Протокол ModBUS TCP/IP

Modbus — это протокол последовательной связи, разработанный Modicon в 1979 году для использования с ПЛК. Протокол Modbus использует архитектуру Master-Slave (ведущий-ведомый), которая относительно недавно была переименована разработчиком в Client-Server. Согласно этому подходу, в сети выделяется клиентское (ведущее) устройство, которое периодически отправляет запросы на серверные (ведомые) устройства с целью чтения или записи их параметров. Все запросы может инициировать только клиентское устройство: передача сообщений от серверных устройств без предварительного опроса со стороны клиента в протоколе не предусмотрена.

Modbus TCP/IP использует TCP/IP и Ethernet для перемещения данных структуры сообщений Modbus между совместимыми устройствами. То есть, Modbus TCP/IP представляет собой физическую сеть (Ethernet), стандартный метод представления данных с сетевым стандартом (TCP/IP). Сообщение Modbus TCP/IP представляет собой просто сообщение Modbus, инкапсулированное в пакет Ethernet TCP/IP.

Все это позволяет эффективно применять данный протокол в системах управления и автоматизации тепломеханических процессов в котельных на объектах различного назначения гражданского и промышленного строительства. Посредством данного протокола Партнеры GLOBAL NAVIEN могут применять любые контроллеры сторонних производителей, поддерживающих данный стандарт. В России на объектах Заказчиками применяются зарекомендовавшие себя и прошедшие проверку временем контроллеры Партнеров по Автоматизации "Тепломонитор", "Майхит" и "МЗТА".

Modbus — это протокол прикладного (седьмого) уровня модели OSI (Open Systems Interconnection model). Он не зависит от нижележащих уровней и может использоваться совместно с другими протоколами, например Ethernet TCP/IP или UDP/IP, а в качестве физической среды для передачи сигналов применять последовательные интерфейсы RS-232, RS-422, RS-485, оптоволокно, радиоканалы и другое.

Протокол Modbus TCP/IP. Это простой в использовании протокол, предназначенный для Modbus RTU (Remote Terminal Unit). Является разновидностью протокола, которая в качестве физического уровня сети чаще всего использует последовательный интерфейс RS-485, реже — RS-232 и RS-422. По сути, все эти интерфейсы определяют связь с помощью витых пар, но различаются характеристиками вида максимальной длины кабеля, количества узлов и так далее.

Modbus ASCII. Это разновидность протокола, также работающая поверх интерфейсов RS-232/RS-485, но для кодирования сообщений использующая ASCII-символы. В целом, этот вариант протокола сейчас используется крайне редко — из-за сложностей кодирования и большого размера сообщений.

Modbus TCP. Это реализация ModBus в сетях Ethernet. Работает поверх TCP/IP стека. В отличие от Modbus RTU и ASCII, в Modbus TCP соединение устанавливается с конкретным устройством средствами TCP/IP. Поэтому адрес в пакете Modbus чаще всего игнорируется, а широковещательная рассылка сообщений не используется. Однако адрес может потребоваться, если соединение устанавливается со шлюзом, который, в свою очередь, выводит на сеть RS485 — чтобы далее общаться с устройствами уже на языке Modbus.

Modbus RTU (Remote Terminal Unit). Это разновидность протокола, которая в качестве физического уровня сети чаще всего использует последовательный интерфейс RS-485, реже — RS-232 и RS-422. По сути, все эти интерфейсы определяют связь с помощью витых пар, но различаются характеристиками вида максимальной длины кабеля, количества узлов и так далее. Протокол Modbus RTU использует протоколы последовательной связи, организованные в соответствии с архитектурой "ведущий/ведомый". Он широко используется из-за простоты и надежности, которые, в свою очередь, обеспечиваются 16-битным CRC (механизм проверки ошибок), используемым для безопасной передачи сообщений, отправляемых в виде двухбитных данных.

Протокол Modbus TCP/IP. Это простой в использовании протокол, предназначенный для контроля и управления устройствами автоматизации. Этот протокол, который обеспечивает связь в соответствии с топологией классической интернет-сети, передает данные со скоростью 100 Мбит/с с использованием стандартных интернет-карт. По протоколу TCP/IP можно установить несколько соединений. Устанавливается соединение между серверными/клиентскими устройствами и происходит передача данных. Любое устройство может быть клиентом или сервером, либо в системе может быть много серверов или клиентов. Скорость передачи данных в протоколе TCP/IP зависит от процессора и типа интернет-карты, используемых в устройствах..

Таким образом, ключевое отличие между Modbus RTU и Modbus TCP заключается в способе передачи данных: Modbus RTU использует последовательный интерфейс, а Modbus TCP — сетевое подключение. Выбор протокола зависит от конкретных требований системы и условий эксплуатации. Возможность использования уже существующей сети Ethernet делает Modbus TCP предпочтительнее для многих систем, тогда как Modbus RTU может быть использован в случаях, когда необходимо передавать данные на большие расстояния или в условиях с ограниченным доступом к сети.

Другим преимуществом Modbus TCP является его гибкость и масштабируемость. Протокол позволяет подключать большое количество устройств к сети, что делает его идеальным для использования в больших системах автоматизации и контроля.

Модель Modbus TCP также обеспечивает более простую настройку и администрирование. Он использует стандартные сетевые протоколы, что делает его совместимым с большинством существующего сетевого оборудования, и не требует дополнительных установок или настроек.

Однако следует отметить, что Modbus TCP имеет некоторые недостатки. Например, из-за использования TCP/IP, протокол может быть менее надежным при неполадках в сети. Также стоит отметить, что он обычно требует больше ресурсов для обработки данных, по сравнению с Modbus RTU.

В целом, Modbus TCP является современным и эффективным протоколом для обмена данными по сети Ethernet. Он обеспечивает высокую скорость передачи данных, гибкость и масштабируемость, и может быть использован в различных промышленных системах контроля и автоматизации.

Любое современное предприятие имеет инфраструктуру, включающую разнообразные устройства контроля и автоматики. Это измерительные датчики, исполнительные реле, контроллеры для сбора информации и управления, средства визуализации производственных или технологических процессов. В Modbus-RTU для соединения этого оборудования применяется, в основном, последовательный интерфейс RS-485. Передача/прием данных осуществляются по кабелям с витыми парами. Рабочая дальность варьируется в зависимости от числа задействованных проводников и скорости информационного обмена, и составляет 62,5 кбит/с - 10 Мбит/с. Концы магистральных кабелей терминируются резисторами для согласования линии. Один сетевой фрагмент состоит из 32-х оконечных устройств. При использовании активных разветвителей их количество увеличивается.

На прикладном уровне OSI задействуется Ethernet-протокол TCP/IP, а устройство сети идентично традиционной IP-сети с распределением пула IP-адресов среди всех Modbus-устройств. Территориально распределенные приборы объединяются в подсети при помощи Ethernet-коммутаторов.

В процессе обмена трафиком стандартный формат сообщения трансформируется. Происходит удаление Slave-ID адреса и добавление заголовка, содержащего IP-адрес конкретного устройства. Применяется метод инкапсуляции RTU-фреймов внутри Ethernet-пакетов.

Сеть строится по принципу взаимодействия серверов и клиентов посредством общения через многопортовые свитчи. Вопрос маршрутизации данных легко решается благодаря присвоению IP-адресов из выделенного адресного пространства и маски подсети.

Многие провайдеры предлагают возможность создания облачных IoT-платформ — для снижения затрат на разработку IoT-сервисов, обеспечения сбора данных и управления устройствами в real-time-режиме. И поддержка Modbus — обязательное условие для подобных решений, так как невозможно построить межмашинное взаимодействие без протокола, реализованного множеством поставщиков на тысячах различных устройств.

IoT (Internet of Things), то есть Интернет вещей, развивается день ото дня и становится все более заметным в нашей жизни. С другой стороны, устройства Интернета вещей, которые можно использовать в промышленности, должны соответствовать промышленными условиям эксплуатации и промышленным стандартам.

IIoT (Industrial Internet of Things) — это совместимая версия технологий IoT для всех отраслей. Широкое использование Интернета, позволяющее IoT работать в промышленной сфере, приводит к значительной экономии на заводах и всех промышленных объектах. Это помогает значительно увеличить возможности подключения, эффективность, масштабируемость, экономию времени и затрат.

Благодаря технологиям IIoT крупные объекты, фабрики и машины, построенные независимо друг от друга, теперь могут разговаривать друг с другом на одном языке.