پروتکل Modbus چیست؟

مقدمه

برای بررسی کاربرد این موضوع در خانه، هوشمندسازی خانه در شهریار؛ از کجا شروع کنیم و چه تجهیزاتی نیاز داریم؟ را هم بخوانید.

Modbus یک پروتکل درخواست-پاسخ است که با استفاده از رابطه master-slave پیاده سازی شده است.

در یک رابطه master-slave، ارتباط همیشه به صورت جفت اتفاق می افتد.

یک دستگاه باید یک درخواست را آغاز کند و سپس منتظر پاسخ باشد و دستگاه آغازگر (master) مسئول شروع هر تعامل است. به طور معمول، Master یک رابط ماشین انسانی (HMI) یا سیستم کنترل نظارتی و جمع آوری داده (SCADA) است و Slave یک سنسور، کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی (PLC) یا کنترل کننده اتوماسیون قابل برنامه ریزی (PAC) است.

محتوای این درخواست‌ها و پاسخ‌ها و لایه‌های شبکه‌ای که این پیام‌ها از طریق آن ارسال می‌شوند، توسط لایه‌های مختلف پروتکل تعریف می‌شوند.

Modbus یک پروتکل ارتباطی سریالی است که توسط Modicon در سال 1979 برای استفاده در کنترل کننده های منطقی قابل برنامه ریزی (PLC) منتشر شد.

ساختاری ساده و مستحکم دارد و از آن زمان به یکی از پروتکل های استاندارد تبدیل شده است. به یکی از رایج ترین پروتکل ها برای اتصال دستگاه های الکترونیکی صنعتی تبدیل شده است.

دلایل استفاده گسترده از پروتکل Modbus در محیط های صنعتی عبارتند از:

1. برای کاربردهای صنعتی توسعه یافته و گسترش یافته است.
2. به صورت رایگان منتشر شده است.

3 گسترش و نگهداری آسان است.

Modbus برای ارتباط با بسیاری از (حدود 240) دستگاه های متصل به یک شبکه استفاده می شود، به عنوان مثال، این پروتکل را می توان برای اتصال دما و رطوبت به یک کامپیوتر استفاده کرد. Modbus اغلب برای برقراری ارتباط با RTU های کامپیوتر مانیتورینگ در سیستم های SCADA استفاده می شود. مدباس توسط سازمان مدیریت مدباس توسعه و به روز رسانی شده است.

این سازمان از کاربران مستقل و تامین کنندگان دستگاه های سازگار با پروتکل Modbus تشکیل شده است.

از آوریل 2004، توسعه و به روز رسانی پروتکل های مدباس توسط سازمان مدباس  مدیریت می شود، زمانی که اشنایدر الکتریک حقوق را به آن سازمان منتقل کرد. Modbus انجمنی از کاربران و تامین کنندگان دستگاه های سازگار با Modbus است که از ادامه استفاده از این فناوری پشتیبانی می کند.سازمان Modbus یک انجمن تجاری برای ترویج و توسعه پروتکل Modbus است.

محدودیت ها

از آنجایی که Modbus در اواخر دهه 1970 برای برقراری ارتباط با کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی طراحی شد، تعداد انواع داده‌ها محدود به آن‌هایی بود که PLC‌ها در آن زمان می‌دانستند. اشیاء باینری بزرگ پشتیبانی نمی شوند.

هیچ روش استانداردی برای یک گره برای یافتن توصیفی از یک شی داده وجود ندارد، به عنوان مثال، یاد بگیرید که مقدار پایداری دمایی بین 30 تا 175 درجه را نشان می دهد.

از آنجایی که Modbus یک پروتکل کلاینت/سرور است. هیچ راهی برای یک دستگاه فیلد برای دریافت داده ها از طریق مکانیزم کنترل رویداد وجود ندارد (به جز از طریق اترنت TCP / IP، که open-mbus نامیده می شود)، زیرا گره مشتری معمولاً باید هر دستگاه فیلد را بررسی کرده و آن را دنبال کند.

تغییرات در داده ها

Modbus به آدرس دهی 247 دستگاه در یک پیوند داده محدود می شود، که تعداد دستگاه های میدانی را که ممکن است به ایستگاه والد متصل شوند محدود می کند.

خود پروتکل Modbus هیچ گونه امنیت در برابر دستورات غیرمجاز یا رهگیری داده ها را فراهم نمی کند.

ارتباطات و دستگاه ها

به هر دستگاهی که با یک Modbus ارتباط برقرار می کند (یعنی انتقال داده) یک آدرس منحصر به فرد داده می شود.

در Modbus RTU، Modbus ASCII و Modbus Plus که همگی شبکه های چند قطره تک کابلی RS-485 هستند، فقط گره اختصاص داده شده توسط مشتری می تواند یک دستورالعمل را آغاز کند. تمام دستگاه های دیگر سرورهایی هستند که به درخواست ها و دستورات پاسخ می دهند.

برای پروتکل هایی که از اترنت استفاده می کنند، مانند Modbus TCP، هر دستگاه می تواند یک فرمان Modbus ارسال کند، بنابراین همه آنها می توانند به عنوان کلاینت عمل کنند، اگرچه معمولاً فقط یک دستگاه این کار را می کند. بسیاری از مودم ها و دروازه ها از Modbus پشتیبانی می کنند زیرا یک پروتکل ساده و اغلب کپی شده است. برخی از آنها به طور خاص برای این پروتکل طراحی شده اند.

پیاده سازی های مختلف از ارتباطات سیمی یا بی سیم مانند در باند ISM و حتی سرویس پیام کوتاه (SMS) یا سرویس رادیویی بسته عمومی (GPRS) استفاده می کنند. یکی از رایج ترین طراحی های شبکه های بی سیم استفاده از شبکه های مش است. مشکلات رایجی که طراحان باید بر آن غلبه کنند تاخیرهای طولانی و مسائل زمانی است.

دستورات

دستورات Modbus می توانند به دستگاه Modbus فرمان دهند.

خواندن یک پورت I/O:

خواندن داده ها از یک ورودی مجزا یا از یک هسته به دستگاه دستور دهید یک یا چند مقدار را به رجیسترهای هسته و دارنده خود ارسال کند.

یک دستور MODBAS حاوی آدرس MODBAS دستگاهی است که برای آن در نظر گرفته شده است. فقط دستگاه آدرس‌دهی شده به فرمان پاسخ می‌دهد و بر اساس آن عمل می‌کند، حتی اگر دستگاه‌های دیگر ممکن است آن را دریافت کنند.

تمام دستورات Modbus حاوی اطلاعات کنترلی هستند تا به گیرنده امکان تشخیص خطاهای انتقال را بدهد.

طراحی و پیاده سازی پروتکل Modbus برای امنیت ساختمان هوشمند

اینترنت اشیا سیستمی است که در آن وسایل با نرم افزار، حسگرها و محرک ها تعبیه شده اند. دستگاه ها قادر به انتقال داده ها از طریق شبکه و همچنین ارتباط با یکدیگر هستند  ادبیات گزارش می دهد که بسیاری از سیستم های مبتنی بر حالت واحد نظارت، قدرت یا روشنایی در یک سیستم کنترل یکپارچه نیستند، بنابراین کنترل پیچیده ای هزینه های عملیاتی دست و پا گیر است.

برای حل این مشکل، ما یک طرح پروتکل Modbus برای امنیت ساختمان هوشمند پیشنهاد می کنیم، همه این ادراک-کنترل-مدیریت در یک سیستم یکپارچه شده اند.

این سیستم از فرمت پروتکل Modbus برای ارتباطات داده، سیستم سخت افزاری با پردازنده به عنوان صنعت ARM5708  به عنوان توسعه و طراحی هسته توسعه برد، استفاده از سیستم عامل لینوکس، توسعه JavaWeb و فناوری مدیریت پایگاه داده برای دستیابی به تعامل داده، نمایش، ذخیره سازی، شناسایی استفاده می کند. و توابع دیگر، تکمیل دروازه پروتکل ارتباطی شبکه تعبیه شده و طراحی صنعتی، و اتصال سریال سنتی فیلدباس Modbus و ارتباطات اترنت، و در نهایت برنامه از طریق پروتکل Modbus TCP محقق می شود.

با توسعه سریع فناوری شبکه های کامپیوتری و محبوبیت اینترنت، استانداردهای زندگی مردم همچنان بهبود می یابد. مردم تقاضاهای بیشتری برای سکونت و مناطق مسکونی دارند و جامعه هوشمند به تازگی نیازهای جدید مردم را برآورده کرده است.

پیشرفت فناوری های الکترونیکی و کامپیوتری، پشتیبانی فنی برای خانه های هوشمند فراهم می کند. تحت پشتیبانی رایانه‌ها، شبکه‌ها، ارتباطات و فناوری چند رسانه‌ای، با اتصال باس میدانی به انواع مختلف ماژول‌ها برای صدور دستورالعمل‌ها، سیستم خانه هوشمند می‌تواند عملکردهای سیستم شبکه ارتباطی خانگی، سیستم اتوماسیون خانگی، سیستم امنیتی خانه و غیره را تحقق بخشد.

سیستم خانه هوشمند محیط زندگی ایمن ، راحت و آموزنده را برای ساکنان فراهم می کند تا افراد بتوانند با استفاده از راه دور وضعیت خانه را درک کرده و تجهیزات خانه را کنترل کنند و محیط خانه آنها را انسانی تر و هوشمندتر کند.

از آنجایی که توسعه هوشمند تجهیزات الکترونیکی مردم را قادر می سازد تا نیازهای مسکن روزانه بالاتری داشته باشند، ظرافت و راحتی مسکن به تدریج به یک تقاضای اولیه تبدیل می شود.

بنابراین، ترکیب سیستم کنترل توزیع شده و شبکه محلی به روند نظارت متمرکز بر تجهیزات خانگی تبدیل می شود. از یک سو، نظارت متمرکز و مدیریت شبکه می تواند قابلیت اطمینان عملیات تجهیزات ایمن را تضمین کند و از سوی دیگر کارایی مدیریت را تا حد زیادی بهبود بخشد. در حال حاضر، پروتکل های ارتباطی اعمال شده در زمینه هوشمند مبتنی بر نظارت CAN bus، نظارت بر گذرگاه میدان LONWORK و سیستم نظارت صنعتی لینوکس تعبیه شده است.

دلایل پرکاربردترین پروتکل Modbus است:

1) استاندارد سازی:

امروزه بیش از 400 سازنده و 600 محصول از پروتکل Modbus پشتیبانی می کنند که برای اکثر تولید کنندگان صنعتی به یک ضرورت تبدیل شده است.

2) گستردگی:

Modbus می تواند به طور گسترده در بسیاری از زمینه ها مورد استفاده قرار گیرد، از جمله پشتیبانی از انواع رابط های الکتریکی، یا برای انتقال از طریق رسانه های مختلف، مانند جفت تابیده، فیبر، بی سیم و غیره.

3) سادگی:

فرمت فریم Modbus ساده، فشرده و قابل درک است. این برای اکثر مردم به ویژه برای کاربران و اپراتورها پذیرفته شده است.

4) قیمت:

قیمت پایین Modbus این امکان را برای Modbus فراهم می کند تا در زندگی روزمره رایج شود و به بخشی ضروری از کاهش هزینه های صنعتی تبدیل شود.

5) جامعیت:

استانداردسازی پیوندهای ارتباطی داده، همراه با توسعه شبکه های ارتباطی به ادغام انواع تجهیزات صنعتی در یک سیستم بزرگ برای برآوردن الزامات اتوماسیون کارخانه و پیروی از روند باز کمک می کند.

6) هوشمندی:

سیستم پایگاه داده، عملکرد استدلال و توسعه گذرگاه آینده به سمت هوشمندی پیشرفت می کند، عملیات آسان تر و احتمال از دست دادن بسته کمتری را به همراه خواهد داشت.

پروتکل Modbus / TCP

پروتکل Modbus خدمات ارتباطی را برای سرور سرویس گیرنده در شبکه اترنت فراهم می کند.

این حالت سرور مشتری بر اساس چهار نوع بسته است:

1. درخواست Modbus
2. نشانگر Modbus
3. پاسخ Modbus
4. تایید Modbus

درخواست Modbus پیامی است که مشتری برای شروع تراکنش روی شبکه ارسال می کند. نشانه Modbus پیام درخواستی است که توسط سرور دریافت می شود. پاسخ Modbus اطلاعات پاسخ ارسال شده توسط سرور است. تصدیق Modbus دریافت اطلاعات پاسخ از سرور است. از سرویس انتقال پیام Modbus برای انجام تبادل اطلاعات در زمان واقعی بین دو برنامه کاربردی دستگاه، برنامه کاربردی دستگاه و سایر دستگاه ها، برنامه و دستگاه HMI  SCADA، و رایانه شخصی و برنامه دستگاه ارائه خدمات آنلاین استفاده کنید.

حالت ارتباط مشتری/سرور Modbus

پروتکل Modbus / TCP یک پروتکل انتقال بسته Modbus است که بر روی TCP / IP از اترنت TCP / IP  اجرا می شود. کنترل کننده ها می توانند از شبکه ها و سایر دستگاه ها برای برقراری ارتباط با یکدیگر از طریق این پروتکل استفاده کنند.

Modbus / TCP یک پروتکل باز است که با شماره سریال 502 تخصیص داده شده است، تنها پورتی است که تاکنون توسط IANA به صنعت ابزار دقیق و اتوماسیون اختصاص داده شده است. اگر لایه برنامه از استاندارد کل صنعت Modbus استفاده کند پروتکل، سپس برنامه صنعتی اترنت را تکمیل می کند.

پروتکل ارتباطی Modbus / TCP را می توان برای فرآیند نظارت بر تجهیزات خودکار اعمال کرد. یکی از روش‌های کاربردی رایج، توسعه دروازه‌ای بر اساس پروتکل است که از طریق آن می‌توان PLC، ماژول‌های I/O و سایر شبکه‌های اتوبوس ساده یا I/O را به اترنت متصل کرد

Modbus / TCP به سادگی به پروتکل TCP / IP به عنوان یک پروتکل لایه کاربردی بدون هیچ تغییری در پروتکل اصلی Modbus منتقل می شود.

این مشخصات عمدتاً توضیح می‌دهد که چگونه پیام‌های Modbus را می‌توان با جزئیات از طریق پروتکل TCP موجود در اینترنت رمزگشایی کرد تا توسعه‌دهندگان را قادر سازد که Modbus / TCP را به عنوان استاندارد عملیاتی در اتوماسیون صنعتی از آن استفاده کنند.

Modbus / TCP اتصال گرا است و هر تماس نیاز به پاسخ مربوطه دارد. این مکانیسم پاسخ به تماس با مکانیزم Modbus master / slave همکاری می کند تا اطمینان بیشتری از اترنت سوئیچینگ را تضمین کند.

با استفاده از پروتکل TCP/IP، صفحه وب رابط کاربری را کاربر پسندتر می کند.

افراد همچنین می توانند از یک مرورگر وب برای مشاهده عملکرد تجهیزات شبکه سازمانی استفاده کنند. اشنایدر الکتریک پورت 502 را برای مدباس ثبت کرده است. به این ترتیب داده های بلادرنگ می توانند به سرور برای دریافت نرم افزار مشتری منتقل شوند.

در همین حال بسیاری از نرم افزارهای پیکربندی کنترل صنعتی می توانند پشتیبانی خوبی برای پروتکل Modbus / TCP باشند. کپسوله کردن این پروتکل با بسته OPC در رایانه میزبان، اتصال آن به نرم افزار نظارت بر پیکربندی صنعتی موجود را تسهیل می کند و بنابراین، کل سیستم به طور یکپارچه متصل می شود.