Introduction
Modbus est un protocole de communication largement utilisé dans les systèmes d’automatisation et de contrôle industriels. Il assure la communication client/serveur entre les appareils industriels tels que les automates, les modules d’E/S, les entraînements moteurs, les capteurs, les routeurs cellulaires industriels et les actionneurs.
Il existe deux variantes populaires de Modbus utilisées dans les réseaux industriels : Modbus RTU et Modbus TCP/IP. Ces deux protocoles sont utilisés pour établir une communication maître-esclave entre des appareils industriels.
Modbus RTU utilise la communication série sur les interfaces RS-485 ou RS-232. Il transfère les données au format binaire. Modbus TCP/IP utilise les réseaux Ethernet et la pile de protocoles TCP/IP pour la communication Client/Serveur. Il encode les données au format ASCII.
Dans ce guide complet, nous approfondirons les protocoles Modbus RTU et Modbus TCP/IP, leurs fonctionnalités, leurs avantages, leurs limites et leurs applications. Nous ferons également une analyse comparative des deux protocoles pour comprendre quand utiliser Modbus RTU et quand adopter Modbus TCP/IP.
Modbus RTU
Modbus RTU (Remote Terminal Unit) utilise la norme de communication série RS-485 pour la communication maître-esclave. Les données binaires sont transférées en série entre les appareils Modbus sur un réseau.
Comment cela fonctionne-t-il ?
- Modbus RTU utilise une architecture maître-esclave dans laquelle un appareil fonctionne en tant que maître et les autres en tant qu’esclaves.
- L’appareil maître initie et contrôle toutes les communications en envoyant des messages de commande et en recevant des messages de réponse.
- Les appareils esclaves répondent simplement en fournissant les données demandées ou en exécutant les actions commandées par le maître.
- L’interface série RS-485 est utilisée pour transférer des données entre les appareils Modbus RTU. RS-485 permet à plusieurs appareils esclaves de se connecter à un seul maître sur le même réseau.
- Les données sont transférées entre les appareils Modbus au format binaire. Chaque octet contient deux caractères hexadécimaux utilisant les valeurs 0 à 9 et A à F.
- Les messages Modbus RTU ont défini des structures de données que le maître et l’esclave doivent suivre.
- La vérification des erreurs par contrôle de redondance cyclique (CRC) est utilisée pour détecter les erreurs de communication.
Caractéristiques et avantages
Certaines des principales fonctionnalités et avantages du protocole Modbus RTU sont :
- Architecture maître-esclave – Permet un contrôle centralisé par l’appareil maître. Les dispositifs esclaves ne peuvent pas communiquer directement.
- Communication série RS-485 – Permet à plusieurs appareils esclaves de se connecter à un seul maître dans une configuration multipoint sur de longues distances.
- Transfert de données binaires – Taille de message plus petite que l’ASCII, transfert rapide de données avec un débit élevé.
- Structures de données prédéfinies – Faciles à mettre en œuvre et à décoder sur les appareils esclaves à l’aide d’une logique de micrologiciel simple.
- Vérification des erreurs CRC – Assure l’intégrité du transfert de données entre le maître et l’esclave.
- Adoption à grande échelle par l’industrie – Utilisé dans des secteurs tels que la fabrication, les services publics, l’automatisation des bâtiments, etc. Fonctionnement fiable.
Limites
Malgré ses avantages, Modbus RTU présente également les limitations suivantes :
- Maître unique : un seul appareil maître peut exister sur le réseau. La redondance nécessite une programmation complexe.
- Longueur de câble limitée – Les câbles RS-485 sont limités à environ 1 000 mètres. Au-delà, le signal se dégrade.
- Pas de prise en charge du réseau IP – Modbus RTU ne prend pas en charge les réseaux TCP/IP et la connectivité Internet de manière native.
- Modèle de données fixe : taille de PDU limitée et nombre de types de données pris en charge conformément à la spécification Modbus.
- Adressage manuel – Les adresses esclaves doivent être définies manuellement sur chaque appareil esclave Modbus RTU.
Modbus TCP/IP
Modbus TCP/IP utilise les réseaux Ethernet et TCP/IP pour la mise en œuvre du protocole Modbus sur un réseau IP. Les données sont codées au format ASCII et transmises via TCP/IP.
Comment cela fonctionne-t-il ?
- Modbus TCP/IP utilise les réseaux TCP/IP et Ethernet standards pour la communication maître-esclave.
- L’appareil maître utilise un logiciel client TCP/IP et les esclaves disposent d’un logiciel serveur TCP/IP.
- Au lieu de RS-485, des adaptateurs ou des commutateurs Ethernet connectent des appareils Modbus TCP/IP.
- Les messages de requête/réponse Modbus sont encapsulés à l’aide d’un en-tête Modbus Application Protocol.
- Les données sont codées au format ASCII et transmises à l’aide des protocoles TCP/IP standard.
- Les mécanismes TCP/IP tels que les ports assurent la vérification des erreurs et la confirmation de la livraison.
- L’adressage IP identifie de manière unique chaque appareil Modbus sur le réseau.
Caractéristiques et avantages
Les principaux avantages offerts par Modbus TCP/IP incluent :
- Compatible Ethernet standard – Permet l’intégration avec les réseaux Ethernet existants.
- Pile de protocoles TCP/IP : permet une connectivité et des fonctionnalités Web de type Internet.
- Communication longue distance : le câblage Ethernet permet des réseaux Modbus longue distance sur LAN et WAN.
- Identification basée sur l’adresse IP – Chaque appareil Modbus possède une adresse IP unique pour l’adressage.
- Codage des données ASCII – ASCII est auto-descriptif et lisible par l’homme. Le débogage est plus facile.
- Accès et contrôle basés sur le Web – TCP/IP permet la surveillance à distance des réseaux Modbus via le Web.
- Compatible avec les pare-feu – Le port TCP 502 utilisé par Modbus TCP est généralement ouvert sur les pare-feu industriels.
Limites
Certains inconvénients de l’utilisation de Modbus TCP/IP sont :
- Surcharge TCP/IP : la mise en œuvre d’une pile TCP/IP complète nécessite plus de ressources sur les appareils esclaves.
- Augmentation de la surcharge de trame : le codage ASCII augmente la taille des messages, réduisant ainsi le débit.
- Retransmissions TCP : TCP tente à nouveau d’assurer la livraison, mais peut entraîner des retards dans la réponse Modbus.
- Congestion sur les réseaux occupés : les goulots d’étranglement de l’Ethernet industriel peuvent affecter les performances du Modbus TCP.
- Risques de sécurité – TCP/IP expose le système Modbus aux cyberattaques puisque Ethernet est accessible via WAN.
Comparaison de Modbus RTU et Modbus TCP/IP
Nous allons maintenant faire une analyse comparative entre Modbus RTU et Modbus TCP/IP sur différents paramètres :
| Caractéristique | Modbus RTU | Modbus TCP/IP |
|---|---|---|
| Topologie du réseau | Bus linéaire/chaîne marguerite | Étoile, arbre ou maille |
| Supports physiques | Câblage série RS-485 | Câblage Ethernet CAT5e/CAT6 |
| Transfert de données | Binaire | ASCII |
| Adressage | Adressage esclave 8 bits | Adressage IP 32 bits |
| Gestion des erreurs | Somme de contrôle CRC | Vérification des erreurs TCP et confirmation de livraison |
| Sécurité | Isolé avec des risques minimes | Vulnérable aux attaques du réseau |
Notes complémentaires
- Modbus RTU est plus simple à mettre en œuvre et moins coûteux que Modbus TCP/IP.
- Modbus TCP/IP est plus flexible et évolutif et peut être utilisé sur les réseaux Ethernet existants.
- Modbus TCP/IP est plus rapide que Modbus RTU, mais présente une latence plus élevée en raison de la surcharge TCP/IP.
- Modbus TCP/IP nécessite plus de considérations de sécurité que Modbus RTU.
Quand utiliser Modbus RTU
Modbus RTU convient aux types d’applications suivants :
- Réseaux Modbus plus petits avec jusqu’à 32 appareils esclaves
- Communication sur de courtes distances au sein d’une usine ou de locaux d’usine
- Connectivité Modbus pour les appareils et applications série existants
- Réseaux de contrôle nécessitant un transfert de données binaires à haut débit
- Une isolation logique du réseau est nécessaire pour des raisons de sécurité
- Systèmes Modbus étroitement couplés sans exigences d’accès à distance
- Applications sensibles au budget en raison du coût inférieur de l’infrastructure série
Quand utiliser Modbus TCP/IP
Modbus TCP/IP est la solution privilégiée lorsque :
- L’intégration avec les réseaux Ethernet existants est requise
- Connectivité Modbus sur des distances locales et mondiales
- Une capacité de surveillance et de contrôle à distance basée sur le Web est nécessaire
- Interopération avec de nombreux maîtres et esclaves Modbus
- Une extensibilité future pour un plus grand nombre d’appareils est prévue
- Les historiens de données et les logiciels en temps réel nécessitent une connectivité IP
- Systèmes centralisés de contrôle de surveillance et d’acquisition de données (SCADA)
- La conformité réglementaire nécessite des mesures de cybersécurité comme les VPN
Le meilleur choix pour votre application dépendra de vos besoins spécifiques. Si vous avez besoin d’une solution simple et économique pour un petit réseau, Modbus RTU peut être un bon choix. Si vous avez besoin d’une solution plus flexible et évolutive pour un réseau plus vaste, Modbus TCP/IP peut être un meilleur choix.
Études de cas
L’usine de fabrication migre de Modbus RTU vers Modbus TCP
Un important fabricant de pièces automobiles disposait d’un système de production existant qui utilisait des automates programmables et des entraînements de moteur interconnectés via un réseau Modbus RTU. À mesure que leur production augmentait, ils devaient étendre le système en ajoutant de nouveaux automates, stations IHM et lecteurs. Cependant, l’acheminement de longs câbles RS-485 depuis l’atelier jusqu’à la salle de contrôle devenait complexe et sujet aux pannes.
Ils ont décidé de migrer vers Modbus TCP/IP afin que les nouvelles sections puissent être mises en réseau via un câblage Ethernet CAT6. Le réseau RS-485 existant a été conservé pour des raisons de compatibilité avec l’ancien système. Un dispositif passerelle Modbus a été installé pour acheminer les données entre les anciens automates RS-485 et le nouveau réseau TCP/IP. Cela a fourni une solution de mise à niveau évolutive sans perturber les opérations en cours.
Le service public d’électricité met en œuvre un SCADA Modbus TCP/IP renforcé
Un service public d’électricité souhaitait moderniser son ancien système Modbus RTU SCADA pour son réseau moyenne tension. Ils avaient besoin d’une solution sécurisée et fiable pour gérer leurs actifs sur le terrain tels que les sous-stations, les stations d’alimentation et les dispositifs d’automatisation de la distribution. Modbus TCP/IP sur un réseau Ethernet privé a été choisi comme protocole de communication.
La cybersécurité était une exigence majeure pour le nouveau système SCADA. L’utilitaire a travaillé avec l’intégrateur système pour déployer des mesures de sécurité telles que des tunnels VPN entre les sous-stations, des commutateurs Ethernet gérés, des pare-feu et un contrôle d’accès basé sur les rôles. Le réseau Modbus TCP/IP renforcé a fourni une surveillance et un contrôle à haute disponibilité avec une protection contre les cyber-intrusions à distance.
FAQs
Quelle est la différence entre Modbus RTU et Modbus TCP/IP ?
Les principales différences sont les suivantes :
- Modbus RTU utilise la communication série RS-485 tandis que Modbus TCP utilise les réseaux Ethernet TCP/IP
- Modbus RTU a une architecture maître-esclave tandis que Modbus TCP permet plusieurs maîtres et esclaves simultanés
- Modbus RTU transfère les données binaires tandis que Modbus TCP utilise le codage ASCII
- Modbus RTU utilise la vérification des erreurs CRC et Modbus TCP s’appuie sur TCP pour la confirmation de livraison
Quel protocole est le meilleur, Modbus RTU ou Modbus TCP/IP ?
Il n’y a pas de vainqueur incontestable. Modbus RTU est préférable pour les connexions série courtes sans accès à distance. Modbus TCP/IP est préférable pour la connexion sur des distances locales et mondiales et pour la surveillance basée sur le Web. Le choix dépend des exigences de l’application.
Comment choisir entre Modbus RTU et Modbus TCP/IP ?
Tenez compte de facteurs tels que la distance réseau requise, le nombre d’appareils, la vitesse de communication, les besoins en matière de cybersécurité, la compatibilité existante, les contraintes de coûts et l’évolutivité future. Pour un nouveau petit réseau autonome, Modbus RTU peut suffire. Pour les grandes implémentations multi-sites, Modbus TCP/IP est préférable.
Puis-je utiliser Modbus RTU et Modbus TCP/IP sur le même réseau ?
Oui, il est possible d’utiliser des passerelles Modbus qui traduisent entre les protocoles Modbus RTU et Modbus TCP. Cela permet une migration progressive des réseaux série vers les réseaux Ethernet.
Conclusion
Modbus RTU et Modbus TCP/IP sont tous deux des protocoles de communication industrielle viables présentant des forces et des faiblesses complémentaires. Modbus RTU offre une connectivité Modbus binaire à haut débit sur des réseaux série économiques. Modbus TCP/IP permet l’intégration avec les systèmes informatiques d’entreprise et les capacités d’accès à distance basées sur Internet.
Comprendre les principales différences en matière de mise en œuvre, de performances et de sécurité aide à sélectionner le protocole approprié. Pour les réseaux série existants, Modbus RTU peut suffire. Pour les nouveaux déploiements à grande échelle, la flexibilité et l’extensibilité de Modbus TCP seront bénéfiques. Les réseaux hybrides utilisant des passerelles Modbus offrent une voie de migration tirant parti des avantages des deux technologies.
