Réseau industriel MODBUS Protocole MAITRE-ESCLAVE

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1 1. Protocole Modbus Un protocole de communication de données définit les règles et la structure des messages utilisés par l'ensemble des périphériques d'un réseau pour l'échange de données. Modbus est un protocole de communication utilisé pour des réseaux d'automates programmables. Il fonctionne sur le mode maître / esclave. Il est constitué de trames contenant : l'adresse de l'esclave concerné, la fonction à traiter (écriture, lecture), la donnée et le code de vérification d'erreur appelé contrôle de redondance cyclique sur 16 bits ou CRC16. Les protocoles Modbus (et Jbus : variante de Modbus initié par la société April) sont des protocoles de communication ayant : un seul MAITRE un ou plusieurs ESCLAVES. Lycée de l'europe, Dunkerque Section de TS SNIR 1

2 2. Le principe des échanges ModBus Mode de communication : halfduplex. (2 fils ou 4 fils) Deux cas de figure uniquement : le maître parle à un esclave et attend sa réponse, le maître parle à l'ensemble des esclaves, sans attente de réponse (diffusion générale). Il ne peut y avoir sur la ligne qu'un seul équipement en train d'émettre. Aucun esclave ne peut envoyer un message sans une demande préalable du maître. Le dialogue entre les esclaves est impossible. Lycée de l'europe, Dunkerque Section de TS SNIR 2

3 3. Le support de communication L'accès physique est basé sur une transmission série du type half-duplex. L'interface électrique autorise la connexion en mode: point-à-point (RS232) multipoint (RS485/RS422). MODBUS est le protocole de réseau de terrain le plus répandu en milieu industriel. Ses principales caractéristiques sont : 1 seul maître par réseau 1 ou plusieurs esclaves (jusqu'à 254 : pour le maître) mode série asynchrone half duplex vitesse de transmission : 50 à bits/s liaison RS232C RS485 RS422 sur paire torsadée blindée topologie bus avec résistances de terminaison 120ohms longueur : 1 à 2 km max 255 adresses logiques (limité à 32 par segment RS485 ou RS232, sinon utiliser des répéteurs RS485) 4. L adressage Les esclaves du bus sont identifiés par des adresses attribuées par l utilisateur. L adresse de chaque esclave est indépendante de son emplacement physique. Les adresses vont de 1 à 255. Deux esclaves ne peuvent avoir la même adresse Echange maître vers 1 esclave Le maître interroge un esclave de numéro unique sur le réseau et attend de la part de cet esclave une réponse. Lors d un échange, il est nécessaire de désigner l interlocuteur (n esclave). Tous les esclaves reçoivent la question du maître, seul l esclave concerné répond au maître. Comme le maître est le seul a pouvoir prendre l initiative du dialogue, il ne peut pas y avoir de collision sur le bus. Lycée de l'europe, Dunkerque Section de TS SNIR 3

4 4.2. Echange Maître vers tous les esclaves Le maître diffuse un message à tous les esclaves présents sur le réseau, ceux-ci exécutent l ordre du message sans émettre une réponse. En mode diffusion, l adresse de l esclave est 0, ce qui signifie «à tous les esclaves». Dans ce cas, les esclaves ne retournent aucune trame de réponse et exécutent simultanément l ordre du maître Le rôle du maître Le maître du réseau peut remplir 3 rôles : Assurer la programmation ou le passage de paramètres vers les esclaves afin d obtenir la flexibilité d une production (téléchargements de paramètres ou de programme) Assurer l échanges de données entre «esclaves» Les esclaves ne pouvant dialoguer entre eux, le maître assure le passage des différentes informations Assurer le dialogue évolué avec un opérateur (dialogue homme machine) Le maître est en général pourvu d un écran graphique qui permet de visualiser de façon dynamique l évolution du processus en cours 5. Trame MODBUS Deux types de codage peuvent être utilisés pour communiquer sur un réseau Modbus. Il s agit des types : ASCII : chaque octet composant une trame est codé avec 2 caractères ASCII (2 fois 8 bits). RTU (Unité terminale distante) : chaque octet composant une trame est codé sur 2 digits (2 fois 4 bits). Tous les équipements présents sur le réseau doivent être configurés selon le même type. L échange Maitre-Esclave s effectue par l envoi de trames MODBUS dont le format de base est le suivant (mode RTU : Remote Terminal Unit) : CODAGE RTU L adresse correspond à l adresse de la station Esclave destinataire de la requête (de 0 à 254). La requête ou code fonction détermine le type de commande (lecture mot, écriture mot, etc...). Le champ de données contient l ensemble des paramètres et informations liés à la requête. Le contrôle de redondance cyclique (CRC16) permet à la station destinatrice de vérifier l intégrité de chaque trame. Lycée de l'europe, Dunkerque Section de TS SNIR 4

5 5.1. Le début de trame (fin de trame précédente) La trame ne comporte ni en-tête ni délimiteur de fin de trame. Un silence correspondant à 3,5 caractères (T2 min et T3 min) indique que le prochain caractère reçu sera le premier d une nouvelle trame car au sein d une même trame, il ne peut y avoir un délai supérieur à 1,5 fois (T1 max) le temps d émission d un octet. Par exemple, à 9600 bauds, un caractère comportant un bit de départ, un bit d'arrêt et 8 bits de données a besoin d'un début de trame de 3,5 millisecondes. 1 caractère fait 10 bits à approximativement bit/s ---> 1ms 3.5 caractères ---> 3.5 ms Lycée de l'europe, Dunkerque Section de TS SNIR 5

6 5.2. Code fonction Le protocole MODBUS comporte : des fonctions principales pour l échange de données (objets) et des fonctions secondaires pour le contrôle des stations secondaires et des échanges A chaque réception d une trame, la station esclave adressée envoie une trame de réponse, dont le format est identique à celui de la trame émise par la station Maître avec selon le type de commande un champ de données plus ou moins important Echange de données maître/esclave Les échanges de données entre stations Maitre / Esclave sont représentés par quatre types d objets : o Bits d entrée (lecture) o Bits de sortie (lecture/écriture) o Mots d entrée (lecture) o Mots de sortie (lecture/écriture). Chaque station Esclave définie ainsi des zones de bits et de mots (tables), auxquelles sont associées des adresses MODBUS. Dans chaque trame de lecture (bits ou mots) la zone de données contient : l adresse du premier bit ou mot à lire et le nombre de bits ou mots à lire. Pour chaque trame d écriture, la zone de données contient : l adresse du premier bit ou mot à écrire, le nombre de bits ou mots à écrire, ainsi que les valeurs des bits ou mots à écrire. Lycée de l'europe, Dunkerque Section de TS SNIR 6

7 6. La lecture MODBUS 6.1. lecture de bits Exemple : A 000A + CRC = Lecture dans l'esclave 1 de 10 bits a partir de l'adresse 522 Trame reçue : Réponse : CRC = 2 octets de réponse bits 1,2 et 5 a 1 et bits 3,4,6,7,8,9,10 a Lecture de mots de 16 bits Exemple : 0C 04 03E CRC = Lecture dans l'esclave 12 de 4 mots a partir de l'adresse 1001 Réponse : 0C CRC = 8 octets de réponse mot 1001 = 1, mot 1002 = 2 etc.. Lycée de l'europe, Dunkerque Section de TS SNIR 7

8 7. L écriture MODBUS 7.1. Ecriture de 1 bit Exemple : FF00 + CRC = Ecriture dans l'esclave 3 du bit 35 a 1 Réponse : FF00 + CRC = Réponse identique à la requête 7.2. Ecriture de 1 mot de 16 bits Exemple : A + CRC = Ecriture dans l'esclave 3 du mot 50 a 522 = 020A en hexadécimal Réponse : A + CRC = Réponse identique à la requête Lycée de l'europe, Dunkerque Section de TS SNIR 8

9 7.3. Ecriture de plusieurs bits Exemple : 01 0F D CRC = Ecriture dans l'esclave 1 de 13 bits à partir du bit 35=0, bit 36=1, bit 37 a 42 =0, bit 43=1, bit 44= 0, bit 45=1, bit 46 à 47 = 0, les bits restants sont complétés à 0. A partir du bit 35 : Réponse : 01 0F D + CRC Lycée de l'europe, Dunkerque Section de TS SNIR 9

10 7.4. Ecriture de plusieurs mots de 16 bits Exemple : C AA0 + CRC = Ecriture dans l'esclave 1 de 2 mots à partir du mot (0x320) puis au mot (0x1AA0) Réponse : C CRC Lycée de l'europe, Dunkerque Section de TS SNIR 10

11 8. Calcul du CRC Le contrôle de redondance cyclique (CRC) est un code de détection d'erreur qui a une longueur de deux octets (16 bits). Après construction d'un message (données uniquement), l'appareil émetteur calcule un code CRC et l'ajoute à la fin du message. Un appareil récepteur calcule un code CRC à partir du message qu'il a reçu. Si ce code CRC est différent du code émis, il y a eu une erreur de communication L organigramme ci-dessous montre la méthode de calcul où octet désigne successivement un des octets du télégramme situé avant le CRC. La méthode CalculerCRC() de la classe CModBus doit calculer et retourner le CRC à partir de l adresse de base d un tableau passée en paramètre. Le paramètre «nb_octet» indique le nombre d octets que contient le télégramme avant le CRC. short CModBus::CalculerCRC(char *chtramemodbus, int lgtrame ) { unsigned int nbrebits, i=0, octetdecale; CRCModBus = 0xFFFF ; } Complétez cette méthode. On rappelle que le XOR se traduit en C par l'opérateur ^ Lycée de l'europe, Dunkerque Section de TS SNIR 11

12 9. Liaison RS485 Le bus RS 485 peut se définir simplement: simple a mettre en oeuvre résistant aux parasites de nature électromagnétique économique, tant du point de vue de l'électronique que des câbles de liaisons (sans oublier la connectique) performant en terme de nombre d'équipements et de distance admissible entre eux Les spécifications du RS485 Et en effet, ce système possède ces qualités: les spécifications de l'association des industries de l'électronique (EIA) prévoient que 32 équipements puissent être raccordés sur un bus à 2 fils, le tout sur une longueur de 1200 mètres, avec un débit pratiquement digne des chutes du Niagara (10 mb/s) Et de fait, la mise en oeuvre d'un bus RS 485 est vraiment simple: 2 fils en parallèle sur tous les équipements. Le fil repéré "+" sur la borne "+", pareil pour le fil "-". Une précision sur le nombre de fils à utiliser: bien que 2 fils au minimum suffisent pour le transport de données (contre 3 pour RS232), la pratique induit l'utilisation d'un troisième fil, une référence de potentiel (GND) pour tous les équipements mis en réseaux. Ce fil relie tout bêtement les masses électriques des cartes électroniques entres elles, comme si elles ne représentaient qu'une seule et même carte, en plusieurs morceaux. Cela dans le but de maintenir l'équipotentialité électrique dans une plage raisonnable pour le matériel "sensible". Du point de vue de l'électronique de bas niveau, c'est vraiment basique aussi: un convertisseur TTL/RS485 à 8 pattes, alimenté par tension unique (5 volts). Parmi les principaux fabricants Texas instruments (avec le SN75176 et le SN65176) et Linear Technology (avec le LTC1487) proposent ce type de composant. Lycée de l'europe, Dunkerque Section de TS SNIR 12

13 9.2. Comparaison RS232/485 Voici les principales caractéristiques d une liaison RS232 ainsi que celle de la liaison RS ModBus dans TCP Voici le schéma d'architecture du protocole ModBus encapsulé dans des trames TCP. On y trouve une couche spécifique ModBus (ModBus on TCP) au dessus de la couche transport TCP Lycée de l'europe, Dunkerque Section de TS SNIR 13