با توسعه‌ی سریع فناوری شبکه‌های کامپیوتری و رواج اینترنت، استاندارد زندگی افراد به طور فزاینده‌ای بهبود یافته است. علاوه بر این، پیشرفت سریع فناوری الکترونیک و کامپیوتر، پشتیبانی فنی برای خانه هوشمند فراهم می‌کند. خانه هوشمند به عنوان یک روش کنترل هوشمند، همراه با کنترل موتور به طور گسترده‌ای در زمینه‌ی اتوماسیون صنعتی بر اساس پروتکل Modbus استفاده می‌شود. مدباس یک پروتکل ارتباطی برای انتقال اطلاعات بین دستگاه‌های الکترونیکی از طریق خطوط سریال یا از طریق اترنت است و معمولا از آن در اتوماسیون فرآیند و کارخانه استفاده می‌شود. در ادامه‌ی این مطلب بلاگ اسمارتیکدر مورد پروتکل Modbus یا مدباس، مشخصات انواع مختلف مدباس، نرم‌افزار، تست، پروتکل Modbus rtu، پیاده سازی پروتکل مدباس، پروتکل Modbus tcp و موارد دیگر مربوط به این پروتکل صحبت خواهیم کرد.
پروتکل Modbus به عنوان یک پروتکل باز چیست؟
در دنیای واقعی ارتباطات اتوماسیون پردازش دستگاه به دستگاه، یک گفتگو یا مکالمه بین دستگاه‌ها به طور سیستماتیک، در بسیاری از موارد بر روی انواع مختلف شبکه‌های ارتباطی و به زبان‌های مختلف انجام می‌شود. بسته به سازنده‌ی تجهیزات اتوماسیون، از یک زبان خاص یا اختصاصی استفاده می‌شود و یا ممکن است این زبان ارتباطی زبانی باشد که معمولا برای صنعت باز است. به این ترتیب، بسیاری از تولیدکنندگان برای ادغام آسان محصولات خود در بازار از پروتکل‌های باز استفاده می‌کنند.
(از مطلب نصب هوشمند سازی ساختمان غافل نشوید.)
پروتکل باز به این معنی است که مشخصات منتشر شده است و هرکسی می‌تواند آزادانه و یا با مجوز از آن استفاده کند. پروتکل‌های باز معمولا توسط ترکیبی از شرکت‌ها، گروه‌های کاربر، جوامع حرفه‌ای و دولت‌ها پشتیبانی می‌شوند. این کار به کاربران امکان انتخاب بسیار گسترده‌تری از دستگاه‌ها یا سیستم‌هایی را می‌دهد که می‌توانند برای برنامه‌های خاص مورد استفاده قرار گیرند.
مزایای استفاده از پروتکل باز
از مزایای استفاده از پروتکل باز می‌توان به پشتیبانی توسط چندین سازنده، فروشندگان نرم‌افزار و سازمان‌های نصب یا خدمات، گروه‌های اجتماعی فعال برای پشتیبانی و توانایی به روز ماندن و افزودن قابلیت‌های جدید در آینده اشاره کرد. یکی از رایج‌ترین پروتکل‌های ارتباطی اتوماسیون که برای اتصال دستگاه‌های الکترونیکی صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، پروتکل Modbus است که در ادامه در مورد آن صحبت خواهیم کرد.
(در مطلب پروتکل‌های اینترنت اشیا اطلاعات متنوعی در خصوص انواع پروتکل‌ها خواهید یافت.)
پروتکل Modbus چیست؟
پروتکل ارتباطی مدباس یکی از قدیمی‌ترین و محبوب‌ترین پروتکل‌های اتوماسیون در زمینه‌ی اتوماسیون فرآیند و سامانه سرپرستی و گردآوری داده یا اسکادا (Supervisory Control and Data Acquisition) است. مدباس یک پروتکل ارتباطی است که توسط Modicon در سال 1979 برای استفاده با کنترل‌گرهای منطقی برنامه‌پذیر منتشر شد و Modicon نیز در حال حاضر متعلق به شرکت اشنایدر الکتریک است.
(از مطلب اجزای سیستم هوشمند سازی نیز دیدن کنید.)
مدباس یک زبان مشترک برای دستگاه‌ها و تجهیزات فراهم می‌کند تا بتوانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. برای مثال، پروتکل هوشمند سازی مدباس (Modbus) دستگاه‌هایی که روی یک سیستم اندازه‌گیری دما و رطوبت متصل به یک شبکه قرار دارند را قادر می‌سازد تا نتایج بررسی را به یک رایانه‌ی نظارتی یا PLC ارسال کند.
توسعه و بروزرسانی پروتکل‌های Modbus توسط سازمان مدباس مدیریت شده است که این انجمن نیز از کاربران و تامین‌کنندگان دستگاه‌های سازگار با مدباس تشکیل می‌شود.
دلایل محبوبیت پروتکل Modbus
پیشرفت فناوری‌های الکترونیکی و کامپیوتری، هوشمند سازی خانه‌ها و ساختمان‌های مختلف را امکان‌پذیر ساخته است. با وجود رایانه‌ها، شبکه‌ها، ارتباطات و فناوری‌های چندرسانه‌ای و با اتصال باس میدانی به انواع مختلف ماژول‌ها برای صدور دستورالعمل‌های مختلف، سیستم خانه هوشمند می‌تواند عملکردهای سیستم شبکه‌ی ارتباطی خانگی، سیستم اتوماسیون، سیستم امنیتی و غیره را تحقق بخشد.
سیستم خانه هوشمند محیط زندگی ایمن، راحت و آسوده‌ای برای ساکنان فراهم می‌کند تا بتوانند شرایط خانه را حتی از راه دور نیز تحت کنترل خود داشته باشند. یکی از پروتکل‌های هوشمند سازی محبوب و ایمن، پروتکل Modbus است که به دلایلی که در ادامه به آنها اشاره می‌کنیم، محبوبیت یافته است:
دلایل محبوبیت پروتکل Modbus: استانداردسازی
امروزه بیش از 400 سازنده و بیش از 600 محصول مختلف از پروتکل Modbus پشتیبانی می‌کند و به این ترتیب برای اکثر تولیدکنندگان صنعتی به یک ضرورت تبدیل شده است.
دلایل محبوبیت پروتکلِ Modbus: گستردگی
از پروتکل Modbus می‌توان به طور گسترده‌ای در مناطق مختلف استفاده کرد که از جمله‌ی آنها می‌توان به پشتیبانی از انواع رابط‌های الکتریکی، یا از طریق رسانه‌های مختلف مانند جفت به هم تابیده، فیبر، بیسیم و غیره اشاره کرد.
دلایل محبوبیت پروتکلِ Modbus: سادگی و سهولت
فرمت فریم پروتکل مودباس ساده، فشرده و قابل درک است. این پروتکل برای اکثر افراد به ویژه کاربران و اپراتورها قابل درک و پذیرفته شده است.
دلایل محبوبیت پروتکل Modbus: قیمت
قیمت پایین Modbus این امکان را برای مودباس فراهم می‌کند تا در زندگی روزمره بسیار مورد محبوبیت قرار گیرد و به بخشی ضروری برای کاهش هزینه‌های صنعتی تبدیل شود.
دلایل محبوبیت پروتکل هوشمند سازی Modbus: جامعیت
استانداردسازی پیوندهای ارتباطی داده‌ها، همراه با رشد شبکه‌های ارتباطی به ادغام انواع تجهیزات صنعتی در یک سیستم بزرگ برای برآوردن الزامات اتوماسیون کارخانه و پیروی از روند جاری، کمک می‌کند.
دلایل محبوبیت پروتکل هوشمند سازی Modbus: هوشمندی
سیستم پایگاه داده، عملکرد پاسخ‌دهی و رشد و توسعه‌ی باس‌های آینده به سمت هوشمند بودن پیشرفت می‌کند و عملیات آسان‌تر و احتمال از دست رفتن بسته‌های کمتر را به همراه خواهد داشت.
انواع پروتکلِ Modbus
چندین نسخه از پروتکل Modbus برای پورت سریال و اترنت وجود دارد که رایج‌ترین آنها عبارتند از Modbus RTU، Modbus ASCII، Modbus TCP و Modbus Plus. شرکت Modicon رابط ارتباطی مدباس را برای یک شبکه‌ی چند وجهی بر اساس معماری ارباب و برده منتشر کرد. ارتباط بین گره‌های مدباس با ارسال درخواست و خواندن پیام‌های پاسخ به دست می‌آید.
(از مطلب موتورخانه هوشمند غافل نشوید.)
انواع پروتکل Modbus: پروتکلِ Modbus RTU
پروتکل Modbus RTU یک پروتکل سریال باز از معماری ارباب/برده است که به دلیل سهولت استفاده و قابلیت اطمینان بالا مورد توجه زیادی قرار گرفته است. پروتکل مدباس rtu به طور گسترده در سیستم‌های مدیریت ساختمان (BMS) و سیستم‌های اتوماسیون صنعتی (IAS) مورد استفاده قرار می‌گرد. پیام‌های Modbus RTU یک ساختار 16 بیتی ساده با کد افزونگی چرخشی (CRC) هستند. سادگی این پیام‌ها برای اطمینان از اعتبار آنها است. با توجه به این سادگی، ساختار رجیستر 16 بیتی Modbus RTU را می‌توان برای بسته‌بندی در ممیز شناور، جداول، متن ASCII ، صف‌ها و سایر داده‌های نامرتبط استفاده کرد.
(از مطلب اتاق سرور هوشمند غافل نشوید.)
این پروتکل در درجه‌ی اول از رابط‌های سریال RS-232 یا RS-485 برای ارتباطات استفاده می‌کند و از هر نرم‌افزار تجاری SCADA (سامانه سرپرستی و گردآوری داده)، HMI (رابط انسان و ماشین)، سرورهای OPC (ارتباطات پلتفرم باز) و نرم‌افزارهای جمع‌آوری داده‌ها در بازار پشتیبانی می‌شود. این مساله ادغام تجهیزات سازگار با مودباس را در برنامه‌های نظارت و کنترل جدید یا موجود، بسیار آسان می‌سازد.
انواع پروتکل Modbus: پروتکل Modbus TCP
پروتکل Modbus TCP یا TCP/IP که با نام‌های دیگری مانند مودباس IP و مودباس اترنت نیز شناخته می‌شود، اساسا همان Modbus RTU است که در یک بسته‌ی اترنت (IEEE 802.3) با آدرس مقصد به عنوان یک آدرس IP با استفاده از پروتکل تراکنش TCP/IP قرار داده شده است. پورت TCP 502 برای مودباس رزرو شده است، در حالی که امنیت مودباس TCP جدید از پورت 802 استفاده می‌کند.
این پروتکل Modbus روی یک لایه‌ی فیزیکی اترنت اجرا می‌شود و از یک هدر 6 بایتی برای امکان مسیریابی استفاده می‌کند. این پروتکل هوشمند سازی برای چندین مشتری قابل استفاده است و برخلاف مدباس RS 485 محدود به 32 دستگاه نیست.
(صفحه روشنایی هوشمند نیز می‌تواند برایتان مفید باشد.)
تفاوت پروتکلِ Modbus TCP و پروتکلِ Modbus RTU
پروتکل Modbus TCP (اترنت) بر خلاف مودباس RTU (سریال) که می‌توان در آن همه‌ی دستگاه‌ها را به هم متصل کرد، برای اتصال چندین دستگاه نیاز به یک سوئیچ یا کلید دارد. در فرمت پیام Modbus TCP/IP، مودباس PDU معمولا در بسته‌ی اترنت است و از کد تابع مودباس و درخواست داده مودباس تشکیل شده است.
آدرس برده و کد خطا (CRC) معمولا مورد نیاز نیست چرا که بسته‌ی Modbus TCP/IP توسط شبکه به آدرس IP موردنظر هدایت می‌شود (مگر اینکه به یک شبکه‌ی سریال اتصال وجود داشته باشد) و بررسی خطا به عنوان بخشی از بسته‌ی اترنت انجام می‌شود.
(به صفحه سیستم ایمنی هوشمند نیز سری بزنید.)
انواع پروتکل Modbus: پروتکل هوشمند سازی Modbus ASCII
از این پروتکل هوشمند سازی مودباس در ارتباطات سریال استفاده می‌شود و این پروتکل از کاراکترهای ASCII برای ارتباطات پروتکل استفاده می‌کند. کاراکترهای ASCII توسط اپراتور انسانی نیز قابل خواندن هستند. فرمت ASCII از یک بررسی افزونگی طولی استفاده می‌کند. در هر صورت این پروتکل ارتباطی از ایمنی کمتری برخوردار است.
(پیشنهاد می‌کنیم از مطلب پرده هوشمند غافل نشوید.)
انواع پروتکل Modbus: پروتکل هوشمند سازی Modbus Plus
پروتکل هوشمند سازی Modbus Plus از ارتباطات همتا به همتا بین چندین دستگاه اصلی پشتیبانی می‌کند. این پروتکل برای کنترل سریع چرخش توکن HDLC به یک پردازنده‌ی مشترک اختصاصی نیاز دارد. این پروتکل از جفت تاب‌خورده با سرعت 1 مگابیت بر ثانیه استفاده می‌کند و شامل جداسازی ترانسفورماتور در هر گره است که باعث می‌شود به جای ولتاژ/سطح راه‌اندازی از انتقال/لبه راه‌اندازی شود. برای اتصال Modbus Plus به یک کامپیوتر به سخت‌افزار خاصی نیاز است که معمولا کارتی است که برای باس یا گذرگاه ISA، PCI یا PCMCIA ساخته شده است.
(از صفحه‌ی تاچ پنل هوشمند نیز بازدید کنید.)
رسانه‌های فیزیکی پروتکل هوشمند سازی Modbus یا مودباس
مودباس یک استاندارد باز است که گفتگوی ارتباط پیام‌رسانی را توصیف می‌کند. این پروتکل هوشمند سازی از طریق چندین رسانه‌ی فیزیکی ارتباط برقرار می‌کند که شامل موارد زیر می‌شود:
- Serial RS-232
- Serial RS-485
- Serial RS-422
- اترنت (Ethernet)
رابط اصلی مودباس بر روی ارتباط سریال RS-232 اجرا می‌شود اما اکثر استفاده‌های بعدی از پروتکل Modbus از RS-485 استفاده می‌کنند زیرا امکان استفاده برای فواصل طولانی‌تر، سرعت بالاتر و امکان اتصال چند دستگاه را امکان‌پذیر می‌سازد. ارتباط ارباب/برده مودباس روی رسانه‌ی فیزیکی سریال RS-485 از اتصالات انتقال و دریافت دوسیمه استفاده می‌کند.
(مطالعه مطلب فناوری NFC را به شما پیشنهاد می‌کنیم.)
در رابط‌های ساده مانند RS232 یا RS485، پیام‌های مودباس به شکل ساده از طریق شبکه ارسال می‌شود و شبکه فقط به ارتباطات مودباس اختصاص داده می‌شود. با این حال، اگر شبکه‌ی شما به چندین دستگاه ناهمگن استفاده از یک سیستم چندمنظوره‌تر مانند TCP/IP از طریق اترنت نیاز دارد، پیام‌های مودباس در بسته‌های اترنت با فرمت مناسب برای این رابط فیزیکی جاسازی می‌شوند.
بنابراین در این مورد، پروتکل Modbus و سایر پروتکل‌های ارتباطی ترکیبی می‌توانند در یک رابط فیزیکی به طور همزمان وجود داشته باشند.
چه دستگاه‌هایی از پروتکل هوشمند سازی Modbus پشتیبانی می‌کنند؟
نمونه‌هایی از دستگاه‌های مودباس شامل سخت‌افزار HMI، رابط‌ها و ماژول‌های ورودی و خروجی، سنسورها، مودم‌ها، کنترلرهای دستگاه، کنترل‌گرهای منطقی برنامه‌پذیر (PLC)، گیت‌وی شبکه، آداپتورهای میزبان شبکه، اینورترهای AC/DC، آرتی‌یو (RTUs)، سخت‌افزار اسکادا (SCADA)، درایورهای دستگاه نرم‌افزار، دستگاه‌های خانه‌ی هوشمند، روترها و غیره می‌شود.
اکثر موارد استفاده و پیاده‌سازی پروتکل مدباس در دنیای واقعی برای دستگاه‌هایی است که مقادیر کمی از داده‌ها را در یک زمان مشخص در سناریوها منتقل می‌کنند که سرعت چندان حیاتی و مهم نیست؛ برای مثال در موارد بررسی دما می‌توان از این پروتکل استفاده کرد.
تفاوت پروتکل هوشمند سازی Modbus و اترنت TCP/IP
اترنت یک اصطلاح کلی است که یک روش شبکه‌ی محلی را پوشش می‌دهد. اترنت استفاده‌ی گسترده‌ای در شبکه‌های مختلف دارد و همه‌چیز از سیم‌کشی تا پیوند داده را پوشش می‌دهد. در واقع می‌توان اترنت را مانند یک خط تلفن در نظر گرفت که به دو دستگاه اجازه می‌دهد با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. در مقابل پروتکل هوشمند سازی Modbus یک پروتکل سطح بالاتر است که موارد دیگر مانند روشی که میزبان‌ها یکدیگر را پیدا می‌کنند، به یکدیگر آدرس می‌فرسند و یک بخش را آغاز یا پایان می‌دهد، را پوشش می‌دهد. پروتکل مدباس نیز مانند یک زبان خاص برای ارتباط دستگاه‌ها با یکدیگر است.
اما تفاوت مدباس و اترنت این است که مدباس برای اجرای پیوندهای مستقیم بین دو دستگاه (انواع مختلف کابل‌کشی سریال) طراحی شده است، در حالی که TCP/IP برای شبکه‌هایی طراحی شده است که تعداد زیادی دستگاه همگی با یک سیم مشترک به هم متصل هستند. البته، Modbus/TCP به دستگاه‌های مودباس امکان می‌دهد تا با استفاده از پروتکل TCP/IP با هم ارتباط برقرار کنند. به طور کلی اترنت به استاندارد بسیاری از سیستم‌ها تبدیل شده است و بنابراین جای تعجب نیست که یکی از استانداردهای شبکه نیز باشد. تفاوت اصلی بین مودباس سریال و مودباس اترنت این است که مودباس اترنت روی یک لایه‌ی فیزیکی اترنت اجرا می‌شود در حالی که مودباس RTU یک پروتکل سطح سریال است.
سخن آخر در خصوص پروتکل هوشمند سازی مودباس یا Modbus
مودباس یک پروتکل باز است و این بدان معناست که تولیدکنندگان مختلف می‌توانند بدون نیاز به پرداخت حق امتیاز از این پروتکل در ساخت محصولات خود استفاده کنند. پروتکل هوشمند سازی مودباس یا Modbus یک پروتکل ارتباطی استاندارد در صنعت است و در حال حاضر رایج‌ترین وسیله برای اتصال دستگاه‌های الکترونیکی صنعتی به شمار می‌آید.
این پروتکل توسط بسیاری از تولیدکنندگان در صنایع مختلف استفاده می‌شود. راه‌اندازی مدباس معمولا به این صورت است که از آن برای انتقال سیگنال‌ها از دستگاه‌ها و کنترل دستگاه‌ها به یک کنترلر اصلی یا سیستم جمع‌آوری اطلاعات استفاده می‌شود؛ به عنوان مثال سیستمی که دما و رطوبت را اندازه‌گیری می‌کند و اطلاعات و نتایج را به یک رایانه ارسال می‌کند. از مودباس اغلب برای اتصال یک کامپیوتر نظارتی با یک واحد پایانه دوردست (RTU) در سیستم‌های نظارتی و جمع‌آوری داده‌ها (اسکادا) استفاده می‌شود.
