MODBUS-TCP. Industrielle Netzwerke. Berner Fachhochschule Hochschule für Technik und Informatik HTI Abteilung Elektro- und Kommunikationstechnik

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1 MODBUS-TCP Berner Fachhochschule Hochschule für Technik und Informatik HTI Abteilung Elektro- und Kommunikationstechnik Autor: G. Jaggi Datum: Dozent: M. Felser Fach: Embedded Control

2 Inhaltsverzeichnis I. Einleitung und Geschichte...3 Eine kurze Übersicht... 3 II. Markt + Einsatzgebiete...3 III. Anwendungsmodell...5 Modbus Client-Server Modell... 5 IV. Technologie...6 Modbus Anwendungsprotokoll... 6 Beispiel... 6 Modbus Datenmodell... 7 Mapping auf TCP/IP... 7 Verbindungsorientierter Aufbau... 7 Performance... 8 V. Installation...9 Bitcodierung / Frequenz... 9 Installationstechnik... 9 Schutzkonzepte Hinweis: Da Modbus-TCP auf den Protokollen TCP/IP aufsetzt und über Ethernet übertragen wird, wird in diesem Dokument nicht auf die Details von TCP/IP Ethernet eingegangen, da dies im Fach Industrial Corporate Networks genauer behandelt wurde! Quellenangaben: G. Jaggi Seite 2 von 10

3 I. Einleitung und Geschichte Von Kritikern belächelt und von Praktikern geschätzt, ist Modbus-TCP eigentlich nichts Neues. Vielmehr wurde einfach Ethernet-TCP/IP als eine weitere Übertragungstechnik für das bereits seit 1979 bekannte Modbus Protokoll zugelassen. Modbus-TCP ist heute ein offener Internet Draft Standard, der von Schneider Automation in die für die Internet Standardisierung zuständige Organisation IETF (Internet Engineering Task Force) eingebracht wurde. Die seit der Ursprungsvariante bewährten Modbus-Dienste und das Objektmodell wurden unverändert beibehalten und auf TCP/IP als Übertragungsmedium abgebildet. Die Modbus Familie wurde damit um eine weitere Variante erweitert und besteht nun aus dem klassischen Modbus-RTU (asynchrone Übertragung über RS-232 oder RS-485), Modbus-Plus (high speed Kommunikation über ein Token Passing Netzwerk) und dem Modbus-TCP (Ethernet-TCP/IP basierte Client-Server Kommunikation). Allen Varianten gemeinsam ist ein einheitliches Anwendungsprotokoll, das ein universelles Objektmodell für automatisierungstechnische Daten und Kommunikationsdienste für den Zugriff festlegt. Eine kurze Übersicht Modbus TCP Fakten Netzwerkgrösse Netzwerklänge Baud Rate Netz Topologie Erweiterbar und nahezu unbeschränkt 10/100 Base-T = 100m 10, 100, 1000Mbit/s Stern II. Markt + Einsatzgebiete Modbus-TCP hat sich neben Profinet IO, Ethernet/IP, Ethercat und Powerlink als Defacto- Standard für die industrielle Kommunikation über Ethernet etabliert. Basis hierfür bildet eine stabile Spezifikation, verfügbare Basistechnologie und eine Vielzahl industrieller Seriengeräte. Zieht man eine Zwischenbilanz, nach der Einführung von Ethernet in der Automatisierungstechnik, dann ist zunächst einmal festzustellen, dass es ein einheitliches Anwendungsprotokoll für Industrial Ethernet bisher nicht gibt und wohl auch in absehbarer Zukunft nicht geben wird. Dank den Bemühungen der IAONA, sprechen zwar alle Beteiligten Industrieverbände miteinander, konkrete Ergebnisse gibt es bisher aber nur im Bereich den Installationsrichtlinien. Die heute bekannten verschiedenen Lösungen können in zwei Kategorien unterteilt werden: - Systeme für verteilte Automatisierung - Feldbus-on-Ethernet Lösungen Zu den Systemen für die verteilte Automatisierung zählen Profinet CBA und IDA. Beide Konzepte definieren ein ganzheitliches System, bei dem eine Automatisierungsaufgabe durch das Zusammenwirken von verteilten, intelligenten Geräten gelöst wird. Verteilte Systeme unterscheiden sich grundlegend von den heute üblichen dezentralen Automatisierungslösungen und erfordern eine völlig neue Vorgehensweise bei Engineering und Programmierung. Anders bei den Feldbus-on-Ethernet Lösungen. Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Feldbusprotokoll weitgehend unverändert beibehalten wurde und Ethernet-TCP/IP als neue Übertragungstechnik zugelassen wurde. Typische Vertreter dieser Kategorie sind Profinet IO (Siemens, PNO), Ethernet/IP (Rockwell Automation, ODVA) und Modbus-TCP (Schneider Automation, IDA). Wesentliche Vorteil dieser Systeme liegen darin, dass die Spezifikationen stabil sind und der Einsatz kein grundsätzliches Umdenken bei den Anwendern erfordert. Weniger ist Mehr lautet das Motto dieser Lösungen, die nicht für verteilte Automatisierung, sondern für eine schnelle, G. Jaggi Seite 3 von 10

4 zuverlässige Übertragung von Daten zwischen Automatisierungsgeräten und Feldgeräten gedacht sind. Das Modbus-Protokoll erlaubt eine einfache Kommunikation zwischen allen Typen von Netzwerken. Die Grafik zeigt ein Netzwerk mit den verschiedenen Modbus Familien. Auf der höchsten Ebene des Netwerks ist das Modbus-TCP Protokoll. Modbus-TCP ist ein pragmatischer Ansatz zur Nutzung von Ethernet als Übertragungsmedium in der Automatisierungstechnik. Der Einsatz ist immer dann sinnvoll, wenn die Vorteile der Ethernet-Übertragungstechnik wie große Rechweite, hohe Teilnehmeranzahl und die zusätzliche Nutzung der IT-Funktionen (Webtechnologie, Übertragung und Filetransfer) über das selbe Medium, die Zusatzkosten der erforderlichen Netzwerkinfrastruktur (Sternförmige Verkabelung mit intelligenten Switches) rechtfertigen. Gegenüber anderen Industrial Ethernet Konzepten, hat Modbus-TCP einen erheblichen Zeitvorsprung und eine deutlich niedrigere Einstiegsschwelle hinsichtlich Initialkosten und erforderlichem Know How sowohl bei Geräteherstellern und bei Anwendern. Als Kommunikationssystem für die zukünftige Generation verteilter Automatisierungssysteme hat Modbus Modbus-TCP jedoch im Vergleich zu ProfiNet und IDA Publsih/Subscibe Nachteile im Hinblick auf die bereitgestellte Funktionalität und die Unterstützung beim Engineering. G. Jaggi Seite 4 von 10

5 III. Anwendungsmodell Aus dieser Grafik ist gut ersichtlich, dass Modbus TCP auf dem bestehendem TCP/IP Protokoll aufsetzt. Da TCP/IP ein Client-Server Modell ist, muss auch Modbus-TCP ein Client- Server Modell sein. Zwischen Layer 5..6 im ISO/OSI Modell befindet sich dass eigentliche Modbus-TCP Protokoll. Es kann natürlich auch vorkommen, dass ein Modbus-TCP Gerät nur ein Server oder Client ist. Modbus Client-Server Modell Mit einem Modbus Request wird eine Nachricht an das Netzwerk gesendet, welche eine Transaktion auslöst. Modbus Indication ist eine Anfrage an den Server Modbus Response ist die Antwort vom Server Modbus Confirmation ist die Antwort welche vom Client empfangen wird. G. Jaggi Seite 5 von 10

6 IV. Technologie Modbus Anwendungsprotokoll Das Anwendungsprotokoll ist unabhängig von dem jeweils verwendeten Übertragungsmedium und nach dem Client Server Prinzip organisiert. Mit dem Aussenden des Request Telegramms initiiert der Client einen Dienstaufruf, der vom Server mit einem Response Telegramm beantwortet wird. Request und Response Telegramm enthalten Parameter und/oder Daten. Die Unterschiede zischen dem Standard Modbus Telegramm und dem Modbus-TCP Telegramm sind in der folgenden Grafik dargestellt. Modbus Telegramm bei serieller RS-232/ RS-485 Datenübertragung Modbus Telegramm bei TCP/IP Datenübertragung Während bei einer Standard Modbus Kommunikation, zusätzlich zu Befehlscode und Daten noch die Slave Adresse und eine CRC-Prüfsumme übertragen wird, übernimmt diese Funktionen bei Modbus-TCP das unterlagerte TCP Protokoll. Beispiel Am Beispiel eines Read Discrete Input Kommandos, werden nachfolgend die Interaktionen zwischen Client und Server beschrieben. Der Client fordert mit diesem Befehl das Lesen der digitalen Eingänge des Servers an. Der Befehlscode und die Parameter werden im Request Telegramm an den Server geschickt: Funktionscode 1 Byte 2 Startadresse 2 Bytes Anzahl Eingänge 2 Bytes Hat der Server den Lesebefehl korrekt empfangen, dann werden die gewünschten Eingangsdaten im Response Telegramm an den Client übertragen. Das Response Telegramm hat folgenden Aufbau: Funktionscode Anzahl Eingangswerte 1 Byte 1 Byte N Byte G. Jaggi Seite 6 von 10

7 N entspricht der Anzahl der Eingänge dividiert durch 8. Ist der Divisionsrest größer 0, dann wird N um eins erhöht und die restlichen Bits werden im letzen Byte übertragen. Hierbei werden nicht benötigte Bits mit Nullen aufgefüllt. Kann der Server die angeforderten Daten nicht bereitstellen, dann sendet er anstelle des Response Telegramms ein Error Telegramm an den Client. Neben dem Read Discrete Inputs Dienst definiert Modbus noch viele weitere in der Spezifikation festgelegte Standardbefehle. Darüber hinaus können die Funktionscodes und für benutzerdefinierte Dienste individuell benutzt werden. Eine Übersicht einiger einheitlich (Public) festgelegten Modbus Dienste zeigt die folgende Tabelle: Methode Datentyp Dienst Code Zugriff Bitweise Eingänge Read Discrete Input 02 Read Bitweise Ausgänge / Coils Read Coils 01 Read Bitweise Ausgänge / Coils Write Single Coil 05 Write Wortweise Eingänge Read Input Register 04 Read Wortweise Ausgänge / Coils Write Single Register 06 Write Modbus Datenmodell Das Datenmodell ist einfach strukturiert und unterscheidet 4 Grundtypen, die Discrete Inputs (Eingänge), Coils (Ausgänge), Input Register (Eingangsdaten) und Holding Register (Ausgangsdaten). Die Definition und Namensgebung lässt auf die Ursprünge des Modbus Protokolls schließen. In heutigen Modbus Implementierungen werden diese Grunddefinitionen sehr großzügig auf die vielfältigen Datentypen moderner Automatisierungsgeräte übertragen. Die Bedeutung und Adresse der Daten im jeweiligen Einzelfall müssen die Hersteller im Gerätehandbuch individuell angeben. Elektronische Gerätedatenblätter und herstellerübergreifende Engineeringtools wie bei den modernen Feldbussystemen sind in der Modbus Welt bisher (noch) nicht anzutreffen. Mapping auf TCP/IP Modbus-TCP verwendet für die Datenübertragung in Ethernet-TCP/IP Netzwerken das Transport Control Protokoll (TCP) für die Übertragung des Modbus-Anwendungsprotokolls. Die Parameter und Daten werden dabei nach dem Encapsulation-Prinzip in den Nutzdatencontainer eines TCP Telegramms eingebettet. Beim Encapsulation (=Einbettung) Vorgang erzeugt der Client einen Modbus Application Header (MBAP), der dem Server die eindeutige Interpretation der empfangenen Modbus Parameter und Befehle ermöglicht. Grundsätzlich darf in einem TCP/IP Telegramm nur ein Modbus Anwendungstelegramm eingebettet werden. Verbindungsorientierter Aufbau Bevor Nutzdaten über Modbus-TCP übertragen werden können, muss zunächst eine TCP/IP Verbindung zwischen Client und Server aufgebaut werden. Serverseitig ist für Modbus-TCP die Portnummer 502 festgelegt. Der Verbindungsaufbau geschieht typischerweise automatisch über das TCP/IP Socketinterface durch die Protokollsoftware und ist dadurch völlig transparent für den Anwendungsprozess. Ist die TCP/IP Verbindung zwischen Client und Server erst einmal hergestellt, dann können Client und Server beliebig oft und viele Nutzdaten über diese Verbindung übertragen. Client und Server können gleichzeitig mehrere TCP/IP Verbindungen aufbauen. Die maximale Anzahl hängt von der jeweiligen Leistungsfähigkeit der TCP/IP Anschaltung ab. Bei der zyklischen Übertragung von Eingangs- und Ausgangsdaten bleibt die Verbindung zwischen Client und Server permanent bestehen. Im Falle einer Bedarfsdatenübertragung für Parameter oder Diagnosemeldungen kann die Verbindung nach Abschluss der Datenübertragung abgebaut und bei erneutem Kommunikationsbedarf wieder aufgebaut werden. G. Jaggi Seite 7 von 10

8 Verbindungsaufbau Datenübertragung Verbindungsabbau Performance Die Leistungsfähigkeit eines Modbus-TCP Netzwerkes hängt ganz wesentlich von der Art und Ausführung des jeweiligen Ethernet Netzwerkes und von der Leistungsfähigkeit der Prozessoren im Kommunikationsinterface der beteiligten Geräte ab. Die Protokolleffizienz des Modbus-TCP Protokolls ist mit etwa 60% relativ hoch. Dies wird dadurch erreicht, dass das Anwendungsprotokoll die Übertragung mehrerer Registerwerte in einem TCP/IP Frame erlaubt und dem regulärem TCP/IP Overhead nur wenige Bytes zusätzlichen Protokolloverhead hinzufügt. In einem 100 Mbit/s switched Ethernet Netzwerk, können im theoretischen Idealfall etwa 3.6 Millionen 16 Bit Registerwerte pro Sekunde übertragen werden. In der Praxis wird dieser Wert jedoch bei weitem nicht erreicht, da die tatsächlichen Übertragungszeiten im Netzwerk und vor allem die Protokollbearbeitungszeiten in der Kommunikationsschnittstelle der Feldgeräte nicht vernachlässigt werden können und performance-bestimmende Faktoren darstellen. Praxistests mit einer Momentum SPS haben ergeben, dass pro Sekunde etwa 4000 dezentrale I/O Geräte mit je 32 digitalen E/A und 16 analogen Messwerten bedient werden konnten. Dies entspricht in etwa auch der Datentransportleistung eines Profibus- DP Systems mit 1,5 Mbit/s. G. Jaggi Seite 8 von 10

9 V. Installation Bitcodierung / Frequenz Übertragung Codierung Kupferleiter Kabelkategorie Codierung LW-Leiter Ethernet Manchestercodierung 3 (bis 16MHz) - Fast Ethernet MLT-3 5 (bis 100MHz) NRZI(Non-Return-to-Zero) Gigabit Ethernet PAM-5 5 (bis 100MHz) NRZI(Non-Return-to-Zero) Installationstechnik Selbstverständlich könnte rein Theoretisch ein Modbus-TCP Protokoll auch über ein Koaxialkabel übertragen werden. Da dies jedoch nicht der Sinn der Sache ist wird vor allem auf Kupferkabel mit RJ45 Verbindungen eingegangen. Stecker und Buchsen Werden die Kabel nicht fixfertig gekauft, so hat man folgende Möglichkeiten: RJ45-Stecker zum Aufpressen der Kabeladern (Twisted-Pair-Stecker) RJ45-Einbaudose (Unterputz/Kabelkanal) RJ45-Buchse zum Einlöten Crimpen Dafür braucht man folgendes Material: Kabel, zwei Knickschutzhüllen, zwei Crimpstecker, eine Crimpzange (gibt es bereits für unter SFR 10.-!), ein scharfes Messer, einen Schraubenzieher und eine Kabelschere oder einen Seitenschneider Prüfen: Das Kabel sollte jetzt fertig sein und man kann es testen. Das fertige Kabel wird mit einem Kabeltester überprüft, indem auf die eine Seite der entsprechende Adapter aufgesteckt und das andere Kabelende in den Tester gesteckt wird. Zur Not reicht auch ein Durchgangsprüfer. Auflegen der Kabel am Patchfeld/an der Dose: In der Regel werden bei den Dosen zwei Varianten verwendet, entweder mit herkömmlichen Schraubklemmen oder mit LSA-Klemmen. Zur Schraubklemmen-Variante G. Jaggi Seite 9 von 10

10 ist nicht viel zu sagen. Die Kabel werden abisoliert und die Abschirmung zurückgeschlagen. Anschließend wird auch die Isolierung der einzelnen Adern auf ca. 5 mm Länge entfernt und jede Ader einzeln in die Klemme eingeführt und verschraubt. "LSA" steht für "löt-, schraub- und abisolierfrei". Bei diesem Verbindungsverfahren wird zum Auflegen ein spezielles Werkzeug verwendet. Anschlussbelegung Hier gibt es zwei Belegungen (die aber bis auf die Farben zum gleichen Ergebnis führen). Man muss sich nur an einen der beiden Standards halten, damit man nicht durcheinander gerät. Normales 100BaseT- und 10BaseT-Kabel kommt mit den Adern an den Pins 1, 2, 3 und 6 aus. Die Pins 4, 5, 7 und 8 werden für 100BaseT4+ benötigt. Standard EIA/TIA-T568A-Belegung: Standard EIA/TIA-T568B-Belegung:(Diese scheint die verbreitete zu sein.) Die Belegung ist grundsätzlich eins zu eins an beiden Steckern. Auf Dosen ist die Belegung aufgedruckt (bzw. die LSA-Klemmen sind einfach in der entsprechenden Farbe markiert). Die Kabelfarben kennzeichnen die verdrillten Adernpaare, die Paare müssen eingehalten werden. Schutzkonzepte - Ethernet-Kabel können mit einem Aufpreis auch abgeschirmt gekauft werden (EMV). - Die Luxusvariante ist natürlich die Kommunikation über eine optische Verbindung (Lichtwellenleiter) G. Jaggi Seite 10 von 10

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