پروتکل مدباس / کاربرد MODBUS در هوشمندسازی و اینترنت اشیاء

نقش پروتکل MODBUS در خانه ، صنعت و اینترنت مبتنی بر اشیاء

مدباس Modbus فراگیرترین پروتکل ارتباطی در ساختمان های صنعتی ، هوشمند سازی و سیستم های هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیا است و یکی از رایج ترین ابزارهای در دسترس برای اتصال دستگاه های الکترونیکی خودکار به صورت واحد و یکپارچه محسوب میشود .

این پروتکل بیش از 30 سال است که در صنایع وجود داشته اما هنوز هم استانداردهای آن نسبت به سایر پروتکل های ارتباطی ، غالب و پیشرو است و تقریبا در تمامی تجهیزات اصلی فرآیندهای صنعتی و اتوماسیون موجود در بازار امروز استفاده میشود .

مدباس همچنان پروتکلی ارجح در بین تجهیزات کنترلی صنعتی مانند PAC ، PLC ، دستگاه های ورودی / خروجی ، کنترلرهای هوشمند بشمار می آید که ممکن است دارای رابط اترنت ، سریال و یا حتی بیسیم باشند .

پروتکل مدباس چیست ؟

این پروتکل در سال 1979 توسط Modicon ( اشنایدر الکتریک ) برای سیستم های اتوماسیون صنعتی و کنترل کننده های قابل برنامه ریزی Modicon توسعه یافت ، پروتکلی برای ارتباط با چندین دستگاه از طریق یک شبکه که در ابتدا بر روی بستر ارتباطی RS232 کار می کرد اما بعد از آن بر روی بستر RS485 نیز پیاده سازی گشت تا با مسافت و سرعتی به مراتب بالاتر ودریافت یک شبکه ی چند وجهی ، به یک روش استاندارد صنعتی برای انتقال اطلاعات ورودی/خروجی ، گسسته/ آنالوگ و ثبت داده ها بین دستگاه های کنترل صنعتی و نظارتی تبدیل شود .

مدباس اکنون یک پروتکل گسترده و جهانی با دامنه ای باز است که به صورت رایگان برای عموم عرضه شده است و مزیت اصلی آن این است که می تواند تقریبا روی تمام رسانه های ارتباطی اجرا شود . از جمله سیم های به هم تابیده ، بی سیم ، فیبر نوری ، اترنت ، مودم و تلفن همراه و ....

دستگاه های Modbus با استفاده از تکنیک Master-Slave (مشتری – سرور) با هم ارتباط برقرار می کنند . Master به یک یا چند Slave متصل است ، Master معمولا به DCS ، PC ، PLC یا RTU گفته میشود . Slave در Modbus RTU معمولا دستگاه های میدانی هستند که همگی در پیکربندی چند وجهی به شبکه متصل هستند . هنگامی که مالک Modbus RTU اطلاعاتی را از دستگاه می خواهد ، پیامی در مورد داده های مورد نیاز ارسال می کند و به طور خلاصه تشخیص خطا را به ادرس دستگاه میفرستد . همه ی دستگاه های موجود در شبکه این پیام را دریافت می کنند اما فقط دستگاه اصلی و مشخص شده به پیام پاسخ می دهد . 

انواع استانداردها و پروتکل های ارتباطی مدباس

در حال حاضر سه استاندارد و پروتکل رایج مدباس در صنعت اتوماسیون استفاده می شود که عبارتند از :

Modbus TCP

Modbus ASCII

Modbus RTU

همه ی داده های بین این سه نوع مدباس در قالبی یکسان ارسال می شوند ، تفاوت آنها در نحوه رمزگذاری داده هاست .

Modbus ASCII

تمام داده ها از طریق هگزادسیمال ، با استفاده از ویژگی های ASCII4 بیتی رمزگذاری می شوند . برای هر بایت اطلاعات ، دو بایت ارتباطی دو برابرتر از Modbus RTU یا Modbus/TCP مورد نیاز است . با این حال از Modbus ASCII به عنوان کندترین پروتکل در بین سه نوع پروتکل یاد میشود ، کارآمدی این بستر مدباس زمانی نشان داده خواهد شد که مودم برای اتصال از امواج رادیویی استفاده کند به این دلیل که ASCII از ویژگی های شناسایی پیام استفاده می کند . با این ویژگی ترسیم ، در زمان به وجود آمدن هر گونه مشکلی در رسانه انتقال از تفسیر اشتباه اطلاعات توسط گیرنده جلوگیری می شود . این موضوع در مورد مودم های کند ، تلفن همراه ، اتصالات پر سر و صدا و ... حائز اهمیت است .

Modbus TCP

Modbus TCP اغلب به عنوان Modbus از طریق اترنت شناخته میشود ، از معماری کلاینت/سرور استفاده می کند و به جای استفاده از دستگاه برای اتصال به دستگاه های جانبی ، از آدرس های IP استفاده می شود . با Modbus TCP ، داده های مدباس به سادگی در یک بسته TCP/IP خلاصه می شوند . بنابراین هر شبکه اترنت که از Modbus/IP پشتیبانی می کند ، بلافاصله از Modbus/TCP نیز پشتیبانی می کند .

Modbus TCP به سادگی پروتکل Modbus RTU با رابط TCP است که روی اترنت اجرا میشود . ساختار پیام رسانی آن یک پروتکل کاربردیست که قوانین سازماندهی و تغییر داده ها را مستقل از رسانه انتقال داده تعریف می کند . TCP/IP به پروتکل کنترل انتقال و پروتکل اینترنت اشاره دارد که رسانه انتقال را برای پیام رسانی Modbus TCP/IP فراهم می کند .

Modbus TCP دستگاه ها را قادر می سازد تا به راحتی از طریق شبکه های اترنت و فیبر موجود ، وصل شده و ارتباط برقرار کنند . شبکه های Modbus/TCP می توانند به اندازه ای که لایه فیزیکی تحمل کند ، زیر مجموعه داشته باشند . پذیرش سریع اترنت در صنعت کنترل فرآیند و اتوماسیون به Modbus TCP این امکان را داده است تا به سریعترین رشد و پشتیبانی صنعتی روی اترنت تبدیل شود .

Modbus RTU

درک لایه انتقال داده برای دستورات Modbus RTU نیز ساده است ، داده ها به صورت باینری کدگذاری میشوند و تنها به یک بایت ارتباطی در هر بایت داده نیاز دارند . Modbus RTU برای بسترهای چند وجهی RS232 و RS485 ایده ال است ، بستر ارتباطی RS485 یک استاندارد ارتباطی دیفرانسیل است که تا 32 دستگاه را در یک پیکربندی باس پشتیبانی می کند و از ایمنی بهتری نسبت به استاندارد الکتریکی RS232 برخوردار است . از این رو Modbus RTU بر بستر فیزیکی RS485 پرکاربردترین پروتکل صنعتی است .

مزایای Modbus RTU در مقایسه با Modbus ASCII

فقط دو راه انتقال داده در اتصالات مدباس ASCII و RTU وجود دارد . این حالت های انتقال ، نحوه کد گذاری پیام های مدباس را تعیین می کنند . در قالب ASCII پیام ها قابل خواندن هستند در حالی که در RTU پیام ها به صورت باینری کد گذاری میشوند و در حین نظارت قابل خواندن نیستند . پیام های RTU کوچکتر هستند و امکان تبادل داده های بیشتری را در یک دوره زمانی یکسان فراهم می کنند .

Wireless Modbus مدباس بی سیم

صرفه جویی در هزینه های نصب (زیرساخت سیم کشی) مزیت اصلی استفاده از دستگاه های بی سیم در کاربردهای صنعتی و هوشمند سازی است . فناوری بی‌سیم ، مهندسین کنترل فرآیند و هوشمند سازی را قادر می‌سازد تا اطلاعات موثر را به‌ سرعت در زمان واقعی از هر نقطه در کارخانه و یا از راه دور از هر مکان و در هر زمانی که برای اتوماسیون صنعتی و سیستم هوشمند کنترل فرآیند ضروری است ، به دست آورند .

هنگامی که یک Master Modbus از یک Slave درخواست می‌کند و داده ها به رادیوی فرستنده ارسال می شوند ، رادیو داده های ارسال شده را مجدداً بازیابی و آنها را قبل از ارسال رمزگذاری می‌کند . هنگامی که داده های RF (فرکانس رادیویی) توسط رادیو Slave دریافت می‌شوند ، آن‌ها را رمزگشایی کرده و به منظور نشان دادن یک داده معتبر مدباس باز می‌گرداند.

پارامتر ارتباطی Modbus به نام "تایم اوت" نیز حائز اهمیت است . Timeout مدت زمانی است که Master Modbus منتظر پاسخ از یک دستگاه Slave قبل از ارسال مجدد است . بسته به اینکه رادیو چقدر خوب ارتباط برقرار می‌کند، داده ها می توانند با تاخیر ارسال شوند و باعث تکرار و ارسال مجدد غیرضروری شوند . امروزه اکثر این پارامترها را می توان برای انتقال کارآمد داده های Modbus مدیریت کرد . با این حال، بررسی یک سایت رادیویی که شامل تجزیه و تحلیل قدرت سیگنال و نویز باشد، قبل از اجرای یک شبکه بی‌سیم Modbus برای کاهش هرگونه مشکل ارتباطی ضروری است.

یک شبکه Modbus را می توان به راحتی روی یک پیوند بی سیم تنظیم کرد. اساساً، تنها کاری که پیوند بی سیم انجام می دهد این است که کابل های جفت پیچ خورده را با یک فرستنده/گیرنده در انتهای شبکه جایگزین کند.

هوشمند سازی با پروتکل Modbus RTU

پیاده سازی سیستم هوشمند نیوالکترون به روش سیمی و تحت پروتکل مدباس ( MODBUS RTU ) و بر بستر RS485 انجام میشود . بستر فیزیکی RS485 یکی از بسترهای مهم ارتباطی محسوب میشود و از آن در کاربردهایی که احتیاج به انتقال دیتا به فواصل دور ، با سرعت بالا و قابلیت شبکه و یکپارچه شدن تجهیزات صنعتی و خانگی به صورت دو طرفه را دارد ، استفاده میشود . در این بستر سرعت انتقال دیتا بین دستگاه ها می تواند تا 40Mbits/s افزایش یابد .

رفع محدودیتهای بستر فیزیکی RS485 توسط نیوالکترون

همانطور که قبلا ذکر شد بستر ارتباطی RS485 تا 32 دستگاه را در یک پیکربندی باس پشتیبانی می کند که این خود محدودیتهایی در نحوه اتصالات و تعداد دستگاه های قرار گرفته بر روی یک باس دارد . سیستم مدباس نیوالکترون تمامی محدودیتهای این بستر را برطرف کرده و قابلیت پشتیبانی تا 500 دستگاه را به صورت واحد و یکپارچه در بستر نرم افزار دارد . دستگاه ها و تجهیزات هوشمند به صورت ماژولار و به راحتی در کنار هم قرار میگیرند و با یکدیگر در ارتباط هستند . در صورت ایراد در هر یک از این محصولات ، اختلالی در کارکرد سایر دستگاه ها بوجود نمی آید و سیستم هوشمند به عملکرد عادی خود ادامه خواهد داد .

آموزش هوشمند سازی به روش نیوالکترون

محبوبیت مدباس

در بازار امروز، اکثر دستگاه های کنترلی هوشمند سازی و اتوماسیون با پروتکل Modbus پشتیبانی می شوند . کنترل کننده های تهویه و رطوبت ، فشار ، کنترل کننده دما ، PLC ، اینورتر و ... از این دست هستند . علاوه بر این ، با رشد روزافزون مبحث اینترنت اشیاء IOT ، دستگاه های الکتریکی و الکترونیکی بیشتری از پروتکل Modbus استفاده می کنند .

همچنین مدباس پروتکل مورد استفاده و محبوب برندهای نام آشنایی مانند : Schneider ، Mitsubishi ، ABB ، Seimens ، Omron ، Selec و … بشمار می آید .