Модули/ModBus

ModBus — коммуникационный протокол, основанный на клиент-серверной архитектуре. Разработан фирмой Modicon для использования в контроллерах с программируемой логикой (PLC). Стал стандартом де-факто в промышленности и широко применяется для организации связи промышленного электронного оборудования. Используется для передачи данных через последовательные линии связи RS-485, RS-422, RS-232, а также сети TCP/IP. В настоящее время поддерживается некоммерческой организацией ModBus-IDA.

Существуют три режима протокола: ModBus/RTU, ModBus/ASCII и ModBus/TCP. Первые два используют последовательные линии связи (в основном RS-485, реже RS-422/RS-232), последний использует сети TCP/IP для передачи данных.

Модуль сбора данных предоставляет возможность собирать информацию у различных устройств по протоколу ModBus во всех режимах. Также, модулем реализуются функции горизонтального резервирования, а именно — совместной работы с удалённой станцией этого-же уровня. В то же время, модуль протокола позволяет сформировать и выдать данные по протоколу ModBus в различных режимах и через интерфейсы, поддерживаемые модулями подсистемы "Транспорты".

1 Общее описание протокола ModBus

Протокол ModBus/{RTU,ASCII} предполагает одно ведущее (запрашивающее) устройство в линии (master), которое может передавать команды одному или нескольким ведомым устройствам (slave), обращаясь к ним по уникальному адресу в линии. Синтаксис команд протокола позволяет адресовать 247 устройств на одной линии связи стандарта RS-485 (реже RS-422 или RS-232). В случае с режимом TCP, адресация исключена из протокола, поскольку выполняется на уровне TCP/IP стека.

Инициатива осуществления обмена всегда исходит от ведущего устройства. Ведомые устройства прослушивают линию связи. Мастер подаёт запрос (посылка, последовательность байт) в линию и переходит в режим прослушивания линии связи. Ведомое устройство отвечает на запрос, пришедший на его адрес.

Окончание ответной посылки определяется в зависимости от режима. В режиме RTU окончание посылки определяется по временному интервалу между окончанием приёма предыдущего байта и началом приёма следующего — время символа. Если этот интервал превысил время, необходимое для приёма полтора байта на заданной скорости передачи то приём фрейма ответа считается завершённым. В режиме ASCII критерием окончания посылки является символ '\r', а в режиме TCP — ожидаемый размер посылки, информация о котором присутствует в заголовке пакета.

1.1 Адресация

Все операции с данными привязаны к нулю, каждый вид данных (регистр, бит, регистр входа или бита входа) начинаются с адреса 0 и заканчиваются 65535.

1.2 Стандартные коды функций

В протоколе ModBus можно выделить несколько подмножеств команд (Таблица 1).

Таблица 1: Подмножества команд протокола ModBus

Модулем сбора данных используются команды 3 и 6(16) для чтения и записи регистров, 1 и 5(15) для чтения и записи битов, 2 и 4 для чтения бита и регистра входа, соответственно. Для реализации остальных и нетипичных команд модулем предусмотрена функция API пользовательского программирования, которую можно вызывать из процедуры шаблона логического уровня, отправляя произвольные PDU пакеты и обрабатывая полученные в ответ.

Модуль протокола обрабатывает запросы командами 3 и 6(16) для чтения и записи регистров, 1 и 5(15) для чтения и записи битов.

2 Модуль реализации протокола

Модуль протокола ModBus содержит код реализации протокольной части ModBus, а именно — особенности вариантов протоколов ModBus/TCP, ModBus/RTU и ModBus/ASCII. Модуль протокола, совместно с выбранным транспортом, активно используется модулем сбора данных для осуществления непосредственных запросов. Поскольку модуль протокола является автономным то, используя его, можно создавать дополнительные модули сбора данных посредством нестандартных функций расширения ModBus различного оборудования автоматизации.

2.1 API функции исходящих запросов

API функции исходящих запросов (messIO()) оперируют обменом блоками PDU, завёрнутыми в XML-пакеты, со следующей структурой:

• <{prt} id="{sId}" reqTm="{reqTm}" node="{node}" reqTry="{reqTry}">{pdu}</{prt}>

Где:

• prt — имя тега запроса с названием используемого варианта протокола (TCP, RTU или ASCII).
• sId — идентификатор источника запроса. Используется для помещения в отчёт выходного протокола.
• reqTm — время запроса, а именно — время, в течение которого, ожидать ответ, в миллисекундах.
• node — номер узла назначения или идентификатор юнита ModBus/TCP.
• reqTry — количество попыток повторения запроса с ошибкой в ответе. Только для вариантов ModBus/{RTU,ASCII}.
• pdu — непосредственно блок юнита данных (PDU) протокола ModBus.

Результирующий pdu в XML-пакете заменяет pdu запроса, а также устанавливается атрибут "err" с кодом и текстом ошибки, если таковая имела место.

2.2 Обслуживание запросов по протоколу ModBus

Входная часть, обслуживания запросов к модулю протокола, осуществляет проверку и обработку запросов посредством предусмотренных модулем объектов узлов (рис.1). Фактически, реализуется механизм, позволяющий OpenSCADA выполнять роль сервера ModBus/TCP или подчинённого устройства ModBus/{RTU,ADCII}. Таким образом, OpenSCADA получает возможность использоваться в роли любого участника сети ModBus.

Рис.1. Вкладка перечня узлов обслуживания входящих запросов протокола.

Узел протокола эквивалентен физическому узлу устройства сети ModBus и может работать в трёх режимах:

• "Данные" — режим отражения данных OpenSCADA на массивы регистров и битов ModBus с передачей их по запросу клиентского узла или мастера.
• "Шлюз узла" — режим перенаправления (шлюзования) запросов к узлу в другой сети ModBus через данный узел.
• "Шлюз сети" — режим перенаправления запросов к любому узлу в другую сеть ModBus, фактически выполняя интеграцию нескольких сетей ModBus в одну.

Поскольку узлов протокола может быть создано множество то получается, что на одном интерфейсе, т.е. в одной сети, одна станция на основе OpenSCADA может прозрачно представлять несколько узлов сети ModBus с различными данными.

Рассмотрим особенности конфигурации узла протокола в различных режимах.

2.2.1 Режим "Данные"

Режим используется для отражения данных OpenSCADA на массивы регистров и битов ModBus. Общая конфигурация узла осуществляется во вкладке "Узел" (рис.2) параметрами:

• Состояние узла, а именно: статус, "Включен" и имя БД, содержащей конфигурацию, с отслеживанием наличия данных в различных хранилищах и предоставлением последовательного удаления дубликатов.
• Идентификатор, имя и описание узла.
• Состояние "Включен", в которое переводить узел при загрузке.
• Адрес узла сети ModBus от 1 до 247.
• Входной транспорт, к сети которого относится узел. Выбирается из перечня входных транспортов подсистемы "Транспорты" OpenSCADA. Указание символа "*" в качестве транспорта делает данный узел участником любой сети ModBus с обработкой запросов от любого транспорта.
• Вариант протокола ModBus, запросы в котором должен обрабатывать узел, из списка: Все, RTU, ASCII, TCP/IP.
• Выбор режима, в данном случае этот режим "Данные".
• Период обсчёта данных в секундах. Указывает период обработки формируемых для запросов данных, а именно: таблицы данных ModBus, программы обсчёта данных и обслуживание ссылок на данные OpenSCADA.
• DAQ шаблон или язык прямой процедуры. Предусматривает выбор шаблона или языка прямой процедуры для формирования и вычисления таблиц данных ModBus, а также для обслуживания внешних ссылок на модель данных подсистемы "Сбор Данных".

Узлом в этом режиме обрабатываются следующие стандартные команды протокола ModBus:

• 1 — чтение группы битов;
• 2 — чтение группы битов входов;
• 3 — чтение группы регистров;
• 4 — чтение группы регистров входов;
• 5 — установка одного бита;
• 6 — установка одного регистра;
• 15 — установка группы битов;
• 16 — установка группы регистров.

Рис.2. Вкладка "Узел" страницы конфигурации узла протокола в режиме "Данные".

To form the table of reflection the ModBus network data, that is registers and bits, the tab "Data" is provided (Fig.3). The tab "Data" contains a table of parameters and program of processing the parameters with the specified programming language which is available in OpenSCADA, but in the template there is only the table available and in the "Enabled" mode. The table contains parameters with the properties:

• Identifier — identifier of the parameter. It is the key for formation of the tables of registers and bits of ModBus. Registers and bits of ModBus set as follows:

• R{N}[w~], RI{N}[w~] — specific register and input register form, can be expanded by the suffixes: "i"—Int32, "f"—Float, "d"—Double, "s"—String (by default the size is 10 and up to 100 registers);
• R:{N}[:w~], RI:{N}[:w~] — classic register and input register form, can be expanded by the suffixes: "i4"—Int32, "i8"—Int64, "f"—Float, "d"—Double, "s"—String
• C{N}[w], CI{N}[w], C:{N}[:w], CI:{N}[:w] — coil and input coil.

Where:

• {N} — ModBus device's data address (decimal, hexadecimal or octal) [0...65535];
• w~e — flags: write mode 'w', registers order inversion '~', register 'e'ndian toggle (to LE in generic and BE for strings).

Examples:

"R0x300w" — register access;

"C100w" — coil access, allowed to write;

"R_f200", "R_f200~" — get float from registers 200 and 201, 201 and 200;

"R_i400,300" — get int32 from registers 400 and 300;

"R_s15,20" — get string, registers block, from register 15 and size 20.

"R_i8:0x10:w" — get and set int64 into registers [0x10-0x13];

"R_d:0x20,0x30" — get double float point (8 byte) from registers [0x20,0x30-0x32].

All other parameters are internal and used for a variety of intermediate calculations, processing, conversion and their values can be operative controlled and changed from the table into execution mode.

• Name — name of the parameter, is used for the naming of the connection.
• Type — type of the parameter from the list: "Real", "Integer", "Boolean" and "String". For the registers and bits of ModBus it makes sense to set the "Integer" and "Boolean" type, respectively. For registers, extended by "f" and "s" prefixes, you must specify the "Real" and "String" types respectively.
• Link — a sign that this parameter should be connected with the parameter attribute of the subsystem "Data acquisition". The links indicated by this sign are set in the "Template configuration" tab.
• Value — original or current value of the parameter, if the node is switched on.

В таблице, по умолчанию, определяется несколько параметров специального назначения:

• f_frq — частота вычисления таблицы программой;
• f_start — признак первого исполнения — запуска программы.
• f_stop — признак последнего исполнения — останова программы.

Поскольку в указателе расширенных типов регистров может использоваться недопустимый символ ',' то доступ к нему из программы можно осуществить только альтернативным способом, через объект "arguments":

arguments["R_s10,5w"] = "9876543210";

Рис.3. Вкладка "Данные" страницы конфигурации узла протокола в режиме "Данные".

Для параметров указанных в качестве связей, связи можно установить для включенного узла протокола и во вкладке "Конфигурация шаблона" (рис.4).

Рис.4. Вкладка "Связи" страницы конфигурации узла протокола в режиме "Конфигурация шаблона".

2.2.2 Режим "Шлюз узла"

Режим используется для перенаправления запросов к отдельному устройству в другой сети ModBus, из сети ModBus для которой сконфигурирован данный узел. Общая конфигурация узла осуществляется во вкладке "Узел" (рис.5) параметрами:

• Состояние узла, а именно: статус, "Включен" и имя БД, содержащей конфигурацию.
• Идентификатор, имя и описание узла.
• Состояние "Включен", в которое переводить узел при загрузке.
• Адрес узла исходной сети ModBus от 1 до 247.
• Входной транспорт, к сети которого относится узел. Выбирается из перечня входных транспортов подсистемы "Транспорты" OpenSCADA. Указание символа "*" в качестве транспорта делает данный узел участником любой сети ModBus с обработкой запросов от любого транспорта.
• Вариант протокола ModBus запросы, в котором должен обрабатывать узел, из списка: Все, RTU, ASCII, TCP/IP.
• Выбор режима, в данном случае этот режим "Шлюз узла".
• Транспорт, в который перенаправлять запрос, из перечня исходящих транспортов подсистемы "Транспорты".
• Протокол, в котором перенаправлять запрос.
• Адрес узла сети ModBus, от 1 до 247, в которую перенаправляется запрос.

Рис.5. Вкладка "Узел" страницы конфигурации узла протокола в режиме "Шлюз узла".

2.2.3 Режим "Шлюз сети"

Режим используется для перенаправления запросов сети целиком в другую сеть ModBus, из сети ModBus для которой сконфигурирован данный узел протокола. Т.е., запрос на устройство с любым адресом будет направляться в другую сеть, без переадресовки. Общая конфигурация узла протокола осуществляется во вкладке "Узел" (рис.6) параметрами:

• Состояние узла, а именно: статус, "Включен" и имя БД, содержащей конфигурацию.
• Идентификатор, имя и описание узла.
• Состояние "Включен", в которое переводить узел при загрузке.
• Входной транспорт сети, из которой перенаправляются запросы. Выбирается из перечня входных транспортов подсистемы "Транспорты" OpenSCADA.
• Вариант протокола ModBus, запросы в котором должен обрабатывать узел, из списка: Все, RTU, ASCII, TCP/IP.
• Выбор режима, в данном случае этот режим "Шлюз сети".
• Транспорт сети, в которую перенаправлять запрос, из перечня выходных транспортов подсистемы "Транспорты".
• Протокол, в котором перенаправлять запрос.

Рис.6. Вкладка "Узел" страницы конфигурации узла протокола в режиме "Шлюз сети".

2.3 Отчёт запросов ModBus

Для контроля и диагностики за корректностью осуществления запросов различными компонентами, модулем предоставляется возможность включения отчёта запросов, проходящих через модуль протокола. Отчёт включается указанием ненулевого количества записей во вкладе "Отчёт" страницы модуля протокола (рис.7).

Этот механизм в основном является устаревшим, поскольку его функции сейчас исполняются ядром программы:

• диагностика источника данных;
• протокол трафику через транспорт.

Рис.7. Вкладка "Отчёт" страницы модуля протокола.

3 Модуль сбора данных

Модуль сбора данных предоставляет возможность опроса и записи регистров и битов устройств посредством режимов протокола TCP, RTU, ASCII и команд запроса 1 — 6, 15, 16.

3.1 Объект контроллера

Для добавления источника данных ModBus создаётся и конфигурируется объект контроллера OpenSCADA. Пример вкладки конфигурации объекта контроллера данного типа изображен на рисунке 8.

Рис.8. Вкладка конфигурации объекта контроллера.

Using this tab you can set:

• The state of the controller object, as follows: Status, "Enabled", "Running" and the name of the storage containing the configuration.

Manual restart of the enabled controller object causes the force reformation of the acquisition blocks.

• Identifier, name and description of the controller.
• The state "Enabled" and "Running", in which the controller object must be translated at boot.
• Policy of scheduling and priority of the data acquisition task.
• ModBus protocol, used for requesting the real device (TCP/IP, RTU or ASCII).
• Address of the output transport using the unified connection with navigation. Default port of the ModuBus/TCP is 502. The field may be set to empty and be changed at the runtime. Format of the address is:
  • "{TrModule}.[out_]{TrID}[:{TrAddr}]" — typical output with automatic creation TrID at it missing and providing TrAddr;
  • "{TrModule}.in_{TrID}:{RemConId}" — initiative input with the connection identifier in RemConId.
• ModBus destination node. In the case of protocols RTU and ASCII this is the unique address of the physical device, and when TCP/IP this is the identifier of the unity.
• Merging of the data fragments. Standard functions 1-4 let to request at once multiple adjacent registers or bits. This strategy often allows to optimize the traffic and time. However, the required registers are not always located adjacent to each other, this option allows you to gather them in blocks of up to 100 registers, or 1600 bits.

Installing of this parameter must be approached with caution, since not all devices support access to the registers between fragments.

• Using the multi-items writing functions (15, 16). Instead one-item writing will be used the multi-items functions.
• Asynchronous write. Enables asynchronously writing of the changes to the controller, in the general acquisition cycle and after the data acquisition itself, blocking of reading the written values on one cycle (before the writing buffer clearing).

This mode also prevents for loss the writing data at the connection loss and the wrote data will be transmitted just the connection will be restored.

• Omit cycles for read back of written. Can be useful for PLC which applying the changes not fast and they are processed in some significant time depending on the PLC load. So, the cycles value then specifies count of the omitting read cycles before reading back the changed value, preventing the value twinkle.
• Timeout of connection in milliseconds. Specifies the time interval during which the answer is expected. If there is zero waiting time the transport waiting time by default is used. Allows taking into account individual properties of the controller in the common network.
• Timeout of restore in seconds. Specifies the time interval after which the re-attempt of the request to previously inaccessible device is done.
• Request tries for the protocols RTU and ASCII. Indicates the number of attempts by the repetition of the request in case of incomplete or damaged answer.
• Maximum size of the request block in bytes, useful for controllers with such limits.

3.2 Параметры

Модуль сбора данных предоставляет два типа параметра: "Стандартный (Prm)" и "Логический (PrmL)". Дополнительными конфигурационными полями параметров данного модуля являются:

• Стандартный (Prm):
  • Перечень атрибутов — содержит структурированный список конфигурации атрибутов ModBUS.
• Логический (PrmL):
  • Шаблон параметра — адрес шаблона параметра DAQ.

3.2.1 Стандартный (Prm)

Главная страница конфигурации параметра стандартного типа представлена на рисунке 9.

Рис.9. Вкладка конфигурации параметра стандартного типа.

One attribute line in the parameter of the attributes list can be written as "{dt}:{numb}[:{flg}[:{id}[:{name}]]]".
Where:

• dt — Modbus data type ("R"—register[3,6(16)], "C"—coil[1,5(15)], "RI" — input register[4], "CI"—input coil[2]);

"R" and "RI" can be expanded by the suffixes: "i2"—Int16, "i4"—Int32, "i8"—Int64, "u2"—UInt16, "u4"—UInt32, "f"—Float, "d"—Double, "b5"—Bit5, "b"—Bit in address, "s[CHARSET]"—String (size by default is 10 and up to 100 registers);

• numb — ModBus data address of the device (decimal, hexadecimal or octal) [0...65535];
• flg — flags: read/write mode (r-read, w-write), strict requesting mode (not combining) 's', registers order inversion '~', register 'e'ndian toggle (to LE in generic and BE for strings);
• id — identifier of the created attribute;
• name — name of the created attribute.

Примеры:

"R:0x300:rw:var:Variable" — доступ к регистру;

"C:100:rw:var1:Variable 1" — доступ к биту;

"R_f:200:r:float:Float", "R_f:200:r~:float:Float" — получить вещественное из регистров 200 и 201, 201 и 200;

"R_i4:400,300:r:int32:Int32" — получить int32 из регистров 400 и 300;

"R_b10:25:r:rBit:Reg bit", "R_b:25.10:r:rBit:Reg bit" — получить бит 10 из регистра 25;

"R_s:15,20:r:str:Reg blk" — получить строку (блок регистров) из регистра 15 и размером 20.

Линия, которая начинается с символа '#', считается комментарием и не обрабатывается.

В соответствии с указанным списком атрибутов выполняется опрос и создание атрибутов параметра (рис.10).

Рис.10. Вкладка атрибутов параметра стандартного типа.

3.2.2 Логический (PrmL)

Главная страница конфигурации параметра логического типа представлена на рисунке 11.

Рис.11. Вкладка конфигурации параметра логического типа.

Link value, when configuring the template (Fig.12), is written in the form {dt}:{numb}[:{flg}].
Where:

• dt — ModBus data type ("R"—register[3,6(16)], "C"—coil[1,5(15)], "RI"—input register[4], "CI"—input coil[2]);

"R" and "RI" can be expanded by the suffixes: "i2"—Int16, "i4"—Int32, "i8"—Int64, "u2"—UInt16, "u4"—UInt32, "f"—Float, "d"—Double, "b5"—Bit5, "b"—Bit in address, "s[CHARSET]"—String (size by default is 10 and up to 100 registers);

• numb — ModBus data address of the device (decimal, hexadecimal or octal) [0...65535];
• flg — flags: read/write mode (r-read; w-write), registers order inversion '~', register 'e'ndian toggle (to LE in generic and BE for strings).

Примеры:

"R:0x300:rw" — доступ к регистру;

"C:100:rw" — доступ к биту;

"R_f:200:r", "R_f:200:r~" — получить вещественное из регистров 200 и 201, 201 и 200;

"R_i4:400,300:r" — получить int32 из регистров 400 и 300;

"R_b10:25:r", "R_b:25.10:r" — получить бит 10 из регистра 25;

"R_s:15,20:r" — получить строку (блок регистров) из регистра 15 и размером 20.

Рис.12. Вкладка "Конфигурация шаблона" параметра логического типа.

Модулем предусмотрена особая обработка ряда атрибутов шаблона:

• f_frq — частота вычисления процедуры шаблона или время после последнего вычисления (отрицательное в секундах) для планирования по CRON, только чтение.
• f_start — флаг первого выполнения процедуры шаблона — запуск, только чтение.
• f_stop — флаг последнего выполнения процедуры шаблона — останов, только чтение.
• f_err — ошибка параметра, полный доступ. Значение этого атрибута шаблона попадает в атрибут ошибки параметра "err". Записать сюда EVAL для возможности установки извне атрибута "err" и всех других в режиме Только для Чтения.
• SHIFR — значение шифра параметра, только чтение.
• NAME — значение имени параметра, только чтение.
• DESCR — значение описания параметра, только чтение.
• this — объект данного параметра, позволяет получить доступ к атрибутам параметра, например, для доступа к архивам-истории.

В соответствии с шаблоном, лежащим в основе параметра, мы получаем набор атрибутов параметра (рис.13).

Рис.13. Вкладка атрибутов параметра логического типа.

3.3 API пользовательского программирования

В виду поддержки параметров логического типа, имеет смысл предоставление ряда функций пользовательского API для их вызова из шаблона логического параметра.

Объект "Контроллер" [this.cntr()]

• string messIO(string pdu) — отправка PDU pdu через транспорт объекта контроллера посредством ModBus протокола. PDU результата запроса помещается вместо запроса в pdu, а ошибка возвращается в результате функции.

Объект "Параметр" [this]

• bool attrAdd( string id, string name, string tp = "real", string selValsNms = "" ) [для включенного параметра логического типа] — добавление атрибута id с именем name и типом tp. Если атрибут уже присутствует то будут применены свойства, которые возможно изменить "на ходу": имя, режим выбора и параметры выбора.
  • id, name — идентификатор и имя нового атрибута;
  • tp — тип атрибута [boolean | integer | real | string | text | object] + режим выбора [sel | seled] + только для чтения [ro];
  • selValsNms — две строки со значениями в первой и их именами во второй, разделённые ";".
• bool attrDel( string id ) [для включенного параметра логического типа] — удаление атрибута id.

4 Ссылки

• Диаграмма: Объектная модель пользователя модуля ModBus.