Тип данных word modbus

Обновлено: 22.01.2025

В предыдущей статье мы соединили открытую платформу домашней автоматизации OpenHAB с контроллером Arduino использовав очень простой, текстовый протокол. Но это решение поставит нас в тупик, если мы захотим подключить наш контроллер к другой системе, что же делать?

Modbus — самый известный и распространенный стандарт в промышленной автоматизации, его поддерживают миллионы устройств по всему миру, эти устройства легко интегрируется в единую сеть и стыкуются с огромным количеством готового программного обеспечения. Попробуем использовать его в нашем проекте?

Что нам необходимо знать об этом стандарте?
Протокол Modbus использует последовательные линии связи (например, RS232, RS485), а протокол Modbus TCP рассчитан на передачу данных по сетям TCP/IP.
Протокол Modbus имеет два режима передачи RTU и ASCII, в режиме ASCII каждый байт передается как два ASCII символа его шестнадцатеричного представления.
В сети Modbus есть только один ведущий, который с заданным интервалом опрашивает несколько ведомых устройств, каждое из которых имеет свой уникальный адрес от 1 до 254, адрес 0 широковещательный и на него отвечают все устройства, так как ведущий в сети один у него нет своего адреса.
В спецификации Modbus определено два типа данных, один бит и 16 битное слово. Данные организованны в четыре таблицы с 16 битной адресацией ячеек, адресация в таблицах начинается с 0. Для доступа к данным из разных таблиц предназначены отдельные команды.

Discrete Inputs	1 бит	только чтение
Coils	1 бит	чтение и запись
Input Registers	16 бит	только чтение
Holding Registers	16 бит	чтение и запись

Как нам подключить Modbus устройство к OpenHAB? За это отвечает модуль Modbus Tcp Binding, этот модуль работает в режиме ведущего и обеспечивает подключение нескольких ведомых устройств через последовательный порт или TCP/IP сеть.
Для того чтобы связать с ним Arduino нам необходимо реализовать в контроллере ведомое Modbus устройство, воспользуемся для этого библиотекой Modbus-Master-Slave-for-Arduino.

Скачаем библиотеку и создадим скетч, скопировав следующий код в редактор программ. При желании можно просто скачать проект с необходимыми файлами из репозитория.

Рассмотрим на примере нашего скетча основные шаги необходимые для работы с этой библиотекой.

Все функции библиотеки реализованы в одном файле ModbusRtu.h.
Для взаимодействия с ней, в программе нужно создать объект, задав в его конструкторе Modbus адрес, номер последовательного порта, номер выхода, управляющего передачей (для RS485)

Затем определить массив регистров Modbus

После этого, при старте программы настроить последовательный порт ведомого

И после этого можно обработать полученные данные и сохранить необходимые переменные в регистрах Modbus.

Стандарт предусматривает отдельную таблицу для каждого типа данных, но особенностью применённой библиотеки является то, что все регистры хранятся в одном массиве в виде перекрывающихся таблиц, поэтому структура регистров контроллера будет выглядеть следующим образом:

Для демонстрации работы с разными регистрами, в процессе работы программы данные из регистра с типом coil будут скопированы в регистр с типом discrete, а из регистров с типом holding в регистры с типом input. Кроме этого состояние кнопки будет сохранено в третий бит регистра au16data[0] (discrete), а значение третьего бита регистра au16data[1] (coil) выведено на светодиод.

Доработаем макет контроллера, который был собран для предыдущих экспериментов, переключим светодиод с 13 на 12 вывод. Обычно на плате самого Arduino уже есть светодиод, подключенный к 13 выводу, в нашей программе он станет индикатором статуса работы. Теперь подключим USB кабель к компьютеру, скомпилируем и загрузим программу в контроллер.

Среди них можно отметить утилиту EAT-Console которая позволяет не только управлять и опрашивать Modbus устройства, но и отображает данные в графическом виде, что очень удобно при отладке работы с различными датчиками, например датчиками влажности, давления и температуры. Перед началом работы с программой и её конфигуратором рекомендую ознакомиться с документацией.

Для установки эмулятора нужно скачать архив и распаковать его в папку C:\arduino\EATConsole, затем открыть страницу загрузки Eclipse, скачать Eclipse IDE for Java Developers и распаковать его в папку C:\arduino\eclipse, после этого скопировать файлы из папки C:\arduino\EATConsole\eclipse\plugins в папку C:\arduino\eclipse\plugins.

Для создания конфигурации необходимо запустить C:\arduino\eclipse\eclipse.exe, создать пустой проект, скопировать в него пустой файл C:\arduino\EATConsole\menu.ptmenu и добавить в редакторе пункты в соответствии со следующей таблицей. Если же вы скачали проект из репозитория, то в нём, в папке EATConsole уже есть подготовленный файл menu.ptmenu.

Type	Address	Bit	Name	Point	Slave
Display Boolean	0	0	DT0	1
Display Boolean	0	1	DT1	1
Display Boolean	0	2	DT2	1
Display Boolean	0	3	BTN	1
Input Boolean	1	0	CL16	1
Input Boolean	1	1	CL17	1
Input Boolean	1	2	CL18	1
Input Boolean	1	3	LED	1
Display Integer	2	INPT3	0	1
Display Integer	3	INPT4	0	1
Display Integer	4	INPT5	0	1
Display Integer	5	HOLD6	0	1
Display Integer	6	HOLD7	0	1
Display Integer	7	HOLD8	0	1

Type — тип элемента меню EATConsole.
Address — адрес регистра данных.
Bit – номер бита в регистре.
Name – название элемента меню.
Point – количество десятичных знаков после точки.
Slave – Modbus адрес контроллера.

Теперь сохраним и скопируем файл menu.ptmenu в каталог C:\arduino\EATConsole, для этого можно щёлкнуть правой кнопкой мыши на файле прямо в Eclipse, выбрать в контекстном меню пункт “Copy”, а затем вставить в проводнике в папку C:\arduino\EATConsole.

После этого запустим C:\arduino\EATConsole\EATConsole.exe, настроим последовательное соединение, выбрав пункт меню Файл\Настройки, в диалоговом окне укажем номер порта, скорость 9600, 8 бит данных, 1 стоповый бит.

*Программа работает с портами с 1 по 8 и если USB переходник Arduino встал на порт с большим номером, придётся открыть диспетчер устройств Windows и изменить номер порта для него.

Попробуем поменять значение в регистрах HLD0…HLD2 и СL0…СL2, при этом должно поменяться значение в соответствующем регистре IN0..IN2 и DT0..DT2, затем нажмём на кнопку макета, при этом должно поменяться значение в поле BTN, щёлкнем по полю LED, при этом должен загореться или потухнуть светодиод.

Что мы получили в результате нашей работы:

1 познакомились с азами протокола Modbus;
2 создали скетч, который превращает Arduino в Modbus slave устройство и позволяет читать и записывать несколько Modbus регистров с разными типами данных;
3 протестировали обмен с контроллером при помощи эмулятора функций Modbus master устройства, для которого создали конфигурацию соответствующую структуре регистров контроллера.

Выводы
Библиотека Modbus-Master-Slave-for-Arduino проста в использовании, позволяет создать ведомое Modbus устройство, которое корректно работает с программным эмулятором. Скомпилированный пример занимает немногим более 5кб памяти программ, так что в контроллере остаётся достаточно места для добавления необходимого функционала.

Стандарт Modbus открыт и популярен, но в нём есть ряд недостатков — в стандарте определено только два типа данных,
протокол требует постоянного обмена между ведущим и ведомыми устройствами, конфигурировать систему приходится вручную.

Имея некоторые недостатки, протокол вполне пригоден для использования в контроллере систем домашней автоматизации, особенно если необходима стыковка с различным программным обеспечением.

Modbus узел является контейнером для Modbus переменных, с помощью которых происходит опрос Modbus устройств. Для добавления нового Modbus узла необходимо выделить узел-родитель в ветке «Текущие переменные». Затем либо правой кнопкой мыши вызвав контекстное меню выбрать пункт «Добавить узел», либо на панели управления нажать кнопку . Каждый узел внутри своей ветви должен иметь уникальное имя.

«Имя узла» – имя узла;
«Описание» – описание узла;
«Подключение» – тип подключения для работы в Master режиме. Может быть прямое, модемное или TCP подключение. После выбора типа подключения можно настроить настройки подключения нажав кнопку "Настройка";
«Тип данных» – тип получаемых данных от Modbus устройства. Могут быть текущие или исторические данные. Текущие данные - это данные получаемые при помощи функций 1,2,3,4,5,6,15,16. Исторические данные - это данные получаемые при помощи функции 20. При изменении свойств узла тип данных изменить нельзя. Тип данных можно задавать только при добавлении узла;;
«Период опроса» – период опроса устройства;
«Начальная фаза» – начальная фаза опроса устройства;
«Протокол» – тип используемого протокола. Может быть Modbus RTU или Modbus ASCII. Modbus RTU – стандартный бинарный протокол Modbus RTU. Modbus ASCII - стандартный текстовый протокол Modbus ASCII;
«Адрес устройства» – определяет MODBUS адрес устройства, с которым осуществляется связь (в десятичном виде);
«Функция чтения» – номер Modbus функции чтения (в десятичном виде);
«Функция записи» – номер Modbus функции записи (в десятичном виде);
«Групповой запрос» – установка пункта дает возможность отправки запроса на чтение/запись группы переменных. Сброс - предполагает чтение/запись каждой переменной в отдельном запросе.
«Дополнительно» – дополнительные параметры;

Параметры «Период опроса» и «Начальная фаза» определяют опрос устройства. Например «Период опроса» - 30 сек, «Начальная фаза» - 4 сек. Тогда время опроса: 00:00:04, 00:00:34, 00:01:04, 00:01:34 и т.д. В случае установки «Период опроса» - 0 сек, опрос не будет производиться.

Для добавления узла необходимо нажать кнопку «Добавить».

«Начальный номер» - начальный номер узла, используемый при нумерации тиражируемых узлов. Номер узла присоединяется к текущему имени узла;
«Кол-во» - количество тиражируемых узлов;
«Адрес устройства. Шаг» - шаг изменения Modbus адреса устройства при тиражировании узла.

Настройка подключения

Кнопка «Настройка . » группы «Подключение» предназначена редактирования настроек выбраного типа подключения.

Для прямого подключения необходимо задать номер COM порта к которому подключено Modbus устройства через интерфейс RS-232C или RS-485.

Для модемного подключения необходимо задать номер COM порта к которому подключен модем, дополнительные команды инициализации и номер телефона.

Команды инициализации определяют команды которые будут посланы модему перед дозвоном. С помощью команд инициализации можно например определить тип набора по умолчанию, задать значения регистров, определить параметры связи и т.д.

Т - тоновый набор,
P - импульсный набор,
W - ждать наборного тона,
@ - ждать ответной паузы,
! - ожидание,
R - возобновить режим ответа,
S - набрать хранимый номер,
/ - ждать 0,125 секунды,
; - вернуться в командный режим,
, - ждать S8 секунд.

+4951234567
(495)123-45-67
T9WP8W4951234567

Для TCP подключения необходимо задать протокол, IP адрес (или DNS имя) и номер TCP порта для подключения к удаленному Modbus устройству.

«Modbus TCP» - стандартный протокол Modbus TCP. Описан в спецификации Modbus;
«Modbus через TCP» - передача через TCP по стандартному протоколу Modbus RTU/ASCII.

История

Для чтения исторических данных с помощью стандартной 20-ой Modbus функции, необходимо выбрать «Тип данных» - «История».

Кнопка «Параметры . » поля «Формат данных» предназначена для определения формата исторических данных.

«Размер физической записи истории» - размер одной исторической записи (Record) при чтении истории с помощью 20-ой функции;
«Номер файла (по умолчанию)» - номер файла (File number), который используется по умолчанию. Номер файла можно менять используя системную историческую переменную HISTORY_FILE_NUMBER;
«Номер первой записи (по умолчанию)» - номер первой записи, который используется по умолчанию. Номер первой записи можно менять используя системную историческую переменную HISTORY_FIRST_RECORD;
«Номер последней записи (по умолчанию)» - номер последней записи, который используется по умолчанию. Номер последней записи можно менять используя системную историческую переменную HISTORY_LAST_RECORD;

HISTORY_FILE_NUMBER - номер файла;
HISTORY_FIRST_RECORD - номер первой записи;
HISTORY_LAST_RECORD - номер последней записи;
HISTORY_CURRENT_RECORD - номер текущей записи.

«Размер логической записи истории» - размер одной логической записи, т.е. записи хранящей список сгруппированых значений (обычно привязанных к одной временной метке);
«Использовать номер файла» - использовать номер файла (рекомендуется использовать). Если номер файла не используется, то в 20-ой команде номер первой записи может принимать более широкий диапазон значений (номер будет занимать 4 байта, вместо 2 байт).

При измении свойств узла формат данных истории изменить нельзя. Формат данных истории можно задавать только при добавлении узла.

Обращайтесь к разработчику и ваш формат истории будет добавлен в список поддерживаемых форматов.

«Excel» - сохранение данных в Microsoft Excel. При этом Excel должен быть инсталлирован. Для сохранения в Excel нужно задать каталог хранения, способ именования файлов Excel и вставлять или нет признакм начала и конца чтения;
«База данных» - сохранение данных в любой базе данных (через ADO). Необходимо добавить в данный узел SQL переменную, в которой определить скрипт чтения. В скрипте чтения необходимо использовать исторические переменные, содержащиеся в данном узле.

Также можно сохранять историю во встроенную базу данных установив признак сохранения состояния исторической переменной в дополнительных параметрах переменной (см. «Дополнительные параметры переменной»).

Дополнительные параметры

Кнопка «Параметры . » группы «Дополнительно» формы добавления Modbus узла предназначена для редактирования дополнительных параметров узла.

Благодаря универсальности и открытости, стандарт позволяет интегрировать оборудование разных производителей. Modbus используется для сбора показания с датчиков, управления реле и контроллерами, мониторинга, и т.д.

В статье разберем реализации протокола Modbus, форматы данных, программное обеспечение для работы с протоколом. Попробуем на практике прочитать данные из устройства.

История Modbus

Modbus был представлен в 1979 году компанией Modicon (ныне Schneider Electric). Это был открытый стандарт, работающий по интерфейсу RS-232. Позже появилась реализации протокола для интерфейсов RS-485 и Modbus TCP. Протокол быстро набрал популярность, и многие производители стали внедрять его в своих устройствах.

Позже права на протокол были переданы некоммерческой организации Modbus Organization, которая до сегодняшнего дня владеет стандартом.

В описании стандарта Modbus используются терминология, унаследованная от языков релейной логики. Так, например, некоторые регистры называются катушками (англ. coil).

Физический уровень

RS-232/422/485 — последовательные интерфейсы, широко распространенные в промышленности. Интерфейсы RS-422/485 обеспечивают дальность сигнала до 1200 метров. Используются протоколы Modbus RTU/ASCII
Сети TCP/IP — физическим каналом передачи данных могут любые ethernet-интерфейсы. Используется протокол Modbus TCP

Логический уровень

Различия протоколов Modbus

Modbus ASCII

Данные кодируются символами из таблицы ASCII и передаются в шестнадцатеричном формате. Начало каждого пакета обозначается символом двоеточия, а конец — символами возврата каретки и переноса строки. Это позволяет использовать протокол на линиях с большими задержками и оборудовании с менее точными таймерами.

Modbus RTU

Modbus TCP

Структура пакетов схожа с Modbus RTU, данные также кодируются в двоичный формат, и упаковываются в обычный TCP-пакет, для передачи по IP-сетям. Проверка целостности, используемая в Modbus RTU, не применяется, так как TCP уже имеет собственный механизм контроля целостности.

Формат пакета

Форматы пакета разных реализаций Modbus

Все устройства Modbus взаимодействуют, следуя модели master-slave. Запросы может инициировать только master-устройство, slave-устройства могут только отвечать на запросы, и не могут самостоятельно начинать передачу данных. В зависимости от реализации протокола, заголовки пакета различаются. Вот основные составляющие пакета, которые важно знать:

ADU (Application Data Unit) — пакет Modbus целиком, со всеми заголовками, PDU, контрольной суммой, адресом и маркерами. Отличается, в зависимости от реализации протокола.

PDU (protocol data unit) — основная часть пакета, одинаковая для всех реализаций протокола. Содержит сам payload.

Адрес устройства — адрес получателя, то есть slave-устройства. В одном сегменте Modbus-сети могут находится до 247 устройств. Только slave-устройства имеют различающиеся адреса, master-устройство не имеет адреса. Адрес «0» используется для широковещательных запросов от master, при этом, slave-устройства не могут отвечать на эти широковещательные пакеты.

Контрольная сумма — алгоритмы проверки целостности пакетов. В Мodbus RTU и ASCII используется 2 байта контрольной суммы. В Modbus RTU применяется алгоритм CRC16, в Modbus ASCII — более простой и менее надежный LRC8. В Modbus TCP контрольная сумма не добавляется в ADU, так как целостность проверяется на уровне TCP.

Мы не будем разбирать дополнительные заголовки, специфичные для каждой отдельной реализации протокола, так как это не имеет существенного значения при работе с протоколом на прикладном уровне.

Регистры и функции Modbus

В упрощенном виде, структура запросов Modbus состоит из кода функции (чтение/запись), и данных, которые нужно считать или записать. При этом, коды функции различаются для разных типов данных. Разберем, какие бывают регистры, и функции для работы с ними.

Discrete Inputs — дискретные входы устройства, доступны только для чтения. Диапазон адресов регистров: с 10001 по 19999. Имеют функцию «02» — чтение группы регистров
Coils — дискретные выходы устройства, или внутренние значения. Доступны для чтения и записи. Диапазон адресов регистров: с 20001 по 29999. Имеет функции: «01» — чтения группы регистров, «05» — запись одного регистра, «15» — запись группы регистров
Input Registers — 16-битные входы устройства. Доступны только для чтения. Диапазон адресов регистров: с 30001 по 39999. Имеют функцию: «04» — чтение группы регистров
Holding Registers — 16-битные выходы устройства, либо внутренние значения. Доступны для чтения и записи. Диапазон адресов регистров: с 40001 по 49999. Имеют

Примеры работы

Для примера работы с протоколом Modbus TCP воспользуемся максимально простой консольной утилитой modbus-cli, написанной на языке Ruby. Она позволяет легко читать и писать данные в регистры Modbus.

Попробуем прочесть состояние счетчиков переданных пакетов на промышленном коммутаторе Advantech EKI-5524SSI. Для начала необходимо определить адреса регистров, хранящие нужную информацию, для этого заглянем в документацию устройства. Описание регистров находятся в разделе «Modbus Mapping Table»:

Описание значений регистров в документации коммутаторов EKI

Видно, что значение переданных пакетов для одного порта хранится в четырех регистрах, и для первого порта это регистры с 38193 по 38197. Также дано описание формата хранения данных, из которого следует, что целое число переданных пакетов хранится шестнадцатеричном формате, и значение 11223344 пакетов будет записано как 0xAB4130, справа налево.

read — команда чтения. Программа сама понимает, какую конкретно команду чтения использовать в зависимости от адреса регистра, в нашем случае будет использована команда «04», для чтения 16-битных регистров.

192.168.0.17 — IP-адрес устройства.

38193 — начальный адрес регистра.

4 — смещение относительно начального адреса. Мы читаем четыре регистра для порта 1, как следует из даташита.

Получаем ответ, содержащий значения четырех регистров. Видим, что число пакетов невелико: 0x3459, то есть 13401, — коммутатор был включен недавно.

Недостатки протокола Modbus

Справедливости ради, стоит упомянуть и о недостатках протокола. Так как он разрабатывался более 40 лет назад, когда производительность процессоров была существенно ниже и протоколы разрабатывались без учета защиты данных, он имеет рад минусов:

Протокол не предусматривает аутентификацию и шифрование передаваемых данных. Поэтому, при использовании Modbus TCP необходимо использовать дополнительные VPN-тоннели.
Slave-устройство не может инициировать передачу данных, поэтому master должен постоянно опрашивать ведомые устройства
Slave-устройство не может обнаружить потерю связи с Master. Эта проблема напрямую следует из предыдущей.

Оборудование с поддержкой Modbus

Advantech предлагает широкий спектр промышленного оборудования с поддержкой протокола Modbus для любых задач: автоматизации, управления, сбора и передачи данных.

ADAM-6000 и WISE-4000 — модули удаленного ввода-вывода

Модули серии ADAM-6000 и WISE-4000 позволяют удаленно управлять цифровыми и аналоговыми входами/выходами по протоколу Modbus TCP. Используются для управления периферийными устройствами и сбора данных в режиме slave. Могут работать в паре с программируемым логическим контроллером, или подключаться напрямую к SCADA-серверу.⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀

EKI-1200 — Modbus-шлюзы для преобразования интерфейсов

Для преобразования протоколов Modbus RTU/ASCII в Modbus TCP, используются Modbus шлюзы. Устройства серии EKI-1200 имеют на борту до четырех последовательных интерфейсов RS-232/422/485, и два Ethernet-порта. Они позволяют объединить в одну сеть устройства с разными протоколами. Например, подключить slave устройство, поддерживающее только Modbus RTU, по интерфейсу RS-485 к сегменту сети Modbus TCP.

APAX-5000, ADAM-3600, WISE-5000 — контроллеры автоматизации

Контроллеры поддерживают функции Modbus RTU в качестве slave/master и клиента/сервера Modbus TCP.

Примеры применения

Система мониторинга теплиц

Решение Advantech для мониторинга интегрирует устройства TPC-1070H, ADAM-6024, ADAM-6050, ADAM-6060 и программное обеспечение WebAccess в машинном шкафу рядом с сельскохозяйственными угодьями. Соединяясь с различными чувствительными устройствами, модули ADAM-6000 могут в режиме реального времени получать данные об окружающей среде и контролировать переключение оборудования, чтобы гарантировать, что теплица находится в оптимальной среде для роста растений. Благодаря особой функции Advantech — графической логике условий (GCL), пользователи могут определять свои собственные правила логики управления и загружать эти правила в модули ввода / вывода Ethernet ADAM-6000, а затем модули автоматически выполняют логические правила, как автономные модули. контроллер. Еще одна особенность — Peer-to-Peer (P2P) использует наиболее открытую и гибкую сеть Ethernet, чтобы не только упростить процесс внедрения без контроллера, но и сэкономить затраты на аппаратное оборудование.

Все полученные данные затем передаются через Ethernet на компьютер с сенсорной панелью TPC-1070H. Благодаря системе охлаждения без вентилятора и передней панели, соответствующей стандарту IP65, TPC-1070H представляет собой прочную и компактную конструкцию, подходящую для изменяемой операционной среды, а его мощные вычислительные возможности способны обрабатывать большие объемы данных. Для управления устройствами Advantech WebAccess позволяет инженерам или менеджерам просматривать, контролировать и настраивать систему мониторинга через интрасеть или Интернет с помощью обычного веб-браузера с любого устройства, включая планшеты и смартфоны.

Мониторинг системы нагрева воды солнечной энергией

Инжиниринговая компания должна была иметь возможность контролировать количество солнечной энергии, температуры и расход воды в системе нагрева воды на солнечной энергии для бассейна олимпийских размеров, обеспечиваемого их недавно разработанной солнечной панелью. Они также должны были иметь возможность непосредственно отслеживать эти значения и их аварийные сигналы на ЖК-панелях и сохранять эти значения для дальнейшего использования.

Модули Adam от Advantech предоставили заказчику решение, в котором использовались модули сбора данных, подключенные через RS485, и двухпроводная шина для передачи данных со всех датчиков. Эта системная архитектура имеет два основных преимущества: во-первых, она позволяет в любое время добавлять в систему большее количество датчиков модулей сбора данных, и, во-вторых, очень легко добавлять дополнительные метки в программное обеспечение для мониторинга и записи этих значений на ПК.