CC BY
0
Разработка автоматизированной системы управления на Modbus-протокол
Н.Б. Лазарева, М.В. Еремеев Тихоокеанский государственный университет, Хабаровск
Аннотация: В статье представлен анализ протокола Modbus, включая его архитектуру, типы сообщений, особенности реализации и собственный язык программирования. Рассмотрена система управления производственным процессом на основе Modbus. Ключевые слова: Modbus, программируемый логический контроллер, протокол обмена данными, программирование, промышленная автоматизация, управление процессами, мониторинг, регистры, интеграция систем.
В современном мире автоматизация промышленных процессов играет ключевую роль. Для обеспечения бесперебойной работы систем автоматизации необходимо эффективное средство обмена данными между различными устройствами. У каждого производителя были свои собственные протоколы обмена данными, и их интеграция между различными устройствами была сложной и порой неэффективной. Это приводило к трудностям в обмене информацией, управлении и контроле на производственных объектах, что затрудняло создание автоматизированных систем и их связь между собой. Изобретение основы многоцелевого двунаправленного системного стандарта (multi-purpose bidirectional system standard - Modbus) стандартизировало протокол обмена данными, обеспечивая простой и эффективный способ взаимодействия между различными устройствами в промышленной среде. Modbus стал основой для создания единой системы связи, позволяющей разным устройствам обмениваться информацией независимо от их производителя. Это решение проблемы разнообразия протоколов обмена данными способствовало более эффективной и гибкой автоматизации промышленных систем, а также уменьшило сложность интеграции различных устройств, улучшая общий уровень автоматизации и эффективности производства [1].
Modbus является одним из наиболее распространенных протоколов в области промышленной автоматизации. Он играет важную роль в передаче данных между различными электронными устройствами, такими, как контроллеры, датчики, приводы и другие устройства, используемые в промышленных системах. Modbus обладает богатым набором функций, делающих его универсальным инструментом для промышленной автоматизации:
1. Чтение/запись регистров: позволяет считывать и записывать значения из памяти ведомых устройств.
2. Диагностика: обеспечивает доступ к информации о состоянии устройств, включая коды ошибок.
3. Управление: поддерживает команды управления устройствами, например, запуск/останов двигателя.
Modbus - это протокол прикладного уровня, основанный на архитектуре «ведущий-ведомый» (master-slave), где одно ведущее (master) устройство инициирует запросы к нескольким подчиненным (slave) устройствам. Ведущее устройство может быть программируемым логическим контроллером (ПЛК), системой диспетчерского контроля и управления (supervisory control and data acquisition - SCADA) или другим устройством, способным управлять сетью [2]. Ведомые устройства - это датчики, исполнительные механизмы, контроллеры и другие устройства, которые могут предоставлять или получать данные. Запросы инициирует только ведущее устройство, ведомые устройства могут только на эти запросы отвечать, и не могут самостоятельно начинать передачу данных. Каждый пакет данных, будь то запрос или ответ, начинается с адреса устройства или адреса ведомого устройства, за которым следует код функции, а за ним следуют параметры, определяющие, что запрашивается или предоставляется.
Одним из ключевых моментов в автоматизации производства является гибкая архитектура, способность различных устройств и компонентов обмениваться данными и командами. Modbus предоставляет эффективную, надежную и стандартизированную коммуникацию между различными устройствами в промышленной среде. Это особенно важно в сценариях, где требуется управление, мониторинг и согласованная работа множества разнообразных устройств.
Рассмотрим пример использования модели ведущий-ведомый.
На рисунке 1 показан объект и диспетчерская, в которой установлены автоматизированные рабочие места (АРМ). АРМ соединяются Ethernet-интерфейсом, используя Modbus ТСР протокол, с ПЛК. Он и будет выполнять роль ведущего. ПЛК с помощью RS-485 интерфейса и протокола Modbus RTU опрашивает датчики влажности технологического процесса. Датчики являются ведомыми устройствами, отвечают на запрос ПЛК, предоставляя информацию о текущем параметре [3].
Данные Modbus чаще всего считываются и записываются в виде «регистров», которые представляют собой 16-разрядные фрагменты данных. Регистр может быть 16-разрядным целым числом со знаком или без знака. Если требуется 32-разрядное целое число или значение с плавающей запятой,
Рис. 1. Условная схема работы протокола
то эти значения фактически считываются как пара регистров. Наиболее часто используемый регистр называется «регистром хранения». Регистры хранения могут быть считаны или записаны. Другой возможный тип - «входной регистр», который доступен только для чтения. Исключения из 16-битных регистров составляют катушка и дискретный вход, каждый из которых имеет только 1 бит. Катушки могут считываться или записываться, в то время как дискретные входы доступны только для чтения. Катушки обычно связаны с релейными выходами.
Различные протоколы Modbus:
1. Modbus RTU кодирует данные в двоичном формате, используя временные интервалы в качестве разделителей пакетов. Он имеет ограниченную способность к приспособлению к задержкам и несовместим с модемными линиями. Однако, он имеет меньшие накладные расходы на передачу данных, поскольку сообщения имеют меньший размер [4].
2. Modbus TCP использует структуру пакетов, аналогичную Modbus RTU, для передачи двоично закодированных данных в обычные TCP-пакеты через IP-сети. Поскольку TCP уже обеспечивает собственный контроль целостности, контроль целостности данных, применяемый в Modbus RTU, в нем не используется [5].
Количество возможных подключаемых устройств в сети Modbus RTU (RS-485) не может быть более одного ведущего устройства. Следовательно, если шлюз должен быть настроен как ведущий, то он может быть только один. Нельзя использовать несколько шлюзов для считывания большего количества точек с одного подчиненного устройства Modbus. Несколько шлюзов, настроенных как ведомые устройства, могут находиться в одной сети Modbus RS-485. Если использовать устройства RS-232, всего может быть только два устройства, независимо от того, как они настроены. RS-232 не является многопользовательским. Логически можно обращаться к более
чем 250 устройствам. Однако приемопередатчики RS-485 физически не способны управлять таким количеством устройств. Протокол Modbus утверждает, что ограничение составляет 32 устройства, и большинство приемопередатчиков RS-485 согласятся с этим. Если все устройства в сети оснащены приемопередатчиками с низкой нагрузкой, количество устройств может превышать 32.
Ведомые устройства Modbus можно представить, как таблицу с числами. Ведущее устройство запрашивает у ведомого данные по указанным адресам, и ведомое устройство отправляет эти данные обратно. Также ведущее устройство может сообщить ведомому, какое число записать в таблицу по указанным адресам.
Рассмотрим особенности работы Modbus на примере системы автоматического управления, а именно аппарата воздушного охлаждения антифриза (АВОА).
Аппарат воздушного охлаждения антифриза представляет собой комплексную систему, включающую в себя несколько ключевых компонентов. В основе АВОА лежат блок вентиляторов и блок теплообменных секций, которые состоят из оребрённых труб, наполненных антифризом. Все эти элементы контролируются и управляются с помощью щита автоматизации, где установлен программируемый логический контроллер. Этот ПЛК отвечает за координацию работы всех составляющих системы, обеспечивая их согласованное взаимодействие. Для измерения параметров системы, таких, как температура и давление, используются датчики, которые монтируются на ёмкость с охлаждающей жидкостью. Исполнительные механизмы, включая вентиляторы и клапаны, регулируют потоки воздуха для поддержания оптимальной температуры. ПЛК взаимодействует с этими датчиками и механизмами с помощью протокола Modbus, который обеспечивает надежную передачу данных и команд.
В АВОА применяются два основных интерфейса связи: RS-485 для Modbus RTU, обеспечивающий высокую помехозащищенность и надёжность на больших расстояниях, и Ethernet для Modbus TCP/IP, который обеспечивает высокую скорость передачи данных и легкую интеграцию в существующую сетевую инфраструктуру [6]. Инициализация связи начинается с того, что мастер (ПЛК) отправляет запрос к ведомому устройству (слейву) по заданному адресу. Слейв, например, датчик температуры, отвечает на запрос, отправляя данные обратно мастеру.
Modbus позволяет организовать четкую и надежную передачу данных, используя функции чтения и записи регистров. Это обеспечивает непрерывный мониторинг и управление процессами. Температура измеряется с помощью термопреобразователя сопротивления, а выходной унифицированный сигнал поступает на ПЛК [7]. Если параметр отклоняется от заданного значения, ПЛК активирует исполнительный механизм для регулировки температуры антифриза. Положение регулирующего органа отображается на дистанционном индикаторе, что позволяет операторам контролировать процесс [8]. При помощи Modbus RTU данные о температуре и давлении передаются с датчиков на ПЛК, который их обрабатывает и принимает решение о включении или выключении исполнительных механизмов. Использование Modbus TCP/IP позволяет интегрировать систему в более крупные сети и передавать данные на центральные системы мониторинга и управления. Типы сообщений между ПЛК и датчиками включают функции чтения (Read), когда мастер запрашивает данные у слейва, и записи (Write), когда мастер отправляет команду слейву для выполнения определённого действия, например, включения или отключения вентилятора. Инициализация и настройка системы производится путем подключения датчиков температуры и давления к ПЛК через интерфейс RS-485 для Modbus RTU. Вентиляторы и клапаны также подключаются к ПЛК
через Modbus RTU, и каждому устройству в сети присваивается уникальный адрес Modbus.
В Системе разработки контролера (Controller Development System -CoDeSys) настраивается библиотека Modbus для обработки запросов и ответов [9]. ПЛК запрашивает данные с датчика температуры по заданному адресу, датчик измеряет температуру и отправляет значение обратно ПЛК. Код для получения данных с датчика температуры на языке структурированного текста (Structured Text - ST) выглядит следующим образом:
// Чтение температуры
tempSensorValue : = MODBUSREAD(ADDRESSTEMPSENSOR);
Управление исполнительными механизмами осуществляется следующим образом: ПЛК анализирует полученные данные о температуре, если температура превышает 25°C, ПЛК отправляет команду на включение вентилятора по адресу 0x02. Код для включения/отключения вентилятора на языке ST [10]:
IF tempSensorValue > 25.0 THEN
MODBUS WRITE(ADDRESS_FAN, ON); ELSE
MODBUS WRITE(ADDRESS_FAN, OFF); END_IF
Мониторинг и диагностика работы процесса охлаждения в CoDeSys включают отслеживание текущих значений температуры, давления и состояния вентиляторов в реальном времени. ПЛК периодически опрашивает все устройства, обновляя данные на экране оператора. При отсутствии ответа от устройства или получении некорректных данных, ПЛК регистрирует ошибку и может отправить уведомление оператору или включить аварийный режим. CoDeSys поддерживает функции ведения журналов событий и построения графиков, что помогает в анализе работы системы и выявлении возможных сбоев.
Код диагностики ошибок протокола на языке ST:
PROGRAM ErrorHandling VAR errorCode: INT; errorMessage: STRING; ENDVAR
// Обработка ошибок errorCode : = MODBUS_CHECK_ERROR(); IF errorCode <> 0 THEN CASE errorCode OF
1: errorMessage: = 'IllegalFunction'; 2: errorMessage: = 'Illegal Data Address'; 3: errorMessage: = 'IllegalData Value'; 4: errorMessage: = 'Slave Device Failure'; ELSE
errorMessage : = 'Unknown Error'; END_CASE // Логирование ошибки LOGERROR (errorMessage); // Оповещение оператора SENDNOTIFICATION (errorMessage); END_IF
Разбор возможных ошибок:
errorMessage := 'Illegal Function' - эта ошибка возникает, если мастер отправляет запрос с функцией, которая не поддерживается slave-устройством. В Modbus существует множество функций (например, чтение, запись регистров), и, если устройство не поддерживает запрошенную функцию, оно вернет эту ошибку.
errorMessage: = 'Illegal Data Address'; - ошибка указывает на то, что адрес данных, указанный в запросе, неверен или выходит за пределы доступного адресного пространства slave-устройства.
errorMessage: = 'Illegal Data Value'; - эта ошибка указывает на то, что значение данных в запросе неверно или недопустимо. Например, мастер пытается записать значение, которое выходит за допустимые пределы для данного регистра.
errorMessage: = 'Slave Device Failure'; - эта ошибка означает, что на slave-устройстве произошел сбой или оно не может обработать запрос. Это может быть вызвано аппаратными проблемами или внутренними сбоями устройства.
errorMessage: = 'Unknown Error'; - если возвращенный код ошибки не соответствует ни одному из перечисленных выше случаев, то программа присваивает сообщение «Unknown Error». Это помогает обработать непредвиденные или редкие ошибки, которые не были явно определены.
В случае необходимости, можно использовать программный код для работы Modbus на языке С++ с использованием libmodbus:
#include <iostream> #include <modbus/modbus.h> using namespace std; int main() {
//Подключение к серверу MODBUS modbust *ctx = modbus_new_tcp("192.168.1.100", 502); if (ctx == NULL) { cerr << "Ошибка подключения к серверу MODBUS" << endl; return 1;
}
// Чтение дискретного входа uint8_t value;
modbus_read_input_bits(ctx, 1, 1, &value);
cout << "Значение дискретного входа: " << (int)value << endl; // Чтение регистра хранения uint16_t registerValue;
modbus_read_holding_registers(ctx, 1, 1, ®isterValue);
cout << "Значение регистра хранения: " << registerValue << endl;
// Запись в регистр хранения
registerValue = 100;
modbus_write_holding_registers(ctx, 1, 1, ®isterValue);
cout << "Врегистр хранения записано значение: " << registerValue << endl;
// Закрытие соединения
modbus_free(ctx);
return 0;
}
Перед запуском кода необходимо изменить адрес сервера и номера регистров в соответствии с конфигурацией. Код демонстрирует базовые операции. Для более сложных задач, таких как чтение/запись массивов
данных, необходимо использовать другие функции библиотеки Modbus. Дополнительно можно использовать многопоточность для работы с несколькими серверами одновременно, добавить функции для чтения и записи других типов данных, например, плавающих чисел и строк.
Программный код диагностики ошибок в работе Modbus на языке С++:
#include <iostream> #include <modbus/modbus.h> using namespace std; int main() {
//Подключение к серверу MODBUS modbus t *ctx = modbus_new_tcp("192.168.1.100", 502); if (ctx == NULL) { cerr << "Ошибка подключения к серверу MODBUS" << endl; return 1;
}
// Проверка ошибок при чтении дискретного входа uint8_t value;
int status = modbus_read_input_bits(ctx, 1, 1, &value); if (status < 0) { switch (status) { case MODBUSSOCKETERROR: cerr << "Ошибка сокета" << endl; break;
case MODBUS TIMEOUT: cerr << "Превышение времени ожидания" << endl; break;
case MODBUSSLAVEREPLYERROR: cerr << "Ошибка ответа slave-устройства" << endl; break; default:
cerr << "Неизвестная ошибка: " << status << endl;
}
modbus_free(ctx); return 1;
Таким образом происходит поиск самой распространённой ошибки -подключения к серверу Modbus. Дополнительно, в программу будет включена диагностика других возможных ошибок:
1. Ошибка сокета - указывает на проблему с сокетом, используемым для сетевого соединения. Возможные причины могут включать ошибки при
открытии сокета, потерю соединения, неправильные параметры сокета или проблемы с сетью.
2. Превышение времени ожидания - когда истекает время ожидания ответа от устройства. Это может случиться, если устройство не отвечает вовремя из-за перегрузки, отказа или проблем с сетью.
3. Ошибка ответа slave-устройства - указывает на проблему с ответом от slave-устройства. Это может быть связано с неверным или поврежденным ответом, или если устройство не может обработать запрос должным образом.
4. Неизвестная ошибка - обрабатывает все остальные неопознанные ошибки, которые не соответствуют ни одному из вышеперечисленных случаев. Код ошибки сохраняется в переменной «status» и выводится для дальнейшего анализа.
Исходя из совокупности всех факторов, можно заключить, что протокол Modbus продолжает оставаться ключевым стандартом в области промышленной автоматизации благодаря своей простоте, надежности и широкому распространению. Его универсальность позволяет интегрировать разнообразные устройства и системы, обеспечивая эффективное и стандартизированное взаимодействие. Несмотря на появление новых технологий, Modbus сохраняет свою актуальность, предлагая проверенные решения для управления и мониторинга промышленных процессов. Протокол играет важную роль в автоматизации, оставаясь ценным инструментом для обмена данными между устройствами, стимулирует развитие промышленных коммуникаций, способствуя созданию новых устройств и стандартов.
Литература
1. Фрасын П. Г., Никитин Н. В., Масанов Д.В., Рыжкова Е.А. Методологические основы работы с протоколом Modbus TCP с примером на
высокоуровневом языке программирования Python // Инженерный вестник Дона, 2023, № 11. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n11y2023/8785
2. Долидзе А. Н. Автоматическое согласование электроприводов без обратной связи с применением протокола Modbus // Инженерный вестник Дона, 2024, № 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2024/8959
3. Гофман П. М., Кузнецов П. А. Инструменты программирования промышленных контроллеров. - Красноярск: СибГУ им. академика М. Ф. Решетнёва, 2019. — 94 с.
4. Petrulis В. Modbus RTU Tutorial: Tutorial On Modbus TCP/RTU Design: Modbus Tcp/Rtu (C#) Modbus Programming In C#. - Independently Published, 2021. - Р. 40.
5. Matt Coutu. The Technicians Guide to Modbus TCP. - Amazon Digital Services LLC - KDP Print US, 2020. - P. 41.
6. Bryan Е. А., Bryan L. А. Programmable Controllers Theory and Implementation. - Amer Technical Pub, 2003. - Р. 1035.
7. Смит С. Цифровая обработка сигналов. Практическое руководство для инженеров и научных работников. - Москва: ДМК Пресс, 2011. - с. 720.
8. Bolton W. Programmable Logic Controllers. - Newnes, 2011. - Р. 304.
9. Pratt G. The Book of CODESYS: The Ultimate Guide to PLC and Industrial Controls Programming with the CODESYS IDE and IEC 61131-3. -ControlSphere LLC, 2021. - Р. 492.
10. Деменков Н. П. Языки программирования промышленных контроллеров. - Москва: МГТУ имени Н. Э. Баумана, 2004. - с. 172.
References
1. Frasyn P. G., Nikitin N. V., Masanov D.V., Ryzhkova E.A. Inzhenernyj vestnik Dona, 2023, №11. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n11y2023/8785
2. Dolidze A. N. Inzhenernyj vestnik Dona, 2024, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/ n1y2024/8959
3. Gofman P. M., Kuznecov P. A. Instrumenty programmirovanija promyshlennyh kontrollerov [Industrial controller programming tools]. Krasnojarsk: SibGU im. akademika M. F. Reshetnjova, 2019. 94 р.
4. Petrulis В. Modbus RTU Tutorial: Tutorial On Modbus TCP/RTU Design: Modbus Tcp/Rtu (C#) Modbus Programming In C#. Independently Published, 2021. Р. 40.
5. Matt Coutu. The Technicians Guide to Modbus TCP. Amazon Digital Services LLC - KDP Print US, 2020. P. 41.
6. Bryan Е. А., Bryan L. А. Programmable Controllers Theory and Implementation. Amer Technical Pub, 2003. Р. 1035.
7. Smith S. Digital signal processing. A practical guide for engineers and scientists [Cifrovaja obrabotka signalov. Prakticheskoe rukovodstvo dlja inzhenerov i nauchnyh rabotnikov]. Moskva: DMK Press, 2011. 720 р.
8. Bolton W. Programmable Logic Controllers. Newnes, 2011. Р. 304.
9. Pratt G. The Book of CODESYS: The Ultimate Guide to PLC and Industrial Controls Programming with the CODESYS IDE and IEC 61131-3. ControlSphere LLC, 2021. Р. 492.
10. Demenkov N. P. Programming languages for industrial controllers [Jazyki programmirovanija promyshlennyh kontrollerov]. Moskva: MGTU imeni N. F. Baumana, 2004. 172 р.
Дата поступления: 27.06.2024
Дата публикации: 29.08.2024
