Modbus (v automatizácii budov)

Modbus je otvorený komunikačný protokol, ktorý riadiacemu zariadeniu umožňuje čítať a zapisovať údaje uložené vo vnútri koncových zariadení. Beží buď po sériovej linke RS-485, známej ako Modbus RTU, alebo cez Ethernet, známy ako Modbus TCP. Niektoré fotovoltické (PV) invertory a energetické merače ho ponúkajú. Napríklad invertor Fronius GEN24 podporuje obe varianty a sprostredkúva údaje z merača Fronius Smart Meter.

Čo je Modbus a odkiaľ pochádza?

Modbus je protokol aplikačnej vrstvy, zaradený do vrstvy 7 modelu OSI. Zabezpečuje komunikáciu typu klient a server medzi zariadeniami na rôznych typoch zberníc a sietí. Špecifikácia Modbusu ho označuje za sériový de facto štandard priemyslu od roku 1979. Klient pošle požiadavku a server odpovie. Protokol definuje formát správ a súbor funkčných kódov. Nehovorí však, čo daný register znamená, preto každý výrobca zariadenia tento význam zdokumentuje vo vlastnom zozname registrov.

Staršie dokumenty používajú pojmy master a slave. Príručka Modbus over Serial Line ich stále používa, kým špecifikácia aplikačného protokolu používa pojmy klient a server.

Ako funguje Modbus RTU na sériovej zbernici?

Modbus RTU je sériový variant. Príručka k sériovej linke označuje dvojvodičové rozhranie RS-485 za najbežnejšie. Režim RTU je pre každé zariadenie povinný, kým režim ASCII je voliteľný. Prenosový režim a nastavenia sériového portu musia byť rovnaké pre všetky zariadenia na jednej linke.

Každú transakciu začína jeden master. Na linke môže byť až 247 podriadených zariadení a každé z nich dostane jedinečnú adresu od 1 do 247. Podriadené zariadenie nikdy neposiela údaje, pokiaľ ho o to master nepožiada. Každý rámec končí kontrolou CRC, takže príjemca môže poškodenú správu odmietnuť. Master, ktorý na jednom kábli dotazuje invertor aj merač, pošle požiadavku, počká na odpoveď a až potom sa opýta ďalšieho zariadenia.

Ako Modbus TCP pridáva ethernetovú hlavičku?

Modbus TCP prenáša rovnaké dáta požiadaviek a odpovedí v rámci spojenia TCP/IP na registrovanom porte 502. Každá správa začína 7-bajtovou hlavičkou MBAP. Obsahuje identifikátor transakcie, ktorý páruje požiadavky s odpoveďami, identifikátor protokolu, ktorý je pre Modbus nulový, pole dĺžky a identifikátor jednotky. Brána využíva identifikátor jednotky na oslovenie zariadenia za ňou na sériovej linke. Tabuľka porovnáva oba varianty.

Vlastnosť	Modbus RTU	Modbus TCP
Prenos	Sériová linka, najčastejšie dvojvodičový RS-485	TCP/IP cez Ethernet
Adresovanie zariadení	Adresa podriadeného zariadenia od 1 do 247 na jednej zbernici	IP adresa a identifikátor jednotky za bránou
Kontrola chýb	CRC na konci každého rámca	Pole CRC v hlavičke MBAP chýba. Ethernetový rámec nesie vlastné CRC-32
Registrovaný port	Nevzťahuje sa	TCP port 502
Maximálna veľkosť správy	256 bajtov na sériovej linke	260 bajtov cez TCP

Aké dáta môže zariadenie Modbus sprístupniť?

Špecifikácia definuje štyri dátové tabuľky. Diskrétne vstupy a cievky obsahujú jednotlivé bity. Vstupné registre a registre na uchovávanie obsahujú 16-bitové slová. Diskrétne vstupy a vstupné registre sú len na čítanie. Klient môže zapisovať cievky a registre na uchovávanie. Protokol adresuje cievky, diskrétne vstupy a registre od nuly. Cievky číslované v príručke 1 až 16 sú na linke adresované ako 0 až 15. Dátová jednotka protokolu obsahuje najviac 253 bajtov, takže jedna požiadavka na čítanie vráti obmedzený blok hodnôt.

Dátová tabuľka	Veľkosť	Prístup
Diskrétne vstupy	Jeden bit	Len čítanie
Cievky	Jeden bit	Čítanie a zápis
Vstupné registre	16-bitové slovo	Len čítanie
Registre na uchovávanie	16-bitové slovo	Čítanie a zápis

Ako využívajú Modbus fotovoltické invertory, merače a tepelné čerpadlá?

Príručka invertora Fronius GEN24 ukazuje, ako to vyzerá pri invertore. Invertor ponúka Modbus TCP cez Ethernet a Modbus RTU cez RS-485. Uvádza bloky registrov pre údaje invertora a pre údaje merača. Pripojený energetický merač je možné čítať cez nastaviteľné ID zariadenia Modbus. Domáci riadiaci systém môže tieto hodnoty čítať a použiť ich vo svojej riadiacej logike.

To, či tepelné čerpadlo ponúka Modbus, závisí od modelu a jeho regulátora. Pred kúpou si od výrobcu vyžiadajte zoznam registrov presne pre daný model. Protokol Modbus nehovorí, ktorý register obsahuje akú hodnotu, preto je skutočnou referenciou zoznam registrov v príručke výrobcu.

Ako sa Modbus líši od BACnet a KNX?

Modbus a BACnet sú rôzne protokoly. Modbus definuje funkčné kódy a dátové tabuľky, pričom význam každej hodnoty určuje výrobca zariadenia. BACnet definuje objekty so štandardizovanými vlastnosťami, ktoré popisujú každý objekt ostatným zariadeniam. Záznam o BACnet vysvetľuje objektový model.

Otázka	Modbus	BACnet
Čo protokol definuje?	Formát správ, funkčné kódy a dátové tabuľky	Objekty so štandardnými vlastnosťami
Kto dáva hodnote význam?	Výrobca zariadenia, v zozname registrov	Typ objektu a jeho vlastnosti
Ako zariadenie opisuje samo seba?	Nijako. Opisuje ho zoznam registrov v príručke	Jeho objekt zariadenia uvádza objekty a služby, ktoré podporuje

KNX je tretí protokol. KNX Association ho opisuje ako otvorený štandard a medzi jeho projektové kategórie zaraďuje rodinné domy. Systém automatizácie budov môže kombinovať viac protokolov a brána ich dokáže spojiť. Modbus je jedným zo spôsobov, ako dostať údaje z fotovoltického (PV) invertora alebo inteligentného merača do takéhoto systému.

Čo treba skontrolovať pred pripojením zariadení Modbus?

Začnite príručkami zariadení, nie špecifikáciou protokolu. Zistite, či zariadenie ponúka RTU, TCP alebo oba varianty a ktorý zoznam registrov platí pre jeho verziu firmvéru. Každému sériovému zariadeniu priraďte jedinečnú adresu a na celej zbernici používajte rovnaké nastavenia. Zoznam registrov zapíšte do dokumentácie projektu, pretože číslovanie v príručkách sa môže líšiť od číslovania na linke.

Bezpečnosti treba venovať pozornosť. Organizácia Modbus Organization publikuje samostatný Modbus Security Protocol, ktorý kombinuje Transport Layer Security (TLS) s tradičným protokolom Modbus. Na overenie používa certifikáty X.509v3. Organizácia Modbus Organization označuje dokument o sériovej linke z roku 1996 ako zastaraný, preto pri každej novej inštalácii RS-485 použite príručku Modbus over Serial Line V1.02.