Modbus

Modbus, OSI modelinde en tepede yani application layer’da duran bir protokoldür.

1979 yılından beri hayatımızdadır.

Modbus şu açıdan ilginç bir protokoldür: Hem TCP/IP, hem de RS232/RS422 gibi asenkron seri kanal protokolleri üzerinde çalışabilir. Modbus TCP/IP, adı üstünde TCP/IP üzerinde de çalışmaktadır. Modbus RTU ve Modbus ASCII ise RS-485 gibi seri kanal protokolü üzerinde çalışmaktadır. RTU, Remote Terminal Unit demektir. RTU’da iletişim binary olurken, ASCII olanda ASCII karakterler üzerinden olmaktadır. RTU’da 0xAB göndereceksek bir byte olarak 0xAB gönderiyoruz, ASCII olanda iki byte gidiyor 'A' ve 'B'. ASCII olanı daha verimsiz bir protokol olsa da doğrudan “yazı” olarak gönderilip, monitör edilmesi bazı işleri kolaylaştıracaktır. Modbus’ta pek bir verim ihtyiacı zaten yoktur.

Modbus TCP/IP, standart olarak 502 TCP’de çalışmaktadır.

Server/client, request/reply, master/slave şeklinde tasarlanmıştır.

Bir de Modbus Plus vardır, bu doküman dışında o konu.

../../_images/modbus-stacks.png

Modbus protokolü birçok farklı katman üzerinde çalışabilmektedir. Görsel alıntıdır. [1]

Protokol

| ---------- ADU: Application Data Unit -------- |

| Adres | Function Code |   Data   | Error Check |

        | PDU: Protocol Data Unit  |

PDU, Modbus tarafından altta kullanılan iletişim yönteminden (seri kanal, ethernet vs) tanımlanmaktadır. PDU içerisinde, Function Code ve Data vardır.

Alttaki katmana göre yukarıdaki örnekteki gibi ek katmanlar gelebilir. PDU ve ek paketler ise ADU’yu oluşturur.

İletişim client tarafından başlatılır, ADU paketini client oluşturur. RS-485 üzerinde çalışan Modbus üzerinde master node client olmakta ve diğer nodlar ise slave ve server olmaktadır.

Function Code ile yapılması istenen iş söylenir, 1 byte genişliktedir. Anlamlı 1-255 arası değerler alabilir. 128-255 arası değerler exception cevaplar için ayrılmıştır ve rezervedir. 0 geçerli değildir. Özelte 1-127 arası (sınırlar dahil) function code değerleri geçerlidir.

Sub-function code’ları fonksiyonun ne yapacağını detaylandırmak için eklenebilir. Bazı function code’lar, yapılacak eylemi detaylandırmak için Data kısmında sub-function code barındırır.

Data kısmı olmayabilir, 0 uzunlukta olabilir. PDU sadece Function Code’dan oluşabilir.

Eğer her şey yolunda ise cevap paketinde function code aynen geri konur. Eğer hata durumu ile karşılaşıldı ise 0x80 ile OR’lanır yani function code’un MSB biti set edilir. Bu yüzden geçerli function code’lar 127 ye kadar (dahil) dir.

İlk tasarlan RS485 temelli Modbus protokolünde ADU maksimum 256 byte olarak tanımlanmıştır. Bu protokolde, 1 byte adres ve 2 byte CRC vardır. Bu yüzden Modbus’taki maksimum PDU, 256-1-2 = 253’tür. 253 üzerinde TCP Modbus için ilgili ekleri koyarsak, bunlar da 7 byte ediyormuş, TCP MODBUS ADU maksimum 260 byte olarak bulunur.

MODBUS PDU

MODBUS, 3 farklı PDU tanımlamaktadır:

  • Request PDU, mb_req_pdu

  • Response PDU, mb_rsp_pdu

  • Exception Response PDU, mb_excep_rsp_pdu

Request PDU

Bu PDU’da 1 byte function code ve n byte data vardır. Data kısmının anlamı function code’a bağlıdır.

Response PDU

Bu da request PDU ile aynı yapıdadır.

Exception Response PDU

2 byte büyüklüğünde bir pakettir. 1 byte’lık function code, request PDU’da bulunan function code’un, 0x80 ile OR’lanması ile oluşur. 1 byte’lık data kısmında ise MODBUS Exception Code vardır. Bununla ilgili açıklamalar Modbus dokümanının 7 MODBUS Exception Responses kısmında anlatılmıştır, 9 tane kod tanımlanmıştır. [1]

Data Encoding

Big Endian kullanılmaktadır. 1 byte’ı aşan büyüklükler, 1 byte’lık parçalara bölünür. Hatta ilk olarak MSB konur. Örneğin 0x1234 göndereceksek önce 0x12 sonra 0x34 gönderilir.

Data Model

Modbus, endüstriyel uygulamalar için tasarlanmıştır, o yüzden dokümantasyonundaki bazı terimler garip gelebilmektedir.

Modbus dokümanlarında, protokol ile cihazın belleğindeki çeşitli değerlere erişildiği (okuma veya yazma) düşünülmüştür. 4 farklı temel blok tanımlanmıştır. Bu 4 adet blok adeta cihazın belleğinde durmaktadır ve bizler Modbus üzerinden bunlara erişmekteyiz.

Blok

Nesne Tipi

R/W

Discrete Input

1-bit

R

Coils

1-bit

R/W

Input Registers

16-bit word

R

Holding Registers

16-bit word

R/W
../../_images/modbus-figure-6.jpg

Bellekte sanki bir bölgede Discrete Input, bir yerde Coils, bir yerde Input Registers varmış gibi düşünebiliriz. Görsel alıntıdır. [1]

Elbette bu kısımlar overlap edebilir. Yani 16-bit genişliğindeki bir register’ı hem Input Registers ile word genişliğinde hem de Coils ile bitwise görebiliriz. Yani bellekteki bazı lokasyonlar birbirinin alias ı olabilir.

../../_images/modbus-figure-7.jpg

Burada da tüm 4 blok alias durumdadır. Görsel alıntıdır. [1]

Bellekteki bu alanların değerlerinin ne ifade edeceği tamamen vendor bağımlıdır. Modbus’un sunduğu bu veri modelinin, uygulamaya nasıl bağlanacağı IEC-61131 gibi application model ler ile belirlenir.

Modbus protokollerinde bu 4 farklı türdeki hafıza, bir numara ile adreslenmektedir. Modbus paketlerinde, PDU içerisinde, bu adresler 0-65535 arasında olmaktadır. Fakat Modbus data model’i denen bir modelde adres 1 den başlamaktadır. Örneğin 3 nolu Discrete Input türünden bir biti okumak için gerekli olan Modbus paketindeki adres değeri 2 olmalıdır, kafa karıştırıcı değil mi…

../../_images/modbus-figure-8.jpg

Paket’te n yazıyorsa hafızada n+1 e erişiyoruz. Görsel alıntıdır. [1]

Function Codes

Yukarıda 1-127 (sınırlar dahil) arasındaki function code’ların geçerli olduğundan bahsetmiştik.

../../_images/modbus-figure-10.jpg

Function code’ların bir kısmı rezerve, bir kısmına da önden anlamlar yüklenmiştir. Görsel alıntıdır. [1]

Bu aralıktaki kodların bir kısmı Modbus tarafından PUBLIC olarak işaretlenmiş ve genel amaçlıdır. Bir kısmı ise User Defined olarak bırakılmıştır.

Bunları da başka bir yazıda irdeleyelim, burada genel bir bakış attık.

Kaynaklar