Технология за сградна автоматизация Modbus

Версии на протокола, мрежова архитектура, функционални характеристики

Modbus е отворена мрежова технология, използвана в системите за управление на сгради (BMS) и за автоматизация на индустриални процеси. Широкото й разпространение се дължи на стабилната и опростена структура и възможността за избор между кабелен и безжичен трансфер на данните.

Технологията позволява свързването на устройства от различни производители в обща мрежа и дистанционно управление на инсталациите в сградите. Подходяща е за използване на всички нива на автоматизация.

Версии на протокола
Modbus притежава структура, проектирана за комуникации от типа клиент - сървър (master-slave) между широк набор от интелигентни устройства (приблизително 240 на брой). Поддържа стандартните серийни и Ethernet протоколи и е с отворен код. Повечето устройства Modbus комуникират през сериен EIA-485 физически слой. Различават се следните варианти на Modbus протоколи:
- Modbus RTU - използва се в серийна комуникация, характеризира се с двоично представяне на данните. Форматът на RTU следва командите като механизъм с циклична проверка за грешки, за да се гарантира тяхната надеждност.
- Modbus ASCII - използва ASCII кодове за серийна комуникация между устройствата. ASCII форматът използва надлъжна контролна проверка за грешка на данните.
- Modbus TCP/IP или Modbus TCP - това е вариант на Modbus, използван за комуникация чрез TCP/ IP мрежи, свързани през сериен порт 502. Технологията не изисква механизми за проверка на грешките, тъй като защитата се предоставя от долните слоеве.
- Modbus over TCP/ IP, Modbus over TCP или Modbus RTU/ IP - вариант на Modbus, който се различава от Modbus TCP по това, че проверката е включена в полезния товар, както при Modbus RTU.
- Modbus Plus (Modbus +, MB + или MBP) - разширена версия на протокола, първоначално разработена за Modicon. Днес се управлява от Modbus IDA организация на потребителя. Modbus Plus е глобална Fieldbus мрежа с основна област на приложение в Европа и в системи за автоматизация. Modbus Plus комуникацията е достъпна за много различни продукти като например PLC, инвертори, драйвери и I/O модули.
- Modbus PEMEX е разширение на стандарта Modbus, който има широка употреба в процесната автоматизация.

Комуникация и мрежови устройства
Всяко устройство в Modbus мрежата получава уникален адрес. В серийни и MB + мрежи само възелът, определен като Master, може да инициира команди, но в Ethernet мрежи всяко устройство може да изпрати команда. Командите съдържат адреса на Modbus устройството, за което са предназначени. По този начин се задейства само устройството, за което са предназначени, въпреки че и други устройства могат да ги получат.

Всички Modbus команди преминават през проверка на данните, които гарантират, че командите ще пристигнат невредими. Възможните грешки по време на обмена са свързани с изкривяване на информацията при предаване и логически грешки.

Данните се предават по серийни канали като RS-485, RS-422, RS-232 или по TCP/IP (Modbus TCP). Комуникационният протокол е базиран на архитектурата “клиент-сървър”. Обикновено в мрежата има само един главен клиент (master) и няколко подчинени клиента (slaves). Главното устройство инициализира транзакциите (заявките за комуникация) и подчинените устройства връщат към него изискваната информация. Главното устройство може да адресира индивидуално подчинените устройства или да адресира група от подчинени устройства. Slave устройството формира съобщение и го връща към адресанта.

Спецификацията Modbus описва структурата на заявките и отговорите. Те са в основата на елементарния пакетен протокол, наречен PDU (Protocol Data Unit). Структурата на PDU не зависи от типа на линията за връзка и включва код на функция и поле с данни. Кодът на функцията се кодира в еднобайтово поле. Полето с данни е с променлива дължина. Размерът на пакета PDU е ограничен до 253 байта. За предаване на пакета по физическата линията за връзки PDU помества в друг пакет съдържанието на две допълнителни полета. Този пакет се нарича ADU (Application Data Unit). Форматът на ADU зависи от типа на линията за връзка.

Съществуват три основни реализации на протокола Modbus, два за предаване на данни по последователен интерфейс, за модем EIA/TIA-232-E (RS-232), EIA-422, EIA/TIA-485-A (RS-485), оптична и радио връзка: Modbus RTU и Modbus ASCII и за предаване на данни по Ethernet - Modbus TCP.

ADU структура
Структурата на Application Data Unit, чрез който се предават данни по физическата линия на мрежата, включва няколко основни полета:
- Station address - адрес на подчиненото устройство, към което е адресиран записът. Всяко устройство отговаря само на един адрес. Отговорът също така започва с адреса на подчиненото устройство. Адресите на устройствата са от 1 до 247. Адрес 0 се използва за пакетна адресация и го разпознават всички устройства, адресите в диапазона 248-255 са резервирани;
- Function code - еднобайтово поле, в което се задава командата за изпълнение;
- Data - полето съдържа информация, необходима на устройството, за да изпълни командата, зададена от master устройството или изискваната информация при връщане на отговор. Дължината на формата зависи от номера на функцията и варира в интервала 0-252 байта;
- Error Check (CRC Check) - контролна сума за проверка наличието на грешка в кадъра. При предаване по линията първо се записва младшият байт на контролната сума.
Максималният размер на ADU за последователна мрежа RS232/RS485 e 256 байта, за TCP мрежа e 260 байта.

Информационният кадър за MODBUS TCP/IP включва следните полета: Transaction ID - два байта идентификационен номер на транзакция; Protocol ID - два байта идентификационен номер на протокола; Length - два байта, съдържащи дължината на предаваните данни; Unit ID - адрес на устройството, към което е адресирано запитването. Обикновено UnitID не се използва при обмен с едно устройство.

Видове команди
В съществуващите в момента протоколи има три категории функции: стандартни команди, потребителски команди и резервирани команди. Стандартните команди включват предварително дефинирани и утвърдени от Modbus-IDA, но също така и свободни кодове.

Адресът на съответното устройство и размерът данни се задават в 16-битово число. В отговора се получават заявените данни. Данните се предхождат от един байт, съдържащ размера на предаваните данни.

Потребителските команди са поместени в два диапазона от кодове (65 - 72 и 100 - 110), в които може да се реализират произволни функции. При това не се гарантира, че друго устройство няма да използва тези команди за реализиране на други функции.

Резервирани команди - категорията входни кодове на функции не са стандартни, но вече се използват в устройствата, произвеждани от различни компании. Тези кодове са 9, 10, 13, 14, 41, 42, 90, 91, 125, 126 и 127.

Функционални характеристики
Modbus, както и останалите отворени протоколи за сградна автоматизация - Profibus, C-bus, SOAP XML, BacNet, LonWorks, ZigBee и др., позволява изграждането на съвременни системи за автоматизация на инсталациите, които интегрират мониторингови, контролни, управляващи и оптимизационни функции. Мониторингът върху сградните системи е постоянен и обикновено в реално време с цел осигуряване на коректно функциониране на инсталациите, изпълнение на своевременна сервизна намеса и, не на последно място, минимизиране на енергийните разходи. Контролните функции на системата обхващат управлението на климатичната, вентилационната и отоплителната инсталация, осветлението, енергийния мениджмънт на сградата и системите за достъп и пожароизвестяване. Основната им цел е осигуряването на по-добър комфорт и по-висока ефективност при използването на енергийните ресурси. Сред базовите им функции е мониторирането на основните параметри на микроклимата във всяко от помещенията на сградата. Регистрирането и анализът на данните за помещенията за избрани периоди от време осигурява необходимата информация за предприемане на превантивни действия. Според направени изчисления, внедряването на система за сградна автоматизация би могло да доведе до минимизиране на енергийните разходи с до 30%, като същевременно оптимизира функционирането на сградните инсталации.