W tym tekście dowiesz się czym jest i do czego służy protokół Modbus TCP/IP.
Zagłębiając się w temat automatyki przemysłowej, z pewnością niejednokrotnie zetkniemy się z zagadnieniami związanymi ze specjalistycznymi protokołami odpowiedzialnymi za optymalny przesył informacji między urządzeniami. Do najpopularniejszych rozwiązań tego typu należą właśnie protokoły Modbus. Opracowane były już w 1978 roku przez firmę Modicon (znaną obecnie jako Schneider Electric), a ich współczesne wersje znajdują zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu – od produkcji komponentów komputerowych po transport. Obecnie na rynku możemy natknąć się na protokoły takie jak Modbus RTU czy też Modbus ASCII. W niniejszym artykule skupimy się na protokole TCP/IP, cenionym za możliwość sprawnego przesyłu danych drogą bezprzewodową.
Spis treści
Protokół TCP/IP – co to takiego?
Jak wspominaliśmy na wstępie, istnieją różne rodzaje protokołów Modbus. Nowoczesne systemy korzystają w szczególności ze standardu Modbus RS485 oraz RS232, na których opierają się protokoły RTU i ASCII. W przeciwieństwie do swoich odpowiedników protokół TCP/IP bazuje na sieci Ethernet. Dzięki takiemu rozwiązaniu do sprawnej transmisji informacji między sprzętami wystarcza zwykła skrętka. Nie jest to jednak jedyna cecha szczególna tego protokołu. W przeciwieństwie do wspomnianych na wstępie wariantów RTU oraz ASCII działanie TCP/IP opiera się na architekturze Client-Server. Ponieważ nie istnieje tu konieczność korzystania z jednego urządzenia, pełniącego rolę tzw. Mastera, Modbus TCP/IP może być wykorzystywany przez kilka serwerów oraz więcej niż jednego klienta.
Protokół Modbus TCP/IP to także charakterystyczny język komunikacji, odpowiadający wyłącznie za sposób przesyłu danych. Wszystko opiera się tu na standardzie TCP (Transmission Control Protocol), pełniącego rolę swoistego regulatora, gwarantującego niezakłócone połączenie pomiędzy serwerem a użytkownikiem (klientem). Pamiętajmy przy tym, że standard TCP nie jest odpowiedzialny za formatowanie danych. Za adresowanie przesyłanych informacji odpowiada tu bowiem IP.
Jak dokładnie działa protokół TCP/IP, czyli słów kilka o ramkach MBAP
Informacje przesyłane przez protokół TCP/IP przyjmują postać tzw. ramek. Na każdą taką ramkę składają się trzy elementy – dane, kod funkcyjny oraz nagłówek zawierający siedem bajtów informacji wstępnej. Nagłówki te oznaczamy skrótem MBAP (Modbus Application Protocol). Rolą takiego nagłówka jest przede wszystkim ułatwienie rozpoznania przesyłanych informacji przez system. Wewnątrz każdej ramki MBAP znajdziemy zatem:
dane – mogą zawierać między innymi numery rejestrów, liczbę bajtów w polu danych tudzież dane właściwe,
identyfikator protokołu – zawiera 2 bajty danych, identyfikowany w protokole przez wartość 0,
identyfikator transmisji – zawiera 2 bajty danych, serwer kopiuje go podczas formowania odpowiedzi w celu uzyskania tzw. pary transmisyjnej,
identyfikator jednostki – zawiera 1 bajt danych, musi być zbieżny zarówno w pytaniu, jak i odpowiedzi,
długość pól – wartość, określająca dokładną ilość pól wewnątrz ramki,
kod funkcyjny o zakresie funkcji między 1 a 127.
Warto mieć tu jednocześnie na uwadze, że ów kod występuje w trzech wariantach. Pierwszym z nich są powszechnie znane kody publiczne potwierdzone dokumentacją. Drugim ich rodzajem są kody funkcyjne. Mogą być one programowane przez użytkownika, zaś zakres oferowanych przez nie funkcji wynosi 65-72 oraz 100-110. Ostatnim typem kodu funkcyjnego jest tu kod niepubliczny. Jest on pozbawiony użyteczności publicznej, przez co korzystać mogą z niego wyłącznie producenci, którzy zarezerwowali sobie dany kod.
W jaki sposób protokół Modbus TCP/IP dokonuje przesyłu danych?
Wyjaśniliśmy już, że podstawą prawidłowego działania protokołu TCP/IP jest sprawna łączność na linii klient-serwer, zaś wszelkie zapytania i odpowiedzi opierają się na przesyłaniu ramek MBAP. Przejdźmy zatem do kolejnej kwestii, czyli poszczególnych elementów przeprowadzania transakcji. Pierwszym krokiem jest tu sformułowanie zapytania przez klienta. Wygenerowane dane zostają następnie przesłane do serwera, po czym odebrane w formie wspomnianej wcześniej ramki. Po otrzymaniu zapytania system analizuje dokładnie wszystkie dane, po czym generuje i przesyła odpowiedź dla klienta. Po odebraniu odpowiedzi klient może przystąpić do natychmiastowej analizy. Dzięki odpowiednio zaprojektowanemu systemowi serwer sam wie, jaki zakres działań jest wymagany w danej sytuacji, co pozwala na zniwelowanie jakichkolwiek błędów mogących pojawić się podczas analizy otrzymanego zapytania.
Zastosowanie Modbus TCP/IP w automatyce przemysłowej
Wiemy już, jak działa i czym dokładnie jest protokół komunikacyjny TCP/IP. Przyszła zatem pora na omówienie kolejnej istotnej kwestii, jaką jest implementacja tego rozwiązania we współczesnym przemyśle. Nie od dziś wiadomo, że nowym standardem na rynku jest wprowadzenie automatyki do szerokiej gamy procesów i procedur w celu zwiększenia ogólnej wydajności zakładu oraz ograniczenia błędu ludzkiego. Coraz więcej przedsiębiorców stawia także na tzw. zrównoważony rozwój, który ma na celu pogodzenie rozwoju parku maszynowego firmy z troską o środowisko, na przykład poprzez ograniczenie zużycia energii oraz materiałów. Decydując się na takie inwestycje, konieczne jest tu jednak uprzednie zapewnienie urządzeniom prawidłowego, a zarazem błyskawicznego przesyłu informacji.
Protokół TCP/IP należy do najpopularniejszych rozwiązań, wybieranych właśnie przez firmy chcące cieszyć się korzyściami zapewnionymi przez nowoczesne technologie. Powodem jest tu przede wszystkim ogólna prostota implementacji protokołu – proces ten nie należy bowiem ani do szczególnie kosztownych, ani czasochłonnych. Co więcej, protokół Modbus odznacza się znakomitą wręcz elastycznością – wszelkie modyfikacje w już zainstalowanym systemie można przeprowadzić w sposób prosty i szybki. Niewątpliwym atutem tego rozwiązania jest także jego wszechstronność eksploatacyjna – Modbus TCP/IP jest bowiem kompatybilny ze skrętkami TP, siecią GSM, a także światłowodami. A ponieważ cały proces przesyłu informacji bazuje tu na sieci Ethernet, automatyka przemysłowa może być obsługiwana w trybie zdalnym. Użytkownik uzyskuje tu również możliwość przeprowadzania symulacji warunków sieciowych.
Największe korzyści związane z implementacją protokołu komunikacyjnego Modbus
Protokoły Modbus uchodzą obecnie za jeden z integralnych elementów szeroko pojętej automatyki wykorzystywanej na terenie zakładów przemysłowych. Oprócz prostej implementacji oferują one bowiem szereg niezwykle korzystnych zalet, do których możemy zaliczyć chociażby niezwykle szybki przesył danych z poziomu komputera. Protokół TCP/IP jest bowiem w stanie analizować i przesyłać informacje w tempie znacznie szybszym niż w przypadku konwencjonalnych rozwiązań. Co więcej, eksploatacja protokołu nie wymaga od przedsiębiorcy zakupu konkretnych czipów czy licencji na nowe systemy operacyjne – Modbus jest w stu procentach kompatybilny z najpopularniejszymi urządzeniami.
Dodatkowym atutem protokołów komunikacyjnych tego typu są także niskie koszty eksploatacyjne – wszystkie specyfikacje możemy pobrać bezpłatnie. Nie ma tu też mowy o żadnych dodatkowych opłatach licencyjnych. Ogromną zaletą protokołu Modbus jest również jego przystępność. Użytkownik może bowiem korzystać z usług różnych dostawców internetu, zaś zainstalowane protokoły mogą pracować z urządzeniami zróżnicowanych marek. Jak zatem widzimy, implementacja protokołów sterujących Modbus z pewnością jest inwestycją wartą rozważenia. Zwiększona produktywność, połączona z niewielkimi kosztami montażu oraz eksploatacji z pewnością sprawi, że efektywność pracy naszego zakładu ulegnie bardzo szybkiej poprawie. Także i same statystyki nie kłamią – już od czterdziestu lat to właśnie Modbus uchodzi za niekwestionowanego lidera pośród protokołów przesyłu danych!