Modbus ошибка выполнения команды 3

1. Компоненты СИМП Лайт
2. Редактор каналов
3. Источники данных
4. Modbus driver
5. Коды ошибок Modbus

Основные понятия

Modbus — это протокол прикладного (седьмого) уровня модели OSI. Чаще всего он служит для обмена данными между устройствами автоматизации и реализован в виде «протокола ответов на запросы (request-reply protocol)».

В устройствах Wiren Board данные Modbus передаются по последовательным линиям связи RS-485. В последовательных линиях связи протокол RS-485 полудуплексный и работает по принципу «клиент-сервер». Каждое устройство в сети (кроме ведущего см. далее) имеет адрес от 1 до 247, адрес 0 используется для широковещательной передачи данных всем устройствам, а адреса 248–255 считаются зарезервированными согласно спецификации Modbus, их использование не рекомендуется.

Существует две спецификации протокола: Modbus RTU и Modbus ASCII. В Modbus RTU передается 11-битный символ, состоящий из 1 стартового бита, 8 бит данных (начиная с младшего бита), бит четности (необязателен) и 2 стоповых бита — если бит четности не передается, или 1 стоповый бит — если бит четности передается. Такой символ передает 1 байт данных. В устройствах Wiren Board по умолчанию бит контроля четности не передается и используется 2 стоповых бита. В Modbus ASCII каждый байт передается двумя символами, представляющими ASCII-коды младшей и старшей четырехбитной группы байта (пример). Modbus RTU передает больше информации при той же скорости последовательной линии, и в устройствах Wiren Board используется именно он. Все дальнейшее описание относится к Modbus RTU.

Ведущее устройство («мастер», или «клиент») периодически опрашивает «ведомое», или «сервер». Ведущее устройство не имеет адреса, передача сообщений от устройства-сервера ведущему без запроса ведущего в протоколе не предусмотрена.

Пакет данных Modbus выглядит, как это показано на рисунке. PDU (Protocol Data Unit) — общая часть пакета MODBUS, включающая код функции и данные пакета. ADU (Application Data Unit) — полный пакет MODBUS. Включает в себя специфичную для физического уровня часть пакета и PDU. Для последовательных линий в заголовке ADU передается адрес устройства, а в конце — контрольная сумма CRC16. Максимальный размер ADU в последовательных коммуникационных линиях составляет 253 байта (из максимальных, разрешенных спецификацией 256 байт вычитается 1 байт адреса и два байта контрольной суммы). Для справки — в Modbus TCP максимальная длина пакета составляет 260 байт.

Функция кодируется одним байтом и определяет, какое действие должно выполнить устройство-сервер. Значение кодов функций лежат в диапазоне от 1 до 255, причем коды от 128 до 255 зарезервированы для сообщений об ошибках со стороны устройства-сервера. Код 0 не используется. Размер блока данных может варьироваться от нуля до максимально допустимого. Если обработка запроса прошла без ошибок, то устройство-сервер возвращает пакет ADU, содержащий запрошенные данные.

• 

  Modbus-транзакция, прошедшая без ошибок

• 

  Modbus-транзакция с ошибками

При возникновении ошибки устройством возвращается код ошибки. При обычной транзакции код функции в ответе возвращается без изменений; при ошибке старший бит кода функции устанавливается в единицу (то есть код функции + 0x80). Так же есть таймаут ожидания ответа от ведомого устройства — бессмысленно долго ждать ответ, который, возможно, никогда и не придет.

Структуры данных Modbus

В Modbus принято кодировать адреса и данные в формате big-endian, то есть в формате, когда байты следуют, начиная со старшего: например, при передаче шестнадцатеричного числа 0x1234 сначала устройством будет принят байт 0x12, а затем — 0x34. Для передачи данных другого типа, например, чисел с плавающей запятой (float), текстовых строк, даты и времени суток и т.п. производитель может выбрать свой собственный способ кодирования — для расшифровки получаемых данных важно ознакомится со спецификацией производителя устройства.

Модель данных Modbus

Обмен данными с Modbus-устройствами происходит через регистры. В протоколе Modbus определяется четыре типа регистров, показанных в таблице:

Регистры флагов (Coils) хранят однобитные значения — то есть могут находится в состоянии 0 или 1. Такие регистры могут обозначать текущее состояние выхода (включено реле). Название «coil» буквально и означает обмотку-актюатор электромеханического реле. Регистры флагов допускают как чтение, так и запись.

Дискретные входы (Discrete Inputs) также являются однобитными регистрами, описывающими состояние входа устройства (например, подано напряжение — 1). Эти регистры поддерживают только чтение.

Регистры хранения (Holding Registers) и регистры ввода (Input Registers) представлены двухбайтовым словом и могут хранить значения от 0 до 65535 (0x0000 — 0xFFFF).
Регистры ввода допускают только чтение (например, текущее значение температуры). Регистры хранения поддерживают как чтение, так и запись (для хранения настроек). В настоящее время во многих устройствах, в частности в устройствах Wiren Board, эти регистры не разделяются. Команды на чтение регистра хранения N и регистра ввода N обратятся к одному и тому же значению в адресном пространстве устройства.

Адреса регистров

Регистры в стандарте Modbus адресуются с помощью 16-битных адресов. Адресация начинается с нуля. Адрес регистра, таким образом, может принимать значения от 0 до 65535.

Адресные пространства регистров, также называемые таблицами иди блоками, могут быть различны для всех четырёх типов регистров. Это значит, что значения регистров с одинаковым адресом, но разным типом, в общем случае разные.

Например, при чтении регистра флагов (coil) номер 42, регистра дискретного входа (Discrete), регистров ввода и хранения (Input и Holding) с теми же адресами, можно получить четыре разных значения.

Нестандартная адресация

В документации на некоторые, особенно старые, устройства адреса элементов (регистров) указываются в формате, не соответствующем стандарту. В этом формате тип элемента кодируется первой цифрой адреса, а адресация начинается не с нуля.

Например, регистр хранения с адресом 0 может записываться как 40001 или 400001, а Coil с адресом 0 как 000001.

В таблице перевода адресов в стандартный формат показаны диапазоны для двух разных нестандартных типов указания адресов и соответствующие им типы данных и диапазоны стандартных адресов.

Признаки использования нестандартной адресации:

• Адреса записываются в десятичном формате
• Во всех адресах пять или шесть цифр
• Адреса с недискретными данными (показания датчиков и т.п.) начинаются на 30 или 40

Часто рядом с нестандартными адресами указываются и адреса соответствующие стандарту, обычно в шестнадцатеричном формате.
Стоит отметить, что физически в пакете данных передаются адреса в стандартном формате, независимо от способа представления их в документации.

Пример описания регистров в документации

В готовых шаблонах устройств для контроллера Wiren Board есть шаблон для однофазного счетчика электроэнергии SDM220 (/usr/share/wb-mqtt-serial/templates/config-sdm220.json). В документации от производителя «Eastron SDM
220 Modbus Smart Meter Modbus Protocol Implementation V1.0» перечислены регистры и соответствующие им измеряемые параметры, например:

Производитель в таблице приводит и логические, и физические адреса регистров, что позволяет нам с легкостью создать шаблон устройства и проиллюстрировать связь между логическими и физическими адресами Modbus-регистров.

Коды функций чтения и записи регистров

В следующей таблице приведены наиболее распространенные коды функций Modbus:

Команды условно можно разделить по типам: чтение значений — запись значений; операция с одним значением — операция с несколькими значениями.

Формат данных запросов и ответов Modbus

Рассмотрим подробнее, как происходит обмен данными между устройством-клиентом, отправляющим запрос, и устройством-сервером, отвечающим ему.
На следующем рисунке показан обмен данными контроллера с устройством с адресом 0x01. Мы хотим прочесть 8 coil-регистров, начиная с первого.

В качестве данных мы получили шестнадцатеричное число 0x2D, то есть состояние восьми coil-регистров в двоичном виде такое: 0b10110100.

В следующей таблице приведены структуры данных запросов и ответов для основных функций Modbus.

Коды исключений (ошибки) Modbus

Если запрос не может по той или иной причине быть обработан устройством-сервером, то в ответ он отправляет сообщение об ошибке. Соообщение об ошибке содержит адрес Modbus-устройства, код функции, при выполнении которой произошла ошибка, увеличенный на 0x80, код ошибки и контрольную сумму:

В этом случае мы попытались обратиться к несуществующему адресу регистра 0xFFFF и попытались прочесть 8 регистров флагов. В результате мы получили код ошибки 0x03 — «В поле данных передано неверное значение».

Наиболее распространенные коды ошибок Modbus приведены в следующей таблице:

Вычисление контрольной суммы Modbus

Для протокола Modbus RTU 16-битная контрольная сумма (CRC) вычисляется по алгоритму, описанному в спецификации Modbus, в документе «Modbus Serial Line Protocol and Implementation Guide», раздел «CRC-generation». Передающее устройство формирует два байта контрольной суммы на основе данных сообщения, а принимающее устройство заново вычисляет контрольную сумму и сравнивает с полученной. Совпадение принятой и вычисленной контрольной суммы Modbus RTU считается индикатором успешного обмена данными.

В случае ограниченных вычислительных ресурсов для вычисления контрольной суммы существует функция, использующая табличные значения (также приведена в спецификации).

Расширение протокола Modbus от Wiren Board

Мы производим устройства, которые работают по стандартному протоколу Modbus RTU. Но протокол очень старый и имеет ряд недостатков, которые мы решили устранить с помощью своего расширения протокола.

Всё описываемое ниже справедливо только для Modbus-устройств Wiren Board.

Торговое название расширения протокола «Быстрый Modbus».

Настраиваемое время задержки ответа устройством

Устройства работают по стандарту, поэтому отвечают master-устройству через 3.5 символа после конца кадра запроса.

Но некоторые сторонние master-устройства могут не соблюдать стандарт и после отправки запроса продолжают удерживать приемопередатчик в режиме отправки некоторое время.

В устройствах есть специальный регистр 113, в котором можно настроить время ответа slave-устройства в миллисекундах. Нужное значение подбирается опытным путём.

Стопбиты

Устройства всегда ожидают от мастера 1 стопбит, а отправляют ответ с 2.

Благодаря этому невозможно неправильно настроить стопбиты в master- и в slave-устройстве. Передача ответов более надежная даже, если мастер ожидает 1 стопбит. В последних прошивках настройка стопбита в регистре 112 игнорируется.

Режим сплошного чтения регистров

Часто на устройствах регистры расположены с зазором, который не позволяет читать все необходимые регистры подряд одной командой.

Мы добавили режим сплошного чтения, который активируется записью 1 в регистр 114. При активации можно запрашивать любой регион, который укладывается по длине в ограничения команды чтения.

При таком запросе устройство вернёт пакет со значением регистров. Если регистры отсутствуют в устройстве, то для них будет возвращено значение 0xFFFE.

Сканирование устройств на шине

Обычно инсталляция содержит несколько slave-устройств в щите или в поле на одной шине RS-485. Каждое устройство имеет адрес, который пользователь может менять. Обычно при монтаже адреса slave-устройств переписываются с корпуса устройства и вносятся вручную в конфигурацию мастера. Это не очень удобно.

Раньше для сканирования шины использовался специальный скрипт, который перебирал все возможные адреса на шине и ждал от них ответа в течение определённого времени. Процесс занимал несколько минут и зависел от настроек связи устройств: скорости, стоповых битов и т.п.

В расширении протокола мы добавили возможность быстро сканировать шину без необходимости выжидать таймаут для каждого несуществующего адреса. Более того, при сканировании могут быть обнаружены устройства с одинаковыми адресами, которым можно задать новые адреса не отключая устройства от шины! Также функция сканирования способна обнаружить на одной шине устройства с разными настройками связи.

Теперь можно собрать щит не обращая внимания на modbus-адреса устройств. В процессе сканирования будут прочитаны модели устройств, настройки связи, их серийные номера и адреса на шине. Притом, вы можете изменить адреса подключённых устройств, обращаясь к устройству по уникальному серийному номеру.

Описание расширенных команд и референсная реализация утилиты сканирования доступны в репозитории.

Поддержка быстрого Modbus в прошивках

Во время обмена
данными могут возникать ошибки двух
типов:

• ошибки, связанные
  с искажениями при передаче данных;

• логические ошибки.

Ошибки первого
типа обнаруживаются при помощи фреймов
символов, контроля чётности и циклической
контрольной суммы CRC-16-IBM
(используется число-полином
= 0xA001).

Rtu фрейм

В RTU режиме сообщение
должно начинаться и заканчиваться
интервалом тишины — временем передачи
не менее 3.5 символов при данной скорости
в сети. Первым полем затем передаётся
адрес устройства.

Вслед за последним
передаваемым символом также следует
интервал тишины продолжительностью не
менее 3.5 символов. Новое сообщение может
начинаться после этого интервала.

Фрейм сообщения
передаётся непрерывно. Если интервал
тишины продолжительностью 1.5 возник во
время передачи фрейма, принимающее
устройство должно игнорировать этот
фрейм как неполный.

Таким образом,
новое сообщение должно начинаться не
раньше 3.5 интервала, т.к. в этом случае
устанавливается ошибка.

Немного об интервалах
(речь идёт о Serial Modbus RTU): при скорости
9600 и 11 битах в кадре (стартовый бит + 8
бит данных + бит контроля чётности +
стоп-бит): 3.5 * 11 / 9600 = 0,00401041(6), т.е. более
4 мс; 1.5 * 11 / 9600 = 0,00171875, т.е. не более 1 мс.
Для скоростей более 19200 бод допускается
использовать интервалы 1,75 и 0,75 мс
соотвественно.

Логические ошибки

Для сообщений об
ошибках второго типа протокол Modbus RTU
предусматривает, что устройства могут
отсылать ответы, свидетельствующие об
ошибочной ситуации. Признаком того, что
ответ содержит сообщение об ошибке,
является установленный старший бит
кода команды. Пример кадра при выявлении
ошибки ведомым устройством, в ответ на
запрос приведён в (Таблица 2-1).

1. Если Slave принимает
корректный запрос и может его нормально
обработать, то возвращает нормальный
ответ.

2. Если Slave не
принимает какого либо значения, никакого
ответа не отправляется. Master диагностирует
ошибку по таймауту.

3. Если Slave принимает
запрос, но обнаруживает ошибку (parity,
LRC, or CRC), никакого ответа не отправляется.
Master диагностирует ошибку по таймауту.

4. Если Slave принимает
запрос, но не может его обработать
(обращение к несуществующему регистру
и т.д.), отправляется ответ содержащий
в себе данные об ошибке.

Стандартные коды ошибок

01
Принятый код функции не может быть
обработан на подчиненном.

02
Адрес данных указанный в запросе не
доступен данному подчиненному.

03
Величина содержащаяся в поле данных
запроса является не допустимой

величиной
для подчиненного.

04
Невосстанавливаемая ошибка имела место
пока подчиненный пытался выполнить

затребованное
действие.

05
Подчиненный принял запрос и обрабатывает
его, но это требует много времени.

Этот
ответ предохраняет главного от генерации
ошибки таймаута.

06
Подчиненный занят обработкой команды.

Главный
должен повторить сообщение позже, когда
подчиненный освободится.

07
Подчиненный не может выполнить программную
функцию, принятую в запросе.

Этот
код возвращается для неудачного
программного запроса, использующего

функции
с номерами 13 или 14.

Главный
должен запросить диагностическую
информацию или информацию об

ошибках
с подчиненного.

08
Подчиненный пытается читать расширенную
память, но обнаружил ошибку паритета.

Главный
может повторить запрос, но обычно в
таких случаях требуется ремонт.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #