Bus de terrain. Thèmes abordés

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1 Bus de terrain Un protocole répandu et facile à implémenter 1 Thèmes abordés Présentation Historique caractéristique de MODBUS MODBUS Implantation dans le marché Exemples d appareils, exemples de logiciels Exemple d architecture de contrôle avec MODBUS Fonctionnalités Fonctions supportées Structure des headers Structure des télégrammes Structure des datas Implémentation Mise en œuvre avec TWINCAT3 Les fonctions supportées description des principaux FB équivalence UDP Introduction au laboratoire " " 2 1

2 Historique 3 Caractéristiques - Couche physique source Wikipedia Le protocole MODBUS peut être implémenté : sur une liaison série asynchrone de type RS-232, RS-422 ou RS-485 ou TTY (boucle de courant), avec des débits et sur des distances variables ; on parle alors de MODBUS over Serial Line; via /IP sur ; on parle alors de MODBUS over /IP ; via ModBus Plus. ModBus Plus est un réseau à passage de jetons à 1 Mb/s, pouvant transporter les trames et d'autres services propre à ce réseau. Une liaison multipoints de type RS-485 relie client et serveurs via une paire différentielle qui permet un débit élevé (jusqu'à 10 méga-bits par seconde) sur une distance importante (jusqu'à m). Elle ne dispose que de 2 bornes qui alternativement passent les données dans un sens puis dans l'autre. 4 2

3 Utilisation de l interface Câble et connectique bon marché Simplicité de mise en œuvre via une électronique dédiée Interface évoluée : transmission rapide et forte résistance aux perturbations Encapsulation des trames dans le protocole / IP Permet de router les trames sur un réseau Assure la transmission de l information via le protocole Système d adressage évolué via le protocole IP Implémentation logicielle simple grâce à un A.P.I. dédié (Socket pour X86) Comme pour (transmission par câble série), permet de réaliser des communications supportant des contraintes temps réel soft (non applicable pour des applications type Motion Control) Aujourd hui, est un standard géré par l organisation IDA, le protocole a été approuvé par l IEC en tant que spécification ouverte au public 5 Implantation dans le marché

4 Implantation dans le marché D après une étude réalisée en 2005 par ARC Advisory Group, est le protocole Industriel le plus utilisé (plus de produits compatibles installés dans le monde) L organisation IDA compte actuellement parmi leurs membres plus de 80 entreprises actives dans divers domaines tel que la recherche / capteurs / télécommunication / automatisation industrielle / etc. 7 Exemples d'appareils 8 4

5 Exemples d appareils BK7300 BK9000 BK9100 EK9000 Serial coupler RTU /Ascii (slave) /IP Bus Couplers compatible (server) 9 Exemples d appareils 10 5

6 Exemples d appareils PLC Modicon M340 Processor Module BMXP Serial / Ascii Master/Slave PLC Modicon M340 Processor Module BMXP client / server 11 Exemples d appareils Gamme Saia PCD Compatible : Serial / Ascii 12 6

7 Exemples d appareils Capteur de courant Serial Slave PLC Contrôleur de bus de terrain programmable Serveur / client intégré 13 Exemples de logiciels API développé en langage C multi plateforme et gratuit Serial Master / Slave Client / Server 14 7

8 Exemples de logiciels 15 Exemples de logiciels 16 8

9 Exemples de logiciels 17 Exemples de logiciels 18 9

10 Bits Words (2Bytes) Exemple d architecture de contrôle avec 19 Fonctions supportées No Nom fonction Commentaires 1 Read Coil Status Lecture sorties 2 Read Input Status Lecture entrées 5 Force Single Coil Ecriture sortie 15 Write Multiple Coil Ecriture sorties 3 Read Holding Register Lecture entrées / sorties / registres 4 Read Input Register Lecture entrées 6 Preset Single Register Ecriture sortie 16 Preset Multiple Register Ecriture sorties 8 Diagnosis 6 différentes sous fonctions 20 10

11 Structure des headers Size (bits) 28 Comment at least 3.5 octets of silence Name Function ascii Comment Size (char) Start Start Frame Pattern [ : ] Address Station Address Function function code - 2 n * Cyclic redundancy check at least 3.5 octets of silence / LRC, length depending on the function type Checksum Two char for an octet Longitudinal redundancy check End End Frame Pattern [CR / LF] 2 Note : Big Endian format n 2 21 Structure des headers Name Transaction Identifier Protocol Identifier Length Field Unit Identifier Function Code Function Synchronisation between message of server & client Protocol identification for encapsulation Number of remaining bytes in this frame Slave address (255 if not used) function code, length depending on the function type Note : Big Endian format Comment Value incremented at each new frame Size (byte) Zero for 2 Length of Unit Identifier, Function Code and Use it only with serial gateway. The server ignore this value Identical at Function on the protocol - n

12 Query Response Structure des télégrammes Ascii 1 4 2n 2 2 ascii ascii ascii LRC ascii Start Frame ascii End Frame n Start Frame End Frame 1 1 Address Function n / IP à 1452 Transaction Protocol Length Function Unit ID Identifier Identifier Field Code à IP 23 Start Address Structure des datas Length Input 10 Input 31 Size (Byte) Fonction 1 : [Read Coil Status] Name Comment 2 Start Address Bit addressing 2 Length Number of bit to read 3 b b b Byte Count 1 n 1 Byte Count Size of data in byte n Read LSB to MSB Start Frame End Frame IP / IP 24 12

13 Query Response Start Address Structure des datas Length Output 10 Output 28 Size (Byte) Fonction 2 : [Read Input Status] Name Comment 2 Start Address Bit addressing 2 Length Number of bit to read 3 b b b Byte Count 1 n 1 Byte Count Size of data in byte n Read LSB to MSB Start Frame End Frame IP / IP 25 Exercice - Capture Wireshark et analyse PLC CX5020 Client Adresse MAC : 00:01:05:16:AB:6C Adresse IP : Contrôle d'un processus automatisé Coupleur ethernet BK9000 Serveur Adresse MAC : 00:01:05:17:6F:24 Adresse IP : Acquisition 8 entrées digitales et Commande 8 sorties digitales 26 13

14 Query Response Exercice - Capture Wireshark et analyse d une trame Taille : Contenu : Transaction Protocol Length Byte Unit ID Function 1 Identifier Identifier Field Code Count 16' b Structure des datas Size (Byte) Fonction 5 : [Write Single Coil] Name Comment Start Address 7 0x FF x FF 00 Start Address 2 Start Address Bit addressing 2 0xFF00 or 0x Start Address Echo response 2 Echo response Start Frame End Frame IP / IP 28 14

15 Query Resp Query Response Start Address Structure des datas Length 9 7 Byte Count 1 b Size (Byte) Fonction 15 : [Write Multiple Coils] Name Comment 2 Start Address Bit addressing 2 Length Number of bit to write 1 Byte count Size of data in byte n Write LSB to MSB 9 Start Address 7 Length Output 15 Output 9 2 Start Address Echo response 2 Length Echo response Start Frame End Frame IP / IP 29 Start Address Structure des datas Count 0x 10 0B 2 Register 0x 10 0B Register 0x 10 0C Size (Byte) Fonction 3 : [Read Holding Register] Name Comment 2 Start Address Word addressing 2 Count Number of word to read 4 0x A3 6E 0x BE D3 Byte Count 1 n 1 Byte Count Size of data in byte 2*n Word address low to high Note : Big Endian word format Start Frame End Frame IP / IP 30 15

16 Query Response Query Resp Structure des datas Size (Byte) Fonction 6 : [Preset Single Register] Name Comment Start Address 2 Start Address Word addressing 0x 810 0x 03 6E 2 Word to be written 0x 810 0x 03 6E 2 Start Address Echo response Start Address 2 Echo response Note : Big Endian word format Start Frame End Frame IP / IP 31 Start Address Structure des datas 0x 08 AF 1 0x 08 AF Start Address Count 1 Count Byte Count 2 0x 05 0A Register 0x 08 AF Size (Byte) Fonction 16 : [Preset Multiple Register] Name Comment 2 Start Address Word addressing 2 Count Number of word to write 1 Byte count Size of data in byte 2*n Word address low to high 2 Start Address Echo response 2 Count Echo response Note : Big Endian word format Start Frame End Frame IP / IP 32 16

17 Exercice - Capture Wireshark et analyse (question) Capture Wireshark Taille : Contenu : Transaction Protocol Length Unit ID Function Identifier Identifier Field Code ? 1 1 Start Byte Length Address Count b Query : Exercice Synthèse réponse (Function code 15) Taille : Contenu : Transaction Protocol Length Unit ID Function Start Byte Length Identifier Identifier Field Code Address Count b Response : Taille : Contenu : ? Transaction Protocol Length Unit ID Function Start Length Identifier Identifier Field Code Address 5253? 0? 6? 0? 15? 0? 8?? 34 17

18 Exercice Synthèse question (Function code 2) Query : Taille : Contenu : ? 2 Transaction Protocol Length Unit ID Function Start Length Identifier Identifier Field Code Address 16'660 0? 6? 1? 2? 0?? 8 Response : Taille : Transaction Protocol Length Byte Unit ID Function Identifier Identifier Field Code Count Contenu : 16'660? 0? 4? 1? 2? 1?? 1 1 b 1010?? Exercice - Capture Wireshark et analyse (réponse) Taille : Transaction Protocol Length Byte Unit ID Function Identifier Identifier Field Code Count Contenu : 16' b

19 IN Bits Words (2Bytes) OUT Mise en œuvre avec TwinCAT 3, les fonctions supportées Nom bloc fonction TwinCAT No Nom fonction correspondante FB_MBReadCoils 1 Read Coil Status FB_MBReadInputs 2 Read Input Status FB_MBWriteSingleCoil 5 Force Single Coil FB_MBWriteCoils 15 Write Multiple Coil FB_MBReadRegs 3 Read Holding Register FB_MBReadInputRegs 4 Read Input Register FB_MBWriteSingleReg 6 Preset Single Register FB_MBWriteRegs 16 Preset Multiple Register FB_MBDiagnose 8 Diagnosis 37 Mise en œuvre avec TwinCAT 3, description des principaux FB Nom Type Commentaire sipaddr STRING (15) Adresse de la cible (Format IPv4) nport UINT Numéro de port de la cible nunitid nquantity BYTE WORD Adresse de la cible pour Un sous réseau sériel Nombre d entrées (bit) à lire nmbaddr WORD Adresse (bit) de départ Nom Type Commentaire bbusy BOOL Traitement en cours cblength UDINT Taille du buffer de destination berror BOOL Bloc fonctionnel en erreur (voir nerrid) pdestaddr POINTER TO BYTE Pointeur sur buffer de destination nerrid UDINT Numéro d erreur (à lire lorsque berror est actif) bexecute BOOL Exécution du bloc sur le front montant cbread UDINT Nombre d entrées lues lors du dernier traitement ttimeout TIME Timeout (par défaut 1s) 38 19

20 IN UDP / IP / IP OUT Mise en œuvre avec TwinCAT 3, description des principaux FB Nom Type Commentaire sipaddr STRING (15) Adresse de la cible (Format IPv4) nport UINT Numéro de port de la cible nunitid nquantity BYTE WORD Adresse de la cible pour Un sous réseau sériel Nombre de sorties (bit) à écrire nmbaddr WORD Adresse (bit) de départ Nom Type Commentaire bbusy BOOL Traitement en cours cblength UDINT Taille du buffer de source berror BOOL Bloc fonctionnel en erreur (voir nerrid) psrcaddr POINTER TO BYTE Pointeur sur buffer de source nerrid UDINT Numéro d erreur (à lire lorsque berror est actif) bexecute BOOL Exécution du bloc sur le front montant ttimeout TIME Timeout (par défaut 1s) 39 Mise en œuvre avec TwinCAT 3, équivalence UDP Read Inputs Write Outputs 40 20

21 Introduction au laboratoire " " Automate / /UDP Bornier industriel Carte à microcontrôleur 41 21

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