Artigo Modbus 3o306g

Centro Universitário do Leste de Minas Gerais – Unileste Curso de Engenharia Elétrica - Nome da disciplina

Introdução ao protocolo Modbus RTU/ASCII/T

Evandro Costa Souza, Thalisson Julio Oliveira Dias

Resumo: ​O Modbus é um protocolo de comunicação aberto, utilizado por diversos fabricantes de equipamentos industriais.

É

simples

e

eficiente

quando devidamente aplicado. Porém sua velocidade de comunicação está limitada a quantidade de dispositivos conectados. Palavras-chaves: ​Modbus, Protocolo, RTU, ASCII, T, Automação

1. OBJETIVO Este artigo tem como objetivo apresentar algumas características e aplicações do protocolo Modbus

2. INTRODUÇÃO O Modbus é um protocolo de comunicação aberto, ou seja, não cobra royalties para usá-lo. Ele foi criado em 1979 pela Modicon, hoje Schneider Electric, para ser usado em seus PLCs (​Programmable Logic Controllers​). O principal objetivo da criação do protocolo Modbus foi a

necessidade de um meio de comunicação simples entre dispositivos eletrônicos, que podem ser sensores e atuadores, que se comunicam com um PLC ou sistema supervisório. O protocolo Modbus funciona em um nível hierárquico de Mestre (Master) e Escravo (Slave), onde um Mestre pode se comunicar com até 247 Escravos, porém, só pode comunicar com um de cada vez. A comunicação entre os Escravos e o Mestre, podem ser dadas por meio de comunicação serial (Modbus RTU/ASCII), ou por meio de Ethernet (Modbus T). (Schneider Electric, 2018, ​online​). Mais detalhes do funcionamento hierárquico e de topologia serão tratados a seguir.

3. DESENVOLVIMENTO 3.1 Princípios de funcionamento Permite uma fácil comunicação dentro dos diversos tipos de arquitetura de rede.

Todo tipo de dispositivo (PLC, HMI, de controle) pode utilizar o protocolo modbus para iniciar uma operação remota. Essa comunicação pode ser executada através de redes de linha serial ou também como Ethernet T/IP. Os gateways atuam como conversores de protocolos, permitindo a comunicação entre dispositivos de diferentes tipos de rede. Partes diferentes do sistema podem ter uma comunicação específica, que devem ter uma “linguagem” comum entre elas. Os gateways permitem a conversão e a convergência para um entendimento entre a rede completa, possibilitando que em uma mesma planta, utilize-se de diferentes tipos de redes, como por exemplo, uma rede Modbus T controlando dispositivos que se comunicam por meio de redes, Modbus RS485 e Modbus RS232 (Modbus, 2012). 3.2 Descrição do protocolo O modbus define uma unidade de dados de protocolo simples, que é formada pela função código e os dados a serem transmitidos (PDU). O mapeamento do protocolo em barramento específico ou em rede pode adicionar alguns campos adicionais formando a unidade de dados da aplicação (ADU). Como apresentado na figura 1 com a adição endereço adicional e a checagem de erro, (Modbus, 2012).

Figura 1 - Formato do pacote de dados

O protocolo de aplicação modbus estabelece o formato da requisição iniciada por um cliente. Sendo que a função indica ao servidor que tipo de ação executar. As funções são codificadas em um byte. Os códigos válidos vão de 1 a 255 em decimal. Porém a faixa de 128 a 255 é reservada a respostas de falhas. Além das funções códigos pré programadas, outras funções podem ser definidas pelo usuário. O campo de dados das mensagens contém informações adicionais que junto com o código da função definem a ação a ser tomada. Se a comunicação Cliente/Servidor for bem sucedida a resposta terá os dados requisitados. Caso contrário, na ocorrência de um erro, é transmitido um código de falha.

aplicações onde não é possível aplicar o modo RTU.

3.3 Meios físicos Tratando da parte física utilizada pelo

Figura 2 - Requisição sem erro

Modbus pode-se utilizar os padrões de transmissão serial RS485 e RS232 além do padrão Ethernet. É importante destacar que estes padrões definem apenas as características elétricas para a transmissão de dados, ficando a cargo do protocolo utilizado as

Figura 3 - Requisição com erro

demais configurações.

O formato dos dados depende do modo de transmissão dos dados. Podendo se ser utilizado o modo ASCII (American Standard Code for Information

Interchange),

RTU

(Remote Terminal Unit).

Segundo (Jorge,2010), O modo RTU é mais eficiente que o modo ASCII. Pois nesse cada byte é composto de dois caracteres hexadecimais, que são uma conversão direta para binário puro. Enquanto no modo ASCII cada Byte é representado por dois caracteres da tabela

ASCII, sendo necessária a

conversão desses valores. Deve-se utilizar o modo ASCII apenas em

O padrão RS485 é baseado na tensão diferencial entre dois condutores que têm tensões iguais porém opostas. Não se trata de retorno, pois cada condutor tem seu retorno pelo terra ou um terceiro condutor neutro. De acordo com Olaria (2018,online): ● Podem ser conectados até 32 dispositivos

utilizando

esse

padrão. ● O cabeamento deve ser limitado a distância máxima de 1200 metros em 100 kbps para não ocorrer falhas na comunicação. ● A transmissão de dados em até 10 Mbps em uma distância máxima de 12 metros;

● É necessário apenas uma fonte simples de +5V para alimentar os circuitos de transmissão e

o terra. Segundo (Paiotti,2003) as características são as seguintes: ● Os

recepção; ● Transmissão

cabos

devem

ter

um

comprimento máximo de 15 de

dados

em

modo comum com tensões de

metros ● Máxima

-7V a +12V.

velocidade

de

transmissão de dados: 20 kb/s;

● Tensão máxima de saída: +/- 25 V; ● Sinal

de

saída

do

driver

(carregado): +/- 5 V a +/- 15 V; ● Impedância de carga do driver. 3 a 7 kΩ; ●

Taxa de crescimento (máx): 30 V/ps;

● Resistência

de

entrada

do

receptor: 3 k a 7 kΩ Figura 4 - RS485 a 4 fios

Um dos padrões de conectores que

Como apresentado na figura 4, tem-se

pode ser utilizado é o DB9, porém a

os dois conectores Do nos quais serão

utilização dos pinos será definida pelo

conectados os cabos diferenciais. A

protocolo.

tensão de referência e o condutor terra que podem ser usados dependendo da aplicação.

O padrão RS232 permite apenas que dois dispositivos estejam conectados através do cabo serial. No caso um mestre e um escravo como dito anteriormente. Utiliza três condutores, sendo dois com tensões diferenciais e

Figura 5 - Padrão RS232

dados que aproveita a camada de Utilizando o meio físico Ethernet para

transporte do protocolo T.

a

cabos

Ponto a ponto - Utilizando o formato

trançados e conectores RJ45 são

RS232 tem-se a configuração formada

usados. Sendo esses os mesmos dos

por um único mestre e um único

sistemas de telecomunicação, não é

escravo, formando a topologia ponto a

necessário

ponto.

transmissão

de

dados,

fazer

nenhuma

É

a

forma

mais

simples

modificação. Sua taxa de comunicação

possível, porém suas aplicações ficam

varia podendo chegar a 100Mbps ou

limitadas. Deve-se observar a taxa de

até mesmo 10Gbps.

comunicação

para

limitar

o

comprimento do cabo, evitando assim problemas

na

comunicação.

USP

(2018,online) Árvore - Na configuração RS485 um Figura 6 - Conector RJ45

mestre

pode

comandar

até

128

equipamentos, porém geralmente são 3.4 Topologia

utilizados até 31 para o sistema não

No que tange a topologia aplicada

ficar

podem

três formas

conectados a um único barramento

diretamente

que pode ter até 100 metros devido às

relacionadas com o meio físico que

limitações de baud rate, formando

será

assim uma topologia em árvore. É

ser

principais

utilizadas que

utilizado

estão

e

a

arquitetura

lento. Os equipamentos são

necessária da rede. Duas formas de

importante

transmitir os dados são através da

equipamentos estejam configurados

comunicação serial RS232 e RS485,

com a mesma taxa de transmissão de

sendo que o protocolo que irá definir a

dados. Chipkin(2010)

sequência e o formato dos dados para

Malha - De acordo com Jorge(2010)

a comunicação. Essas transmissões

Utilizando o Modbus T/IP é possível

seriais são utilizadas no Modbus RTU

aproveitar a infraestrutura do padrão

e Modbus ASCII, enquanto o Modbus

ethernet e o transporte utilizado pelo

T/IP utiliza uma configuração de

T. Sendo possível que o mesmo dispositivo

observar

atue

como

que

todos

mestre

ou

escravo, todos podem se conectar

OriMaster M, orifice-plate flowmeter

através da ethernet ou até mesmo a

Medidor de vazão de uma peça

internet.

adequado para líquidos limpos, gases

Um

dispositivo pode ser

acionado por mais de um mestre e

e aplicações de vapor em tamanhos

inclusive esse acionamento pode ser

de linha de 1 a 8 polegadas (DN25 a

feito

DN200) e em pressões de até 1450 psi

remotamente.

Caracterizando

uma topologia em malha que oferece

(100 bar). Fabricado pela ABB.

muitas possibilidades.

Assim como os dispositivos citados diversos outros podem ser consultados

3.5 Finalidade de aplicação

no site www.modbus.org, ando o

O protocolo Modbus pode ser utilizado

diretório de dispositivos.

sempre

que

for

preciso

ler

ou

monitorar um sensor, ativar um motor,

4. CONCLUSÃO

CLP, ou diversos equipamentos que

O protocolo modbus é um dos mais fáceis para implementação e é amplamente empregado na indústria. Porém ele apresenta algumas limitações como a impossibilidade de vários dispositivos comunicarem paralelamente ao mesmo tempo.

estejam configurados com o protocolo. Segundo Carlos Márcio Freitas (2014), o Modbus é amplamente empregado na

indústria.

características aplicado

Devido também

em

equipamentos automação

suas

tem

sido

instrumentos de

residencial

e

laboratório, e

até

automação de navios.

3.6 Exemplos de dispositivos/fabricantes Sensores de ambiente, WRF04 e FTW04 utilizado para medir temperatura e/ou umidade. Fabricado pela Thermokon Sensortechnik GmbH.

É recomendada sua aplicação em processos que não tenham uma dinâmica muito elevada.Como por exemplo o controle de temperatura de uma planta. Outras aplicações são possíveis e usuais como o acionamento de inversores e controladores lógico programáveis.

5. REFERÊNCIAS Carlos Marcio Freitas. ​Protocolo Modbus: Fundamentos e Aplicações. ​2014. Disponível em < https://www.embarcados.com.br/protoc olo-modbus/>. o em 13 de Set. de 2018.

Chipkin. ​Modbus for Field Technicians. ​2010. Disponível em . o em 08 de Set. de 2018.

Modbus. ​Modbus Application Protocol Specification​. 2012. Disponível em: . o em 12 de set. de 2018.

Paiotti, Renato. ​Comunicação Serial Usando o Protocolo RS232 (TEL213). ​Disponível em . o em 12 de Set. de 2018​ .

Schneider Electric. ​What is Modbus and How does it work?​. 2018 .Disponível em: . o em 07 de set. de 2018.

Uel. Padrão RS485 ​. 2018. Disponível em .o em 08 de Set. de 2018.

USP. ​Protocolos Digitais de Comunicação de Chão de Fábrica HART e Modbus. ​2018. Disponível em . o em 12 de Set. de 2018