Настройка и использование протокола Modbus в KLogic

Modbus – открытый коммуникационный протокол, основанный на архитектуре ведущий-ведомый (master-slave). Широко применяется в промышленности для организации связи между электронными устройствами. Может использоваться для передачи данных через последовательные линии связи RS-485, RS-422, RS-232, и сети TCP/IP (Modbus TCP).

Отличительной особенностью реализации протокола Modbus в системе программирования «KLogic» является ее универсальность, позволяющая опросить подавляющее большинство устройств с данным протоколом. К основным преимуществам реализации относятся:

• поддержка всех стандартных разновидностей протокола: RTU, ASCII и TCP;
• возможность опроса RTU и ASCII устройств через преобразователи COM-Ethernet по IP адресу и номеру TCP порта преобразователя;
• гибкая настройка параметров связи: таймаут по обмену, множитель к стандартному межбайтовому интервалу, число повторных запросов при ошибках и т.д.;
• автоматическая группировка запросов (чтение подряд идущих регистров одним запросом) на основе заданного размера буфера устройства;
• поддержка стандартных функций протокола:
  • чтение данных: 1 (0x01) – Read Coil Status, 2 (0x02) – Read Discrete Inputs, 3 (0x03) – Read Holding Registers, 4 (0x04) – Read Input Registers;
  • запись одного значения: 5 (0x05) – Force Single Coil, 6 (0x06) – Preset Single Register;
  • запись нескольких значений: 15 (0x0F) – Force Multiple Coils, 16 (0x10) – Preset Multiple Registers;
• поддержка стандартных типов данных:
  • 1 регистр: BOOL, BYTE, WORD, SINT, INT;
  • 2 регистра: DWORD, DINT, REAL;
• чтение архивов, поддержка нестандартных функций и реализаций типов данных для устройств, включенных в поставку системы программирования «KLogic»;
• возможность выбора (в т.ч. для группы или отдельно взятого тега) последовательности байт регистра, последовательности регистров (для типов данных, занимающих 2 регистра);
• возможность наложения маски на вычитанное целочисленное значение, проверки состояния отдельно взятого бита в значении;
• возможность применения к вычитанному значению множителя;
• управление частотой опроса отдельных регистров;
• асинхронная запись значений регистров, в т.ч. в момент опроса другого устройства на порту, с возможностью последующего их чтения через заданный интервал;
• контроль стандартных ошибок протокола, проверка нумерации транзакций для TCP устройств, адреса устройства и номера функции в ответном сообщении.

Настройка обмена с Modbus устройством в системе программирования «KLogic» заключается в добавлении устройства в конфигурацию контроллера и собственно настройки параметров связи с ним. В поставке системы программирования «KLogic» присутствует поддержка большого числа Modbus устройств, в т.ч. приборов учета с возможностью вычитки их архивов. Однако очень часто возникает ситуация, когда поддержка устройства отсутствует. Для добавления нового устройства в систему программирования «KLogic» силами пользователя существует универсальный конвертер карт адресов из книги Excel во внутренние файлы описания устройств.

 Первым делом необходимо заполнить карту адресов устройства в Excel, взяв за основу шаблон для протокола Modbus.

Карта адресов состоит из двух блоков данных – блок общих свойств модуля и блок свойств тегов.

Блок общих свойств модуля представляет собой вертикальный список, слева от которого располагаются идентификаторы полей. Признаком начала такого блока считается ячейка с текстом «common_setts», расположенная первой в столбце идентификаторов, признаком конца блока является первая встреченная пустая строка.

Красным цветом в таблицах выделены поля, требующие обязательного заполнения (по крайней мере, первой строки, если идентификатор поддерживает наследование значений).

Таблица 1

Идентификаторы блока общих свойств

№	Идентификатор	Значение по умолчанию	Тип данных	Наследование	Примечание
1	MOD_ID		WORD	Неприменимо	Числовой идентификатор модуля, уникальный для всех устройств KLogic
2	MOD_GRNAME	Пустая строка	STRING	Неприменимо	Наименование группы модулей
3	MOD_NAME		STRING	Неприменимо	Наименование модуля
4	MOD_CFGNAME	Xls	STRING	Неприменимо	Наименования модуля в бинарной конфигурации KLogic
5	MOD_DESCR	Пустая строка	STRING	Неприменимо	Описание модуля

Числовые идентификаторы пользовательских модулей не должны совпадать с идентификаторами модулей, входящих в базовую поставку KLogic! Поэтому для всех пользовательских модулей необходимо использовать сквозную нумерацию, начиная с 60001.

Блок свойств тегов представляет собой таблицу, в шапке которой располагаются идентификаторы полей. Признаком начала такого блока считается ячейка с текстом «import_col_name», расположенная первой в строке идентификаторов, признаком конца блока является первая встреченная пустая строка или строка, содержащая ячейку с идентификатором «end_import_data_block», и первый пустой столбец.

Таблица 2

Идентификаторы блока тегов

№	Идентификатор	Значение по умолчанию	Тип данных / допустимые значения	Наследование	Примечание
1	TAG_GROUP	Пустая строка	STRING	Да	Наименование группы тегов; поскольку наследование для групп разрешено, это означает, что все теги вне групп должны быть расположены в карте адресов первыми
2	TAG_CIPHER		STRING	Нет	Шифр тега
3	TAG_DESCRIPTION	Пустая строка	STRING	Нет	Наименование тега
4	TAG_MEASURE	Пустая строка	STRING	Нет	Единица измерения тега
5	MB_TRG		BOOL, BYTE, WORD, DWORD, SINT, INT, DINT, USINT, UINT, UDINT, REAL	Да	Тип данных регистра Modbus (именно регистра, а не тега, который необходимо получить в результате)
6	MB_FUNC	Пустая строка	1…4	Да	Функция чтения
7	MB_ADR	Пустая строка	WORD	Да	Адрес для чтения
8	MB_FWR	Пустая строка	5, 6, 15, 16	Да	Функция записи
9	MB_ADRWR	Пустая строка	WORD	Да	Адрес для записи
10	MB_MSK	-1	-1…31	Нет	Номер бита для регистров с типом данных, отличным от FLOAT; значение -1 соответствует регистру целиком
11	MB_K	1	FLOAT	Нет	Множитель
12	MB_CYCLE	0	WORD	Нет	Число пропущенных циклов
13	MB_RW	R	R, W, RW	Да	Доступ к регистру; данный идентификатор определяет, какой или какие из наборов номеров функций и адресов регистров попадут при экспорте в описание тега
14	MB_BRG	Обратный	Обратный, Прямой	Да	Порядок байт регистра
15	MB_WRG	Обратный	Обратный, Прямой	Да	Порядок байт регистра

 

Некоторые идентификаторы предусматривают наследование своих значений. Хотя это и удобно (можно, например, в первой строке таблицы указать для всей карты адресов Modbus доступ к регистрам только на чтение), нужно не забывать отменять наследование там, где это необходимо, указывая новое значение идентификатора для строки.

Конвертер автоматически определяет типы тегов, которые получатся в результате конвертирования. К примеру, после применения множителя к регистру с типом данных WORD  на выходе получится вещественный тег. Аналогично, при выборе любого бита из регистра с типом данных WORD на выходе получится дискретный тег.

Если функция чтения или функция записи не задана, ее номер будут определен автоматически по значениям идентификаторов «MB_RW» и «MB_TRG» в соответствии со стандартом Modbus. Тем не менее, идентификаторы «MB_FUNC» и «MB_FWR» предполагают наследование значений, поэтому, если в какой-то строке номер функции был задан явно, в последующих строках будет осуществляться наследование введенного номера функции, либо он может быть вновь переопределен явно.

Если адрес для записи не указан, а доступ к регистру подразумевает запись значений, будет использован адрес для чтения.

Не все производители оборудования строго следуют стандарту Modbus, потому значения в регистрах могут иметь неверный порядок байт и слов (порядок слов имеет значение только для типов данных, занимающих более одного регистра – DWORD, DINT и FLOAT). Если после завершения настройки связи с устройством значения тегов окажутся неверными, попробуйте изменить порядок слов и/или байт регистра.

Число пропущенных циклов определяет, с какой частотой будет запрашиваться значение конкретного тега. К примеру, число пропущенных циклов, равное 1, означает, что значение будет запрашиваться через раз.

Следует помнить, что именно значение идентификатора «MB_RW» определяет, какой или какие из наборов номеров функций и адресов регистров попадут при экспорте в описание тега. Например, если значение идентификатора «MB_RW» равно «W», то при экспорте будут учтены только функция записи и адрес для записи.

После окончания заполнения карты адресов ее необходимо сохранить и запустить конвертер.

 

Для начала работы с конвертером необходимо выбрать книгу Excel с картой адресов, нажав на кнопку «Открыть книгу Excel». При возникновении ошибки открытия книги Excel будет выдано сообщение об ошибке:

 

После открытия книги Excel будет подгружен список наименований ее листов:

Необходимо выбрать лист, содержащий корректно заполненную карту адресов Modbus, после чего начнется автоматический разбор содержимого листа:

В логе работы конвертера отображается подробный отчет о разборе содержимого листа, перечисляются ошибки разбора, если они присутствуют:

При успешном разборе листа Excel заполняются таблицы общих атрибутов модуля KLogic и атрибутов тегов, доступные для просмотра. Эти таблицы содержат обработанные данные, загруженные с листа Excel, по которым можно проверить корректность заполнения исходной карты адресов.

Для осуществления экспорта необходимо нажать кнопку «Экспортировать в IO». После окончания процедуры экспорта будет выведено сообщение:

Полученный файл необходимо скопировать в папку Bin\KLData, где установлен KLogic. После этого запустить систему программирования «KLogic», добавить в конфигурацию контроллера протокол «[UNI] Modbus (RTU, TCP, ASCII)» из группы «Протокол ModBus», в протокол добавить новое устройство (имя и группа определяются атрибутами табл. 1).

Настройки протокола содержат следующие пункты:

1. Период выполнения задачи – стандартная настройка для всех протоколов KLogic, определяет, как часто будут опрашиваться модули, добавленные в протокол. При этом следует помнить, что модули в рамках одного протокола опрашиваются последовательно.
2. Тип коммуникационной связи – определяет тип связи со всеми модулями в пределах протокола. Для RTU и ASCII следует установить 0 (COM порт), для TCP, а также RTU или ASCII через преобразователь COM-Ethernet (опрос через сокет) нужно установить 1 (Ethernet).

Настройки для типа связи 0 (COM порт):

1. Номер СОМ порта – определяет номер COM порта контроллера, через который будет производиться опрос модулей.
2. Скорость обмена – определяет скорость обмена по выбранному порту. См. всплывающую подсказку для выбора конкретной скорости.
3. Число бит данных, Контроль байтовой посылки, Число стоп-бит – определяют параметры выбранного порта.
4. Таймаут по обмену – определяет таймаут, по истечению которого будет считаться, что связь с модулем потеряна.
5. Множитель – определяет множитель к стандартному межбайтовому таймауту для выбранной скорости обмена. На длинных и зашумленных линиях связи, а также при наличии ошибок, рекомендуется задать значение, превышающее 1.
6. Число повторных транзакций – определяет число повторных запросов, если запрос оказался неудачным (нет ответа или ошибка). На длинных и зашумленных линиях связи, а также при наличии ошибок, рекомендуется задать значение, превышающее 0.

Настройки для типа связи 1 (Ethernet):

1. IP адрес – IP адрес преобразователя COM-Ethernet. При опросе устройств по Modbus TCP установить значение 0.0.0.0.
2. Номер порта – номер TCP порта преобразователя COM-Ethernet. При опросе устройств по Modbus TCP установить значение 0.
3. Тайм-аут по присоединению – таймаут по присоединению к преобразователю COM-Ethernet.
4. Закрывать сокет – настройка, определяющая, будет ли закрываться TCP сокет с преобразователем COM-Ethernet или устройствами Modbus TCP после полного цикла опроса устройств, или нет. В подавляющем большинстве случаев закрывать сокет не нужно.
5. Опрос тегов после команды – определяет, необходимо ли запрашивать все теги устройства после выполнения команды записи один из его тегов.
6. Таймаут перед запросом – задержка в миллисекундах перед запросом всех тегов устройства после выполнения команды записи.

 

Настройки модуля содержат следующие пункты (часть из них может отсутствовать):

1. Адрес устройства – определяет адрес устройства в сети Modbus.
2. Тип протокола – определяет тип протокола устройства (0 – RTU, 1 – TCP, 2 – ASCII).
3. Тайм-аут между транзакциями – время в миллисекундах между двумя последовательными транзакциями в сети Modbus.
4. Число регистров – максимальное число запрашиваемых регистров в одной транзакции. Данный параметр напрямую влияет на скорость опроса, однако слишком большие значения могут привести к ошибкам при опросе. Для корректного заполнения этого параметра необходимо узнать размер буфера устройства, либо подобрать его эмпирически.
5. IP-адрес устройства – IP адрес устройства Modbus TCP.
6. Номер порта – номер TCP порта устройства Modbus TCP, как правило, равен 502.
7. Delta – максимальное число неопрашиваемых регистров между двумя опрашиваемыми регистрами для формирования единого блока опроса. Позволяет существенно повысить скорость обмена с устройством, но требует, чтобы неопрашиваемые регистры присутствовали в устройстве, иначе будут ошибки при опросе.
8. Тип запроса тегов – служит скорее для отладки, чем для штатного опроса. При установке значения 1 опрос будет производиться запросом каждого регистра по отдельности, настройки 4 и 7 будут проигнорированы.
9. Закрывать сокет – настройка, определяющая, будет ли закрываться TCP сокет с устройством Modbus TCP после полного цикла опроса устройств, или нет. Настройка имеет более высокий приоритет, чем аналогичная настройка в протоколе.
10. Тайм-аут по присоединению – таймаут по присоединению к устройству Modbus TCP.
11. Проверка записи тега – настройка, определяющая необходимость проверки записи в регистр и число повторных попыток записи. В подавляющем большинстве случаев проверку записи использовать не нужно.
12. Не проверять номер транзакции – запрет проверки номера транзакции при обмене с устройством Modbus TCP. Имеет смысл включить только при наличии Ош076 (нарушение нумерации транзакций).

После завершения настройки протокола и модуля(ей) необходимо загрузить конфигурацию в контроллер и убедиться в корректном опросе устройства.

Часто встречающиеся коды ошибок:

1. Ош003 – ошибка открытия COM-порта. Возможно, порт с таким номером отсутствует в системе, либо занят другим приложением.
2. Ош007 – таймаут по обмену. Зачастую означает неверные настройки COM-порта или обрыв на линии связи с устройством. Также возможно неверно указан адрес устройства в сети Modbus.
3. Ош006, Ош011 и Ош020 – ошибка CRC и ошибка формата принятого сообщения. Означают проблемы с качеством линии связи. Возможно, следует увеличить множитель межбайтового таймаута, число повторных запросов или таймаут по обмену. Ну и конечно улучшить качество линии связи.
4. Ош029 – ошибка присоединения к устройству (для Ethernet). Зачастую означает проблемы с линией связи или неверно указанный IP-адрес и порт устройства.
5. Ош048 и Ош050 – не определена маска для получения значения тега и тип тега не соответствует формату сигнала. Данные ошибки означают наличие неточностей в описании конкретных тегов в io-файле, необходимо проверить файл на ошибки.
6. Ош012, Ош013 и Ош014 – соответствуют кодам 1, 2 и 3 стандартных ошибок Modbus.
7. Ош091-Ош098 – соответствуют кодам 1-8 стандартных ошибок Modbus.