Modbus TCP/IP - PDF
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This document describes the Modbus TCP/IP communication protocol, used for connecting industrial electronic devices. It details its context, objective, how it works, its structure (MBAP header and PDU), the different function codes, an example of communication, its advantages and finally comparisons with other protocols.
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Traduit de Anglais vers Français - www.onlinedoctranslator.com Modbus TCP/IP Modbus TCP/IP est un protocole de communication largement utilisé pour connecter des appareils électroniques...
Traduit de Anglais vers Français - www.onlinedoctranslator.com Modbus TCP/IP Modbus TCP/IP est un protocole de communication largement utilisé pour connecter des appareils électroniques industriels. Il combine le protocole Modbus avec la mise en réseau TCP/IP standard pour permettre une communication transparente sur les réseaux Ethernet. Voici une description détaillée : 1. Contexte et objectif - Modbus:Développé à l'origine par Modicon (maintenant Schneider Electric) en 1979 pour être utilisé avec les PLC (contrôleurs logiques programmables), il s'agit d'un protocole simple, ouvert et largement adopté pour l'automatisation industrielle. - TCP/IP :Une suite de protocoles de communication utilisés pour la mise en réseau des appareils sur Internet et dans les réseaux locaux. 2. Comment fonctionne Modbus TCP/IP Modbus TCP/IP encapsule les trames Modbus dans des paquets TCP, ce qui permet aux données Modbus d'être transmises sur des réseaux Ethernet standard. Les principaux composants sont les suivants : - Relation maître/client et esclave/serveur :Dans Modbus TCP/IP, le client (généralement un système SCADA ou un PLC) initie la communication et le serveur (un périphérique comme un capteur ou un actionneur) répond. - Port TCP :Le port par défaut utilisé est502,réservé à la communication Modbus. - Trames Ethernet :Les données Modbus sont intégrées dans des trames Ethernet standard pour la transmission. - Adressage IP :Chaque périphérique Modbus TCP/IP possède une adresse IP unique pour l'identification sur le réseau. 3. Structure du protocole Une structure de message Modbus TCP/IP typique se compose de : - En-tête MBAP (protocole d'application Modbus) : ou Identifiant de transaction (2 octets) :Identifie la paire demande-réponse. ou Identifiant du protocole (2 octets) :Toujours régler sur 0 pour Modbus. ou Champ de longueur (2 octets) :Spécifie le nombre d'octets dans le message suivant ce champ. ou Identifiant de l'unité (1 octet) :Utilisé pour identifier un périphérique spécifique sur un réseau multipoint, souvent 0xFF pour TCP/IP. - PDU (unité de données de protocole) : ou Code de fonction (1 octet) :Spécifie l'opération (par exemple, 0x03 pour la lecture des registres de maintien). ou Données (longueur variable) :Contient des paramètres tels que les adresses de départ et le nombre de registres à lire. 4. Codes de fonction Les codes de fonction Modbus TCP/IP courants incluent : - 0x01:Lire les bobines (sorties binaires) - 0x02:Lire les entrées discrètes (entrées binaires) - 0x03:Lire les registres de stockage (stockage de données) - 0x04:Lire les registres d'entrée (entrées analogiques) - 0x05:Écrire une bobine simple - 0x06:Écrire un registre unique - 0x0F:Écrire plusieurs bobines - 0x10:Écrire plusieurs registres Modbus TCP/IP prend en charge la signalisation des exceptions pour indiquer les erreurs, les codes courants sont : - 0x01 : Fonction illégale - 0x02 : Adresse de données illégale - 0x03 : valeur de données illégale - 0x04 : Échec du périphérique esclave - 0x05 : Reconnaître 5. Exemple de communication 1.Demande du client :Un client envoie une demande de lecture de données à partir d'un serveur, en spécifiant le code de fonction 0x03 (lecture des registres de maintien) avec l'adresse de départ et le nombre de registres à lire. 2.Réponse du serveur :Le serveur traite la demande et renvoie les données ainsi que toutes les informations d'état. 6. Avantages de Modbus TCP/IP - Largement pris en charge :Compatible avec une large gamme d'appareils et de systèmes industriels. - Réseau standard :Utilise la pile TCP/IP existante, ce qui facilite l'intégration avec les systèmes basés sur Ethernet. - Évolutivité :Peut prendre en charge plusieurs connexions, permettant à de nombreux clients d'accéder simultanément aux données du serveur. 7. Modbus TCP/IP et Modbus RTU - Couche de transport :Modbus TCP/IP utilise Ethernet (basé sur IP), tandis que Modbus RTU utilise la communication série (RS-232/RS-485). - Encadrement:Modbus TCP/IP inclut un en-tête MBAP, tandis que Modbus RTU utilise un format plus simple avec CRC (Cyclic Redundancy Check) pour la vérification des erreurs. - Performance:Modbus TCP/IP permet généralement un transfert de données plus rapide et des distances de communication plus longues par rapport à Modbus RTU. 8. Applications - Systèmes SCADA :Pour la surveillance et le contrôle des processus industriels. - Automatisation des bâtiments :Connexion des systèmes CVC, d'éclairage et de sécurité. - Gestion de l'énergie :Intégration de compteurs intelligents et de systèmes électriques. 9. Considérations de sécurité Bien que Modbus TCP/IP soit simple, il manque de fonctionnalités de sécurité intégrées. Il est recommandé d'utiliser : - Pare-feu et VPN :Pour protéger le réseau. - Alternatives sécurisées :Comme Modbus Secure (basé sur TLS) pour une communication cryptée. 10. Conseils de mise en œuvre - Configuration IP :Assurez-vous que les appareils sont configurés avec des adresses IP uniques et sont accessibles sur le réseau. - Délais d'attente et nouvelles tentatives :Implémentez une gestion appropriée du délai d’attente et des nouvelles tentatives pour garantir une communication fiable. - Intégrité des données :Vérifiez les réponses pour la cohérence et la détection des erreurs (même si TCP/IP gère une partie de cela). Modbus TCP/IP est fiable pour une utilisation industrielle en raison de sa simplicité et de sa capacité à fonctionner sur une infrastructure Ethernet standard, facilitant ainsi les applications d'automatisation et IoT modernes Modbus TCP/IP : paradigme client/serveur Modbus TCP/IP fonctionne sur leclient/serveurmodèle de communication, une caractéristique clé qui le distingue des autres variantes de Modbus. La compréhension de ce paradigme est essentielle pour concevoir et mettre en œuvre des systèmes utilisant Modbus sur des réseaux TCP/IP. 1. Quel est le paradigme client/serveur ? Dans le modèle client/serveur : - Client: ou Initie la communication. ou Envoie des requêtes au serveur. ou Demande des données spécifiques ou commande au serveur d'effectuer certaines actions. - Serveur: ou Attend les demandes du client. ou Traite la demande et renvoie une réponse. ou Permet d'accéder aux données (par exemple, les lectures des capteurs) ou d'effectuer des actions de contrôle (par exemple, la mise sous tension d'un appareil). Ce paradigme est analogue à la manière dont un navigateur Web (client) demande des pages Web à un serveur Web. 2. Rôles dans Modbus TCP/IP - Rôle du client : ou Généralement un système de supervision comme SCADA, une IHM (interface homme-machine) ou un PLC. ouIl collecte des données provenant de plusieurs serveurs ou leur envoie des commandes. ou Exemple de requête : « Lire les registres de maintien commençant à l'adresse 100 à partir d'un périphérique serveur. » - Rôle du serveur : ouDes appareils tels que des automates programmables, des capteurs ou des actionneurs. ou Ces appareils exposent leurs données (par exemple, les relevés de température) ou autorisent des actions (par exemple, ouvrir une vanne) sur demande. ou Exemple de réponse : « Voici les données des registres de stockage commençant à l'adresse 100. » 3. Flux de travail de communication 1.Le client initie la communication : ou Le client envoie une requête au serveur à l'aide d'un code de fonction Modbus (par exemple, 0x03 pour lire les registres de maintien). ou La requête est encapsulée dans une trame TCP et envoyée à l'adresse IP et au port du serveur (par défaut : 502). 2.Le serveur traite la requête : ou Le serveur décode la requête, la traite (par exemple, récupère les données de la mémoire) et prépare une réponse. 3.Le serveur envoie la réponse : ouLe serveur renvoie la réponse au client via la même connexion TCP. ou Le client traite la réponse, met à jour ses données ou prend des mesures en conséquence. 4.Répéter: ou Le client peut envoyer plusieurs requêtes au même serveur ou à d’autres serveurs en séquence. 4. Caractéristiques de la communication client/serveur en Modbus TCP/IP - Communication asynchrone : ou Le serveur n'envoie pas de messages non sollicités. Il répond uniquement lorsqu'une demande est reçue d'un client. - Clients multiples : ou Un seul serveur Modbus TCP/IP peut gérer les requêtes de plusieurs clients simultanément. ou Chaque connexion client est indépendante et le serveur maintient des sessions distinctes pour chacune. - Connexion persistante : ou Une fois établie, une connexion TCP entre un client et un serveur reste ouverte jusqu'à ce qu'elle soit explicitement fermée, réduisant ainsi la surcharge liée aux communications répétitives. 5. Exemple concret Considérons un système dans lequel une application SCADA (client) surveille les machines d'une usine. Chaque machine est équipée d'un contrôleur compatible Modbus TCP/IP (serveur) : - Client (SCADA) : ou Envoie périodiquement des requêtes au contrôleur de chaque machine. ou Les demandes peuvent inclure la lecture de températures, de pressions ou de vitesses de moteur. - Serveur (contrôleur de machine) : ouRépond avec les données demandées. ou Met à jour les paramètres de la machine si le client envoie des commandes de contrôle (par exemple, « Régler la vitesse du moteur à 1 000 tr/min »). 6. Avantages du modèle client/serveur dans Modbus TCP/IP - Contrôle centralisé : ou Les clients (par exemple, les systèmes SCADA) peuvent collecter des données provenant de plusieurs serveurs en un seul endroit, permettant une surveillance et un contrôle centralisés. - Optimisation des ressources : ou Les serveurs fonctionnent de manière passive, ne répondant que lorsque cela est nécessaire, optimisant ainsi l'utilisation des ressources sur les appareils à faible consommation d'énergie ou intégrés. - Évolutivité : ou Le modèle client/serveur prend en charge plusieurs clients accédant aux données à partir de plusieurs serveurs, permettant ainsi des systèmes distribués à grande échelle. 7. Comparaison avec Modbus RTU Fonctionnalité Modbus TCP/IP Modbus RTU Type de communication Client/Serveur Maître/Esclave Lancer des requêtes Client Maître Répond aux demandesServeur Esclave Prise en charge multi-maître Oui (plusieurs clients) Non Type de connexion Ethernet (TCP/IP) Série (RS-485/RS-232) Accès simultanéPlusieurs clients vers un serveur Un seul maître vers plusieurs esclaves 8. Limitations - Pas de mécanisme de poussée : ou Les serveurs ne peuvent pas initier de communication ni envoyer de données non sollicitées aux clients. Les clients doivent interroger les serveurs pour obtenir des mises à jour. - Latence: ou TCP/IP introduit de légers retards par rapport au Modbus RTU plus rapide en raison de l'encapsulation des paquets et de la surcharge de transmission. Conclusion Le paradigme client/serveur de Modbus TCP/IP offre un cadre robuste et flexible pour la communication industrielle via Ethernet. Sa capacité à prendre en charge plusieurs connexions client simultanées, combinée à la fiabilité de TCP/IP, en fait un choix idéal pour les systèmes d'automatisation et IoT modernes.