Протокол Modbus довольно распространен как в промышленных системах автоматизации, так и сетях систем типа "Умный дом", автоматизации малых объектов (теплицы и т.п.) и стыковки различного оборудования с домашним компьютером. Появление таких проектов как Arduino и Raspberry Pi значительно повысило интерес к задачам, связанным с робототехникой, автоматикой и автоматизацией. Все это обеспечивает рост популярности Modbus среди любителей и профессионалов. В статье рассмотрен вопрос тестирования и наладки, как отдельных устройств, так и сетей на базе протокола Modbus с позиции требований к программному обеспечению для решения таких задач и обзора существующих инструментов.

Если вы знакомы с архитектурой протокола, то можете смело пролистать пару следующих абзацев и перейти к дальнейшему описанию ^[1]. Если же нет, то специально для вас ниже приведено небольшое введение в Modbus.

Modbus, краткое введение

Modbus является довольно распространённым протоколом в системах автоматизации на среднем и нижнем (полевом) уровнях. Средний — это уровень контроллеров — устройств, осуществляющих сбор данных и управление технологическим процессом. Нижний или полевой — это уровень взаимодействия датчиков и контроллеров или датчиков напрямую с сервером. Более подробно об уровнях в системах автоматизации можно посмотреть здесь ^[2].

Как правило, структура типовой системы автоматизации, использующей в качестве базового протокола Modbus, выглядит так как показано на рисунке в начале статьи. В качестве ”среды” для протокола Modbus может выступать либо RS-485 (подробно про него можно прочитать здесь ^[3] и здесь ^[4]), поверх него работает Modbus RTU или Modbus ASCII, либо транспортный протокол TCP в TCP/IP сетях, такая версия носит название Modbus TCP. В данной статье будет рассмотрен Modbus RTU.

Протокол Modbus предполагает наличие одного ведущего устройства в сети (оно называется Master или Client) и от 1 до 247 ведомых (они называются Slave или Server). Полное описание можно найти на официальном сайте ^[5] или в вики ^[6].

Master периодически взаимодействует со Slave-устройствами, считывая или записывая в них какую-либо информацию. Этот процесс осуществляется в форме запрос-ответ. Запрос представляет собой последовательность байт, называемую кадром, в котором время между байтами стандартизировано и зависит от скорости передачи данных (напомним, что речь идет о Modbus RTU) и составляет не более длительности интервала, в течение которого может быть передано 1,5 байта данных. Время между кадрами должно быть не меньше времени передачи 3,5 байт.

Формат запроса имеет следующий вид:

ID — адрес устройства (1 байт),
FN — Modbus функция (1 байт),
[args] — аргументы функции (N байт, зависит от функции),
CRC — контрольная сумма CRC-16 (2 байта).

Ответ имеет схожий формат:

Почти все поля ответного кадра аналогичны кадру запроса, за исключением поля DATA, оно имеет различное наполнение, в зависимости от функции.

Если устройством не поддерживается запрашиваемая функция или аргументы в поле [args] запроса являются некорректными для данного Slave-устройства, то в ответе, в поле FN старший бит будет выставлен в 1 (т.е. на FN наложится маска 0x80), а в поле DATA будет помещена дополнительная информация об ошибке.

Каждое Slave-устройство может иметь определенные области данных и содержать дополнительную специфическую информацию.
Возможные области данных представлены в таблице ниже:

Поле	Доступ	Размер	Описание
Discrete Inputs	Только чтение	Один бит	Данные от системы ввода/вывода
Coils	Чтение/Запись	Один бит	Ячейки могут использоваться по своему усмотрению
Input registers	Только чтение	16 бит	Данные от системы ввода/вывода
Holding registers	Чтение/Запись	16 бит	Регистры могут использоваться по своему усмотрению

За более подробной информацией следует обратиться к полному описанию Modbus RTU, доступному в виде спецификации ^[7].

Тестирование устройств с поддержкой Modbus RTU в рамках процесса разработки

Как при разработке, так и при наладке устройств с поддержкой протокола Modbus RTU, вам необходимо иметь специализированное программное обеспечение и технические средства. Из технических средств наиболее простой вариант — это преобразователь RS-485/USB, из всех устройств такого типа, по нашему мнению, наилучшим выбором является MOXA UPORT 1130/UPORT 1150, цена вопроса которого составит 5000 — 6000 руб. Существуют различные отечественные решения, например, преобразователи фирмы Fractal ^[8] или ОВЕН ^[9]. Конструкция этих устройств достаточно проста, и при определенной сноровке такой преобразователь можно собрать самостоятельно. Более сложными являются решения типа Ethernet/RS-485 (например, NPORT от MOXA).

При разработке устройств с поддержкой Modbus RTU, чаще всего требуется реализовать функцию Slave, так как в основном это различные датчики, управляемые реле, модули ввода/вывода и т.п., Master-устройства создаются реже. В сетях автоматизации в качестве мастера, обычно выступает контроллер, а он, как правило, уже имеет реализацию Modbus-стека, либо OPC Server/SCADA система, укомплектованные Modbus-драйвером.

Вопрос разработки непосредственно Modbus-стека мы не будем рассматривать в этой статье. Единственное, стоит отметить библиотеку FreeMODBUS, на базе которой достаточно просто построить устройство с поддержкой функций Modbus Slave. Пример реализации описан в статье на Хабре ^[10].

Вторым важным моментом при разработке Modbus-устройств является тестирование. Здесь всё зависит от стадии разработки и цели тестирования.

На начальных этапах полезным инструментом является Modbus-терминал. С помощью него мы можем вручную сконструировать запрос, послать его и проанализировать ответ. Существуют терминалы в чистом виде, например, SmartTerminal ^[11], Access Port ^[12], терминалы с поддержкой Modbus RTU — Termite от S2-Team ^[13] или Pic18 Terminal от Fractal ^[14] (не обновлялась с 2006 года) и т.п. Последний заточен под оборудование компании Fractal, но позволяет “общаться” с любыми устройствами, у которых в настойках порта выставлена четность None, с другими вариантами он не работает.

В процессе разработки нередко возникает ситуация, когда устройство принимает запрос и отвечает на него (это можно понять либо по светодиодам приема/передачи пакетов, если вы их предусмотрели в конструкции, либо через отладчик, поставив breakpoint в нужном месте), а в терминале или какой-то другой специализированной программе, данные не отображаются. В таком случае вам пригодится сниффер для последовательного порта, желательно, с поддержкой протокола Modbus. В качестве примера можно привести Free Serial Analyzer ^[15], COM Port Toolkit ^[16]. Последний в настоящее время, похоже, прекратил свое развитие.

В дальнейшем, требуется не только проверять работает ли устройство в принципе (т.е. корректно отвечает на запросы), но и определять наработку на отказ с помощью длительного тестирования. Важными аспектами здесь являются поддержка авто-опроса с изменяемой нагрузкой (количество запросов в секунду) и наличие функции логирования. С этими задачами поможет справиться Modbus Poll ^[17] или Modscan ^[18], это ПО платное, но имеется пробный период.

Следует учитывать, что собранные логи нужно будет анализировать, то есть определять количество запросов, на которые устройство не ответило, обнаруживать сбои, например, самопроизвольное изменение данных в ячейках и т.п. Конечно, можно использовать полноценную SCADA-систему, либо самому разработать и написать систему анализа и визуализации логов. Как вариант, рекомендуем обратить внимание на MasterSCADA от Insat ^[19]. Она имеет встроенный Modbus-драйвер и версия до 32 точек является бесплатной, довольно проста в освоении (на сайте производителя есть хорошая документация и видео уроки).

В конце данной статьи мы определим список функций “идеального” инструмента для тестирования и наладки устройств/систем на базе протокола Modbus, а также сделаем небольшой обзор существующих инструментов.

Наладка систем автоматизации, использующих Modbus устройства

Людей, занимающихся наладкой систем автоматизации и просто пытающихся “подружиться” с каким-либо устройством, на борту которого находится Modbus, в разы больше чем, тех, кто эти устройства разрабатывает. Исходя из специфики задачи, требования к соответствующему ПО будут немного отличаться.

Если необходимо соединить контроллер и одиночное Slave-устройство, то прежде всего, нужно установить с ним связь с помощью преобразователя интерфейсов RS-485/USB, ПК и специализированного программного обеспечения либо терминала. В таком случае, логика работы и набор инструментов ничем не отличается от тех, что применяются при разработке Slave-устройства на стадии тестирования. На этом этапе не требуется длительное тестирование с последующим анализом большого количества лог-файлов.

В случае, когда у вас уже есть готовая сеть устройств, можно выделить следующие задачи:

• проверка работоспособности всех устройств в сети (опрос каждого устройства в отдельности и проверка корректности ответа);
• нагрузочное тестирование (опрос устройств в сети в течение длительного времени). Желательно сделать несколько экспериментов с различной частотой опроса, а после провести анализ собранных данных на наличие отказов, не ответов, порчи данных и т.п.

В этом случае, понадобится либо терминал с возможностью создания списка запросов, либо специализированный инструмент типа Modbus Poll, который позволяет опрашивать несколько устройств в рамках одного проекта.

Modbus-устройства могут иметь определенные настройки интерфейса RS-485: количество бит данных, четность и количество стоп бит. Устройства с различными настройками не могут работать в одной сети с одним и тем же мастером. Тестирование и конфигурирование таких устройств удобно проводить, применяя терминальные программы, имеющие возможность быстрого переключения между предустановленными профилями настроек портов или работающие с несколькими линиями одновременно.

Реже возникает задача организации обмена данными с устройством, протокол которого отличается от стандартной спецификации Modbus RTU. Нам приходилось встречаться с ситуацией, когда протокол Slave-устройства логически повторяет Modbus (структура пакета, таймауты и т.п.), но использует функции вне стандарта. В таком случаем возможна работа с использованием Modbus Poll, он позволяет строить произвольные запросы, или терминала, обладающего сходным функционалом. Стандартная SCADA-система, обычно, в такой ситуации бессильна, и работа с подобным оборудованием осуществляется через специальный OPC сервер.

Требования к ПО для работы с Modbus-устройствами в режиме мастера

Описав различные задачи, которые возникают при разработке, настройке и наладке устройств с протоколом Modbus, составим список требований к специализированному программному обеспечению.

1. Поддержка настроек COM-порта (номер, скорость, четность, количество бит данных и стоп бит)
2. Настройка таймаутов (время ожидания приема ответа на запрос, время между символами и кадрами)
3. Поддержка стандартного Modbus
4. Поддержка нестандартного Modbus
5. Авто-опрос одного/нескольких устройств
6. Настройка авто-опроса
7. Логирование сессии / настройка логирования
8. Создание профилей для быстрого переключения между настройками порта
9. Работа в режиме сниффер
10. Лицензия продукта
11. Сопровождение продукта разработчиком

Обзор ПО для работы с Modbus протоколом

Modbus Poll

Начнем с классического приложения и довольно известного в наших “узких” кругах — Modbus Poll ^[17] от Witte Software.

Эта программа является симулятором мастера в Modbus-сети. Интерфейс Modbus Poll интуитивно понятен. Если вы представляете себе логику работы протокола, то разобраться с программой труда не составит.

Функция	Наличие	Комментарий
Поддержка настроек COM-порта	+
Настройка таймаутов	+	Доступны: время ожидания ответа
Поддержка стандартного Modbus	+	Список функций ограничен
Поддержка нестандартного Modbus	+
Авто-опрос одного / нескольких устройств	+ / +
Настройка авто-опроса	+	Доступно: время между запросами
Логирование сессии / настройка логирования	+ / +
Создание профилей для быстрого переключения между настройками порта	-
Работа в режиме сниффер	-
Лицензия продукта	ПО платное	Есть пробный период 30 дней
Сопровождение продукта	+

Достоинства: хорошая система логирования, достаточное количество поддерживаемых функций (во всяком случае, наиболее востребованные присутствуют), большое количество настроек внешнего вида.

Недостатки: цена (одна лицензия $ 129.00), нестандартный Modbus поддерживается как опциональная функция, нет профилей для быстрого переключения портов — приходится каждый раз перенастраивать соединение.

Modscan32/64

Следующим ПО в нашем обзоре будет Modscan ^[18] от WinTECH. Внешне эта программа очень похожа на Modbus Poll, но функционалом она обладает значительно меньшим.

У Modscan есть одна уникальная особенность для программ данного типа — это возможность создания форм (своего рода мнемосхем). Пока ее функционалу далеко до реальных SCADA-систем, но наличие такого бонуса радует. На сегодняшний день это достаточно скудный, по своим возможностям инструмент (имеется ввиду редактор форм), но будем надеяться, что со временем, разработчики доведут его до хорошего уровня.

Функция	Наличие	Комментарий
Поддержка настроек COM-порта	+
Настройка таймаутов	+	Доступны: время ожидания ответа
Поддержка стандартного Modbus	+	Список функций ограничен
Поддержка нестандартного Modbus	-
Авто-опрос одного / нескольких устройств	+ / +
Настройка авто-опроса	+	Доступно: время между запросами
Логирование сессии / настройка логирования	+ / -
Создание профилей для быстрого переключения между настройками порта	-
Работа в режиме сниффер	-
Лицензия продукта	ПО платное	Есть пробный период
Сопровождение продукта	+

Достоинства: возможность создания собственных форм для просмотра данных, поддержка MMI & OLE Automation.

Недостатки: цена (одна лицензия $ 84.95), нет поддержки нестандартного Modbus, нет профилей для быстрого переключения портов, ненастраиваемая система логирования, малое количество поддерживаемых Modbus-функций.

Termite

Следующим в нашем списке будет терминал Termite ^[20] от S2-Team. Termite является специализированный Modbus терминалом. Это означает, что он сам будет считать за вас CRC, распознавать сообщения об ошибках в ответах и т.д., ваша задача заключается в том, чтобы ввести корректное тело запроса в поле команды.

Функция	Наличие	Комментарий
Поддержка настроек COM-порта	+
Настройка таймаутов	+	Доступны: время ожидания ответа, время между символами и кадрами
Поддержка стандартного Modbus	+
Поддержка нестандартного Modbus	+
Авто-опрос одного / нескольких устройств	+ / +
Настройка авто-опроса	+	Доступно: время между запросами
Логирование сессии / настройка логирования	+ / -
Создание профилей для быстрого переключения между настройками порта	+
Работа в режиме сниффер	-
Лицензия продукта	Есть платная и бесплатная версии	Бесплатная версия обладает ограниченным функционалом (на количество каналов, одновременно ведомых лог файлов и количество разных запросов в авто-опросе)
Сопровождение продукта	+

Достоинства: поддержка всех Modbus-функций, работа с нестандартным Modbus, удобная система подсказок, возможность настройки внешнего вида ПО, поддержка профилей для быстрого переключения между настройками порта.

Недостатки: PRO версия платная (одна лицензия $ 10), в текущем релизе нет возможности гибко настраивать логирование.

AccessPort

Программа из разряда “чистых” терминалов. Она не поддерживает Modbus, поэтому при её использовании будьте готовы считать CRC для ваших кадров самостоятельно. Несомненным плюсом является то, что в неё встроен сниффер последовательного порта.

Функция	Наличие	Комментарий
Поддержка настроек COM-порта	+
Настройка таймаутов	+
Поддержка стандартного Modbus	-
Поддержка нестандартного Modbus	-
Авто-опрос одного / нескольких устройств	+ / -
Настройка авто-опроса	+	Доступно: время между запросами
Логирование сессии / настройка логирования	+ / -
Создание профилей для быстрого переключения между настройками порта	-
Работа в режиме сниффер	+
Лицензия продукта	ПО бесплатное
Сопровождение продукта	Не поддерживается	Крайняя версия продукта была выпущена 2012-04-23

Достоинства: наличие сниффера порта, ПО бесплатное, настраиваемое представление данных, возможность передачи файлов.

Недостатки: не поддерживает Modbus вообще, нет возможность создавать профили, в режиме авто-опрос можно работать только с одним устройством, в настоящее время ПО не развивается.

В заключение хотелось бы добавить, что в сети достаточно большое количество программ для работы с последовательным портом, но если есть необходимость работать именно с Modbus протоколом, то его поддержка в таком ПО крайне желательна. Одна из основных причин — это расчет CRC, в ручную это делать накладно, также важно, чтобы программа могла уметь разделять кадры, иначе все превращается в сплошную мешанину байтов, ну и если есть авто-опрос, то это сильно упрощает жизнь.

Спасибо за внимание!

Автор: marat_ab

Источник ^[21]