次のとおりです。「01」-レジスタグループの読み取り、「05」-単一レジスタの書き込み、「15」-レジスタグループの書き込み
• 入力レジスタ -16ビットデバイス入力。 読み取り専用。 レジスタアドレスの範囲：30001〜39999。機能あり： "04"-レジスタのグループを読み取ります。
• 保持レジスタ -16ビットデバイス出力、または内部値。 読み書きが可能です。 レジスタアドレスの範囲：40001〜49999。

名前にもかかわらず、入力と出力は実際には内部変数であるか、カウンター、フラグを格納するか、制御トリガーである可能性があります。 他の範囲のレジスタもありますが、大部分のデバイスでは使用されないため、4つの主要なタイプのレジスタを検討します。 デバイスが異なれば、異なるレジスタ範囲を使用することも、一度にすべて使用することもできます。

作業例

Modbus TCPプロトコルを使用する例については、Rubyで書かれた最も単純なコンソールユーティリティmodbus-cliを使用します。 Modbusレジスタへのデータの読み書きを簡単にします。

産業用スイッチAdvantech EKI-5524SSIで送信されたパケットのカウンターのステータスを読み取ってみましょう。 まず、必要な情報を保存するレジスタのアドレスを決定する必要があります。 そのためには、デバイスのドキュメントをご覧ください。 レジスタの説明は、Modbusマッピングテーブルセクションにあります。


EKIスイッチのドキュメントのレジスタ値の説明

1つのポートの送信パケットの値は4つのレジスタに格納され、最初のポートの場合はレジスタ38193〜38197であることがわかります。データ格納形式についても説明します。 0xAB4130として、右から左に書かれています。

リクエストをする：

$ modbus read 192.168.0.17 38193 4 38193 0x0000 38194 0x0000 38195 0x0000 38196 0x3459 

readは読み取りコマンドです。 プログラム自体は、レジスタのアドレスに応じて、使用する特定の読み取りコマンドを認識します。この場合、「04」コマンドを使用して16ビットレジスタを読み取ります。

192.168.0.17-デバイスのIPアドレス。

38193-レジスタの開始アドレス。

4-開始アドレスからのオフセット。 データシートから次のように、ポート1の4つのレジスタを読み取ります。

4つのレジスタの値を含む回答が得られます。 パケット数が少ないことがわかります：0x3459、つまり13401-スイッチは最近オンになりました。

Modbusプロトコルの欠点

公平には、プロトコルの欠点に言及する価値があります。 40年以上前に開発されたため、プロセッサのパフォーマンスが大幅に低下し、データ保護を考慮せずにプロトコルが開発されたため、多くのマイナス面があります。

• このプロトコルは、送信データの認証と暗号化を提供しません。 したがって、Modbus TCPを使用する場合、追加のVPNトンネルを使用する必要があります。
• スレーブデバイスはデータ転送を開始できないため、マスターは常にスレーブをポーリングする必要があります
• スレーブデバイスは、マスターとの接続の喪失を検出できません。 この問題は前の問題から直接続きます。

しかし、すべての欠点にもかかわらず、Modbusは依然として最も一般的な産業用プロトコルであり、そのオープン性のおかげで、異なるメーカーのデバイスを簡単に組み合わせることができます。 リソース要件が低いため、プロトコルを最も低電力のデバイスに統合できます。

Modbus対応ハードウェア

アドバンテックは、自動化、制御、データ収集、伝送などのあらゆるタスクをサポートするModbusプロトコルを備えた幅広い産業機器を提供しています。

ADAM-6000およびWISE-4000-リモートI / Oモジュール

ADAM-6000およびWISE-4000シリーズのモジュールを使用すると、Modbus TCPプロトコルを使用してデジタルおよびアナログの入出力をリモートで制御できます。 周辺機器を制御し、スレーブモードでデータを収集するために使用されます。 プログラマブルロジックコントローラーとペアにすることも、SCADAサーバーに直接接続することもできます。 ⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀

EKI-1200-インターフェース変換用のModbusゲートウェイ

Modbus RTU / ASCIIプロトコルをModbus TCPに変換するには、Modbusゲートウェイが使用されます。 EKI-1200シリーズのデバイスには、最大4つのシリアルRS-232 / 422/485インターフェースと2つのイーサネットポートが搭載されています。 これらを使用すると、異なるプロトコルのデバイスを1つのネットワークに結合できます。 たとえば、RS-485インターフェースを介してModbus RTUのみをサポートするスレーブデバイスをModbus TCPネットワークセグメントに接続します。

APAX-5000、ADAM-3600、WISE-5000-自動化コントローラー

コントローラーは、スレーブ/マスターおよびModbus TCPクライアント/サーバーとしてModbus RTU機能をサポートします。

応用例

温室監視システム

アドバンテックの監視ソリューションは、TPC-1070H、ADAM-6024、ADAM-6050、ADAM-6060、およびWebAccessソフトウェアを農地の隣の機械キャビネットに統合します。 さまざまな敏感なデバイスに接続することで、ADAM-6000モジュールはリアルタイムの環境データを受信し、機器の切り替えを監視して、温室が植物の成長に最適な環境にあることを確認できます。 アドバンテックの特別な機能であるグラフィカル条件ロジック（GCL）により、ユーザーは独自の制御ロジックルールを定義し、これらのルールをADAM-6000イーサネットI / Oモジュールにロードすると、モジュールはスタンドアロンモジュールのような論理ルールを自動的に実行します。 コントローラー。 別の機能-ピアツーピア（P2P）は、最もオープンで柔軟なイーサネットネットワークを使用して、コントローラーなしで実装プロセスを簡素化するだけでなく、ハードウェアコストも節約します。

すべての受信データは、TPC-1070Hタッチパネルを備えたコンピューターにイーサネット経由で送信されます。 ファンレス冷却システムとIP65に準拠したフロントパネルを備えたTPC-1070Hは、変化する動作環境に適した堅牢でコンパクトなデザインであり、その強力なコンピューティング機能は大量のデータを処理できます。 デバイスを管理するために、Advantech WebAccessを使用すると、エンジニアやマネージャーは、タブレットやスマートフォンなどのデバイスから標準のWebブラウザーを使用して、イントラネットまたはインターネット経由で監視システムを表示、監視、および構成できます。

太陽熱温水システムの監視

エンジニアリング会社は、新しく開発されたソーラーパネルによって提供されるオリンピックサイズのプール用の太陽熱温水システムの太陽エネルギー、温度、および水の流量を制御できなければなりませんでした。 また、これらの値とアラームをLCDパネルで直接追跡し、将来の参照のためにこれらの値を保存できる必要があります。

Advantech Adamモジュールは、RS485を介して接続されたデータ収集モジュールと、すべてのセンサーからデータを送信するための2線式バスを利用したソリューションを顧客に提供しました。 このシステムアーキテクチャには、主に2つの利点があります。1つ目は、いつでもデータ収集モジュールにセンサーを追加できることです。2つ目は、PCでこれらの値を監視および記録するためのタグをソフトウェアに追加することは非常に簡単です。