История и тенденции развития протокола Modbus

Введение

В данной работе будет рассмотрена история и тенденции развития протокола MODBUS и связанных с ним технологий. Выполнен обзор протокола. Сформированы требования для работы с протоколом. Рассмотрены варианты управления микроконтроллерными устройствами на промышленных предприятиях. Проведен анализ существующих решений, выявлены основные достоинства и недостатки.

Что такое MODBUS

Modbus — открытый коммуникационный протокол, основанный на архитектуре ведущий-ведомый (master-slave). Коммуникационный протокол — набор соглашений интерфейса логического уровня, которые определяют обмен данными между различными программами. Modbus был разработан компанией Modicon (в настоящее время принадлежит Schneider Electric) для использования в её контроллерах с программируемой логикой. Впервые спецификация протокола была опубликована в 1979 году. Это был открытый стандарт, описывающий формат сообщений и способы их передачи в сети, состоящей из различных электронных устройств.

Контроллеры и вариации MODBUS

Первоначально контроллеры MODICON использовали последовательный интерфейс RS-232. Позднее стал применяться интерфейс RS-485, поскольку он позволял использовать большие расстояния, более высокие скорости и возможность создания истинной многоточечной сети. За короткое время сотни продавцов внедрили систему обмена сообщениями Modbus в своих устройствах, а Modbus стал стандартом для промышленных сетей связи. Хорошей вещью стандарта Modbus является гибкость, но в то же время легкая его реализация. С ModBus могут взаимодействовать не только интеллектуальные устройства, такие как микроконтроллеры, но также многие интеллектуальные датчики оснащены интерфейсом Modbus для отправки своих данных в принимающие системы. В то время как Modbus ранее использовался главным образом для проводных линий последовательной связи, существуют также расширения стандарта для беспроводной связи и сетей TCP / IP. Многие производители электронного оборудования поддержали стандарт, на рынке появились сотни использующих его изделий. Версии протокола Modbus существуют для последовательного порта и для Ethernet и других протоколов, поддерживающих набор протоколов Интернета. Существует много вариантов протоколов Modbus: Modbus RTU - используется в последовательной связи и использует компактное двоичное представление данных для протокольной связи. Формат RTU следует командам / данным с контрольной суммой проверки циклического избыточности в качестве механизма проверки ошибок для обеспечения надежности данных. Modbus RTU является наиболее распространенной версией, доступной для Modbus. Сообщение Modbus RTU должно непрерывно передаваться без межсимвольных колебаний. Сообщения Modbus обрамляются (разделяются) периодами бездействия (бездействия). Modbus ASCII - используется в последовательной связи и использует символы ASCII для связи по протоколу. Формат ASCII использует контрольную сумму проверки избыточной избыточности. Сообщения ASCII Modbus создаются ведущим двоеточием («:») и завершающей новой строкой (CR / LF). Modbus TCP / IP или Modbus TCP - это вариант Modbus, используемый для связи по сетям TCP / IP, подключающийся через порт 502. Он не требует вычисления контрольной суммы, поскольку более низкие уровни уже обеспечивают защиту контрольной суммы. Modbus через TCP / IP или Modbus через TCP или Modbus RTU / IP - это вариант Modbus, который отличается от Modbus TCP тем, что контрольная сумма включена в полезную нагрузку, как в Modbus RTU. Modbus через UDP. Некоторые экспериментировали с использованием Modbus через UDP в сетях IP, что устраняет накладные расходы, необходимые для TCP. Modbus Plus является собственностью Schneider Electric, и в отличие от других вариантов он поддерживает одно ранговые связи между несколькими мастерами. Для этого требуется специальный сопроцессор для обработки быстрого HDLC-подобного вращения маркера. Он использует витую пару со скоростью 1 Мбит / с и включает в себя изоляцию трансформатора на каждом узле, что делает его переходным / краевым, вместо срабатывания напряжения / уровня. Для подключения Modbus Plus к компьютеру требуется специальное оборудование, обычно это плата для шины ISA, PCI или PCMCIA. Pemex Modbus - это расширение стандартного Modbus с поддержкой исторических и потоковых данных. Он был разработан для нефтегазовой компании Pemex для использования в процессе контроля и никогда не получил широкого распространения. Enron Modbus - это еще одно расширение стандартного Modbus, разработанного корпорацией Enron с поддержкой 32-битных целочисленных и с плавающей запятой, а также исторических и потоковых данных. Типы данных отображаются с использованием стандартных адресов. Исторические данные служат для соответствия промышленному стандарту Американского нефтяного института (API) как хранить данные.

Исходя из всего вышеперечисленного, сделаем анализ, выдвинем обоснования и выберем решение. Industrial Ethernet. Учитывая все плюсы и минусы, огромным недостатком будет большая физическая уязвимость по сравнению с другими сетями, так что этот вариант отпадает точно. HART. Довольно большое количество достоинств и крайне мало недостатков, однако малая скорость весьма критична для нашего выбора, а потому нет. Modbus. Снова есть недостаток в скорости, однако, здесь она зависит косвенно от длины линии, но крайне огромным плюсом является возможность использования нескольких устройств на последовательной линии связи, что даёт веский повод выбрать этот вариант. CAN. Ограничения в размере сообщений и большой размер пакетов однозначно являются крайне большими минусами и этот вариант, также, отпадает. ProfiBus. Крайне дорогое оборудование и высокие расходы при передаче коротких сообщений, а значит этот вариант крайне не подходит. Итог. Modbus – это то, что подходит в данной ситуации лучше всего, а именно: дешевле, простотой реализации, возможность контролировать скорость, и самое главное, один Master на множество Slave.

Iot – Интернет вещей. Интернет вещей, как показано на рис. 1, (англ. Internet of Things, IoT) — концепция вычислительной сети физических предметов («вещей»), оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой, рассматривающая организацию таких сетей как явление, способное перестроить экономические и общественные процессы, исключающее из части действий и операций необходимость участия человека.

Рынок микроконтроллеров (MCU), как можно увидить на рис. 2, используемых в интернет-приложениях (IoT), растет, что оказывает положительное влияние на общий рост рынка MCU. Ожидается, что рынок MCU, используемых на подключенных автомобилях, носимая электроника, автоматизация зданий и другие приложения IoT, вырастет на совокупном ежегодном темпе роста (CAGR) в 11 процентов, с 1,7 миллиарда долларов в 2014 году до 2,8 миллиарда долларов в 2019 году, согласно IHS Inc., ведущий мировой источник важной информации и понимания.

Ожидается, что к 2022 году, из рисунка 3, размер рынка микроконтроллеров IoT Microcontroller (MCU) достигнет 3,5 млрд. долл. США. Рост эпохи Интернета вещей вызвал непрекращающийся спрос на инновационные продукты, что оказало давление на разработчиков систем для последовательного решения прорывных решений. Миниатюризация микроконтроллеров обеспечивает платформу для разработчиков систем, которые в первую очередь включают в себя варианты использования новых приложений. Эта растущая сеть для подключенных устройств охватывает смартфоны, телевизоры, планшеты, бытовую технику, игровые консоли, интеллектуальные счетчики, системы безопасности и, как ожидается, положительно скажется на требовании микроконтроллера IoT.

Выводы

Количество устройств, микроконтроллеров, инвестиций в интернет, скорость интернета увеличиваются экспоненциально, а значит и потребность в Протоколе ModBus увеличивается экспоненциально.

Список использованной литературы

1. Е. Бадло, С. Бадло. Modbus на привязи. Удаленный промышленный индикатор. [Текст] / Радиолюбитель, №7. – 2009. – С. 31.
   
2. Обзор и сравнение популярных открытых промышленных сетей. [Текст] / Интернет-ресурс. – Режим доступа: www/URL: http://plc4good.org.ua/post_print.php?id=29 – Загл. с экрана.
   
3. Modbus Protocol. Reference Guide. Modicon, Inc. North Andover, Massachusetts 01845, 1996.
   
4. Руководство по организации сети Modbus. / Merlin Gerin. Schneider Electric – 01/2007.