Modbus (automatyka budynkowa)

Modbus to otwarty protokół wymiany komunikatów, który pozwala sterownikowi odczytywać i zapisywać dane przechowywane w urządzeniach polowych. Działa na szeregowej magistrali RS-485, czyli w wariancie Modbus RTU, lub przez Ethernet, czyli w wariancie Modbus TCP. Niektóre falowniki fotowoltaiczne (PV) i liczniki energii go obsługują. Na przykład falownik Fronius GEN24 działa w obu wariantach i przekazuje dane z licznika Fronius Smart Meter.

Czym jest Modbus i skąd pochodzi?

Modbus to protokół wymiany komunikatów na warstwie aplikacji, umieszczony na poziomie 7 modelu OSI. Zapewnia komunikację typu klient-serwer między urządzeniami połączonymi różnymi rodzajami magistral i sieci. Specyfikacja Modbus nazywa go branżowym standardem de facto dla komunikacji szeregowej w przemyśle od 1979 roku. Klient wysyła żądanie, a serwer odpowiada. Protokół definiuje format wiadomości oraz zestaw kodów funkcji. Nie określa jednak, co oznacza dany rejestr, dlatego każdy producent urządzeń opisuje to we własnej liście rejestrów.

Starsze dokumenty używają terminów master i slave. Przewodnik Modbus over Serial Line nadal ich używa, natomiast specyfikacja protokołu aplikacyjnego posługuje się terminami klient i serwer.

Jak działa Modbus RTU na magistrali szeregowej?

Modbus RTU to wariant szeregowy. Przewodnik dotyczący łącza szeregowego określa dwuprzewodowy interfejs RS-485 jako najpowszechniejszy. Tryb RTU jest obowiązkowy dla każdego urządzenia, a tryb ASCII jest opcjonalny. Tryb transmisji oraz ustawienia portu szeregowego muszą być identyczne dla wszystkich urządzeń na jednej linii.

Każdą transakcję rozpoczyna jeden master. Na linii może pracować do 247 urządzeń podrzędnych (slave), a każde z nich otrzymuje unikalny adres z zakresu od 1 do 247. Urządzenie slave nigdy nie wysyła danych bez żądania mastera. Każda ramka kończy się sumą kontrolną CRC, dzięki której odbiorca może odrzucić uszkodzoną wiadomość. Master, który odpytuje falownik i licznik na jednym kablu, wysyła żądanie, czeka na odpowiedź, a następnie pyta kolejne urządzenie.

Jak Modbus TCP dodaje nagłówek Ethernet?

Modbus TCP przenosi te same dane żądań i odpowiedzi w połączeniu TCP/IP, na zarejestrowanym porcie 502. Każda wiadomość zaczyna się 7-bajtowym nagłówkiem MBAP. Zawiera on identyfikator transakcji, który paruje żądania z odpowiedziami, identyfikator protokołu, który dla Modbus wynosi zero, pole długości oraz identyfikator jednostki. Brama wykorzystuje identyfikator jednostki, aby dotrzeć do urządzenia za nią, połączonego z linią szeregową. Tabela porównuje oba warianty.

Cecha	Modbus RTU	Modbus TCP
Transmisja	Łącze szeregowe, najczęściej dwuprzewodowy RS-485	TCP/IP przez Ethernet
Adresowanie urządzeń	Adres slave z zakresu od 1 do 247 na jednej magistrali	Adres IP oraz identyfikator jednostki za bramą
Kontrola błędów	CRC na końcu każdej ramki	Brak pola CRC w nagłówku MBAP. Ramka Ethernet zawiera własne CRC-32
Zarejestrowany port	Nie dotyczy	Port TCP 502
Maksymalny rozmiar wiadomości	256 bajtów na łączu szeregowym	260 bajtów przez TCP

Jakie dane może udostępniać urządzenie Modbus?

Specyfikacja definiuje cztery tablice danych. Wejścia dyskretne (discrete inputs) i cewki (coils) przechowują pojedyncze bity. Rejestry wejściowe (input registers) i rejestry przechowujące (holding registers) przechowują 16-bitowe słowa. Wejścia dyskretne i rejestry wejściowe są tylko do odczytu. Klient może zapisywać cewki i rejestry przechowujące. Protokół numeruje cewki, wejścia dyskretne i rejestry od zera. Cewki o numerach od 1 do 16 w instrukcji odpowiadają adresom od 0 do 15 na magistrali. Jednostka danych protokołu zawiera maksymalnie 253 bajty, dlatego jedno żądanie odczytu zwraca ograniczony blok wartości.

Tablica danych	Rozmiar	Dostęp
Wejścia dyskretne	Pojedynczy bit	Tylko do odczytu
Cewki	Pojedynczy bit	Odczyt i zapis
Rejestry wejściowe	16-bitowe słowo	Tylko do odczytu
Rejestry przechowujące	16-bitowe słowo	Odczyt i zapis

Jak falowniki PV, liczniki i pompy ciepła wykorzystują Modbus?

Instrukcja falownika Fronius GEN24 pokazuje, jak to wygląda w praktyce. Falownik oferuje Modbus TCP przez Ethernet oraz Modbus RTU przez RS-485. Instrukcja wymienia bloki rejestrów dla danych falownika i dla danych licznika. Podłączony licznik energii można odczytać za pomocą ustawialnego identyfikatora urządzenia Modbus. Domowy sterownik może odczytać te wartości i wykorzystać je w logice sterowania.

To, czy pompa ciepła obsługuje Modbus, zależy od modelu i jego sterownika. Przed zakupem zapytaj producenta o listę rejestrów dokładnie tego modelu. Protokół Modbus nie określa, który rejestr przechowuje którą wartość, dlatego rzeczywistym źródłem jest lista rejestrów zawarta w instrukcji producenta.

Czym Modbus różni się od BACnet i KNX?

Modbus i BACnet to różne protokoły. Modbus definiuje kody funkcji i tablice danych, a znaczenie każdej wartości pochodzi od producenta urządzenia. BACnet definiuje obiekty ze standardowymi właściwościami, które opisują każdy obiekt dla innych urządzeń. Hasło BACnet wyjaśnia model obiektowy.

Pytanie	Modbus	BACnet
Co definiuje protokół?	Format wiadomości, kody funkcji i tablice danych	Obiekty ze standardowymi właściwościami
Kto nadaje wartości znaczenie?	Producent urządzenia, w liście rejestrów	Typ obiektu i jego właściwości
Jak urządzenie opisuje samo siebie?	Nie robi tego. Opisuje je lista rejestrów w instrukcji	Jego obiekt urządzenia wymienia obsługiwane obiekty i usługi

KNX to trzeci protokół. Stowarzyszenie KNX opisuje go jako otwarty standard i wymienia domy jednorodzinne wśród kategorii projektów. System automatyki budynkowej może łączyć więcej niż jeden protokół, a bramy scalają je ze sobą. Modbus jest jednym ze sposobów przekazywania odczytów z falownika PV lub inteligentnego licznika do takiego systemu.

Co sprawdzić przed podłączeniem urządzeń Modbus?

Zacznij od instrukcji urządzeń, a nie od specyfikacji protokołu. Ustal, czy urządzenie obsługuje RTU, TCP, czy oba warianty, oraz która lista rejestrów obowiązuje dla jego wersji oprogramowania sprzętowego. Każdemu urządzeniu szeregowemu nadaj unikalny adres i używaj tych samych ustawień na całej magistrali. Listę rejestrów zapisz w dokumentacji projektu, ponieważ numeracja w instrukcjach może różnić się od numeracji na magistrali.

Warto też zadbać o bezpieczeństwo. Modbus Organization publikuje osobny Modbus Security Protocol, który łączy Transport Layer Security (TLS) z tradycyjnym protokołem Modbus. Do uwierzytelniania wykorzystuje certyfikaty X.509v3. Modbus Organization oznacza dokument dotyczący łącza szeregowego z 1996 roku jako nieaktualny, dlatego przy każdej nowej instalacji RS-485 używaj przewodnika Serial Line w wersji V1.02.