Коммуникационные протоколы в электроэнергетике: ModBus

Меня зовут Сиренко Николай, и я работаю в компании Микропроцессорные технологии.

Мы планируем выпустить серию роликов про работу с коммуникационными протоколами в сфере электроэнергетики.

Эти видео планируются как первый бесплатный всеобъемлющий курс, который будет полезен как для специалистов РЗА, так и АСУТП.

Мы планируем сделать эти видео профессиональными, с хорошим звуком, картинкой и монтажом, чтобы было интересно, легко и познавательно, потому что скучных, сложных и банальных видео по этой теме на YouTube и так достаточно.

У каждого видео будут тайм-коды для облегчения навигации.

Некоторые темы я планирую рассказать достаточно подробно, поэтому будет удобно что-то пропустить и переходить по меткам времени к вопросам, которые вас интересуют.

Тема первого видео будет протокол Modbus.

Протокол Modbus - это коммуникационный протокол, основанный на архитектуре ведущий-ведомый, первая спецификация которого появилась в 1979 году.

Протокол - это набор правил, по которым отправитель и получатель заранее договорились обмениваться информацией.

Можно сказать, что это язык, на котором общаются устройства.

Как любой язык может приобретать различную физическую форму, например, быть записан ручкой на бумаге или произнесён вслух.

Так и протокол может накладываться на различную физическую реализацию, называемую интерфейсом.

Наибольшее распространение в энергетике получил интерфейс RS-485 с наложенным на него протоколом Modbus-RTU.

И Ethernet с наложенным на него протоколом Modbus-TCP.

Ethernet, в свою очередь, бывает медным, то есть по витой паре, и оптическим, передаваемым по оптоволокну.

В классической топологии в сети Modbus-RTU может находиться только одно ведущее устройство, называемое мастер.

И несколько ведомых, называемых слейвами.

Это означает, что только мастер может быть инициатором обмена данными.

А всё, что остаётся слейвом - это отвечать на его запросы.

Таким образом, у ведущего устройства нет возможности определить, прервалась ли связь нештатно.

Либо у ведущего устройства нет к нему запросов.

Конечно, тут можно оговориться и сказать, что устройство может анализировать трафик.

Но на практике это требует много ресурсов и не применяется.

Совсем другое дело - Modbus-TCP, использование стека TCP/IP даёт некоторую свободу.

И ведущих устройств в сети может быть несколько.

Протокол Modbus является самым простым из используемых в энергетике.

В нём нет никакой оптимизации трафика.

Обмен информацией происходит по принципу запрос-ответ.

Чтобы у ведущего устройства, а в основном это SCADA-системы, полностью обновилась модель данных.

Оно должно честно просить каждый интересующий его адрес в каждом устройстве.

Действительно, вдруг с последнего запроса данные изменились.

Мне очень нравится пример с выдвижными шкафчиками.

Вам каждый раз нужно выдвинуть каждый шкафчик, чтобы проверить, не изменилось ли его содержимое.

Точно так же и ведущее устройство в протоколе Modbus должно просить каждый адрес, чтобы узнать, какие данные там находятся.

Всё это создаёт значительный трафик в сети при опросе большого количества устройств.

И увеличивает цикл опроса каждого параметра.

Но обычно требования к SCADA-системам не очень высокие, достаточно, чтобы информация обновлялась.

Со скоростью, с которой изменения может заметить оперативный персонал.

Поэтому протокола Modbus для таких целей вполне достаточно.

Теперь мы перейдём к практике.

Я рекомендую для подключения использовать программу Modbus Poll последней версии.

Это очень хорошая программа с широким функционалом.

Во вкладке Connection мы выбираем Serial Port для подключения по RS-485.

И Modbus TCP/IP для подключения по Ethernet.

У меня сейчас выполнено подключение по RS, поэтому я выбрал Serial Port.

Для подключения компьютера к устройству потребуется переходник с RS-485 на USB.

Если вы подключаетесь по Modbus-RTU.

Я использую вот такой переходник, называется Юка.

Если же вы подключаетесь по Ethernet, то можно подключаться как напрямую к сетевой карте.

Так и подключать устройство к любому маршрутизатору, относящемуся к вашей сети.

По тому, как настраивается сеть, у нас планируется отдельное видео.

Дальше нам нужно выбрать номер COM-порта.

Если вы не знаете, какой у вас номер COM-порта, то это всегда можно посмотреть в диспетчере устройств.

Подключая и отключая устройство.

Далее мы выбираем скорость обмена, количество бит, чётность и количество стоп-бит.

Естественно, все эти значения должны быть выставлены, как у ведомого устройства.

Если вы не знаете эти настройки, то посмотрите их в руководстве по эксплуатации используемого устройства.

Обычно производитель указывает значение настроек по умолчанию.

Нажимаем Окей и подключаемся.

Теперь настроим адреса для чтения.

Заходим в Setup, Read/Write Definition.

Slave ID указываем Modbus-адрес устройства.

Сейчас я подключаю к устройству Iris-DIN производства нашей компании.

Обратите внимание, в каком формате указаны адреса в карте памяти устройства.

Если перед адресом стоят символы 0x, то это шестнадцатеричная система счисления.

И нужно переключиться на неё.

Кроме того, вы всегда можете использовать калькулятор, предварительно переведя его в режим программист.

Для перевода из одной системы счисления в другую.

Для наглядного отображения адресов советую установить настройки, как у меня.

Отдельно я бы хотел остановиться на функциях, с которыми мы можем отправлять запросы.

Всегда проверяйте по документации производителя, какие функции используются в конкретном устройстве.

Потому что они могут не совпадать с предусмотренными по стандарту.

И тогда прочитать данные не получится.

Если указать адрес правильно, но функцию выбрать некорректно, то от устройства будет приходить ответ о некорректно выбранной функции.

Первая функция предназначена только для считывания дискретных выходов.

С её помощью можно считывать биты состояния: один включено и ноль отключено.

Сэкономить на трафике тут можно только, если выбрать для чтения несколько подряд идущих значений.

Так как размер кадра должен быть кратен одному байту, то если запросить один адрес, то оставшиеся 7 бит придут заполненными нулями.

Но если запросить 8 или 16 адресов, то тогда тут экономия трафика будет значительная.

Чем больше идущих подряд адресов в запросе, тем выше эффективность передачи.

Дело в том, что согласно стандарту, между запросами устройство должно выждать время, значительно превышающее время непосредственно самой передачи.

Поэтому запрос каждого адреса по отдельности уйдёт больше времени, чем на запрос группы подряд идущих адресов.

Возможно, вам даже стоит включить запрос ненужные вам адреса, если они находятся между теми адресами, которые вам нужны.

Если таких адресов не слишком много.

Это относится ко всем функциям, а не только к Read Coils.

Выбрать количество запрашиваемых адресов можно ниже, в графе Quantity.

Функция Read Discrete Inputs, как понятно из названия.

Предназначена для считывания дискретных входных сигналов.

Её работа аналогична работе функции Read Coils, точно так же можно считать только биты, которые упаковываются в байты.

Read Holding Registers, на мой взгляд, самая популярная функция для получения данных.

Изначально она была нужна для чтения аналоговых сигналов.

Но многие производители используют её также для чтения и дискретных сигналов, потому что она универсальна.

И не возникает путаницы с тем, что по разным адресам находятся данные с разными функциями чтения.

Остальные функции идентичны уже описанным, с той лишь разницей, что предназначены для записи.

Возможно также записывать сразу несколько регистров, если это поддерживается со стороны устройства.

Но из этого меню мы не можем вызвать эти функции, потому что оно предназначено только для чтения.

Кстати, если обратимся к этому полю, то можем увидеть отправляемый запрос в шестнадцатеричной форме.

В первом поле содержится адрес устройства, к которому адресуется запрос.

Естественно, на него должно отвечать только устройство с указанным адресом.

Остальные устройства, получившие данный запрос, игнорируют его.

Второе поле - это номер функции чтения.

Если мы будем менять функцию, то оно будет меняться.

Следующие два поля - это адрес первого регистра.

С которого будет начинаться чтение.

И затем два поля - это количество считываемых адресов.

Последние два поля - это контрольная сумма.

Для записи данных можно два раза щёлкнуть по адресу, вписать отправляемое значение и нажать Send.

Если выбрана эта галочка, то окно закроется при получении подтверждения от устройства.

Если требуется выполнить передачу с другой функцией, то можно зайти в Function и выбрать, например, запись нескольких регистров.

Но в таком случае обращайте внимание на поддержку такой записи со стороны устройства.

Если есть необходимость выводить данные в лог, то нужно перейти в Setup, Log или Excel Log.

Далее нужно настроить, что и в каких случаях вы хотите логировать.

Затем обязательно выбрать файл, в который будет сохраняться лог, и после этого начнётся запись данных.

Если вы хотите в рамках тестирования отправить произвольное сообщение, например, с некорректной контрольной суммой.

Чтобы проверить то, что устройство проигнорирует его.

То можно воспользоваться вкладкой Function, Test Center.

Скопируем сообщение, зайдём во вкладку и изменим контрольную сумму.

Видим, что устройство полностью игнорирует данное сообщение.

Весь трафик мы можем посмотреть, перейдя в Display, Communication.

TX - это запросы к устройству, а RX - это его ответы.

Иногда длины одного адреса не хватает, и данные приходится считывать из нескольких объединённых адресов.

Например, в Iris-DIN максиметр частоты находится по адресам 162 и 163 в шестнадцатеричной системе отсчёта.

Производитель должен указывать, какой формат объединения он использует.

Потому что существует неопределённость, в какой последовательности нужно рассчитывать байты.

То есть, какой из двух адресов будет стоять на первом месте.

И в какой последовательности должны быть биты внутри байт.

Очень часто производитель использует третью функцию для чтения, но данные в ней пакует, как в первой.

Например, 16 дискретных входов не распределяются по 16 адресам, а упаковывают в один адрес в разные биты.

Такую информацию нужно читать третьей функцией.

Но представлять её в побитовом виде.

Например, адрес 130 в шестнадцатеричном представлении содержит 13 бит информации.

Отображающих дискретные входы.

Чтобы увидеть их, я выбираю формат Binary.

Теперь каждый бит соответствует дискретному входу.

Сейчас я замыкаю первый дискретный вход.

Как вы видите, нумерация бит происходит справа налево.

Точно так же с отправкой информации в побитовом виде.

Например, первый адрес подразумевает такое управление.

Нужно два раза щёлкнуть по адресу, когда он находится в бинарном представлении.

И тогда откроется окно для выбора отправляемых бит.

Конечно, можно всё то же самое рассчитать на калькуляторе.

Например, отключение Bluetooth будет 100 в двоичной системе.

Пересчитав то же самое в десятичной системе, получим 4.

Поэтому можно либо поставить галочку в третьем окне, если выбрано двоичное представление.

Либо записать 4, предварительно пересчитав на калькуляторе.

Если выбрано десятичное, и вы любите страдать.

Лично, на мой взгляд, выбор очевиден.

Кроме создания мастера опроса, можно создавать ведомое устройство.

Для этого я советую использовать программу Modbus Slave.

Она входит в тот же пакет, что и Modbus Poll.

Можно даже подключить ведущее устройство, созданное в Modbus Poll, и ведомое, созданное в Modbus Slave.

Но для этого понадобится создать пару виртуальных портов.

Я использую программу Virtual Serial Port Driver Pro.

Нужно зайти во вкладку Pairing, выбрав номер для виртуальных портов, я использовал 100 и 101.

Чтобы не перепутать с реальными физическими устройствами.

И добавить пару.

Теперь мы видим, что данная пара появилась в диспетчере устройств.

По сути, это сквозной виртуальный канал с двумя виртуальными выводами в виде COM-портов.

Теперь подключим к одному из них виртуальное ведущее устройство.

А к другому - виртуальное ведомое.

И получим полноценную виртуальную систему.

Для физической реализации такой системы нам бы понадобилась SCADA-система в качестве ведущего устройства.

Измерительный прибор в качестве ведомого.

И физическая шина RS-485.

Мы же будем всё это эмулировать.

В данной системе можем как отправлять данные с ведущего устройства на ведомое.

И они там будут сохраняться.

Так и менять данные в модели ведомого устройства, и эти изменения будет видеть ведущее устройство после опроса.

Эмулировать ведомое устройство бывает очень полезно, когда вы хотите промоделировать наличие данных в нужных вам адресах.

А добиться физически такого состояния представляется затруднительным.

Кроме того, эта программа будет полезна, если вы хотите посмотреть трафик на шине Modbus-RTU.

Где уже есть ведущее устройство.

Как я уже говорил ранее, в Modbus-RTU в сети может быть только одно ведущее устройство.

Поэтому не получится просто подключиться в сеть при помощи Modbus Poll и включить монитор сети.

Потому что Modbus Poll подключается в сеть именно как мастер, а при наличии двух мастеров в сети, они оба будут посылать запросы в случайные промежутки времени.

И когда эти запросы будут происходить одновременно, в сети будут возникать коллизии.

Обмен данными будет невозможен.

Поэтому в сеть нужно подключаться именно как ведомое устройство.

Для этого после подключения в Modbus Slave выбираем Display, Communication.

Теперь можно анализировать трафик в сети без коллизий.

Сегодня мы рассмотрели использование протокола Modbus в электроэнергетике.

Надеюсь, что это видео было для вас полезным.

До встречи на канале и лёгких вам коммуникаций.

Пока.