Перейти к содержанию

Навигация

Modbus: различия между версиями

Modbus (просмотреть исходный код)

Версия 11:11, 29 января 2024

5308 байт добавлено ,  3 месяца назад
→‎Расширение протокола Modbus от Wiren Board
(не показано 48 промежуточных версий 9 участников)
Строка 1: Строка 1:
<languages/>
<languages/>
<translate>
<translate>
{{DISPLAYTITLE: Протокол Modbus}}


===Основные понятия=== <!--T:1-->
==Основные понятия== <!--T:1-->


<!--T:2-->
<!--T:2-->
Modbus - это протокол прикладного (седьмого) уровня модели [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B5%D1%82%D0%B5%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D1%8C_OSI OSI], он служит для обмена данными, чаще всего между устройствами автоматизации и реализован в виде "протокола ответов на запросы (request-reply protocol)".  
Modbus - это протокол, который служит для обмена данными между устройствами автоматизации и реализован в виде "протокола ответов на запросы (request-reply protocol)".  


<!--T:3-->
<!--T:3-->
В устройствах Wirenboard данные Modbus передаются по последовательным линиям связи RS-485. В последовательных линиях связи протокол RS-485 полудуплексный и работает по принципу «клиент-сервер». Каждое устройство в сети (кроме ведущего см. далее) имеет адрес от 1 до 247, адрес 0 используется для широковещательной передачи данных всем устройствам, а адреса 248–255 считаются зарезервированными согласно спецификации Modbus, их использование не рекомендуется.
В устройствах Wiren Board данные Modbus передаются по последовательным линиям связи RS-485. В последовательных линиях связи протокол RS-485 полудуплексный и работает по принципу «клиент-сервер». Каждое устройство в сети (кроме ведущего см. далее) имеет адрес от 1 до 247, адрес 0 используется для широковещательной передачи данных всем устройствам, а адреса 248–255 считаются зарезервированными согласно спецификации Modbus, их использование не рекомендуется.


<!--T:4-->
<!--T:4-->
Существует две спецификации протокола: Modbus RTU и Modbus ASCII. В Modbus RTU передается 11-битный символ, состоящий из 1 стартового бита, 8 бит данных (начиная с младшего бита), бит четности (необязателен) и 2 стоповых бита, если бит четности не передается, или 1 стоповый бит, если бит четности не передается. Такой символ позволяет передать 1 байт данных. В устройствах Wiren Board бит контроля четности не передается и используется 2 стоповых бита. В Modbus ASCII каждый байт передается двумя символами, представляющими ASCII-коды младшей и старшей четырехбитной группы байта ([http://www.simplymodbus.ca/ASCII.htm пример]). Modbus RTU позволяет передавать больше информации при той же скорости последовательной линии и в устройствах Wiren Board используется именно он. Все дальнейшее описание относится к Modbus RTU.
Существует две спецификации протокола: Modbus RTU и Modbus ASCII. В Modbus RTU передается 11-битный символ, состоящий из 1 стартового бита, 8 бит данных (начиная с младшего бита), бит четности (необязателен) и 2 стоповых бита - если бит четности не передается, или 1 стоповый бит - если бит четности передается. Такой символ передает 1 байт данных. В устройствах Wiren Board по умолчанию бит контроля четности не передается и используется 2 стоповых бита. В Modbus ASCII каждый байт передается двумя символами, представляющими ASCII-коды младшей и старшей четырехбитной группы байта ([http://www.simplymodbus.ca/ASCII.htm пример]). Modbus RTU передает больше информации при той же скорости последовательной линии, и в устройствах Wiren Board используется именно он. Все дальнейшее описание относится к Modbus RTU.
 


<!--T:5-->
<!--T:5-->
Строка 18: Строка 18:


<!--T:6-->
<!--T:6-->
[[File:Modbus_Datagram.png|900px|thumb|left|Датаграмма Modbus в общем виде]]
[[File:Modbus_Datagram.png|700px|thumb|right|Датаграмма Modbus в общем виде]]


<!--T:7-->
<!--T:7-->
Пакет данных Modbus выглядит, как это показано на рисунке. '''PDU''' (Protocol Data Unit) — общая часть пакета MODBUS, включающая код функции и данные пакета. '''ADU''' (Application Data Unit) — полный пакет MODBUS. Включает в себя специфичную для физического уровня часть пакета и PDU. Для последовательных линий в заголовке ADU передается адрес устройства, а в конце — контрольная сумма CRC16. Максимальный размер ADU в последовательных коммуникационных линиях составляет '''253 байта''' (из максимальных, разрешенных спецификацией 256 байт вычитается 1 байт адреса и два байта контрольной суммы). Для справки — в Modbus TCP максимальная длина пакета составляет 260 байт.
Пакет данных Modbus выглядит, как это показано на рисунке. '''PDU''' (Protocol Data Unit) — общая часть пакета MODBUS, включающая код функции и данные пакета. '''ADU''' (Application Data Unit) — полный пакет MODBUS. Включает в себя специфичную для физического уровня часть пакета и PDU. Для последовательных линий в заголовке ADU передается адрес устройства, а в конце — контрольная сумма CRC16. Максимальный размер PDU в последовательных коммуникационных линиях составляет '''253 байта''' (из максимальных, разрешенных спецификацией 256 байт вычитается 1 байт адреса и два байта контрольной суммы). Для справки — в Modbus TCP максимальная длина пакета составляет 260 байт.




Строка 27: Строка 27:
Функция кодируется одним байтом и определяет, какое действие должно выполнить устройство-сервер. Значение кодов функций лежат в диапазоне от 1 до 255, причем коды от 128 до 255 зарезервированы для сообщений об ошибках со стороны устройства-сервера. Код 0 не используется. Размер блока данных может варьироваться от нуля до максимально допустимого. Если обработка запроса прошла без ошибок, то устройство-сервер возвращает пакет ADU, содержащий запрошенные данные.
Функция кодируется одним байтом и определяет, какое действие должно выполнить устройство-сервер. Значение кодов функций лежат в диапазоне от 1 до 255, причем коды от 128 до 255 зарезервированы для сообщений об ошибках со стороны устройства-сервера. Код 0 не используется. Размер блока данных может варьироваться от нуля до максимально допустимого. Если обработка запроса прошла без ошибок, то устройство-сервер возвращает пакет ADU, содержащий запрошенные данные.


<!--T:9-->
<gallery mode="packed" heights="300px">
[[File:Modbus_transaction_OK.png|700px|thumb|center|Modbus-транзакция, прошедшая без ошибок]]
File:Modbus_transaction_OK.png|700px|thumb|center|Modbus-транзакция, прошедшая без ошибок
 
File:Modbus_transaction_ERR.png|700px|thumb|center|Modbus-транзакция с ошибками
</gallery>
<!--T:10-->
<!--T:10-->
----


<!--T:11-->
При возникновении ошибки устройством возвращается код ошибки. При обычной транзакции код функции в ответе возвращается без изменений; при ошибке старший бит кода функции устанавливается в единицу (то есть ''код функции'' + 0x80). Так же есть таймаут ожидания ответа от ведомого устройства — бессмысленно долго ждать ответ, который, возможно, никогда и не придет.
При возникновении ошибки устройством возвращается код ошибки. В случае обычной транзакции код функции в ответе возвращается без изменений; в случае ошибки старший бит кода функции устанавливается в единицу (то есть ''код функции'' + 0x80)


<!--T:12-->
==Структуры данных Modbus== <!--T:14-->
[[File:Modbus_transaction_ERR.png|700px|thumb|center|Modbus-транзакция с ошибками]]
 
<!--T:13-->
----
Стоит определить таймаут ожидания ответа от ведомого устройства — бессмысленно долго ждать ответ, который, возможно, из-за какой-то ошибки никогда и не придет.
 
 
===Структуры данных Modbus=== <!--T:14-->


<!--T:15-->
<!--T:15-->
В Modbus принято кодировать адреса и данные в формате big-endian, то есть в формате, когда байты следуют, начиная со старшего: например, при передаче шестнадцатеричного числа 0x1234 сначала устройством будет принят байт 0x12, а затем — 0x34. Для передачи данных другого типа, например, чисел с плавающей запятой (float), текстовых строк, даты и времени суток и т.п. производитель может выбрать свой собственный способ кодирования — для расшифровки получаемых данных важно ознакомится со спецификацией производителя устройства.
В Modbus принято кодировать адреса и данные в формате big-endian, то есть в формате, когда байты следуют, начиная со старшего: например, при передаче шестнадцатеричного числа 0x1234 сначала устройством будет принят байт 0x12, а затем — 0x34. Для передачи данных другого типа, например, чисел с плавающей запятой (float), текстовых строк, даты и времени суток и т.п. производитель может выбрать свой собственный способ кодирования — для расшифровки получаемых данных важно ознакомится со спецификацией производителя устройства.


 
==Модель данных Modbus== <!--T:16-->
===Модель данных Modbus=== <!--T:16-->


<!--T:17-->
<!--T:17-->
Строка 74: Строка 64:


<!--T:19-->
<!--T:19-->
'''Дискретные входы''' (Discrete Inputs) также являются однобитными регистрами, описывающими состояние входа устройства (например подано напряжение — 1). Эти регистры поддерживают только чтение.
'''Дискретные входы''' (Discrete Inputs) также являются однобитными регистрами, описывающими состояние входа устройства (например, подано напряжение — 1). Эти регистры поддерживают только чтение.


<!--T:20-->
<!--T:20-->
Строка 80: Строка 70:
Регистры ввода допускают только чтение (например, текущее значение температуры). Регистры хранения поддерживают как чтение, так и запись (для хранения настроек). В настоящее время во многих устройствах, в частности в устройствах Wiren Board, эти регистры не разделяются. Команды на чтение регистра хранения N и регистра ввода N обратятся к одному и тому же значению в адресном пространстве устройства.
Регистры ввода допускают только чтение (например, текущее значение температуры). Регистры хранения поддерживают как чтение, так и запись (для хранения настроек). В настоящее время во многих устройствах, в частности в устройствах Wiren Board, эти регистры не разделяются. Команды на чтение регистра хранения N и регистра ввода N обратятся к одному и тому же значению в адресном пространстве устройства.


===Адреса и номера регистров=== <!--T:21-->
== Адреса регистров ==
Регистры в стандарте Modbus адресуются с помощью 16-битных адресов. Адресация начинается с нуля. Адрес регистра, таким образом, может принимать значения от 0 до 65535.
 
Адресные пространства регистров, также называемые таблицами или блоками, могут быть различны для всех четырёх типов регистров. Это значит, что значения регистров с одинаковым адресом, но разным типом, в общем случае разные.
 
Например, при чтении регистра флагов (coil) номер 42, регистра дискретного входа (Discrete), регистров ввода и хранения (Input и Holding) с теми же адресами, можно получить четыре разных значения.


<!--T:22-->
=== Нестандартная адресация ===
В стандарте Modbus для каждого из четырех типов регистров используются разные таблицы с номерами 0,1,3,4. Таким образом, регистр определенного типа с определенным номером (иначе его называют физическим адресом) имеет свой адрес в соответствующей таблице.  
В документации на некоторые, особенно старые, устройства адреса элементов (регистров) указываются в формате, не соответствующем стандарту. В этом формате тип элемента кодируется первой цифрой адреса, а адресация начинается не с нуля.  
 
Например, регистр хранения с адресом 0 может записываться как 40001 или 400001, а Coil с адресом 0 как 000001.
 
В таблице перевода адресов в стандартный формат показаны диапазоны для двух разных нестандартных типов указания адресов и соответствующие им типы данных и диапазоны стандартных адресов.


<!--T:23-->
{|class="wikitable" align="center"
{|class="wikitable" align="center"
! Таблица || Номер таблицы || Начальный логический адрес || Номер регистра (физический адрес) || Диапазон логических адресов
! Тип данных || Стандартные адреса || Стандартные адреса (hex) || Нестандартные адреса (5 цифр) || Нестандартные адреса (6 цифр)
|-
|-
! Регистры флагов (Coils)
! Флагов (Coils)
| 0 || 000001 || 0 || 000001 — 065535
| 0-65535 || 0x0000 - 0xFFFF || 00001 - 09999 || 000001 - 065536
|-
! Дискретных входов (Discrete)
| 0-65535 || 0x0000 - 0xFFFF || 10001 - 19999 || 100001 - 165536
|-
|-
! Дискретные входы (Discrete Inputs)
! Регистры входов (Input Registers)
| 1 || 100001 || 0 || 100001 — 165535
| 0-65535 || 0x0000 - 0xFFFF || 30001 - 39999 || 300001 - 365536
|-
|-
! Регистры хранения (Holding Registers)
! Регистры хранения (Holding Registers)
| 3 || 300001 || 0 || 300001 — 365535
| 0-65535 || 0x0000 - 0xFFFF || 40001 - 49999 || 400001 - 465536
|-
! Регистры ввода (Input Registers)
| 4 || 400001 || 0 || 400001 — 465535
|}
|}


<!--T:24-->
Признаки использования нестандартной адресации:
Это вносит некоторую путаницу в понимание, по какому же адресу обратиться к регистру с нужным номером. Более того, понятия "адрес" и "регистр" могут применяться производителем произвольно. Чаще всего указываются номера регистров, как, например для устройств Wiren Board. В некоторых устройствах применяются более короткие логические адреса (.0001 — .9999), и для адреса используется 5, а не 6 цифр.
* Адреса записываются в десятичном формате
 
* Во всех адресах пять или шесть цифр
<!--T:25-->
* Адреса с недискретными данными (показания датчиков и т.п.) начинаются на 30 или 40
Иногда в описаниях устройства указываются только логические адреса. Например, coil-регистр 0 имеет адрес 000001, регистр ввода 4 — 400005 и т.д.


Часто рядом с нестандартными адресами указываются и адреса соответствующие стандарту, обычно в шестнадцатеричном формате.
Стоит отметить, что физически в пакете данных передаются адреса в стандартном формате, независимо от способа представления их в документации.


=== Пример описания регистров в документации ===
<!--T:26-->
<!--T:26-->
В готовых шаблонах устройств контроллера Wiren Board 5 есть шаблон для однофазного счетчика электроэнергии SDM220 (/usr/share/wb-mqtt-serial/templates/config-sdm220.json). В документации от производителя "Eastron SDM
В готовых шаблонах устройств для контроллера Wiren Board есть шаблон для однофазного счетчика электроэнергии SDM220 (/usr/share/wb-mqtt-serial/templates/config-sdm220.json). В документации от производителя "Eastron SDM
220 Modbus Smart Meter Modbus Protocol Implementation V1.0" перечислены регистры и соответствующие им измеряемые параметры, например:
220 Modbus Smart Meter Modbus Protocol Implementation V1.0" перечислены регистры и соответствующие им измеряемые параметры, например:


Строка 166: Строка 166:
|-
|-
!    6   
!    6   
| 0x06 ||Write Single Register || Запись одного регистра (ввода или хранения)
| 0x06 ||Write Single Register || Запись одного регистра хранения
|-
|-
!    15   
!    15   
Строка 172: Строка 172:
|-
|-
!    16   
!    16   
| 0x10 ||Write Multiple Register || Запись нескольких регистров (ввода или хранения)
| 0x10 ||Write Multiple Register || Запись нескольких регистров хранения
|-
|-
|}
|}
Строка 178: Строка 178:
<!--T:34-->
<!--T:34-->
Команды условно можно разделить по типам: чтение значений — запись значений; операция с одним значением — операция с несколькими значениями.
Команды условно можно разделить по типам: чтение значений — запись значений; операция с одним значением — операция с несколькими значениями.


=== Формат данных запросов и ответов Modbus === <!--T:35-->
=== Формат данных запросов и ответов Modbus === <!--T:35-->
Строка 224: Строка 223:


<!--T:42-->
<!--T:42-->
В случае, если запрос не может по той или иной причине быть обработан устройством-сервером, то в ответ он отправляет сообщение об ошибке. Соообщение об ошибке содержит адрес Modbus-устройства, код функции, при выполнении которой произошла ошибка, увеличенный на 0x80, код ошибки и контрольную сумму:
Если запрос не может по той или иной причине быть обработан устройством-сервером, то в ответ он отправляет сообщение об ошибке. Соообщение об ошибке содержит адрес Modbus-устройства, код функции, при выполнении которой произошла ошибка, увеличенный на 0x80, код ошибки и контрольную сумму:


<!--T:43-->
<!--T:43-->
Строка 244: Строка 243:
|-
|-
!    3   
!    3   
| Illegal Data Value || В поле данных передано неверное значение
| Illegal Data Value || Неверный формат запроса, например количество байт в запросе не соответствует ожидаемому.
'''Примечание''': несмотря на название, эта ошибка не говорит о том, что само значение регистра неправильное или ошибочное, и должна использоваться только для ошибок формата запроса.
|-
|-
!    4   
!    4   
| Slave Device Failure ||Произошла невосстановимая ошибка на устройстве при выполнении запрошенной операции  
| Server Device Failure ||Произошла невосстановимая ошибка на устройстве при выполнении запрошенной операции  
|-
|-
!    5   
!    5   
Строка 253: Строка 253:
|-
|-
!    6   
!    6   
| Slave Device Busy ||Устройство занято обработкой предыдущего запроса.  
| Server Device Busy ||Устройство занято обработкой предыдущего запроса.  
|-
|-
!    7   
!    7   
Строка 262: Строка 262:
|-
|-
|}
|}


=== Вычисление контрольной суммы Modbus === <!--T:46-->
=== Вычисление контрольной суммы Modbus === <!--T:46-->


<!--T:47-->
<!--T:47-->
Для протокола Modbus RTU 16-битная контрольная сумма (CRC) вычисляется по алгоритму, описанному в [http://www.modbus.org/specs.php спецификации Modbus], в документе "Modbus Serial Line Protocol and Implementation Guide", раздел "CRC-generation". Передающее устройство формирует два байта контрольной суммы на основе данных сообщения, а принимающее устройство заново вычисляет контрольную сумму и сравнивает с полученной. Совпадение принятой и вычисленной контрольной суммы Modbud RTU считается индикатором успешного обмена данными.
Для протокола Modbus RTU 16-битная контрольная сумма (CRC) вычисляется по алгоритму, описанному в [http://www.modbus.org/specs.php спецификации Modbus], в документе "Modbus Serial Line Protocol and Implementation Guide", раздел "CRC-generation". Передающее устройство формирует два байта контрольной суммы на основе данных сообщения, а принимающее устройство заново вычисляет контрольную сумму и сравнивает с полученной. Совпадение принятой и вычисленной контрольной суммы Modbus RTU считается индикатором успешного обмена данными.


<!--T:48-->
<!--T:48-->
В случае ограниченных вычислительных ресурсов для вычисления контрольной суммы существует функция, использующая табличные значения (так же приведена в спецификации).
В случае ограниченных вычислительных ресурсов для вычисления контрольной суммы существует функция, использующая табличные значения (также приведена в спецификации).
 
== Расширение протокола Modbus от Wiren Board ==
{{Anchor|modbus-ext}}
Мы производим устройства, которые работают по стандартному протоколу Modbus RTU. Но протокол очень старый и имеет ряд недостатков, которые мы решили устранить.
 
Мы добавили к стандартному протоколу новые функции: настраиваемое время задержки, игнорирование стопбитов и режим сплошного чтения регистров.
 
Также выпустили расширение протокола под названием «Быстрый Modbus». В нем появились события и быстрое сканирование устройств на шине RS-485.
 
Ниже описаны новые функции, а про расширение «Быстрый Modbus» читайте на [[Fast_Modbus |странице с описанием]].
 
Всё описываемое справедливо только для Modbus-устройств Wiren Board.
 
=== Настраиваемое время задержки ответа устройством ===
Устройства работают по стандарту, поэтому отвечают master-устройству через 3.5 символа после конца кадра запроса.
 
Но некоторые сторонние master-устройства могут не соблюдать стандарт и после отправки запроса продолжают удерживать приемопередатчик в режиме отправки некоторое время.
 
В устройствах есть специальный регистр 113, в котором можно настроить время ответа slave-устройства в миллисекундах. Нужное значение подбирается опытным путём.
 
=== Игнорирование стопбитов ===
Устройства всегда ожидают от мастера 1 стопбит, а отправляют ответ с 2.
 
Благодаря этому невозможно неправильно настроить стопбиты в master- и в slave-устройстве. Передача ответов более надежная даже, если мастер ожидает 1 стопбит. В последних прошивках настройка стопбита в регистре 112 игнорируется.
 
=== Режим сплошного чтения регистров ===
 
Часто на устройствах регистры расположены с зазором, который не позволяет читать все необходимые регистры подряд одной командой.
 
Мы добавили режим сплошного чтения, который активируется записью 1 в регистр 114. При активации можно запрашивать любой регион, который укладывается по длине в ограничения команды чтения.
 
При таком запросе устройство вернёт пакет со значением регистров. Если регистры отсутствуют в устройстве, то для них будет возвращено значение 0xFFFE.
 
</translate>
</translate>
Источник — https://wirenboard.com/wiki/Служебная:Сравнение_версий/36798...78959