آشنایی با پروتکل MODBUS

آشنایی با پروتکل مدباس

مدباس  Modbusیک پروتکل ارتباطی داده است که در سال ۱۹۷۹ توسط شرکت مودیکن (اشنایدر الکتریک کنونی)  منتشر شد. این پروتکل برای استفاده در کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLC)مورد استفاده قرار می گیرد. پروتکل مدباس به سرعت به یکی از استانداردهای صنعتی ارتباطی تبدیل گردید و امروزه یکی از رایج‌ترین پروتکل‌های مورد استفاده در اتصال دستگاه‌های الکترونیک صنعتی است. مدباس به صورت رایگان منتشر شده است، که آن را برای شرکت‌ها و توسعه‌دهندگان مقرون‌به‌صرفه می‌کند. همچنین یک پروتکل ساده و قوی است که پیاده‌سازی، یادگیری و آموزش مدباس را سهولت می‌بخشد. علاوه بر این مدباس از طیف گسترده‌ای از رابط‌های ارتباطی پشتیبانی می‌کند، که آن را برای کاربردهای مختلف مناسب می‌سازد. در این فرصت قصد داریم به مباحث پیرامون آموزش مدباس بپردازیم.

نحوه عملکرد Modbus

مدباس یک پروتکل ارتباطی است که به عنوان یک زبان مشترک برای برقراری ارتباط بین تجهیزات مختلف عمل می‌کند. این پروتکل اساسا بر پایه معماری Master-Slave طراحی شده، که در آن ارتباط از طریق ارسال درخواست از سوی کنترل کننده Master مانند PLC و دریافت پاسخ از سوی تجهیزات Slave مانند سنسورها، برقرار می‌شود. در این پروتکل، داده‌ها از طریق خطوط ارتباطی مختلف مانند خطوط سریال RS232، RS485، RS422 و همچنین Ethernet، منتقل می‌شوند.

مدباس یک پروتکل ارتباطی صنعتی است که از طریق یک رابط سریال، بین دستگاه‌های Master و Slave ارتباط برقرار می‌کند. در ساده‌ترین حالت، دستگاه Master درخواستی را به دستگاه Slave ارسال و دستگاه Slave پاسخ آن را می‌دهد. داده‌های مدباس به صورت مجموعه‌ای از بیت‌ها ارسال می‌شوند که هر بیت یک مقدار ۰ یا ۱ است. در این ساختار، بیت‌ها با سرعت بالایی ارسال می‌شوند که به طور معمول به ۹۶۰۰ بیت بر ثانیه می‌رسد. برای مثال، فرض کنید که شما به عنوان رهبر یک گروه از افراد هستید و برای برقراری ارتباط با یکدیگر از یک کد مخفی یا همان پروتکل مدباس استفاده می‌کنید. در این مثال، شما نقش کنترل کننده Master را بازی می‌کنید و افراد دیگر گروه نقش تجهیزات Slave را دارند.

پروتکل مدباس از روش ارتباطی Master/Slave استفاده می کند، به این معنی که یک دستگاه Master (پایشگر) دستورات خود را به دستگاه های Slave (خدمات دهنده) می دهد و دستگاه های Slave پاسخ می دهند. این پروتکل در دو نوع RTU و ASCII عرضه می شود و به صورت سریال و با استفاده از پروتکل های ارتباطی مختلفی مانند RS-232 و RS-485 انتقال داده می شود.

Modbusاز طریق پروتکل های ارتباطی مختلفی مانند Ethernet و TCP/IP نیز قابل استفاده است و این امکان را فراهم می کند که دستگاه های مختلفی با استفاده از این پروتکل در یک شبکه ارتباطی به یکدیگر متصل شوند.

معرفی انواع مدباس

پروتکل مدباس شامل سه نوع مختلف است که در زیر به توضیح هرکدام از آن ها می پردازیم:

Modbus ASCII

این نوع از پروتکل Modbus داده های خود را با استفاده از کاراکترهای ASCII ارسال می کند. این پروتکل بیشتر در دستگاه هایی استفاده می شود که از کابل های سریالی برای ارتباط با دستگاه های دیگر استفاده می کنند. در این پروتکل، داده ها را به صورت بایت به بایت ارسال می کنند و هر پیام با دو کاراکتر CR و LF خاتمه می یابد.

Modbus RTU

در این نوع از پروتکل Modbus، داده ها به صورت باینری ارسال می شوند. این پروتکل از کابل های سریالی برای انتقال داده ها استفاده می کند و در بسیاری از دستگاه های صنعتی استفاده می شود. در این نوع از پروتکل، داده ها به صورت بایت به بایت ارسال می شوند و هر بسته داده با بایت checksum خاتمه می یابد.

Modbus TCP

در این نوع از پروتکل Modbus، از شبکه TCP/IP برای انتقال داده ها استفاده می شود. داده ها به صورت باینری ارسال می شوند و به عنوان پروتکل ارتباطی برای اتصال دستگاه های صنعتی به شبکه های کامپیوتری استفاده می شود. این پروتکل امنیت بالاتری نسبت به نوع دیگری از پروتکل Modbus دارد و می تواند در شبکه های LAN/WAN استفاده شود.

به طور کلی، هر یک از این نوع های پروتکل Modbus برای استفاده در موارد خاصی مناسب هستند و بسته به نوع دستگاه و شبکه ای که باید به آن متصل شوند، انتخاب می شوند.

معرفی کاربرد مدباس

Modbus در صنعت به منظور اتصال و کنترل دستگاه های مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. این پروتکل از طریق کابل های سریالی یا شبکه های LAN و WAN ارتباط بین دستگاه هایی را برقرار می کند که با استفاده از آن ها می توان به داده هایی که توسط دستگاه ها جمع آوری شده اند، دسترسی داشت و کنترل آن ها را به صورت مرکزی انجام داد. برخی کاربردهای Modbus عبارتند از:

• کنترل و نظارت بر فرآیندهای صنعتی  Modbus

به عنوان یک پروتکل ارتباطی برای کنترل و نظارت بر فرآیندهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد. با استفاده از این پروتکل می توان دستگاه های مختلفی را به صورت مرکزی کنترل کرده و داده های تولیدی را جمع آوری کرد.

• جمع آوری داده

با استفاده از Modbus می توان داده های تولیدی از دستگاه های مختلف را به صورت مرکزی جمع آوری کرد و به صورت آنلاین به دسترسی داشت.

• کنترل دستگاه های اندازه گیری

پروتکل مدباس  برای اتصال دستگاه های اندازه گیری به یکدیگر و کنترل آن ها نیز مورد استفاده قرار می گیرد. با استفاده از این پروتکل، دستگاه های مختلفی مانند سنسورها، تبدیل کننده های سیگنال و ترانسمیترها را به یکدیگر متصل کرده و داده هایی که توسط آن ها جمع آوری شده اند، را به صورت مرکزی کنترل کرد.

• اتصال به دستگاه های مختلف

Modbus به عنوان یک پروتکل ارتباطی معمولاً برای اتصال دستگاه های مختلفی مانند PLC، HMI و SCADA مورد استفاده قرار می گیرد. با استفاده از این پروتکل، دستگاه های مختلفی را به یکدیگر متصل کرده و ارتباط بین آن ها را برقرار کرد.

آشنایی با مزیت های  Modbus

مزایای استفاده از پروتکل مدباس در صنعت عبارتند از:

• سادگی و انعطاف پذیری: پروتکل Modbus بسیار ساده و قابل فهم است و می تواند به راحتی با دستگاه های مختلفی ارتباط برقرار کند. همچنین، این پروتکل قابلیت انعطاف پذیری بالایی دارد و می تواند با دستگاه های مختلفی با سرعت ها و فرکانس های مختلف کار کند.
• هزینه کم: پروتکل Modbus بسیار ارزان است و برای انتقال داده ها از کابل های سریالی استفاده می کند که با هزینه کمتری قابل تهیه است.
• پشتیبانی از انواع مختلف ارتباطی: پروتکل Modbus به صورت سریالی و LAN/WAN از طریق پروتکل های ارتباطی مختلفی مانند RS-232، RS-485، TCP/IP و UDP قابل استفاده است.
• قابلیت اتصال به دستگاه های مختلف: پروتکل Modbus به عنوان یک پروتکل ارتباطی، قابلیت اتصال به دستگاه های مختلفی مانند PLC، HMI، SCADA و دستگاه های اندازه گیری را دارد.
• پایداری و قابلیت اطمینان بالا: پروتکل Modbus بسیار پایدار و قابلیت اطمینان بالایی دارد و از این رو، در بسیاری از فرآیندهای صنعتی و کنترلی برای ارتباط بین دستگاه ها استفاده می شود.
• پشتیبانی از انواع مختلف داده: پروتکل مدباس از انواع مختلف داده ها مانند عدد صحیح، عدد اعشاری، رشته و بایت پشتیبانی می کند و به راحتی می تواند با داده های مختلف کار کند.

آشنایی با معایب های Modbus

بعضی از معایب استفاده از پروتکل مدباس عبارتند از:

• سرعت پایین: پروتکل Modbus از کابل های سریالی برای انتقال داده ها استفاده می کند که سرعت انتقال داده ها را محدود می کند. بنابراین، در برخی فرآیندهای صنعتی که نیاز به سرعت بالاتری دارند، استفاده از این پروتکل مناسب نیست.
• قابلیت اطمینان محدود: استفاده از کابل های سریالی برای انتقال داده ها ممکن است با مشکلاتی همچون تداخل الکترومغناطیسی و نویز همراه باشد. به علاوه، این پروتکل برای ارتباط با دستگاه هایی که در محیط های خشن و صنعتی قرار دارند، ممکن است ضعیف باشد.
• محدودیت در فاصله: کابل های سریالی برای انتقال داده ها محدودیت در فاصله دارند و به طور کلی در فواصل کوتاهتری قابل استفاده هستند. بنابراین، در فرآیندهایی که دستگاه ها در فواصل بلند از هم قرار دارند، استفاده از کابل های سریالی برای ارتباط، مناسب نیست.
• محدودیت در حجم داده: پروتکل مدباس برای ارتباط با دستگاه های مختلف، محدودیت در حجم داده دارد و نمی تواند برای انتقال حجم بالای داده ها به کار رود. به علاوه، تعداد دستگاه هایی که می توانند به یکدیگر متصل شوند، نیز محدود است.
• امنیت محدود: پروتکل Modbus امنیت کمی دارد و از رمزنگاری و روش های امنیتی محافظتی برای ارتباط با دستگاه ها پشتیبانی نمی کند، بنابراین در صورتی که برای شبکه های صنعتی امنیت بالایی مورد نیاز است، استفاده از پروتکل هایی همچون Modbus/TCP مناسب تر است.

چه دستگاه هایی از Modbus استفاده می کنند؟

پروتکل مدباس به عنوان یک پروتکل ارتباطی، در صنعت برای اتصال دستگاه های مختلف استفاده می شود. برخی از دستگاه هایی که از Modbus استفاده می کنند عبارتند از:

• PLC (Programmable Logic Controllers): PLC هابه منظور کنترل و نظارت بر فرآیندهای صنعتی استفاده می شوند.
• HMI (Human Machine Interface): HMI هابه منظور نمایش و کنترل دستگاه های صنعتی و فرآیندهای آن ها توسط اپراتورها استفاده می شوند
• SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) Systems: این سیستم ها به منظور جمع آوری و نمایش داده های تولیدی از دستگاه های مختلفی که از Modbus پشتیبانی می کنند، استفاده می شوند.
• برخی دستگاه های اندازه گیری و کنترل: مانند سنسورها، ترانسمیترها و تبدیل کننده های سیگنال.

از دیگر دستگاه های قابل اتصال به Modbus می توان به درایوهای فرکانس، دستگاه های دما سنجی، تجهیزات تهویه مطبوع و سیستم های برق اشاره کرد.

پروتکل مدباس Modbus چگونه کار میکند؟

پروتکل مدباس برای انتقال داده ها از سه نوع مختلف استفاده می کند که عبارتند از:

• Modbus ASCII
• Modbus RTU
• Modbus TCP

در نوع اول و دوم، داده ها به صورت بایت به بایت و در نوع سوم به صورت باینری ارسال می شوند. هر دستگاهی که با پروتکل Modbus کار می کند، یک آدرس یونیک دارد که به عنوان شناسه دستگاه در این پروتکل استفاده می شود.

در هنگام ارسال داده ها، دستگاه ارسالی درخواست خود را به دستگاه مقصد ارسال می کند. در صورتی که دستگاه مقصد درخواست را تأیید کند، دستگاه ارسالی با دستگاه مقصد داده های خود را تبادل می کند. این داده ها معمولاً شامل اطلاعاتی مانند مقدار سنسورها، دستورالعمل های کنترلی و دیگر اطلاعات مرتبط با دستگاه صنعتی است.

از آنجا که پروتکل Modbus در صنعت به طور گسترده ای استفاده می شود، امنیت این پروتکل بسیار مهم است. بنابراین، برای ارتباط ایمن بین دستگاه ها، از رمزگذاری و پروتکل های امنیتی مانند SSL/TLS استفاده می شود.

آیا پروتکل Modbus/TCP با پروتکل های دیگری سازگار است؟

بله، پروتکل Modbus/TCP با پروتکل های دیگری نیز سازگار است. این پروتکل با استفاده از پروتکل TCP/IP که یک پروتکل استاندارد برای شبکه های کامپیوتری است، متصل می شود. به علاوه، پروتکل Modbus/TCP به عنوان یک پروتکل ارتباطی قابل استفاده در سیستم های کنترل صنعتی، با پروتکل های دیگری نیز سازگار است.

به عنوان مثال، پروتکل Modbus/TCP می تواند با پروتکل OPC (OLE for Process Control) که یک پروتکل استاندارد برای تبادل داده های صنعتی است، سازگار باشد. همچنین، از آن برای ارتباط با سیستم های SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)، DCS (Distributed Control System) و PLC (Programmable Logic Controller) نیز استفاده می شود.

در کل، پروتکل Modbus/TCP به عنوان یک پروتکل ارتباطی استاندارد، با بسیاری از پروتکل های دیگری که در صنعت استفاده می شوند، سازگاری دارد. این امر به شرکت ها و کاربران این امکان را می دهد که برای اتصال به سیستم های مختلف از پروتکل Modbus/TCP استفاده کنند و به صورت مستقل از سیستم های مختلف، داده ها را دریافت کنند و ارسال کنند.

کلام آخر

در این مقاله در مورد پروتکل مدباس که یک پروتکل ارتباطی به حساب می آید صحبت کردیم و بیان کردیم که چه مزیت ها و معایب،  و همچنین چه کاربرد هایی دارد. امیدوارم با واژه ی مدباس بیشتر آشنا شده باشید تا بتوانید درک بهتری از این پروتکل ارتباطی داشته باشید. امیدواریم از این خواندن این مقاله لذت برده باشید.