Introduction Modbus

Modbus est un des protocoles les plus populaires en automatisme. Il supporte les équipements série et Ethernet. De nombreux équipements industriels, comme des automates programmables, des systèmes numérique de contrôle, des Interface Homme Machine, des terminaux et de nombreux autres, utilisent Modbus comme standard de communication.

Certains équipements un peu ancien mais toujours utilisé, limités aux connexions série Modbus, peuvent nécessiter d’être rattachés à des périphériques ou hôtes compatibles Modbus TCP d’ou la nécessité de passerelles Modbus.

Equipements Maîtres ou Esclaves

Tous les équipements Modbus sans exception sont soit maître ou esclave.

Les maîtres sont à l’initiative des communications avec les esclaves et ne communiquent pas avec d’autres maîtres.

Les esclaves sont passifs et communiquent simplement en répondant aux requêtes des équipements maîtres.

Esclaves sont identifiés par des ID (numéro identifiant)

Chaque esclave Modbus d’un système possède un numéro unique (ID) compris entre 1 et 247.

Quand un maître veut interroger un esclave, il doit inclure l’ID de l’esclave dans sa requête.

Les équipements maîtres n’ont pas d’identifiant (ID).

Communication via des requêtes et des réponses

Tous les échanges Modbus sont basés sur un système d’interrogation (request) et de réponses (response).

Un maître envoie une requête à un esclave qui lui renvoie sa réponse.

Le maître attend de recevoir la réponse avant d’émettre une autre requête.

Les ordres Broadcast n’attendent pas de réponse.

Normal

Un maître envoie une requête à un esclave qui lui renvoie sa réponse.

Exception

Un maître envoie une requête à un esclave. L’esclave ne comprend pas la commande ou une erreur est détectée alors, il renvoie une exception au maître.

Broadcast

Un maître envoie une requête Broadcast, comme par exemple une commande de redémarrage. Chaque esclave exécute cette commande sans envoyer de réponse au maître.

Attention au temps de réponse des requêtes

Le protocole n’a pas été conçu pour travailler en simultané que ce soit au niveau des réponses des esclaves ou des requêtes des maîtres Modbus.  Une et une seule requête sur un réseau peut être traiter à la fois.  Lorsqu’un maître envoie un requête à un esclave, aucune autre communication ne peut être entreprise avant la réponse de l’esclave. Le protocole Modbus utilise la fonction “délai de réponse” pour déterminer lorsqu’un esclave ne répond pas du fait d’une panne ou d’un problème sur le bus. Cette fonction permet à un maître d’abandonner la demande si aucune réponse n’est reçue durant ce laps de temps..

délai de réponse

Le maître envoie une requête. L'esclave ne répond pas dans le temps imparti, le maître abandonne la demande et le fonctionnement reprend, ce qui permet de lancer une autre requête.

Afin de permettre une compatibilité avec une large gamme d’appareils, les constructeurs laissent ce délai parmétrable.

Ceci rend difficile le travail de l’intégrateur car il doit définir ce délai d’attente lui même dans la configuration des produits.

La série Mgate possède une fonction breveté qui contrôle les équipements connectés et recommande une valeur de délai de réponse. Ceci permet une économie en temps considérable pour les intégrateurs.

Modbus Ethernet contre Modbus série

Bien que modbus soit construit autour d’une couche application, il subsiste des distinctions entre le modbus TCP et le modbus série (ASCII ou RTU) pour les communications :

• modbus série (ASCII et RTU) autorise seulement une requête maître à la fois sur le réseau. Une fois qu’une requête est émise, aucune autre communication n’est autorisée sur le bus tant que l’esclave n’a pas répondu ou jusqu’à ce que la demande arrive à expiration.
• modbus TCP permet l’envoi de requêtes simultanées sur le réseau (de plusieurs maîtres à plusieurs esclaves). Un maître TCP ne peut pas envoyer plus d’une demande à la fois à un esclave mais il peut envoyer des requêtes à d’autres esclaves avant d’avoir reçue la réponse du précédent. La norme recommande que les esclaves puissent mettre en file d’attente jusqu’à 16 demandes. Les passerelles MGate gèrent en file d’attente jusqu’à 32 demandes pour un maximum de 16 maîtres.

Intégration modbus série et TCP avec les passerelles

Normalement, Modbus TCP et Modbus ASCII/RTU sont incapables de communiquer ensemble.

Cependant, en positionnant une passerelle modbus entre le réseau modbus série et le réseau modbus Ethernet, les maîtres TCP sont capable de communiquer avec des esclaves série et les maîtres série sont capable de communiquer avec les esclaves TCP.

Applications typiques

Maitre Ethernet avec plusieurs esclaves série

La plupart des automates et ordinateurs supportent le modbus TCP.  Pour accéder à des équipements Modbus ASCII/RTU et y collecter des données, il faut ajouter une passerelle Mgate. Cette passerelle supporte jusqu’à 16 connexions TCP simultanées. L’interface série est multiple RS232, 422/485 et chaque port peut recevoir 1 équipement 232/422 ou jusqu’à 31 équipements en mode RS485.

Maitre Série avec plusieurs esclaves ethernet

Beaucoup d’interface Homme machine (HMI) utilisent une interface série pour y connecter des systèmes de contrôle (DCS). Cependant, de nombreux DCS sont désormais Ethernet et fonctionne en tant qu’esclave Modbus TCP. La passerelle Mgate peut relier une interface HMI série et un sytème DCS sur réseau TCP. Jusqu’à 32 esclaves modbus TCP sont supportés par passerelle Mgate.

Modbus maître TCP avec esclaves ascii ou rtu

Relier un maître TCP avec des équipements série ASCII et RTU simultanément.

Lors de l'intégration Modbus, vous pouvez rencontrer différents réseaux Modbus série qui utilisent des taux de transmission  ou des protocole différents. Modbus ASCII peut être utilisé par certains périphériques, tandis que Modbus RTU est utilisé par d'autres appareils. Les modèles 2 et 4 ports peuvent intégrer différents paramètres ou protocoles modbus (ascii ou rtu, ID esclave).  Après la configuration, seule la passerelle sera visible depuis le Modbus TCP maître mais tous appareils série y seront intégrés.

Maitre série avec esclaves série à travers Ethernet

De nombreux équipements modbus communiquent via RS485, ce qui limite le nombre d’équipements sur le réseau à 32 et la transmission à une distance maximum de 1,2Km.

Avec les passerelles Mgates, vous pouvez relier tous les équipements sur un réseau Ethernet.

Jusqu’à 32 passerelles peuvent être installées sur le même réseau ainsi chaque équipement peut être consulter depuis n’importe quel point du réseau Ethernet.

Etude de cas

Il y a plusieurs raisons d’utiliser une passerelle Modbus. Chaque situation a ses propres exigences et difficultés. Ce chapitre présente quelques études de cas. Si vous ne trouvez pas votre cas,  cela ne signifie pas que la passerelle MGate ne vous convient pas.

1) Remplacer des maîtres série par des maîtres Ethernet, les ID sont configurables

Avant : l’architecture est composée de plusieurs systèmes série . Dans chaque système, un maître série communique avec un esclave série

Après : la passerelle Mgate va permettre de contrôler chaque équipement série depuis les maîtres SCADA TCP. Cependant, comme les ID ne peuvent être identique, il est nécessaire de modifier certains ID esclaves pour les intégrer dans le réseau.

2) Remplacer des maîtres série par des maîtres Ethernet, les ID sont fixe et non modifiables

Certains anciens périphériques esclaves Modbus ont des ID fixes qui ne peuvent pas être modifiés. Afin d'intégrer ces dispositifs dans un réseau Modbus TCP, une passerelle Mgate type (MB3280, MB3270, MB3480) peut être utilisé pour attribuer des ID esclaves virtuels.

3) Conserver un maître série et ajouter des maîtres Ethernet TCP

Dans ce scénario, la communication Modbus série est directe avec une faible latence. Le maître série ne peut pas être remplacé mais d’autres maîtres Ethernet ont besoin d’accéder à l’équipement série esclave pour superviser et remonter les informations.

Un modèle MGate advanced  (MB3270) peut être inséré dans le système série, avec l'esclave connecté à un port série et le maître à un autre port série. La passerelle permet ensuite à d’autres maîtres Ethernet de communiquer avec les esclaves série, il fournit également une redirection série qui permet au maître série de continuer à contrôler l’esclave.

4) Intégrer Modbus RTU, ASCII et TCP en même temps

Il existe une grande variété d’équipements plus ou moins sophistiqués dans le monde de l’industrie. Si certains ne sont que des appareils de mesure ou capteurs qui remontent leurs informations vers les équipements, d’autres sont aussi plus complexes comme des machines de fabrication ou des automates programmables.

L’intégration de ces équipements pose parfois de nombreux problème car entre 2 systèmes, la vitesse de dialogue peut varier, le protocole Modbus peut être ASCII au lieu de RTU...

Les passerelles Mgate permettent d’intégrer ces différents systèmes dans un même réseau Modbus en respectant les protocoles et paramètres de communication.

Tableau comparatif des produits Mgate