Для каких задач применяют Modbus UDP
Обычный обмен Modbus TCP строится на одноадресных соединениях Unicast. Если одни и те же данные должны получать несколько устройств, передающему узлу приходится поддерживать несколько TCP-соединений и повторно отправлять одинаковые сообщения каждому получателю.
При использовании Modbus UDP с Multicast передающий узел формирует один пакет и направляет его на групповой IP-адрес, например 239.1.1.1. Управляемый коммутатор передаёт этот пакет только на порты, за которыми находятся участники соответствующей группы. Подключение дополнительных HMI или АРМ не требует создания отдельного соединения для каждого нового получателя.
Такой обмен применяют:
- в распределённых системах управления с несколькими технологическими участками;
- при передаче данных на несколько панелей HMI и рабочих мест операторов;
- в системах сбора данных, где один источник обслуживает несколько потребителей;
- при расширении сети без пропорционального увеличения числа соединений и повторных передач;
- для уменьшения коммуникационной нагрузки на ПЛК и сетевые адаптеры.
Как работает многоадресная передача
- Для устройств, которые должны получать одинаковые данные, назначается multicast-группа с отдельным групповым IP-адресом.
- ПЛК, HMI, сетевые адаптеры и другие получатели сообщают коммутатору о присоединении к группе с помощью IGMP.
- Коммутатор формирует таблицу IGMP Snooping и связывает multicast-группу с конкретными портами.
- Передающий узел отправляет один Modbus UDP пакет на адрес группы.
- Коммутатор копирует пакет только на порты, включённые в эту группу.
UDP не устанавливает предварительное соединение и не выполняет подтверждение доставки и повторную передачу средствами транспортного протокола. За счёт этого уменьшаются накладные расходы, однако доставка и порядок поступления пакетов не гарантируются. Допустимость потери отдельных сообщений и контроль актуальности данных необходимо учитывать при разработке прикладной программы.
Отличия Modbus UDP, Modbus TCP и Modbus RTU
| Параметр | Modbus UDP | Modbus TCP | Modbus RTU |
|---|---|---|---|
| Среда передачи | Ethernet, UDP/IP | Ethernet, TCP/IP | Последовательная линия, обычно RS-485 |
| Способ адресации | Unicast или Multicast | Обычно Unicast | Адрес конкретного ведомого устройства на общей шине |
| Установление соединения | Не требуется | Требуется TCP-соединение | TCP/IP не используется |
| Передача одинаковых данных нескольким получателям | Один пакет multicast-группе | Отдельная передача по каждому соединению | Последовательные обращения к адресованным узлам; предусмотрена широковещательная команда без ответа |
| Контроль доставки | Не обеспечивается протоколом UDP | Обеспечивается транспортным протоколом TCP | Контроль целостности кадра по CRC, ответ и повторный запрос организует ведущее устройство |
| Типичная область применения | Масштабируемые Ethernet-системы и передача одного потока нескольким потребителям | Надёжный обмен между конкретными устройствами по Ethernet | Подключение приборов и приводов с RS-485 |
Можно ли одновременно использовать Modbus RTU, TCP и UDP
Modbus RTU, Modbus TCP и Modbus UDP не являются взаимоисключающими режимами работы контроллера. Если оборудование и программная среда поддерживают эти протоколы, ПЛК может использовать их одновременно в рамках одного технологического процесса. Modbus TCP и Modbus UDP могут работать через один Ethernet-порт, а обмен по Modbus RTU выполняется через отдельный последовательный порт, обычно RS-485.
Например, по Modbus TCP контроллер может вести индивидуальный обмен с сетевыми адаптерами удалённого ввода-вывода, по Modbus UDP Multicast передавать данные группе панелей HMI, других контроллеров или производственных участков, а по Modbus RTU опрашивать частотные преобразователи, счётчики, датчики и другие устройства с последовательным интерфейсом. Для каждого обмена в программе создаётся отдельный коммуникационный канал.
Modbus TCP используется преимущественно для адресного обмена между клиентом и сервером. Modbus RTU также предусматривает обращение к устройствам по индивидуальным адресам, но передача данных выполняется последовательно по общей линии RS-485. Modbus UDP может работать как в одноадресном режиме Unicast, так и в многоадресном режиме Multicast. Во втором случае контроллер отправляет один пакет на групповой IP-адрес, после чего управляемый коммутатор передаёт его всем устройствам, включённым в соответствующую multicast-группу.
Такое сочетание позволяет использовать Modbus TCP для обмена с конкретными сетевыми устройствами, Modbus UDP Multicast для одновременной передачи данных нескольким получателям, а Modbus RTU для подключения оборудования с интерфейсом RS-485.
Контроллеры CREVIS с Modbus UDP
В актуальных сериях G и M поддержка Modbus UDP предусмотрена у компактных и стандартных ПЛК. Модели различаются количеством подключаемых модулей, наличием последовательного Modbus RTU, OPC UA/DA, WebVisu, EtherCAT Slave и горячей замены модулей.
| Контроллеры | Исполнение и протоколы | Когда выбирать |
|---|---|---|
| GL-9971 | Компактная серия G, Modbus TCP/UDP, два Ethernet-порта, до 10 модулей ввода-вывода | Небольшие локальные станции без OPC, WebVisu и последовательного Modbus RTU |
| GL-9972 GL-9973 |
Компактная серия G, Modbus TCP/UDP и Modbus RTU, до 63 модулей; OPC UA/DA у обеих моделей, WebVisu у GL-9973 | Компактные станции, в которых одновременно используются Ethernet и RS-232/RS-485 |
| GL-9974 GL-9975 |
Компактная серия G, Modbus TCP/UDP, до 63 модулей, OPC UA/DA; WebVisu у GL-9975 | Ethernet-системы, которым не требуется встроенный последовательный интерфейс Modbus RTU |
| GN-9371 GN-9372 GN-9373 |
Стандартная серия G, Modbus TCP/UDP и Modbus RTU, до 63 модулей; OPC UA/DA у GN-9372 и GN-9373, WebVisu у GN-9373 | Распределённые и гибридные системы с Ethernet и последовательными устройствами |
| GN-9481 GN-9482 GN-9483 |
Серия G, Modbus TCP/UDP, Modbus RTU и EtherCAT Slave, до 63 модулей; OPC UA/DA у GN-9482 и GN-9483, WebVisu у GN-9483 | Программируемые узлы EtherCAT с локальной логикой и дополнительным обменом по Modbus |
| M9371 M9372 M9373 |
Серия M, Modbus TCP/UDP и Modbus RTU, до 63 модулей, горячая замена I/O; OPC UA/DA у M9372 и M9373, WebVisu у M9373 | Ответственные системы, где модули ввода-вывода требуется обслуживать без остановки всей станции |
| ML9973 | Компактная серия M, Modbus TCP/UDP и Modbus RTU, до 63 модулей, OPC UA/DA, WebVisu и горячая замена I/O | Компактные станции с расширенным функционалом и повышенными требованиями к обслуживаемости |
Требования к сети Modbus UDP Multicast
Для multicast-обмена рекомендуется использовать управляемый промышленный коммутатор с поддержкой IGMP Snooping и IGMP Querier. IGMP Snooping ограничивает распространение групповых пакетов только нужными портами. IGMP Querier периодически проверяет состав групп и не позволяет таблице подписок исчезнуть после окончания времени хранения записей.
Если таблица IGMP Snooping пуста, неизвестный multicast-трафик может временно передаваться во все порты соответствующего сетевого сегмента. Поэтому при проектировании необходимо настроить групповые адреса, IGMP, сегментацию сети и диагностику коммутатора. Применение неуправляемого коммутатора лишает систему контроля multicast-трафика и средств поиска сетевых неисправностей.
Modbus не предусматривает встроенного шифрования и аутентификации. Сеть управления следует отделять от офисной и публичной инфраструктуры, а доступ между сегментами ограничивать средствами промышленной сети.
При выборе контроллера учитывают не только поддержку UDP, но и состав станции ввода-вывода, число модулей, требуемые интерфейсы и дополнительные функции. Для небольшой Ethernet-станции подойдёт GL-9971. Если требуется подключение устройств по RS-485, выбирают GL-9972/9973, GN-937x, M937x или ML9973. Для работы в качестве EtherCAT Slave предназначены GN-9481, GN-9482 и GN-9483. Серия M применяется, когда необходима горячая замена модулей ввода-вывода.
Modbus UDP имеет смысл выбирать, если одни данные должны одновременно получать несколько сетевых устройств или система должна расширяться без увеличения числа постоянных TCP-соединений. Для обычного обмена между двумя конкретными устройствами и задач, где важна гарантированная доставка средствами транспортного протокола, чаще используют Modbus TCP. Для оборудования с последовательным интерфейсом RS-485 применяется Modbus RTU.
Специалисты ООО «КРЕВИС» помогут подобрать промышленный контроллер, модули ввода-вывода и сетевое оборудование, проверить совместимость устройств и определить требования к настройке Multicast и IGMP.