Modbus

Das Modbus-Protokoll ist ein Kommunikationsprotokoll, das auf einer Master/Slave- bzw. Client/Server-Architektur basiert. Es wurde 1979 von Gould-Modicon für die Kommunikation mit seinen speicherprogrammierbaren Steuerungen ins Leben gerufen. In der Industrie hat sich der Modbus zu einem De-facto-Standard entwickelt, da es sich um ein offenes Protokoll handelt. Seit 2007 ist die Version Modbus TCP Teil der Norm IEC 61158.

Grundlagen

Mittels Modbus können ein Master (z. B. ein PC) und mehrere Slaves (z. B. Mess- und Regelsysteme) verbunden werden. Es gibt zwei Versionen: Eine für die serielle Schnittstelle (EIA-232 und EIA-485) und eine für Ethernet.

Bei der Datenübertragung werden drei verschiedene Betriebsarten unterschieden:

• Modbus RTU
• Modbus ASCII
• Modbus TCP

Jeder Busteilnehmer muss eine eindeutige Adresse besitzen. Die Adresse 0 ist dabei für einen Broadcast reserviert. Jeder Teilnehmer darf Nachrichten über den Bus senden. In der Regel wird dies jedoch durch den Master initiiert und ein adressierter Slave antwortet.

RTU-Modus

Modbus RTU (RTU: Remote Terminal Unit, entfernte Terminaleinheit) überträgt die Daten in binärer Form. Dies sorgt für einen guten Datendurchsatz, allerdings können die Daten nicht direkt vom Menschen ausgewertet werden, sondern müssen zuvor in ein lesbares Format umgesetzt werden.

Protokollaufbau

Im RTU-Modus wird der Sendebeginn durch eine Sendepause von mindestens der 3,5-fachen Zeichenlänge markiert. Die Länge der Sendepause hängt somit von der Übertragungsgeschwindigkeit ab. Das Adressfeld besteht aus acht Bit, die die Empfängeradresse darstellen. Der Slave sendet bei seiner Antwort an den Master ebendiese Adresse zurück, damit der Master die Antwort zuordnen kann. Das Funktionsfeld besteht aus 8 Bit. Hat der Slave die Anfrage des Masters korrekt empfangen, so antwortet er mit demselben Funktionscode. Ist ein Fehler aufgetreten, so verändert er den Funktionscode, indem er das höchstwertige Bit des Funktionsfeldes auf 1 setzt. Das Datenfeld enthält Hinweise, welche Register der Slave auslesen soll, und ab welcher Adresse diese beginnen. Der Slave setzt dort die ausgelesenen Daten (z. B. Messwerte) ein, um sie an den Master zu senden. Im Fehlerfall wird dort ein Fehlercode übertragen. Das Feld für die Prüfsumme, die mittels CRC ermittelt wird, beträgt 16 Bit. Das gesamte Telegramm muss in einem kontinuierlichen Datenstrom übertragen werden. Tritt zwischen zwei Zeichen eine Sendeunterbrechung auf, die länger als 1,5 Zeichen ist, so ist das Telegramm als unvollständig zu bewerten und sollte vom Empfänger verworfen werden.

Start	Adresse	Funktion	Daten	CR-Check	Ende
Wartezeit (min. 3,5 Zeichen)	1 Byte	1 Byte	n Byte	2 Byte	Wartezeit (min 3,5 Zeichen)

ASCII-Modus

Im Modbus ASCII wird keine Binärfolge, sondern ASCII-Code übertragen. Dadurch ist es direkt für den Menschen lesbar, allerdings ist der Datendurchsatz im Vergleich zu RTU geringer.

Protokollaufbau

Im ASCII-Modus beginnen Nachrichten mit einem vorangestellten Doppelpunkt, das Ende der Nachricht wird durch die Zeichenfolge Carriage return – Line feed (CRLF) markiert.

Die ersten zwei Bytes enthalten zwei ASCII-Zeichen, die die Adresse des Empfängers darstellen. Der auszuführende Befehl ist auf den nächsten zwei Bytes codiert. Über ein Zeichen folgen die Daten. Über das gesamte Telegramm (ohne Start- und Ende-Markierung) wird zur Fehlerprüfung ein LRC ausgeführt, dessen Paritätsdatenwort in den abschließenden zwei Zeichen untergebracht wird. Tritt während der Übertragung eines Frames eine Pause von > 1s auf, wird der Frame als Fehlerfall bewertet. Der Benutzer kann ein längeres Timeout konfigurieren.

Start	Adresse	Funktion	Daten	LR-Check	Ende
1 Zeichen (:)	2 Zeichen	2 Zeichen	n Zeichen	2 Zeichen	2 Zeichen (CRLF)

Modbus/TCP

Modbus/TCP ist RTU sehr ähnlich, allerdings werden TCP/IP-Pakete verwendet, um die Daten zu übermitteln. Der TCP-Port 502 ist für Modbus/TCP reserviert. Modbus/TCP ist seit 2007 in der Norm IEC 61158 festgelegt und wird in IEC 61784-2 als CPF 15/1 referenziert.

Protokollaufbau

Transaktionsnummer	Protokollkennzeichen	Zahl der noch folgenden Bytes	Adresse	Funktion	Daten
2 Byte	2 Byte (immer 0x0000)	2 Byte (n+2)	1 Byte	1 Byte	n Byte

Dadurch, dass hier keine Kontrollbytes zu berechnen sind, ist die Implementierung eines Treibers für die TCP-Schnittstelle wesentlich einfacher als für die serielle Schnittstelle.

Weblinks

• Modbus-IDA Independent User Organization, mit detaillierten Spezifikationen (englisch)
  • Modbus-Spezifikation über serielle Leitung (englisch) (PDF; 326 kB), mit Data-Link Layer und physischem Layer (auch Steckerbelegung)