Protocolo Modbus: Fundamentos e Aplicações

O protocolo Modbus é uma estrutura de mensagem aberta desenvolvida pela Modicon na década de 70, utilizada para comunicação entre  dispositivos mestre-escravo / cliente-servidor. A Modicon foi posteriormente adquirida pela Schneider e os direitos sobre o protocolo foram liberados pela Organização Modbus. Muitos equipamentos industriais utilizam o Modbus como protocolo de comunicação, e graças às suas características, este protocolo também tem sido utilizado em uma vasta gama de aplicações como:

• Instrumentos e equipamentos de laboratório;
• Automação residencial;
• Automação de navios.

Sobre o Protocolo Modbus

O Modbus é um dos protocolos mais utilizados em automação industrial, graças à sua simplicidade e facilidade de implementação, podendo ser utilizado em diversos padrões de meio físico, como:

• RS-232;
  
• RS-485;
• Ethernet TCP/IP (MODBUS TCP).

A velocidade de comunicação varia em cada um desses padrões, bem como o comprimento máximo da rede e o número máximo de dispositivos conectados.

O padrão RS-232 (Recommendad Standart-232) ou EIA-232 (Electronic Industries Alliance-232) é utilizado apenas em comunicações do tipo ponto a ponto, ou seja, só admite dois dispositivos na rede, que no caso do protocolo Modbus representa o mestre e 1 escravo. A velocidade máxima desse padrão está em torno de 115Kbps, mas em alguns casos podem ser encontradas taxas um pouco maiores, a distância máxima entre os dispositivos da rede está em torno de 30m.

O padrão RS-485 (Recommendad Standart-485) ou EIA-485 (Electronic Industries Alliance-485) é muito utilizado na indústria e sem dúvida é um dos padrões mais utilizados pelo protocolo Modbus. Esse padrão permite trabalhar com taxas de comunicação que podem chegar a 12Mbps e em alguns casos até 50Mbps, vale lembrar que quanto maior o comprimento da rede menor será a velocidade de comunicação, a distância máxima da rede está em torno de 1200m, e o número máximo de dispositivos no barramento da rede é de 32.

O padrão Ethernet no protocolo Modbus possui algumas variações, podendo chegar a 100Mbps ou até 10Gbps. A distância máxima pode variar de 100m até próximo de 200m dependendo do tipo de cabo utilizado e das condições de instalação do mesmo.

Em alguns casos é possível utilizar redes em fibra ótica, fato que permite alcançar distâncias maiores e melhores taxas de comunicação, bem como utilizar comunicação wireless.

Em uma próxima oportunidade irei abordar o assunto de padrões físicos com mais detalhes. É importante não confundir protocolo de comunicação com padrões físicos. Alguns protocolos possuem seu padrão físico definido como é o caso da rede ASI e da rede CAN, sendo que nesses casos o padrão físico é definido junto ao protocolo e não é possível alterá-lo.

Na figura abaixo vemos um exemplo de rede com o protocolo Modbus, com  um gateway fazendo a conexão entre os dois tipos de Modbus, o serial em RS-485 e o TCP/IP em ethernet. No mercado ainda existe a opção do gateway Modbus wireless. O mestre da rede, que nesse caso é um CLP (Controlador Lógico Programável) envia e recebe dados dos escravos, que são posteriormente um inversor de frequência, uma IHM (Interface Homem Máquina), um controlador de temperatura e uma interface de I/O remota Modbus.

A estação mestre inicia a comunicação solicitando que os escravos enviem seus dados. Os escravos, por sua vez, recebem a requisição do mestre e retornam os dados solicitados. Os dados transmitidos podem ser discretos ou numéricos, ou seja, é possível enviar valores numéricos como temperatura e pressão ou enviar um bit para ligar e desligar um motor. Na figura a seguir podemos observar como é constituído o quadro de mensagens no protocolo Modbus.

Ao utilizar  o meio físico Ethernet o protocolo MODBUS opera com  o mecanismo de controle de acesso CSMA-CD, que é próprio da rede Ethernet, com mensagens no modelo cliente-servidor.

Modos de transmissão

Na especificação do protocolo Modbus estão definidos dois modos de transmissão:

• ASCII;
• RTU.

Os modos definem a forma como são transmitidos os bytes da mensagem, e como a informação da mensagem será empacotada na mensagem e descompactada. Não é possível utilizar os dois modos de transmissão na mesma rede. O modo de transmissão pode ser selecionado com outros parâmetros da porta de comunicação serial, mas existem equipamentos que não permitem essa seleção, pois possuem modo de transmissão fixo, como por exemplo alguns CLP’s e inversores de frequência que utilizam o modo RTU por padrão.

Endereços

Ao todo o protocolo Modbus possui 256 endereços onde:

• 0 – (Zero) é o endereço de Broadcast, quando o mestre envia uma mensagem para o endereço zero, todos os escravos recebem a mensagem;
• 1 até 247 -Endereços disponíveis para os escravos;
• 248 até 255 Endereços reservados.

O mestre não possui endereço, somente os escravos devem possuir endereço definido.

Código da Função

É onde o mestre especifica o tipo de serviço ou função solicitada ao escravo (leitura, escrita, etc). No protocolo Modbus, cada função é utilizada para acessar um tipo específico de dado.

Tabela1: funções no Protocolo Modbus 

Modo de transmissão ASCII

Quando os equipamentos são configurados para se comunicarem em uma rede Modbus usando ASCII (American Standard Code for Information Interchange), cada byte em uma mensagem é enviado como dois caracteres ASCII. Apesar de gerar mensagens legíveis pela tabela ASCII esse modo consome mais recursos da rede. A principal vantagem dessa modalidade é  que permite que os intervalos de tempo sejam cerca de um segundo para correr entre os caracteres sem causar erro.

Os dispositivos monitoram constantemente a rede para o início de uma mensagem. Quando uma mensagem é iniciada pelo mestre, todos  os dispositivos da rede decodificam o campo de endereço para determinar qual escravo deve receber a mensagem. O inicio de uma mensagem é reconhecido pelo caractere (:) “dois pontos”.

O formato para cada byte em modo ASCII é:

•  Codificação do sistema: Hexadecimal, caracteres ASCII 0-9, A-F,  um caractere hexadecimal contido em cada caractere ASCII da mensagem;
• Bits por Byte:

              1 bit de início

              7 bits de dados, bit menos significativo primeiro
1 bit para paridade par / ímpar,  ou sem bit de paridade
1 bit de parada, se a paridade é usado; 2 bits se sem paridade

• 16 bits Campo Erro check : Longitudinal Redundancy Check (LRC)

Intervalos de até um segundo podem decorrer entre caracteres dentro da mensagem.  Se ocorrer um intervalo maior, o dispositivo receptor assume que ocorreu um erro. O campo de checagem de erros é baseado no método LRC (Longitudinal Redundancy Check).

Modbus – Modo de transmissão RTU (Remote Terminal Unit)

No modo RTU (Remote Terminal Unit), cada mensagem de 8 bits contém dois caracteres hexadecimais de 4 bits. A principal vantagem desse modo é que sua maior densidade de caracteres permite um melhor processamento de dados do que o modo ASCII para o mesmo baudrate (velocidade de comunicação). Cada mensagem deve ser transmitida em um fluxo contínuo de caracteres.

No modo RTU não existe um caractere específico que indique o início ou o fim de um telegrama. A indicação de quando uma nova mensagem começa ou quando ela termina é feita pela ausência de transmissão de dados na rede, por um tempo mínimo de 3,5 vezes o tempo de transmissão de um byte de dados. Sendo assim, caso um telegrama tenha iniciado após a decorrência desse tempo mínimo, os elementos da rede irão assumir que o primeiro caractere recebido representa o início de um novo telegrama. E da mesma forma, os elementos da rede irão assumir que o telegrama chegou ao fim quando, recebidos os bytes do telegrama, este tempo decorra novamente.

Se durante a transmissão de um telegrama o tempo entre os bytes for maior que este tempo mínimo, o telegrama será considerado inválido, pois o controlador irá descartar os bytes já recebidos e montará um novo telegrama com os bytes que estiverem sendo transmitidos. O tempo para transmitir uma palavra do quadro varia de 573us para taxas de comunicação acima de 19200bits/s e 9 ms para a taxa de 1200bits/s.

O campo de checagem de erros é baseado no método CRC (Cyclical Redundancy Checking).

Modbus TCP

Modbus TCP é uma implementação do protocolo Modbus baseado em TCP/IP. Utiliza a pilha TCP/IP para comunicação e adiciona ao quadro Modbus um cabeçalho específico chamado MBAP  (MODBUS Application Protocol). O modelo de mensagem Modbus TCP/IP fica da seguinte forma:

O cabeçalho MBAP tem tamanho de 7 bytes, e é composto pelos seguintes campos:

• Transaction identifier: usado para identificação da resposta para a transação (2 bytes);

• Protocol identifier: 0 (zero) indica Modbus (2 bytes);

• Length: contagem de todos os próximos bytes (2 bytes);

• Unit identifier: utilizado para identificar o escravo remoto em uma rede Modbus RTU (1 byte).

Modbus TCP não acrescenta ao quadro um campo de checagem de erros, entretanto o frame ethernet já utiliza CRC-32 tornando desnecessário outro campo de checagem. O cliente Modbus TCP deve iniciar uma conexão TCP com o servidor a fim de enviar as requisições. A porta TCP 502 é a porta padrão para conexão com servidores Modbus TCP.

O vídeo abaixo é muito interessante, e apresenta as características do protocolo Modbus serial e TCP. Apesar de estar em inglês, o vídeo é de fácil compreensão.

No próximo artigo veremos exemplos que utilizam protocolo Modbus, além de conhecer simuladores desse protocolo de comunicação.

Referências

Modbus.org – link