پروتکل مودباس یا مدباس یکی از پرکاربردترین پروتکل‌های ارتباطی در صنعت است که اولین بار توسط شرکت مودیکان (Modicon) توسعه داده شد. این شرکت که اکنون بخشی از اشنایدر الکتریک (Schneider Electric) است، معرفی این پروتکل نقشی اساسی در نحوه تبادل اطلاعات بین دستگاه‌های صنعتی ایفا کرد.
مدباس به دلیل توانایی در انتقال سریع داده‌ها بین دستگاه‌های مختلف شبکه، به یکی از مهم‌ترین پروتکل‌ها برای سیستم‌های کنترل صنعتی و اسکادا SCADA (سامانه سرپرستی و گردآوری داده) تبدیل شده است. در این مقاله، به بررسی کلی پروتکل مدباس، انواع و اجزای آن، کاربردهای مختلف، و قواعد کاری آن می‌پردازیم تا درکی روشن از نحوه استفاده و اهمیت این پروتکل در سیستم‌های صنعتی و کنترلی به دست آوریم.
فهرست
- پروتکل مودباس چیست؟
- تاریخچه مودباس
- اجزای اصلی شبکه مودباس
- مودباس چگونه کار می‌کند
- مزایای استفاده از مودباس
- کاربردها
پروتکل مدباس چیست؟
مودباس یک پروتکل ارتباطی استاندارد و رایگان است که در اتوماسیون صنعتی به کار می‌رود. این پروتکل به دلیل توانایی در اتصال دستگاه‌های صنعتی مانند سنسورهای دما، رطوبت، اینورترها و انتقال داده‌ها به سرورهای مرکزی، در صنایع مختلف بسیار محبوب شده است.
بخوانید: پروتکل لورا و شبکه LoraWAN
مدباس بر پایه‌ی مدل درخواست-پاسخ و مبتنی بر معماری مستر/اسلیو (Master/Slave) یا کلاینت/سرور (Client/Server) پیاده‌سازی می‌شود. در یک شبکه‌ی مودباس، یک دستگاه به‌عنوان مستر یا کنترل‌کننده‌ی اصلی عمل می‌کند و می‌تواند با 1 تا 247 دستگاه اسلیو ارتباط برقرار کند. در این ساختار، مستر همواره شروع‌کننده‌ی درخواست است و منتظر پاسخ می‌ماند، درحالی‌که اسلیوها تنها به درخواست‌های مستر پاسخ می‌دهند. هر دستگاه در شبکه دارای آی‌دی (ID) منحصر به فردی است که ارتباط بین دستگاه‌ها را ممکن می‌سازد.
معمولاً دستگاه مستر، یک رابط انسانی-ماشینی (HMI) یا سیستم کنترل نظارتی و جمع‌آوری داده‌ها (SCADA) است و دستگاه‌های اسلیو شامل حسگرهای IoT، کنترلرهای منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLC) یا کنترلرهای اتوماسیون قابل برنامه‌ریزی (PAC) هستند. اسلیوها داده‌های لازم را با استفاده از پروتکل مدباس به مستر ارسال می‌کنند.
تاریخچه مودباس
مودباس در سال ۱۹۷۹ توسط شرکت Modicon به‌طور ویژه برای ارتباط با کنترلرهای منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLC) آن‌ها معرفی شد. این فناوری توانست مشکل برقراری ارتباط موثر بین دستگاه‌های مختلف در شبکه را حل کند. طی سال‌ها، مدباس به شکل‌های گوناگونی مانند Modbus RTU، Modbus ASCII و Modbus TCP توسعه‌یافت تا نیازهای متنوع محیط‌های صنعتی را برآورده سازد.
مودباس چگونه کار می‌کند؟
در شبکه‌های مودباس، ارتباط بدین‌صورت است که ابتدا دستگاه مستر با توجه به آدرس دستگاه اسلیو و نوع دستور (خواندن یا نوشتن)، یک درخواست را به اسلیو ارسال می‌کند. دستگاه اسلیو، درخواست را بررسی و تأیید کرده و سپس داده‌ی موردنظر را به مستر بازمی‌گرداند. سرعت ارسال پیام‌ها در مودباس به‌عنوان baud rate شناخته می‌شود، که همه دستگاه‌های موجود در شبکه باید از یک نرخ یکسان برای ارتباط استفاده کنند تا هماهنگی در ارسال و دریافت داده‌ها حفظ شود.
سیستم‌های ارتباطی (رابط‌های فیزیکی)
رابط‌های فیزیکی در مودباس شامل انواع سیم‌کشی‌ها و اتصالاتی هستند که برای شبکه‌سازی استفاده می‌شود. در تمام این رابط‌ها، دستگاه‌ها باید به‌صورت زنجیره‌ای به هم متصل شوند. برخی از رایج‌ترین رابط‌های فیزیکی مودباس عبارتند از:
- RS-232: در این نوع، اتصال به‌صورت نقطه-به-نقطه (یک دستگاه به یک دستگاه دیگر) است و فاصله بین دستگاه‌ها باید کمتر از ۱۵ مترباشد.
RS-485: به دلیل سرعت بالا و پایداری بیشتر، یکی از محبوب‌ترین رابط‌های مدباس است. برای شبکه‌هایی با بیش از دو دستگاه و/یا فاصله بیش از ۱۵ متر مناسب است، اما محدودیت اتصال تا حداکثر ۳۲ اسلیو، به جای ۲۴۷ دستگاه را دارد. این نوع به دلیل یک‌طرفه بودن ارتباط، نیاز به کابل‌های بیشتری دارد.- RS-422: این نوع نیز برای شبکه‌هایی با بیش از دو دستگاه و/یا فاصله بیش از ۱۵ متر کاربرد دارد و در برخی صنایع استفاده می‌شود.
- اترنت (Ethernet): مودباس در بستر اترنت یکی از روش‌های مدرن و سریع برای ارتباط دستگاه‌های مودباس در شبکه‌های بزرگ‌تر و پیچیده‌تر است.
انواع پروتکل‌های مودباس
مودباس برای پاسخ‌گویی به نیازهای متنوع ارتباطی، در انواع مختلفی توسعه داده شده است:
مدباس RTU
مودباس RTU (واحد پایانه از راه دور یا Remote Terminal Unit) رایج‌ترین نوع پروتکل مودباس است. مودباس RTU (واحد پایانه از راه دور یا Remote Terminal Unit) رایج‌ترین نوع پروتکل مودباس است که به‌ویژه در ارتباطات سریالی استفاده می‌شود. در این نوع پروتکل، داده‌ها به‌صورت باینری یا بیت به بیت از طریق کابل‌های سریال منتقل می‌شوند و از روش بررسی خطا یا CRC برای اطمینان از صحت انتقال داده استفاده می‌کند. اگر خطایی در پیام دریافتی توسط دستگاه اسلیو رخ دهد یا اگر دستگاه اسلیو قادر به انجام عملیات خواسته شده نباشد، دستگاه اسلیو یک پیام خاص بازمی‌گرداند که نشان‌دهنده مشکل است.
مودباس RTU از پورت‌های RS-422 (با پشتیبانی از حداکثر ۳۲ دستگاه)، RS-485 یا RS-232 پشتیبانی می‌کند و می‌تواند تا ۲۴۷ دستگاه اسلیو را در یک شبکه به هم متصل کند. این پروتکل به دلیل سادگی تنظیمات و هزینه پایین برای برقراری ارتباط سریال سریع بسیار محبوب است. بیت‌های ارسالی که به‌صورت صفر و یک هستند، در قالب رشته‌ای از ولتاژهای مثبت و منفی انتقال می‌یابند. در یک سرعت انتقال معمولی، داده‌ها با سرعت ۹۶۰۰ بیت در ثانیه ارسال می‌شوند.
ویژگی‌های اصلی مودباس RTU
- انتقال داده‌ها به‌صورت باینری
- مناسب برای ارتباط بین دو دستگاه
- بدون نیاز به تنظیمات IP و کارت‌های شبکه
مودباس ASCII
این نوع پروتکل داده‌ها را به‌صورت کاراکترهای برای کدگذاری و رمزگذاری پیام‌ها ASCII ارسال می‌کند و به طور کلی برای شبکه‌هایی با خطاهای بیشتر یا فواصل طولانی‌تر نسبت به RTU کاربرد دارد. این ویژگی باعث می‌شود رفع اشکال یا دیباگ‌گیری در مودباس ASCII نسبت به مودباس RTU ساده‌تر باشد. با این حال، پروتکل ASCII به دلیل استفاده از کاراکترهای ASCII، سرعت انتقال داده را کاهش می‌دهد و برای کاربردهای حساس به زمان چندان مناسب نیست.
تفاوت‌های اصلی مودباس RTU و مودباس ASCII
مودباس RTU و مودباس ASCII هر دو از یک پروتکل استفاده می‌کنند؛ اما تفاوت آن‌ها در نوع کدگذاری داده‌هاست. بایت‌ها در RTU به‌صورت باینری منتقل می‌شوند، در حالی که در مدباس ASCII داده‌ها به‌صورت قابل خواندن ASCII ارسال می‌شوند. به دلیل همین تفاوت، این دو پروتکل با هم سازگار نیستند و یک دستگاهی که با RTU کار می‌کند نمی‌تواند با دستگاهی که از ASCII استفاده می‌کند، ارتباط برقرار کند..
مودباس TCP
مودباس TCP که به نام مودباس اترنت نیز شناخته می‌شود، نسخه‌ای مدرن از پروتکل مودباس است که از TCP/IP برای برقراری ارتباط در شبکه‌های اترنت استفاده می‌کند. در این نسخه، داده‌ها با سرعت بیشتری منتقل می‌شوند و این پروتکل می‌تواند دستگاه‌های مختلف را از طریق اینترنت، شبکه‌های داخلی (اینترانت) یا شبکه‌های خارجی (اکسترانت) به یکدیگر متصل کند.
در مودباس TCP ، تفاوت‌هایی در ساختار انتقال پیام‌ها وجود دارد. برخلاف سیستم مستر-اسلیو در نسخه‌های قبلی، این پروتکل از ساختار کلاینت و سرور بهره می‌برد؛ یعنی کلاینت‌ها به سوئیچ متصل می‌شوند و سپس سوئیچ به سرور وصل می‌شود. در اینجا داده‌ها توسط کابل اترنت در قالب بسته‌های TCP/IP ارسال می‌شوند.
ویژگی‌های کلیدی مودباس TCP:
- سریع‌تر از مودباس RTU
- هر دستگاه دارای یک آدرس IP منحصربه‌فرد است
- امکان ارتباط چندین کلاینت و سرور در یک شبکه وجود دارد
Secure Modbus
مودباس امن از لایه امنیتی TLS برای ایجاد تدابیر امنیتی بیشتر مانند احراز هویت و رمزگذاری استفاده می‌کند. این پروتکل با افزودن یک لایه امنیتی به مدباس TCP، از دسترسی‌های غیرمجاز جلوگیری کرده و امنیت بیشتری به ارتباطات می‌دهد. البته، این امنیت بیشتر نیاز به توان پردازشی بالاتری دارد.
مزایای استفاده از مدباس
پروتکل مدباس برای عملیات صنعتی مزایای بسیاری فراهم می‌کند که شامل موارد زیر است:
- راه‌اندازی آسان: مدباس به راحتی قابل تنظیم و پیاده‌سازی است.
- هزینه کم: این پروتکل به دلیل سادگی و ساختار اقتصادی خود هزینه‌های ارتباطات صنعتی را کاهش می‌دهد.
- انعطاف‌پذیری: مودباس در انواع سیستم‌ها و دستگاه‌ها سازگار است و می‌تواند به راحتی با تجهیزات مختلف ادغام شود.
کاربردها
مدباس در مکان‌هایی که نیاز به برقراری ارتباط بین چندین دستگاه دارند بسیار کاربرد دارد است و در حوزه‌های زیر به‌کار می‌رود:
- مدیریت انرژی: جمع‌آوری و نظارت بر داده‌ها به منظور بهینه‌سازی و کاهش مصرف انرژی.
- سیستم‌های تهویه مطبوع: مدیریت داده‌های حسگرهای دما و رطوبت در سیستم‌های مدیریت ساختمان.
- خودکارسازی تجهیزات: انتقال لحظه‌ای داده‌ها از تجهیزات به واحد کنترل مرکزی برای مدیریت بهتر.
نتیجه‌گیری
پروتکل مدباس به دلیل سادگی، انعطاف‌پذیری و قابلیت اطمینان بالا به عنوان فناوری‌ای پایدار و حیاتی برای ارتباطات صنعتی شناخته می‌شود. با وجود نسخه‌هایی همچون مودباس RTU و مودباس TCP، این پروتکل همچنان راهکارهایی برای خودکارسازی سنتی و مدرن ارائه می‌دهد و به عنوان یکی از گزینه‌های قابل اتکا در سیستم‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. تیم تحقیق و توسعه سپهر انفورماتیک درخشان با ارائه این پروتکل در دستگاه‌های خود، توانسته تحولی نو را در سطح ملی و بین‌المللی ایجاد کند، برای اطلاعات بیشتر، با ما در ارتباط باشد.
