Modbus RTU: архитектура протокола и пусконаладка сети RS-485

1. ПЛК (Master) посылает по кабелю команду датчику (Slave): “Эй, Modbus-устройство №5, дай мне значение из твоего Modbus-регистра №100”.
2. Микроконтроллер внутри датчика принимает этот пакет из кабеля.
3. Прошивка микроконтроллера расшифровывает запрос и понимает: “Ага, он просит регистр №100. Я знаю, что под этим номером у меня лежат данные о давлении”.
4. В этот момент микроконтроллер выставляет физический адрес памяти, где лежит переменная “давление”, на свою внутреннюю Address Bus.
5. Память (RAM) отдает значение давления по внутренней Data Bus обратно в процессор.
6. Процессор берет это значение, упаковывает его в Modbus-ответ и отправляет по кабелю обратно компьютеру.

Основные свойства регистра:

До внедрения ПЛК логика управления реализовывалась аппаратно – на базе электромагнитных реле. У реле есть физическая катушка (coil). Подал ток на катушку – реле щелкнуло, мотор запустился.

Пример: мы отправляем по Modbus в Coil №5 значение 1, и на устройстве загорается лампочка, открывается клапан или запускается вентилятор. Мы также можем прочитать этот Coil, чтобы узнать, включена ли сейчас лампочка.

До появления ПЛК “изменить логику” означало перепаивать, перекручивать провода физически, а не “менять программу в ПЛК”.

Вот так выглядел шкаф управления лифтом – в прошлом веке; на видео видно, как щелкают электромагнитные реле: https://www.youtube.com/watch?v=WT1yfXAs548.

Основные свойства регистра:

Пример: к контроллеру подключен датчик открытия двери. Если дверь открыта, в Discrete Input №10 будет лежать 1. Если закрыта – 0. Мы (Мастер) можем только спросить “дверь открыта?”.

Мы не можем отправить команду “сделай дверь закрытой” в этот регистр, потому что это просто физический датчик положения.

Основные свойства регистра:

Пример: у нас есть датчик температуры. Он измеряет температуру в комнате и кладет значение 245 (что означает 24.5 °C) в Input Register №20.

Компьютер регулярно читает этот регистр, чтобы рисовать график. Опять же, компьютер не может записать туда 300 – от того, что мы запишем в датчик число, в комнате теплее не станет. Датчик сам обновляет это значение.

Основные свойства регистра:

Почему “Holding”?

Слово hold значит “удерживать/хранить”. Это память, которая хранит конфигурацию устройства. Это самый популярный тип данных в современном Modbus.

Зачастую производители ленятся и вообще все (и датчики, и реле) запихивают в Holding Registers, чтобы не плодить сущности.

Пример: мы хотим, чтобы частотный преобразователь крутил мотор со скоростью 1500 оборотов. Мы записываем число 1500 в Holding Register №100. Устройство “сохраняет” это число у себя в памяти и начинает крутить мотор с этой скоростью.

Мы в любой момент можем прочитать этот регистр, чтобы вспомнить, какая скорость задана.

Это номер устройства на линии RS-485, к которому обращается Master.

Доступны адреса от 1 до 247.

Если Master ставит сюда 0, это Broadcast (широковещательный запрос) – команду услышат и выполнят все устройства в сети, но никто не будет отвечать (чтобы не создать “кашу” на линии).

Это инструкция: что именно нужно сделать.

Вспоминаем разговор про Coils, Holding Registers. Именно здесь Master говорит, с какой таблицей он хочет работать:

• 0x01 – Прочитать Coils (Read Coils);
• 0x02 – Прочитать Discrete Inputs;
• 0x03 – Прочитать Holding Registers (Самая частая команда!);
• 0x04 – Прочитать Input Registers;
• 0x05 – Записать один Coil (включить/выключить реле);
• 0x06 – Записать один Holding Register (задать уставку);
• 0x10 – Записать сразу несколько Holding Registers.

Здесь лежат детали запроса. Содержимое этого блока зависит от того, какой код функции мы использовали.

Если мы запросили чтение Holding Registers, то в данных мы обязаны уточнить:

• С какого адреса начинать читать (например, с регистра №100);
• Сколько штук регистров прочитать (например, 2 штуки);
• Если это ответ от датчика, то в поле “данные” будут лежать сами значения температуры или давления.

Сети RS-485 часто прокладывают на заводах рядом с мощными моторами, частотниками и генераторами помех. В кабель может “ударить” электромагнитная наводка, и какой-нибудь ноль превратится в единицу.

Перед отправкой устройство прогоняет весь кадр через хитрую математическую формулу, получает 2 байта результата CRC (Cyclic Redundancy Check), и приклеивает их в конец.

Принимающее устройство берет полученный кадр, делает ту же самую математику и сверяет свой результат с тем, что пришло в конце посылки. Если цифры не совпали – значит, кадр “побился” по дороге, и он просто игнорируется.

Когда на линии RS-485 отсутствует передача, все узлы переводят свои передатчики в высокоимпедансное состояние (режим приема, когда выход устройства как будто отключен от цепи).

В результате линия оказывается неактивной и без принудительного задания логического уровня.

В таком состоянии дифференциальная пара может быть подвержена воздействию электромагнитных помех, наводимых от внешних источников (двигатели, импульсные источники питания, соседние кабели и т.д).

Помехи могут вызывать случайные изменения дифференциального напряжения между линиями A и B.

При определенных условиях это может быть интерпретировано приемником как начало передачи (старт-бит UART; мы говорили об этом в прошлой статье), что приводит к приему некорректных данных.

Для предотвращения этого применяется схема fail-safe смещения (biasing), формирующая определенное состояние линии в режиме покоя.

Схема смещения реализуется с помощью резисторов:

• Подтягивающего резистора (pull-up), подключенного к линии B и источнику питания;
• Подтягивающего резистора (pull-down), подключенного к линии A и земле.

В результате в состоянии покоя обеспечивается устойчивое дифференциальное напряжение (B > A), соответствующее логической “1”.

Это гарантирует, что при отсутствии передачи линия остается в определенном состоянии и устойчива к воздействию помех.

Смещение линии (Bias) должно быть включено только в одном месте на всей длинной линии RS-485 (иначе резисторы разных устройств будут конфликтовать и “посадят” линию).

Обычно это смещение включают на Master (на нашей Communication Module, ПЛК или компьютере). На всех остальных устройствах (слейвах, датчиках, частотниках) смещение должно быть выключено (None) или его там аппаратно нет.

Это примитивная защита от ошибок для конкретного байта (не путать с CRC, который защищает весь кадр).

Работает это просто: система считает, сколько единиц в наших 8 битах данных.

Режимы:

• Even (четность): Система добавляет в конец 0 или 1 так, чтобы общее количество единиц в посылке стало четным (2, 4, 6, 8).
  • Пример: Мы шлем байт 10110001. Тут четыре единицы. Четыре – число четное. Значит, бит четности будет 0.
  • Пример 2: Мы шлем 10110000. Тут три единицы (нечетное). Значит, бит четности будет 1, чтобы в сумме стало четыре единицы.
• Odd (нечетность): То же самое, только система делает так, чтобы сумма единиц всегда была нечетной.
• None (Нет четности): Бит четности вообще не отправляется. Это самый частый вариант сегодня.

Зачем это нужно?

Если во время полета байта по проводу помеха превратит один ноль в единицу, принимающее устройство пересчитает единицы, увидит, что четность не совпадает, и сразу выбросит этот байт как бракованный, не дожидаясь проверки CRC всего кадра.

Это сигнал окончания байта. После того как данные (и бит четности) переданы, передатчик обязан удерживать линию в состоянии “тишины” определенное время.

Это время измеряется в битах. Стоповых битов может быть 1 или 2. Это дает принимающему устройству микросекунды на то, чтобы переварить принятый байт и подготовиться к следующему (Start bit).

1 стоп-бит (самый частый вариант): ... DATA → 1:

• Стандарт: 8-N-1 (8 data, No parity, 1 stop);
• Быстрее (меньше накладных битов);
• Используется очень часто.

2 стоп-бита: ... DATA → 1 1:

• Дает больше времени приемнику;
• Полезно при низком качестве линии;
• Старом железе;
• Длинных кабелях.

В промышленности применяются готовые терминаторы или устройства с встроенным согласованием линии – это либо отдельные модули, либо разъемы с встроенной схемой согласования.

Помимо самого резистора, они часто включают цепи смещения (bias), предотвращающие “плавающий” сигнал при отсутствии передачи – про них мы говорили чуть выше. Важно помнить, что bias должен включен только на одной стороне.

Также важный момент – удобство эксплуатации: терминатор можно включить или отключить переключателем, не разбирая проводку. Это критично при наладке и диагностике.

Такие решения делают линию:

• Устойчивой к отражениям;
• Предсказуемой в состоянии покоя;
• Удобной в обслуживании.

Примеры промышленных терминаторов:

Wiren Board – WB-T120

Самый компактный и дешевый вариант. Просто резистор 120 Ω в маленьком корпусе с клеммником. Устанавливается на концах линии RS-485, очень компактный: 12×17×35 мм. Без DIN-рейки, просто висит на проводах:

Phoenix Contact – PSI-TERMINATOR-PB-TBUS

Уже полноценный промышленный модуль. Активный терминатор для PROFIBUS/RS-485 с резервированием питания, гальванической развязкой и установкой на DIN-рейку. Поддерживает переключаемую терминацию и согласование линии:

Siemens – 6ES7972-0DA00-0AA0

Терминирующий резистор для сетей PROFIBUS/MPI (MPI – фирменная сеть от Siemens) – разъем для PROFIBUS с терминацией прямо на коннекторе. Классика для сименсовских систем:

Важно, что данный модуль работает в составе системы ET 200S (Remote I/O):

[ПЛК S7 в центральном шкафу]
        |
        | PROFIBUS кабель (тот же RS-485)
        |
[ET 200S станция у станка №1]   ← Система "ET 200S"
  [IM] [DI] [DO] [AI] [TERM]
        |
        | продолжение PROFIBUS
        |
[ET 200S станция у станка №2]
  [IM] [DI] [DO] [TERM]

Это страница из datasheet счетчика электроэнергии SinoTimer DDS529MR.

Видим ту же структуру ADU, что мы разбирали выше!

Кроме этого, видно, что напряжение представлено в виде float, которое хранится в Input Registers (код функции 04), и занимает 2 регистра (2 слова/регистра, то есть 4 байта).

При запуске один раз проводим инициализацию myCommLoad; порт – тот самый “Hardware identifier” нашего модуля RS-485.

Также можно указать Alias – TIA Portal сам предложит список доступных опций.

Для инициализации у нас есть небольшая state-машина initState:

• Начинаем со state = 0, где выставляем сигнал инициализации в TRUE;
• Переходим в state = 1, гасим сигнал инициализации, формируя его фронт, и читаем сигналы DONE и ERROR по готовности;
• В случае ошибки инициализации записываем код ошибки в контейнер и блокируем выполнение;
• В случае успешной инициализации запускаем state-машину для основной логики.

State-машина основной логики:

• state = 0: выставляем сигнал на чтение если интерфейс не BUSY; сразу переходим на state = 1;
• state = 1: гасим сигнал на чтение, формируя его фронт, и читаем сигналы DONE и ERROR по готовности;
• В случае ошибки инициализации записываем код ошибки в контейнер и переходим в обработчик ошибок на state = 99;
• В случае успеха переходим на state = 2;
• state = 2: запускаем таймер на паузу между запросами;
• Дожидаемся срабатывания таймера, делаем его сброс и возвращаемся на state = 0.

Вопрос 1: Если номер функции 04 (Read Input Register), то почему DATA_ADDR = 30001?

• Адрес 30001 решает сразу две задачи: он определяет код функции (04) и вычисляет адрес на проводе (00).
• Первая цифра в адресе 30001 (то есть тройка) не отправляется в кабель. Это внутренняя команда для самого блока ПЛК.

Для ПЛК:

• Адрес 0xxxx → ПЛК использует функцию 01 или 05.
• Адрес 1xxxx → ПЛК использует функцию 02.
• Адрес 3xxxx → ПЛК использует функцию 04.
• Адрес 4xxxx → ПЛК использует функцию 03 или 06.

Вопрос 2: Если стартовый номер регистра 00, то почему адрес заканчивается на 0001?

• Это исторический конфликт между физикой и софтом:
• Разработчики микроконтроллеров (и сам протокол Modbus на уровне проводов) всегда начинают считать с нуля; для них первый регистр в памяти – это регистр 0000, второй – 0001 и т.д.
• Инженеры-электрики (для которых создавали первые ПЛК) привыкли считать с единицы (первый мотор, первое реле, первый регистр).
• Поэтому в документации (и в настройках блоков ПЛК) первый регистр обозначается как 1 (то есть 30001 для функции 04).

Полный SCL-код state-машины:

// Initialization
IF NOT #isInitialized THEN
    CASE #initState OF
        0: // Send request
            #initReq := TRUE; // Explicit trigger set
            #initState := 1;
            
        1: // Wait response
            #initReq := FALSE; // Explicit trigger reset
            
            IF #myCommLoad.DONE THEN
                #isInitialized := TRUE;
                #workState := 0;
            ELSIF #myCommLoad.ERROR THEN
                #lastErrorStatus := #myCommLoad.STATUS;
                #initState := 999;
            END_IF;
            
        999: // Emergency stop
            ; // Block forever
    END_CASE;
    
    // Initialization call
    #myCommLoad(REQ := #initReq,
                "PORT" := "Local~CM_1241_(RS422_485)_1",
                BAUD := 9600,
                PARITY := 0,
                MB_DB := #myMaster);
    
    RETURN; // Don't go further until initialized
END_IF;

// State machine (logic)
CASE #workState OF
    0: // Send request when not BUSY
        IF NOT #myMaster.BUSY THEN
            #modbusReq := TRUE;
            #workState := 1;
        END_IF;
        
    1: // Wait response
        #modbusReq := FALSE;
        
        IF #myMaster.DONE THEN
            #workState := 2;
        ELSIF #myMaster.ERROR THEN
            #lastErrorStatus := #myMaster.STATUS;
            #workState := 99;
        END_IF;
        
    2: // Pause between requests
        #pauseTimer(IN := TRUE,
                    PT := T#2S);
        IF #pauseTimer.Q THEN
            #pauseTimer(IN := FALSE,
                        PT := T#2S);
            #workState := 0;
            #lastErrorStatus := 0;
        END_IF;
        
    99: // Error handling
        #workState := 2;
END_CASE;

// Request when needed
#myMaster(REQ := #modbusReq,
          MB_ADDR := 1,
          MODE := 0,
          DATA_ADDR := 30001,
          DATA_LEN := 2,
          DATA_PTR := "MB_DATA".Value);

Классический регистр Modbus вмещает 16 бит (2 байта).

Но что, если нам нужно передать float или большое число, которые весят 32 бита (4 байта)? В один регистр они не влезут.

Решение – разбить большое 32-битное число на две части и положить в два соседних 16-битных регистра (например, в 40100 и 40101).

Сложность в том, что стандарт Modbus (написанный в 1979 году) вообще никак не регламентирует, в каком порядке нужно передавать эти два регистра и байты внутри них, поэтому каждый производитель железа делает так, как удобно его процессору.

Представим наше большое 32-битное число в виде 4 байтов (букв): A B C D, где A – это самая старшая (значимая) часть числа, а D – самая младшая.

Вот как разные системы могут отправить эти 4 байта в линию:

Big-endian (прямой порядок) – читается слева направо, как мы привыкли в жизни. Самый старший байт идет первым. В сетевых технологиях (интернет-протоколы) это стандарт.

Little-endian (обратный порядок) – все вывернуто наизнанку. Младший байт идет первым. Почему так странно? Потому что именно так работает архитектура процессоров Intel (x86) в наших компьютерах. Им так быстрее производить математические вычисления в памяти.

Word-swapped (Перестановка слов / Средний порядок) – самая частая боль. Байты внутри регистра стоят правильно (по-человечески), но сами регистры (слова) поменялись местами.

Почему Word-swapped встречается в Modbus чаще всего?

• Сам по себе стандарт Modbus требует передавать 16-битные регистры старшим байтом вперед (Big-endian). Датчик так и делает: он честно посылает первую половинку числа, потом вторую.
• Но принимает эти данные ПЛК или компьютер со SCADA-системой (а там обычно архитектура Little-endian). ПК берет первый пришедший регистр и кладет его в младшую часть своей памяти, а второй – в старшую. В итоге две половины числа меняются местами (Word Swap).

Бывает еще один редкий вариант – Byte-swapped B A D C, когда регистры на своих местах, а байты внутри них перевернуты.

Добавляем еще две переменные:

• currentIndex типа Int – для отслеживания Modbus регистра, из которого происходит чтение;
• lastErrorIndex типа Int со стандартным значением -1 – для отслеживания регистра, при чтении которого возникла ошибка.

Полный SCL-код:

// Initialization
IF NOT #isInitialized THEN
    CASE #initState OF
        0:
            #initReq := TRUE; // Explicit trigger set
            #initState := 1;
            
        1: // Wait response
            #initReq := FALSE; // Explicit trigger reset
            
            IF #myCommLoad.DONE THEN
                #isInitialized := TRUE;
                #workState := 0;
            ELSIF #myCommLoad.ERROR THEN
                #lastErrorStatus := #myCommLoad.STATUS;
                #initState := 999;
            END_IF;
            
        999: // Emergency stop
            ; // Block forever
    END_CASE;
    
    // Initialization call
    #myCommLoad(REQ := #initReq,
                "PORT" := "Local~CM_1241_(RS422_485)_1",
                BAUD := 9600,
                PARITY := 0,
                MB_DB := #myMaster);
    
    RETURN; // Don't go further until initialized
END_IF;

// State machine (logic)
CASE #workState OF
    0: // Send request when not BUSY
        IF NOT #myMaster.BUSY THEN
            #modbusReq := TRUE;
            #workState := 1;
        END_IF;
        
    1: // Wait response
        #modbusReq := FALSE;
        
        IF #myMaster.DONE THEN
            #workState := 2;
        ELSIF #myMaster.ERROR THEN
            #lastErrorStatus := #myMaster.STATUS;
            #lastErrorIndex := #currentIndex;
            #workState := 99;
        END_IF;
        
    2: // Handle success
        #currentIndex := #currentIndex + 1;
        IF #currentIndex > 3 THEN
            #currentIndex := 0;
            #workState := 3;
        ELSE
            #workState := 0;
        END_IF;
        
    3: // Pause between requests
        #pauseTimer(IN := TRUE,
                    PT := T#2S);
        IF #pauseTimer.Q THEN
            #pauseTimer(IN := FALSE,
                        PT := T#2S);
            #workState := 0;
            // Reset error if needed
            // #lastErrorStatus := 0;
            // #lastErrorIndex := -1;
        END_IF;
        
    99: // Handle error - just keep reading further
        #currentIndex := #currentIndex + 1;
        IF #currentIndex > 3 THEN
            #currentIndex := 0;
            #workState := 3;
        ELSE
            #workState := 0;
        END_IF;
END_CASE;

// Request when needed
CASE #currentIndex OF
    0:
        #myMaster(REQ := #modbusReq,
                  MB_ADDR := 1,
                  MODE := 0,
                  DATA_ADDR := 30001,
                  DATA_LEN := 2,
                  DATA_PTR := "MB_DATA".Voltage);
    1:
        #myMaster(REQ := #modbusReq,
                  MB_ADDR := 1,
                  MODE := 0,
                  DATA_ADDR := 30009,
                  DATA_LEN := 2,
                  DATA_PTR := "MB_DATA".Current);
    2:
        #myMaster(REQ := #modbusReq,
                  MB_ADDR := 1,
                  MODE := 0,
                  DATA_ADDR := 30019,
                  DATA_LEN := 2,
                  DATA_PTR := "MB_DATA".ActivePower);
    3:
        #myMaster(REQ := #modbusReq,
                  MB_ADDR := 1,
                  MODE := 0,
                  DATA_ADDR := 30055,
                  DATA_LEN := 2,
                  DATA_PTR := "MB_DATA".Frequency);
END_CASE;

Ошибки коммуникации и конфигурации

Ошибки протокола Modbus