Modbus: простыми словами о популярном протоколе для M2M-взаимодействия

Modbus — это сетевой протокол прикладного уровня, широко используемый в промышленном производстве для обмена данными между устройствами (Machine-to-Machine, M2M).

С момента разработки в 1979 году он не теряет своей популярности. Согласно статистике HMS Industrial Networks в 2021 году Modbus занимает 10% мирового рынка промышленных сетей (по 5% приходится на Modbus RTU и Modbus TCP).

В статье расскажем об основных особенностях протокола Modbus, его преимуществах и недостатках, а также наиболее частых сценариях использования.

Базовые принципы работы Modbus

Modbus использует архитектуру Master-Slave, 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.

Пакет данных Modbus включает в себя постоянную часть PDU (Protocol Data Unit), общую для всех реализаций протокола и состоящую из кода функции и данных. Кроме этого, возможен ряд специфических полей, которые будут различаться в зависимости от физического уровня сети — чаще всего это адрес серверного устройства и контрольная сумма для выявления ошибок. С учетом дополнительных полей полный пакет Modbus носит название ADU (Application Data Unit). Рассмотрим более подробно каждое поле пакета ADU в обобщенном виде. Особенности, присущие различным вариантам протокола, будут описаны в следующем разделе.

• Адрес серверного устройства (Additional address). Определяет, по какому адресу следует отправить клиентский запрос. Может принимать значения в диапазоне от 1 до 247. Адрес 0 используется для широковещательной передачи данных от клиента всем серверным устройствам (ответ сервера при этом не предусмотрен), а адреса 248–255 считаются зарезервированными.
  
  В некоторых реализациях протокола поле игнорируется — например, в Modbus TCP, где чаще всего применяется стандартная IP-адресация.
• Код функции (Function code). Определяет, какое действие необходимо выполнить серверному устройству. Значения кодов функций лежат в диапазоне от 1 до 255, причем коды от 128 до 255 зарезервированы для сообщений об ошибках. Код 0 не используется.
  
  Для кодов из диапазонов 65-72 и 100-110 пользователи могут реализовать собственные функции (User-Defined Function Codes). Некоторые коды, например 9, 10, 13 и другие, зарезервированы определенными поставщиками для своего оборудования и закрыты для общего использования (Reserved Function Codes). Не входящие в эти два подмножества коды относятся к публичным (Public Function Codes) — это задокументированные функции, находящиеся в открытом доступе.
• Данные (Data). Данные, необходимые для выполнения выбранной функции на серверном устройстве. Чаще всего это адреса регистров для чтения или записи, их количество и так далее. Длина и формат поля зависят от кода функции. Некоторые функции не требуют передачи данных.
• Контрольная сумма (Error check). Содержит рассчитанное при помощи специального алгоритма число для проверки целостности пакета. В качестве алгоритма для расчетов используется CRC-16 или LRC-8. В некоторых реализациях протокола поле отсутствует — например, в Modbus TCP, где контроль целостности пакета обеспечивается средствами протокола TCP/IP.

Рассмотрим передачу пакетов в Modbus. Протокол обеспечивает клиент-серверное взаимодействие в режиме Request/Response. Клиент инициирует запрос в серверное устройство, передавая в PDU код функции и данные. В зависимости от физического уровня сети в пакете могут быть дополнительные поля, рассмотренные выше.

Если обработка запроса проходит без ошибок, то сервер возвращает пакет, содержащий исходный код функции и запрошенные данные.

При возникновении ошибки серверное устройство возвращает в качестве данных код исключения, а вместо исходного кода функции — его значение, увеличенное на 128 (0x80 в шестнадцатеричной системе HEX).

Также предусмотрены тайм-ауты на стороне клиента во избежание длительного ожидания ответа от вышедших из строя устройств.

Разновидности Modbus: ASCII, TCP и RTU

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.

Опишем отличия наиболее известных реализаций протокола Modbus: RTU, ASCII и TCP.

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.

Формат пакета Modbus RTU в целом совпадает с обобщенной формой, описанной ранее: дополнительные поля не используются. Контроль целостности пакетов ведется с помощью алгоритма CRC-16.

Важная особенность Modbus RTU в том, что для разделения пакетов должны использоваться временные паузы продолжительностью не менее чем произведение 3,5*t, где t — время передачи одного байта в текущей сети. А передача байтов данных в пределах одного пакета производится последовательно с промежутком времени между соседними байтами не более 1,5*t, иначе передача будет считаться ложной. Эти правила не дают использовать Modbus RTU в медленных, например модемных, сетях.

Modbus ASCII. Это разновидность протокола, также работающая поверх интерфейсов RS-232/RS-485, но для кодирования сообщений использующая ASCII-символы.

По сравнению с Modbus RTU в формате пакета добавляются еще два поля — специальные символы для отметки начала и конца сообщения: двоеточие и символы возврата каретки / перевода строки. Временные паузы между пакетами не нужны. Для проверки целостности применяется алгоритм LRC-8.

В целом этот вариант протокола сейчас используется крайне редко — из-за сложностей кодирования и большого размера сообщений. Однако он может стать хорошей альтернативой Modbus RTU на линиях с сетевыми задержками и оборудовании с менее точными таймерами.

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.

Контроль целостности пакетов также обеспечивается средствами протокола TCP/IP, поэтому нет необходимости в его Modbus-реализации.

Наряду с адресом в заголовке пакета Modbus TCP присутствует ряд дополнительных полей:

1. ID транзакции (или ID обмена)

   Чаще всего заполняется нулями. Необходим для случаев, когда клиентское устройство отправляет несколько сообщений, не дожидаясь ответа на предыдущие, чтобы затем связать ответы с запросами.

2. ID протокола

   Всегда заполняется нулями, зарезервирован для будущего использования.

3. Длина остатка пакета

   Длина оставшейся части пакета: адреса и PDU (кода функции и данных).

Мы рассмотрели только открытые и самые распространенные реализации протокола Modbus. Но их гораздо больше, например MODBUS Plus — проприетарный протокол от Schneider Electric, поддерживающий режим Multi-Master.

Регистры и функции Modbus

Так как Modbus предназначен для работы с промышленной автоматикой, обмен данными с Modbus-устройствами происходит через регистры. Они делятся на входы и выходы. Входы можно только читать, а выходы — читать и писать. Бывают 1-битные регистры Modbus для описания дискретных входов/выходов (Discrete Inputs и Coils) и 16-битные регистры для аналоговых входов/выходов (Input Registers и Holding Registers).

Доступ к регистрам осуществляется с помощью 16-битного адреса. Первому элементу в каждой группе регистров соответствует адрес 0. То есть адрес любого регистра может принимать значения из диапазона 0-65535 (0x0000-0xFFFF в HEX-формате). При этом спецификация протокола не определяет, что физически из себя представляют адресные пространства и по каким внутренним адресам устройства должны быть доступны регистры. В общем случае значения регистров с одинаковым адресом, но разными типами отличаются друг от друга.

Для работы с каждым типом регистров определены функции чтения и записи. Наиболее часто используемые функции описаны ниже.

Для каждой функции в спецификации протокола Modbus определена структура PDU: какие данные и в каком порядке должны использоваться в запросах и ответах. Рассмотрим формирование пакетов Modbus RTU на примере функции Read Coils с кодом 1. Эта функция, кроме передачи собственного кода, требует наличия в запросе адреса первого Coil-регистра и количества регистров, которые необходимо прочитать. В случае успешного выполнения запроса в ответе будут возвращены код функции, число байт, необходимое для вывода запрошенных Coil-регистров, и статус всех этих регистров.

Предположим, нам нужно обратиться к серверному устройству с адресом 1 и прочитать 19 его Coil-регистров с номерами 20–38. Адресация регистров ведется с 0, поэтому адрес первого нужного нам регистра будет 0x13 (это 19 в HEX-системе). Требуемое для чтения количество регистров также будет равно 0x13 (для чтения запрошено 19). В качестве адреса и кода функции указываем 01. Контрольная сумма формируется по алгоритму CRC-16 на основе других полей пакета.

В случае отсутствия ошибок в ответе вернутся без изменений адрес серверного устройства и код функции. Для расчета числа байтов, которые потребуются для возврата состояния регистров, нужно разделить запрошенное количество регистров на 8 и к результату прибавить 1, если остаток от деления не равен 0. В нашем случае результат деления 19 на 8 равен 2, но остаток положительный — поэтому для вывода регистров потребуется 2+1=3 байта. Это значение будет указано в ответе после кода функции. И далее будут следовать 3 байта, описывающие состояние выбранных регистров. Например, первый байт будет описывать состояние 8 Coil-регистров с номерами 27-20. Если в поле, к примеру, содержится HEX-значение CD — статус соответствующих 8 регистров такой: 1100 1101.

Если в процессе обработки запроса на серверном устройстве возникнет ошибка (например, обнаружен несуществующий адрес регистра), то в ответе будет содержаться измененный код функции, равный исходному коду плюс смещение 0x80 — в нашем примере 0x81, и код исключения — в нашем примере 03, что значит неверный формат запроса. С полным перечнем возможных исключений можно ознакомиться в документации.

Преимущества и недостатки Modbus

К преимуществам Modbus относятся:

1. Простота реализации, диагностики и отладки

   Использование стандартных интерфейсов (RS-232/RS-485 и Ethernet) делает Modbus удобным как для разработчиков, так и для пользователей оборудования. При разработке контроллеров и устройств не нужно устанавливать заказные микросхемы для реализации протокола, в отличие от конкурентов-аналогов Profibus и CAN.

2. Высокая скорость внедрения

   Для развертывания первого Modbus-решения нужно всего пара дней, тогда как некоторые протоколы требуют месяцев на подготовку.

3. Нетребовательность к ресурсам

   Разработанный в эпоху 8-битных процессоров, Modbus не предъявляет высоких требований к CPU и RAM. Для начала работы требуется минимум оборудования, и разработка проста в любой операционной системе.

4. Высокая надежность и достоверность при передаче данных

   Поддержка CRC и LRC позволяет определять ошибки в передаче данных с высокой точностью.

5. Универсальность и открытость

   Практически все промышленные АСУ ТП имеют программные драйверы для работы с Modbus-сетями. Благодаря этому Modbus принято считать стандартом де-факто в интеграции мультивендорного оборудования. Протокол реализован сотнями поставщиков на множестве различных датчиков и исполнительных устройств для передачи дискретной и аналоговой информации. Благодаря единому протоколу устройства от различных производителей могут без труда общаться друг с другом.

Разумеется, у использования протокола есть и недостатки:

1. Отсутствие встроенной аутентификации и шифрования передаваемых данных

   Поэтому при использовании протокола Modbus TCP необходимо настраивать дополнительные VPN-тоннели. Относительно недавно для Modbus TCP было разработано расширение Modbus Security (с поддержкой TLS), но оно пока не получило широкого распространения.

2. Отсутствие начальной инициализации системы

   Назначать сетевые адреса и настраивать параметры каждого конкретного устройства требуется вручную. Некоторые производители разрабатывают шаблоны для своих Modbus-устройств, но это не упрощает их взаимодействие с контроллерами и ПО других производителей.

3. Спецификации для ограниченного набора типов данных

   В протоколе определен метод передачи только для битов и 16-битных регистров. С другими типами данных (строки, числа с плавающей запятой и так далее) различные производители Modbus-решений поступали по собственному усмотрению. По этой причине впоследствии невозможно было внести дополнения в протокол, так как это могло привести к проблемам из-за уже существующего несовпадения форматов.

4. Недостатки Master-Slave-взаимодействия

   Модель «ведущий — ведомый», изначально положенная в основу протокола, предполагает обмен данными только по инициативе клиентского (ведущего) устройства, которое по очереди опрашивает все серверные (ведомые). Из-за этого возникают следующие ограничения:

   • У серверных устройств нет возможности отправить оперативную информацию клиенту (например, сигнал прерывания): нужно ждать своей очереди в опросе.
   • Серверные устройства не способны обнаружить потерю связи с клиентом.
   • Серверные устройства не могут обмениваться данными друг с другом без участия клиента.
5. Отсутствие поддержки режима Multi-Master для интерфейсов RS-232/RS-485

   Другие протоколы, основанные на этих же интерфейсах, поддерживают работу с несколькими ведущими устройствами (например, CAN и Profibus).

Однако стоит отметить, что именно описанные выше недостатки обеспечивают простоту использования протокола и высокую скорость его промышленного внедрения. В какой-то степени отсутствие «лишнего» функционала в Modbus и есть его главное достоинство.

Где используется Modbus

Чаще всего Modbus применяется для передачи сигналов от контрольно-измерительных приборов к главному контроллеру или системе сбора данных. Основные сценарии использования Modbus:

• Клиент-серверные приложения для мониторинга и программирования устройств (в том числе дистанционного) в промышленности, строительстве, инфраструктуре, транспорте, энергетике. Примеры: мониторинг энергопотребления, контроль производственных процессов, надзор за ходом строительства и так далее.
• Передача данных от датчиков и приборов интеллектуальным устройствам в интернете вещей (Internet of Things, IoT).
• Связь диспетчерских компьютеров с удаленными терминалами в SCADA-системах.
• Приложения, где требуется беспроводная связь, например в газовой и нефтяной промышленности.

Несмотря на свой возраст, Modbus активно используется и с современными технологиями — например, он отлично чувствует себя в облаке. 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 — обязательный пункт для подобных решений, так как невозможно построить межмашинное взаимодействие без протокола, реализованного множеством поставщиков на тысячах различных устройств.

Такая сочетаемость с современными трендами лишний раз показывает, что за прошедшие годы Modbus не только не утратил своей популярности, но и до сих пор остается одним из самых востребованных протоколов в промышленной производственной среде.