工業4.0 與物聯網:如何打造智慧工廠 Part 2: Modbus
Modbus介紹
在上一篇文章中，我們討論了「工業4.0 與物聯網:如何打造智慧工廠」。現在我們將深入探討一些關鍵技術，這些技術使傳統製造商或自動化生產線智慧化。
Modbus是一種廣泛使用的工業通訊協議，它允許各種類型的設備和系統之間進行數據交換。Modbus或MODBUS是OSI模型應用層中的客戶端/服務器數據通信協議。它最初由Modicon（現在是施耐德電氣）於1979年發布，用於其可編程邏輯控制器（PLC）。
Modbus已成為工業電子設備之間通信的事實上標準協議，適用於廣泛的總線和網絡。由於其易於使用和可靠性，Modbus RTU在建築管理系統（BMS）和工業自動化系統（IAS）中被廣泛接受並使用。
工業網絡中有兩個流行的Modbus變體-Modbus RTU和Modbus TCP/IP。這兩種協議都用於建立工業設備之間的主從通信。
在本全面指南中，我們將深入探討Modbus RTU和Modbus TCP/IP協議。我們還將對這兩種協議進行比較分析，以了解何時使用Modbus RTU以及何時採用Modbus TCP/IP。
Modbus RTU
Modbus RTU 是一種相對簡單的串列協定，可以通過傳統的 UART 技術傳輸。數據以 8 位元組的形式傳輸，一次傳輸一位，鮑率範圍為 1200 位元/秒（鮑率）到 115200 位元/秒。大多數 Modbus RTU 設備僅支持高達 38400 位元/秒的速度。
Modbus RTU 網路有一個主設備和一個或多個從設備。每個從設備都有一個唯一的 8 位設備地址或單元號。主設備發送的數據包包括消息要傳送到的從設備的地址。從設備只有在識別到其地址後才會響應，並且必須在一定時間內響應，否則主設備將稱其為“無響應”錯誤。
該協定主要使用 RS-232 或 RS-485 串列介面進行通訊，並且市場上每一個商業的 SCADA、HMI、OPC 伺服器和數據採集軟體程式都支持該協定。這使得將 Modbus 兼容設備整合到新的或現有的監控和控制應用程式中變得非常容易。
Modbus TCP/IP
Modbus TCP/IP 使用乙太網和 TCP/IP 網路，在 IP 網路上實現 Modbus 協定。數據以 ASCII 格式編碼並透過 TCP/IP 傳輸。
Modbus TCP 將 Modbus RTU 請求和響應數據包封裝在一個 TCP 包中，該包通過標準乙太網絡傳輸。單元號仍然包含在其中，其解釋因應用程序而異 —— 單元或從站地址不是 TCP 中的主要尋址方式。這裡最重要的地址是 IP 地址。Modbus TCP 的標準端口是 502，但如果需要，通常可以重新分配端口號。
Modbus 的 TCP 版本遵循 OSI 網路參考模型。Modbus TCP 定義了 OSI 模型中的表示層和應用層。
Modbus TCP 使得主從定義不太明顯，因為乙太網允許點對點通訊。在 Modbus 術語中，這意味著可以有多個主站以及多個從站。不再根據設備逐個定義物理設備上的主從關係，現在系統設計人員有責任在主從功能之間建立邏輯關聯。
Modbus RTU 和 Modbus TCP/IP 的比較
● Modbus RTU 比 Modbus TCP/IP 更容易實施和更便宜。
● Modbus TCP/IP 更靈活、可擴展，可以使用現有的乙太網網路。
● Modbus TCP/IP 比 Modbus RTU 更快，但由於 TCP/IP 的開銷，延遲更高。
● Modbus TCP/IP 比 Modbus RTU 需要更多的安全考慮。
- 32 個以下從站設備的小型 Modbus 網路
- 工廠或廠房內短距離通信
- 舊式串列設備和應用程序的 Modbus 連接
- 需要高速二進制數據傳輸的控制網絡
- 出於安全原因需要邏輯網絡隔離
- 緊密耦合的 Modbus 系統，無需遠程訪問
- 對成本敏感的應用，由於串列基礎設施成本較低
- 需要與現有乙太網網路集成。
- 需要在本地和全球範圍內進行 Modbus 連接。
- 需要基於 Web 的遠程監控和控制功能。
- 需要與多個 Modbus 主站和從站互操作。
- 計劃在未來擴展以容納更多設備。
- 實時數據歷史記錄和軟件需要 IP 連接。
- 集中式監控和數據採集（SCADA）系統。
- 法規遵從性要求使用 VPN 等網路安全措施。
Modbus RTU 和 Modbus TCP/IP 是兩種可行的工業通訊協定，各有優缺點互補。Modbus RTU 可透過經濟實惠的串列網路提供高速二進制 Modbus 連接，而 Modbus TCP/IP 則可實現與企業 IT 系統以及基於網際網路的遠端存取功能的整合。
了解實施、效能和安全方面的關鍵差異有助於選擇合適的協定。對於現有的串列網路，Modbus RTU 可能就足夠了。對於新的大型部署，Modbus TCP 的靈活性和可擴展性將會非常有利。使用 Modbus 閘道的混合網路提供了一條利用這兩種技術優勢的遷移路徑。
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