Modbus (épületautomatizálás)

A Modbus egy nyílt üzenetküldő protokoll, amely lehetővé teszi, hogy egy vezérlő olvassa és írja a terepi eszközökben tárolt adatokat. Soros RS-485 buszon fut, ezt Modbus RTU-nak nevezik, vagy Etherneten, ez a Modbus TCP. Néhány fotovoltaikus (PV) inverter és energiamérő kínálja. Például a Fronius GEN24 inverter mindkét változatot támogatja, és továbbítja a Fronius Smart Meter adatait.

Mi a Modbus, és honnan származik?

A Modbus egy alkalmazási rétegbeli üzenetküldő protokoll, amely az OSI-modell 7. rétegében helyezkedik el. Különböző típusú buszokon és hálózatokon lévő eszközök között biztosít kliens-szerver kommunikációt. A Modbus specifikáció 1979 óta az ipar soros de facto szabványaként hivatkozik rá. A kliens kérést küld, a szerver pedig választ ad. A protokoll meghatározza az üzenetformátumot és a függvénykódok készletét. Nem mondja meg, mit jelent egy regiszter, ezt minden eszközgyártó a saját regisztertáblázatában dokumentálja.

A régebbi dokumentumok a master és slave kifejezéseket használják. A Modbus soros vonalra vonatkozó útmutató még ezeket használja, az alkalmazási protokoll specifikáció viszont a kliens és szerver kifejezéseket.

Hogyan működik a Modbus RTU soros buszon?

A Modbus RTU a soros változat. A soros vonalra vonatkozó útmutató a kétvezetékes RS-485 interfészt nevezi a leggyakoribbnak. Az RTU módot minden eszköz számára kötelezőnek írja elő, az ASCII módot pedig opcionálisnak tekinti. Az átviteli módnak és a soros port beállításainak minden, egy vonalon lévő eszköznél azonosnak kell lennie.

Minden tranzakciót egy főeszköz (master) indít. Legfeljebb 247 alárendelt eszköz (slave) osztozik a vonalon, mindegyik egyedi, 1 és 247 közötti címet kap. A slave csak akkor küld adatot, ha a master kéri. Minden keret végén CRC-ellenőrzés található, így a vevő visszautasíthatja a sérült üzenetet. Ha a master egy invertert és egy mérőt kérdez le ugyanazon a kábelen, elküld egy kérést, megvárja a választ, majd a következő eszközt kérdezi meg.

Hogyan ad hozzá a Modbus TCP Ethernet-fejlécet?

A Modbus TCP ugyanazokat a kérés- és válaszadatokat viszi egy TCP/IP-kapcsolaton belül, a bejegyzett 502-es porton. Minden üzenet 7 bájtos MBAP-fejléccel kezdődik. Ez tartalmaz egy tranzakcióazonosítót, amely párosítja a kéréseket és a válaszokat, egy protokollazonosítót, amely Modbus esetén nulla, egy hosszmezőt és egy egységazonosítót. Az átjáró (gateway) az egységazonosító alapján éri el a mögötte lévő, soros vonalon csatlakoztatott eszközt. Az alábbi táblázat összehasonlítja a két változatot.

Jellemző	Modbus RTU	Modbus TCP
Átvitel	Soros vonal, leggyakrabban kétvezetékes RS-485	TCP/IP Ethernet felett
Eszközcímzés	1 és 247 közötti slave-cím egy buszon	IP-cím, átjáró mögött egységazonosítóval
Hibaellenőrzés	CRC minden keret végén	Az MBAP-fejlécben nincs CRC-mező. Az Ethernet-keret saját CRC-32 értéket hordoz
Bejegyzett port	Nem alkalmazható	TCP 502-es port
Maximális üzenetméret	256 bájt soros vonalon	260 bájt TCP-n

Milyen adatokat tehet közzé egy Modbus-eszköz?

A specifikáció négy adattáblát határoz meg. A diszkrét bemenetek és a tekercsek (coil) egyetlen bitet tárolnak. A bemeneti regiszterek és a tartórégiszterek (holding register) 16 bites szavakat tárolnak. A diszkrét bemenetek és a bemeneti regiszterek csak olvashatók. A kliens írhatja a tekercseket és a tartórégisztereket. A protokoll a tekercseket, a diszkrét bemeneteket és a regisztereket nullától címzi. A kézikönyvben 1-től 16-ig számozott tekercsek a vezetéken a 0-tól 15-ig terjedő címeknek felelnek meg. Az adatprotokoll-egység legfeljebb 253 bájtot tartalmaz, így egy olvasási kérés korlátozott blokknyi értéket ad vissza.

Adattábla	Méret	Hozzáférés
Diszkrét bemenetek	Egyetlen bit	Csak olvasható
Tekercsek	Egyetlen bit	Olvasás és írás
Bemeneti regiszterek	16 bites szó	Csak olvasható
Tartórégiszterek	16 bites szó	Olvasás és írás

Hogyan használják a Modbust a PV-inverterek, mérők és hőszivattyúk?

A Fronius GEN24 kézikönyve megmutatja, hogyan néz ki ez egy inverternél. Az inverter Modbus TCP-t kínál Ethernet felett, és Modbus RTU-t RS-485 felett. Felsorolja az inverteradatok és a mérőadatok regiszterblokkjait. A csatlakoztatott energiamérő a beállítható Modbus-eszközazonosítón keresztül olvasható. Egy otthoni vezérlő beolvashatja ezeket az értékeket, és felhasználhatja a vezérlési logikájában.

Az, hogy egy hőszivattyú kínál-e Modbus-ot, a modelltől és a vezérlőjétől függ. Vásárlás előtt kérje a gyártótól a pontos modell regisztertáblázatát. Mivel a Modbus protokoll nem mondja meg, melyik regiszter melyik értéket tartalmazza, a gyártó kézikönyvében szereplő regisztertáblázat a valódi referencia.

Miben különbözik a Modbus a BACnet-tól és a KNX-től?

A Modbus és a BACnet különböző protokollok. A Modbus függvénykódokat és adattáblákat határoz meg, az egyes értékek jelentését pedig az eszközgyártó adja meg. A BACnet szabványos tulajdonságokkal rendelkező objektumokat határoz meg, amelyek leírják az egyes objektumokat más eszközök számára. A BACnet-bejegyzés ismerteti az objektummodellt.

Kérdés	Modbus	BACnet
Mit határoz meg a protokoll?	Üzenetformátumot, függvénykódokat és adattáblákat	Szabványos tulajdonságokkal rendelkező objektumokat
Ki adja az értéknek a jelentését?	Az eszközgyártó, a regisztertáblázatban	Az objektumtípus és annak tulajdonságai
Hogyan írja le magát az eszköz?	Nem írja le. Ezt a kézikönyv regisztertáblázata teszi meg	Eszközobjektuma felsorolja a támogatott objektumokat és szolgáltatásokat

A KNX egy harmadik protokoll. A KNX Association nyílt szabványként írja le, és a projektkategóriái között családi házakat is feltüntet. Egy épületautomatizálási rendszer több protokollt is kombinálhat, és egy átjáró köti össze őket. A Modbus az egyik mód arra, hogy egy PV-inverter vagy egy okosmérő adatait ilyen rendszerbe juttassuk.

Mit ellenőrizzen a Modbus-eszközök csatlakoztatása előtt?

Kezdje az eszközkézikönyvekkel, ne a protokollspecifikációval. Derítse ki, hogy az eszköz RTU-t, TCP-t vagy mindkettőt kínál-e, és melyik regisztertáblázat vonatkozik a firmware-verziójára. Minden soros eszköznek adjon egyedi címet, és a teljes buszon azonos beállításokat használjon. Írja be a regisztertáblázatot a projektdokumentációba, mert a kézikönyvek számozása eltérhet a vezetéken használt számozástól.

A biztonságra is figyelni kell. A Modbus Organization külön Modbus Security Protocolt tesz közzé, amely a Transport Layer Security (TLS) protokollt kombinálja a hagyományos Modbus protokollal. Hitelesítéshez X.509v3 tanúsítványokat használ. A Modbus Organization az 1996-os soros vonali dokumentumot elavultnak jelöli, ezért új RS-485 telepítéshez a soros vonalra vonatkozó útmutató V1.02 verzióját használja.