- Modbus
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Das Modbus-Protokoll ist ein Kommunikationsprotokoll, das auf einer Master/Slave- bzw. Client/Server-Architektur basiert. Es wurde 1979 von Gould-Modicon für die Kommunikation mit seinen speicherprogrammierbaren Steuerungen ins Leben gerufen. In der Industrie hat sich der Modbus zu einem De-facto-Standard entwickelt, da es sich um ein offenes Protokoll handelt. Seit 2007 ist die Version Modbus TCP Teil der Norm IEC 61158.
Inhaltsverzeichnis
Grundlagen
Mittels Modbus können ein Master (z. B. ein PC) und mehrere Slaves (z. B. Mess- und Regelsysteme) verbunden werden. Es gibt zwei Versionen: Eine für die serielle Schnittstelle (EIA-232 und EIA-485) und eine für Ethernet.
Bei der Datenübertragung werden drei verschiedene Betriebsarten unterschieden:
- Modbus ASCII
- Modbus RTU
- Modbus TCP
Jeder Busteilnehmer muss eine eindeutige Adresse besitzen. Die Adresse 0 ist dabei für einen Broadcast reserviert. Jeder Teilnehmer darf Nachrichten über den Bus senden. In der Regel wird dies jedoch durch den Master initiiert und ein adressierter Slave antwortet.
ASCII-Modus
Im Modbus ASCII wird keine Binärfolge, sondern ASCII-Code übertragen. Dadurch ist es direkt für den Menschen lesbar, allerdings ist der Datendurchsatz im Vergleich zu RTU geringer.
Protokollaufbau
Im ASCII-Modus beginnen Nachrichten mit einem vorangestellten Doppelpunkt, das Ende der Nachricht wird durch die Zeichenfolge Carriage return – Line feed (CRLF) markiert.
Das erste Byte enthält zwei ASCII-Zeichen, die die Adresse des Empfängers darstellen. Der auszuführende Befehl ist auf den nächsten zwei Byte codiert. Über n Zeichen folgen die Daten. Über das gesamte Telegramm (ohne Start- und Ende-Markierung) wird zur Fehlerprüfung ein LRC ausgeführt, dessen Paritätsdatenwort in den abschließenden zwei Zeichen untergebracht wird.
Start Adresse Funktion Daten LR-Check Ende 1 Zeichen (:) 2 Zeichen 2 Zeichen n Zeichen 2 Zeichen 2 Zeichen (CRLF) RTU-Modus
Modbus RTU (RTU: Remote Terminal Unit, entfernte Terminaleinheit) überträgt die Daten in binärer Form. Dies sorgt für einen guten Datendurchsatz, allerdings können die Daten nicht direkt vom Menschen ausgewertet werden, sondern müssen zuvor in ein lesbares Format umgesetzt werden.
Protokollaufbau
Im RTU-Modus wird der Sendebeginn durch eine Sendepause von mindestens drei Zeichen Länge markiert. Die Länge der Sendepause hängt somit von der Übertragungsgeschwindigkeit ab. Das Adressfeld besteht aus acht Bit, die die Empfängeradresse darstellen. Der Slave sendet bei seiner Antwort an den Master eben diese Adresse zurück, damit der Master die Antwort zuordnen kann. Das Funktionsfeld besteht aus 8 Bit. Hat der Slave die Anfrage des Masters korrekt empfangen, so antwortet er mit demselben Funktionscode. Ist ein Fehler aufgetreten, so verändert er den Funktionscode, indem er das höchstwertige Bit des Funktionsfeldes auf 1 setzt. Das Datenfeld enthält Hinweise, welche Register der Slave auslesen soll, und ab welcher Adresse diese beginnen. Der Slave setzt dort die ausgelesenen Daten (z. B. Messwerte) ein, um sie an den Master zu senden. Im Fehlerfall wird dort ein Fehlercode übertragen. Das Feld für die Prüfsumme, die mittels CRC ermittelt wird, beträgt 16 Bit. Das gesamte Telegramm muss in einem kontinuierlichen Datenstrom übertragen werden. Tritt zwischen zwei Zeichen eine Sendeunterbrechung auf die länger als 1,5 Zeichen ist, so ist das Telegramm als unvollständig zu bewerten und sollte vom Empfänger verworfen werden.
Start Adresse Funktion Daten CR-Check Ende Wartezeit (min. 3,5 Zeichen) 1 Byte 1 Byte n Byte 2 Byte Wartezeit (min 3,5 Zeichen) TCP-Modus
Modbus TCP ist RTU sehr ähnlich, allerdings werden TCP/IP-Pakete verwendet, um die Daten zu übermitteln. Der TCP-Port 502 ist für Modbus TCP reserviert. Modbus TCP ist seit 2007 in der Norm IEC 61158 festgelegt und wird in IEC 61784-2 als CPF 15/1 referenziert.
Protokollaufbau
Transaktionsnummer Protokollkennzeichen Zahl der noch folgenden Bytes Adresse Funktion Daten 2 Byte 2 Byte (immer 0x0000) 2 Byte (n+2) 1 Byte 1 Byte n Byte Dadurch, dass hier keine Kontrollbytes zu berechnen sind, ist die Implementierung eines Treibers für die TCP-Schnittstelle wesentlich einfacher als für die serielle Schnittstelle.
Weblinks
- Modbus-IDA Independent User Organization, mit detaillierten Spezifikationen (englisch)
- Modbus-Spezifikation über serielle Leitung (englisch), mit Data-Link Layer und physischem Layer (auch Steckerbelegung)
- Weiterführende Infos zu Modbus/TCP
- QModBus, Freie ModBus-Master-Applikation für Linux und Windows
- Simply Modbus, Implementierung mit kostenloser Demo und FAQ zur Arbeitsweise von Modbus (englisch)
- libmodbus, freie Modbusbibliothek für Linux, Mac OS X, FreeBSD, QNX und Win32, erfordert etwas Einlesen in den Quellcode (englisch)
- libmodbus (pes), Entwicklung nach Release 0.0.1 im Jahr 2001 eingeschlafen (englisch)
- Modbus Master in Ruby (englisch)
- FreeMODBUS, für Slave Geräte. Für viele Mikrocontroller, u. a. AVR, ARM, Coldfire und Win32. Überwiegend ASCII/RTU, nur wenige Ports für TCP (englisch)
- rlModbus, in C++ (Linux/Unix, OpenVMS, Windows), als Teil eines komplexen Zustands-Browser-Systems (englisch)
- Java-Bibliothek für Modbus seriell und Modbus/TCP
- uTasker MODBUS Erweiterungsmodul für M522XX, AVR32, SAM7X, LPC2XXX, Luminary Micro MODBUS seriell und MODBUS/TCP, Master/Slave mit Gateway, Bridge und Router Funktionen (english)
- ADONTEC ModBus, ModBus RTU / ASCII, Master und Slave, seriell und TCP, Siehe auch SuperCom Suite Entwickler Bibliothek (deutsch und english)
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