Что такое Modbus: узнайте о популярном протоколе связи, лежащем в основе IIoT

Содержание

Системы промышленной автоматизации составляют основу современных производственных предприятий и перерабатывающих отраслей. Эти системы полагаются на бесперебойный обмен данными между различными устройствами для эффективного мониторинга и управления производственными процессами. В основе коммуникационной инфраструктуры почти каждой системы промышленной автоматизации лежит Modbus — открытый, бесплатный протокол связи, который стал повсеместным в промышленной среде. Обладая более чем 40-летней проверенной надежностью, Modbus обеспечивает обмен данными в широком спектре устройств автоматизации — от датчиков и исполнительных механизмов в заводских цехах до программируемых логических контроллеров (ПЛК) и человеко-машинных интерфейсов (HMI). Поскольку промышленные предприятия используют промышленный Интернет вещей (IIoT) для получения практической информации из машинных данных, Modbus будет играть еще более важную роль в следующей промышленной революции, обеспечивая связь между устаревшими устройствами и новыми платформами IIoT.

В этой статье раскрываются основы протокола Modbus, исследуется его роль в промышленной автоматизации и показано, как он может служить основой связи, обеспечивающей экосистему IIoT. Давайте начнем с отслеживания истоков этого типичного промышленного протокола.

Разгадка происхождения Modbus

Протокол связи Modbus был разработан в 1979 году производителем ПЛК Modicon (ныне Schneider Electric) для обеспечения связи между программируемыми контроллерами и компьютерами. В то время собственные протоколы связи ограничивали взаимодействие между ПЛК и системами управления разных производителей. Чтобы преодолеть этот недостаток, компания Modicon создала Modbus как простой открытый протокол.

Modbus был разработан с учетом промышленных условий и может надежно работать через последовательные соединения RS-232 и RS-485. Его простота, открытость и надежность привели к широкому распространению Modbus в качестве фактического стандарта для подключения промышленных электронных устройств. Сегодня Modbus превратился в гибкий, независимый от поставщика протокол связи для широкого спектра приложений автоматизации и управления.

Расшифровка архитектуры протокола Modbus

Протокол Modbus использует архитектуру «ведущий-подчиненный», при которой централизованное ведущее устройство инициирует всю связь с несколькими подключенными ведомыми устройствами. Эта простая, но эффективная топология позволяет легко контролировать и контролировать несколько удаленных устройств автоматизации с центрального компьютера.

Ведущий отправляет команды отдельным ведомым, используя функциональные коды Modbus. Эти функциональные коды определяют тип запроса, сделанного ведущим устройством, например, чтение состояний входов, состояний катушек, значений регистров или диагностических данных. На основе кода функции каждый ведомый знает, как интерпретировать последующие данные в запросе и как форматировать свой ответ. Это устраняет необходимость встраивания в сообщения сложной информации, специфичной для конкретного устройства.

Например, ведущий может отправить функциональный код 03 для чтения регистров временного хранения на ведомом устройстве. Подчиненное устройство правильно интерпретирует этот запрос и отправит значения регистров в своем ответе. Этот модульный подход обеспечивает взаимодействие между ведущими и ведомыми устройствами различных производителей.

Изучение возможностей связи Modbus

Протокол Modbus с течением времени превратился в варианты, подходящие для различных сред и сетей связи:

Modbus RTU

Modbus RTU (удаленный терминальный блок) передает данные в компактном двоичном формате через последовательные соединения RS-232, RS-485 и RS-422. Компактное представление данных позволяет эффективно использовать ограниченную полосу пропускания. Кроме того, формат RTU использует проверку ошибок CRC для обеспечения надежной передачи данных, что важно для промышленных предприятий, подверженных электромагнитным шумам.

Благодаря простой проводке сети Modbus RTU могут соединять несколько устройств, расположенных на больших физических территориях. Это делает Modbus RTU подходящим для соединения различных систем автоматизации, модулей ввода-вывода и периферийных устройств в промышленных средах.

Modbus ASCII

Modbus ASCII отправляет данные в удобочитаемом формате ASCII, обеспечивая прозрачность за счет увеличения требований к пропускной способности. Хотя ASCII менее эффективен, чем формат RTU, он может облегчить устранение проблем связи. Modbus ASCII использует проверку ошибок на основе контрольной суммы для обеспечения целостности данных.

Будучи программно совместимым с Modbus RTU, варианты ASCII легко реализовать в существующих устройствах Modbus с минимальными изменениями прошивки. Это позволяет использовать одну и ту же модель устройства в сетях ASCII или RTU.

Modbus TCP/IP

Modbus TCP/IP инкапсулирует сообщения Modbus в стандартные кадры TCP/IP, облегчая связь через сети Ethernet и Интернет. Это позволяет данным Modbus передаваться на большие расстояния и маршрутизироваться через существующую инфраструктуру TCP/IP. Modbus TCP/IP обеспечивает абстрактный интерфейс над физическими транспортными уровнями, обеспечивая интеграцию различных сетей и сред.

С распространением сетей TCP/IP Modbus TCP получил быстрое распространение в распределенных сетях ввода-вывода, подключении ПЛК через локальные сети, удаленном мониторинге устройств и системах SCADA. Его преимуществом перед Modbus RTU и ASCII является возможность плавной интеграции с существующей сетевой инфраструктурой.

Что такое Modbus: узнайте о популярном протоколе связи, лежащем в основе IIoT

Раскрытие типов данных, поддерживаемых Modbus

Будучи промышленным протоколом, Modbus обеспечивает доступ ко всем важным данным, необходимым в приложениях автоматизации и управления. Эти транзакционные данные доступны через четыре основных регистра:

Дискретные входы (DI): двоичные значения включения/выключения, такие как состояния датчика.

Катушки (DO): состояния двоичных выходов для управления исполнительными механизмами.

Входные регистры (IR): 16-битные данные, такие как измерения датчика.

Регистры временного хранения (HR): 16-битные данные, такие как заданные значения и счетчики.

Кроме того, Modbus позволяет передавать аналоговые значения, такие как температура и давление, используя 32-битное представление данных с плавающей запятой. Modbus также может передавать текстовые и шестнадцатеричные строки для целей диагностики и отладки.

Эта комплексная поддержка типов данных позволяет ведущим устройствам Modbus получать доступ ко всем ключевым параметрам, необходимым для автоматического управления, сбора данных, настройки устройств и устранения неполадок. При проектировании надежных систем Modbus необходим тщательный выбор подходящих типов данных для каждого параметра.

Революция в промышленной автоматизации с помощью Modbus

С момента своего создания Modbus оказался незаменимым во множестве приложений автоматизации в различных отраслях, таких как производство, нефть и газ, энергетика, водоснабжение и водоотведение, транспорт, горнодобывающая промышленность и строительная инфраструктура.

В промышленных условиях Modbus обеспечивает связь между датчиками, приводами двигателей, ПЛК, HMI, регистраторами данных и системами контроля, обеспечивая полные возможности мониторинга и управления. Надежность подключения, минимальное количество проводов, простота устранения неполадок и долговечность — вот ключевые причины, по которым Modbus повсеместно встречается практически на каждом промышленном объекте.

Например, на автомобильном заводе Modbus может связать видеокамеры и роботизированные манипуляторы на сборочной линии с ПЛК, управляющим конвейерными лентами и остановками, координируемыми центральной системой SCADA. Такая интеграция максимизирует производительность предприятия за счет беспрепятственного обмена жизненно важными данными о машинах и процессах.

Modbus также сыграл важную роль в модернизации коммуникационных возможностей существующих устаревших систем автоматизации в различных отраслях. Его гибкость и сосредоточенность на основах связи позволили даже оборудованию автоматизации, созданному десятилетиями назад, обмениваться данными, что позволило избежать необходимости дорогостоящей замены.

Поддержка промышленного Интернета вещей (IIoT) с помощью Modbus

IIoT обещает существенное изменение эффективности и производительности благодаря интеллектуальным, самооптимизирующимся производственным процессам. Это требует сбора и агрегирования огромных объемов данных с промышленных активов в режиме реального времени и преобразования их в оперативную информацию с использованием передовой аналитики.

Надежный обмен информацией между существующими системами автоматизации и новой инфраструктурой IIoT требует протокола связи промышленного уровня. Благодаря проверенному крупномасштабному развертыванию, охватывающему более 40 лет, Modbus служит идеальной магистралью передачи данных, связывающей устаревшие и современные системы IIoT.

Для реализации IIoT с нуля встроенная поддержка Modbus в большинстве датчиков, приводов, контроллеров и аналитического программного обеспечения с поддержкой IIoT обеспечивает готовую к использованию совместимость. В уже существующих средах устаревшие системы автоматизации и SCADA с интерфейсами Modbus позволяют беспрепятственно переносить данные на брокеры MQTT, промышленные облачные платформы и аналитические панели, предоставляя возможности IIoT без капитального ремонта существующей инфраструктуры.

Таким образом, MODBUS обеспечивает идеальную обратную совместимость и будущую совместимость, необходимую в экосистеме IIoT, состоящей как из старинных, так и из самых современных компонентов.

Обеспечение совместимости и нейтральности поставщиков с помощью Modbus

Ключевым движущим фактором успеха Modbus стала опубликованная без лицензионных отчислений спецификация протокола, которая способствует функциональной совместимости. Поставщики оборудования для автоматизации могут напрямую использовать открытый стандарт в своих продуктах без лицензионных соглашений. Это позволяет системным интеграторам легко комбинировать продукты, совместимые с Modbus, от разных компаний.

Такая гибкость и нейтральность к поставщикам имеют решающее значение для среды промышленного Интернета вещей, целью которой является содействие сотрудничеству между информационными (ИТ) и операционными (ОТ) системами. В рамках архитектуры IIoT Modbus может свободно обмениваться данными от приборов, контроллеров, приводов, сетевого оборудования и программных систем разных поставщиков, чтобы обеспечить производительность и инновации.

Более того, открытый протокол, такой как Modbus, обеспечивает конкурентоспособность предложений поставщиков, сохраняя при этом совместимость. Пользователи наслаждаются более быстрыми темпами инноваций и снижением стоимости решений, что укрепляет долговечность такого стандарта.

Решение проблем безопасности при связи Modbus

Будучи чрезвычайно прочным и надежным, связь Modbus была разработана для изолированных последовательных каналов между доверенными системами автоматизации, а не для прямого доступа к Интернету. Следовательно, технологии подключения, такие как Modbus TCP, создают потенциальные уязвимости кибербезопасности, которые могут сделать возможными удаленные атаки.

Экранирование оборудования за несколькими зонами брандмауэра, размещение серверов Modbus в отдельных сетях VLAN и использование специальных систем обнаружения вторжений Modbus помогают снизить риски. Безопасность транспортного уровня (TLS) и виртуальные частные сети (VPN) могут шифровать трафик Modbus TCP, при этом избегая размещения контроллеров в сетевой DMZ, ограничивается воздействие.

Все больше заводов также используют шлюзы прикладного уровня, которые фильтруют и проверяют входящие запросы Modbus перед их маршрутизацией на физические контроллеры, чтобы предотвратить злонамеренный доступ к данным. Такой подход «глубокой защиты» повышает безопасность, не затрагивая обычные потоки связи Modbus, лежащие в основе базовой системы автоматизации.

Хотя требуется бдительность, существует несколько методов безопасного использования открытых протоколов, таких как Modbus, даже при использовании подключения IIoT, управляющего заводами будущего.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Ниже приведены некоторые распространенные вопросы для дальнейшего разъяснения основ технологии Modbus профессионалам в области автоматизации и практикам IIoT:

Каковы основные преимущества использования Modbus в системах промышленной автоматизации?

Некоторые основные преимущества, которые делают Modbus наиболее надежным протоколом промышленной связи:

1. Надежность. Надежная проверка ошибок CRC на зашумленных последовательных каналах делает Modbus чрезвычайно надежным для передачи критически важных промышленных данных.

2. Функциональная совместимость. Открытый стандарт гарантирует беспрепятственный обмен важными данными между компонентами различных поставщиков.

3. Простота. Очень низкие накладные расходы позволяют даже базовым устройствам легко реализовать связь Modbus.

4. Зрелость. Проверенные крупномасштабные развертывания на протяжении более 40 лет подтверждают долговечность протокола.

5. Гибкость. Доступность через различные носители, такие как последовательный порт, Ethernet и беспроводная связь, обеспечивает целостную интеграцию.

Чем Modbus отличается от других промышленных протоколов связи, таких как PROFIBUS и Ethernet/IP?

Несмотря на схожие приложения, каждый протокол имеет уникальные преимущества:

Modbus — простое, независимое от поставщика решение, идеально подходящее для базовых полевых устройств.

PROFIBUS — Высокоскоростная детерминированная связь для срочных задач автоматизации производства.

EtherNet/IP — бесшовная интеграция данных промышленной автоматизации с ИТ-инфраструктурой предприятия.

Выбор подходящего протокола зависит от требуемых возможностей поддержки устройств, скорости, потребностей в синхронизации, интеграции ИТ и отраслевой экосистемы. Для устаревших приложений ПЛК малого и среднего размера Modbus отличается простотой и функциональной совместимостью.

На что следует обратить внимание при выборе подходящего варианта Modbus для конкретного применения?

1. Требуемая пропускная способность — выберите RTU для последовательных каналов с низкой пропускной способностью или TCP для сетевых приложений с большим объемом трафика.

2. Сетевая совместимость — TCP/IP, если приложение имеет Ethernet, а RTU использует существующую последовательную инфраструктуру.

3. Требуемое время отклика — RTU имеет минимальную задержку даже на медленных каналах.

4. Расстояние между устройствами. Последовательный протокол Modbus работает на больших расстояниях по кабелю.

5. Физическая среда. Проверка ошибок RTU подходит для суровых промышленных условий.

Как я могу обеспечить безопасную и надежную связь Modbus в моей промышленной сети?

Стратегии защиты инфраструктуры Modbus:

  • Изолируйте трафик Modbus от корпоративной локальной сети
  • Используйте межсетевые экраны Modbus для проверки сообщений.
  • Включите VPN-туннели, если Modbus проходит через общедоступные сети.
  • Блокируйте нежелательный доступ в Интернет к серверам Modbus
  • Аутентификация клиентов HMI перед предоставлением доступа к ПЛК
  • Постоянно отслеживайте необычные шаблоны активности Modbus.

Каковы будущие тенденции в технологии Modbus и как она будет продолжать влиять на IIoT?

Поскольку подключение к Интернету становится повсеместным, растет внедрение беспроводных сетей, а требования к мобильности данных растут в геометрической прогрессии, Modbus готовится к следующей волне промышленной совместимости, возглавляемой внедрением IIoT. Эти разработки будут определять эволюцию Modbus:

  • Распространение Modbus TCP в устройствах и шлюзах IIoT
  • Расширенные варианты беспроводного Modbus с использованием ячеистых сетей
  • TLS/DTLS стандартизирован для безопасной связи Modbus
  • Включение удаленной диагностики, обновлений встроенного ПО и возможностей управления активами.
  • Использование технологий распределенного реестра для защиты огромных сетей устройств Modbus
  • Постоянная поддержка Modbus на современных облачных платформах, системах аналитики и мобильных HMI.

Простота и универсальность, которые на протяжении более четырех десятилетий позиционировали Modbus как стержень автоматизированной связи, гарантируют, что он останется неотъемлемой частью функциональной совместимости в развивающихся гиперсвязанных цифровых отраслях будущего.

Заключение

Modbus закрепил за собой статус фактического стандарта, лежащего в основе связи для промышленной автоматизации в различных отраслях и процессах. Его долговечность обусловлена ключевыми характеристиками, которые перекликаются с основными требованиями этой области — простотой, надежностью, функциональной совместимостью и эффективностью. Поскольку IIoT открывает эру связи и интеллекта в промышленной среде, Modbus готовится обеспечить эту трансформацию, предоставляя надежную коммуникационную структуру, которая объединит как устаревшие, так и передовые технологии в интеллектуальные, интегрированные киберфизические системы. Говоря на вечном языке единиц и нулей на протяжении 40 лет, Modbus готов обеспечить следующие 40 лет промышленной эволюции.