모드버스

3. 기능 코드

모드버스는 실행할 기능의 코드를 제공하는 1바이트 ''기능 코드''를 사용한다. 기능 코드는 정수 값으로, 1에서 255까지의 범위를 가지며, 128에서 255까지의 범위는 예외 응답을 위한 것이다.

PDU의 데이터 필드는 0에서 65535까지의 주소를 갖는다. PDU의 데이터 필드는 비어 있을 수 있으며, 이 경우 크기가 0이다. 서버는 어떠한 정보도 요청하지 않으며 기능 코드는 실행할 기능을 정의한다. 실행 과정에서 오류가 발생하지 않으면, 서버에서 클라이언트로 전송되는 ADU 응답의 데이터 필드에는 요청된 데이터가 포함된다. 오류가 발생하면 서버는 예외 코드로 응답한다.^[2]

클라이언트와 서버 간의 Modbus 트랜잭션^[2][6]

• 1단계: 클라이언트가 PDU = 기능 코드 + 데이터 요청으로 요청을 시작한다.
• 2단계: 서버가 클라이언트로부터 요청을 받는다. 서버는 기능 코드를 읽고 구문 분석하고, PDU의 데이터 필드 주소를 가져온 다음, 이 데이터 필드 값을 가져와 마지막으로 기능 코드에 따라 작업을 수행한다. 오류가 없으면 서버는 PDU = 기능 코드 + 데이터 응답으로 응답한다. 서버의 응답 기능 코드는 클라이언트에서 전송된 기능 코드와 같다. 오류가 발생하면 서버는 PDU = 예외 기능 코드 + 예외 코드로 응답한다.
• 3단계: 클라이언트가 응답을 수신하고 트랜잭션을 종료한다.

• MODBUS 요청 PDU, mb\_req\_pdu
• MODBUS 응답 PDU, mb\_rsp\_pdu
• MODBUS 예외 응답 PDU, mb\_excep\_rsp\_pdu

각 주요 테이블에 대해, 프로토콜은 65536개의 데이터 항목을 개별적으로 선택할 수 있도록 하며, 이러한 항목의 읽기 또는 쓰기 작업은 트랜잭션 기능 코드에 따라 달라지는 데이터 크기 제한까지 여러 개의 연속적인 데이터 항목에 걸쳐 설계되었다.^[3]

모드버스는 세 가지 유형의 기능 코드를 정의한다.^[2]

3. 1. 공용 기능 코드

참고: 일부 소스에서는 표준과 다른 용어를 사용한다. 예를 들어 "단일 코일 쓰기" 대신 "단일 코일 강제"가 있다.^[5]

3. 2. 예외 응답

• 예외 기능 코드: 기능 코드 + 0x80 (기능 코드의 최상위 비트(MSB)를 1로 설정)
• 예외 코드: MODBUS 예외 코드 표에 정의되어 있음.

4. Modbus 프로토콜 버전

Modbus는 다양한 버전의 프로토콜이 존재한다.

• 이더넷을 통한 TCP/IP
• 광범위한 표준, 기술(EIA/TIA-232-E, EIA-422, EIA/TIA-485-A, 광섬유, 무선 주파수 등)을 사용하는 비동기 직렬 통신
• MODBUS PLUS, 고속 토큰 전달 네트워크.

• '''Modbus Plus''' (''Modbus+'', ''MB+'', 또는 ''MBP'')는 슈나이더 일렉트릭의 독점 프로토콜이지만, 특허가 아닌 미공개 프로토콜이며, 다른 변형과 달리 여러 클라이언트 간의 피어 투 피어 통신을 지원한다.^[8] Modbus Plus^[9]는 Modbus의 변형이 아니며, 토큰 전달을 포함하는 다른 통신 프로토콜이다. 빠른 고급 데이터 링크 제어(HDLC)와 유사한 토큰 회전을 처리하기 위해 전용 보조 프로세서가 필요하다. 1Mbit/s의 연선 케이블을 사용하며 각 노드에 변압기 절연을 포함하여 전압/레벨 트리거 방식이 아닌 전이/엣지 트리거 방식을 사용한다.
• '''Pemex Modbus'''는 표준 Modbus의 확장으로, 과거 데이터 및 유량 데이터를 지원한다. Pemex(페멕스) 석유 및 가스 회사의 공정 제어용으로 설계되었지만 광범위하게 채택되지는 않았다.
• '''Enron Modbus'''는 엔론 (Enron)에서 개발한 표준 Modbus의 또 다른 확장으로, 32비트 정수 및 부동 소수점 변수와 과거 및 유량 데이터를 지원한다.^[10]

4. 1. Modbus over Serial Line

• 주소: 슬레이브 주소
• PDU: Modbus 애플리케이션 프로토콜의 PDU와 동일
• CRC/LRC: 오류 검사 필드. ''모드버스 RTU'' 또는 ''모드버스 ASCII'' 버전에 따라 달라짐.

4. 1. 1. Modbus RTU

• 1 시작 비트
• 8비트 데이터/메시지, 최하위 비트가 먼저 전송됨
• 1 패리티 비트
• 1 정지 비트

CRC 계산은 널리 CRC-16-MODBUS로 알려져 있으며, 다항식은 ''x''¹⁶ + ''x''¹⁵ + ''x''² + 1이다(일반적인 16진수 대수 다항식은 8005이고 반전된 것은 A001이다).

16진수 Modbus RTU 프레임의 예: 01 04 02 FF FF B8 80 (01에서 FF까지 5바이트에 대한 CRC-16-MODBUS 계산은 80B8을 제공하며, 이는 최하위 바이트가 먼저 전송된다).

전송 중 프레임 무결성을 보장하기 위해 두 프레임 간의 시간 간격은 최소 3.5개의 문자 전송 시간 이상이어야 하며, 두 연속 문자 간의 시간 간격은 1.5개 문자 전송 시간을 초과해서는 안 된다. 예를 들어, 기본 데이터 전송 속도인 19200 bit/s에서 3.5(t3.5) 및 1.5(t1.5) 11비트 문자의 전송 시간은 다음과 같다.

$t3.5\; =\; 3.5*\backslash left(\; \backslash frac\{11*1000\}\{19200\}\; \backslash right)=\; 2.005\; ms$

$t1.5\; =\; 1.5*\backslash left(\; \backslash frac\{11*10^6\}\{19200\}\; \backslash right)=\; 859.375\; \backslash mu\; s$

더 높은 데이터 전송 속도의 경우 Modbus RTU는 t1.5에 대해 고정값 750 μs를, t3.5에 대해 1.750 ms를 사용하는 것을 권장한다.

4. 1. 2. Modbus ASCII

주소, 기능, 데이터 및 LRC는 ASCII 16진수 인코딩 값이며, 8비트 값(0–255)은 0–9 및 A–F 범위의 두 개의 ASCII 문자로 인코딩된다. 예를 들어 값 122 (7A₁₆)는 두 개의 ASCII 문자 "7"과 "A"로 인코딩되어 두 바이트 55 (37₁₆, "7"의 ASCII 값) 및 65 (41₁₆, "A"의 ASCII 값)로 전송된다.

LRC는 8비트 값(시작 및 종료 문자 제외)의 합을 계산하여 부정(2의 보수)하고 8비트 값으로 인코딩하여 계산한다. 예를 들어 주소, 기능 및 데이터가 247, 3, 19, 137, 0 및 10인 경우 합계(416)의 2의 보수는 −416이고, 이 값을 8 비트로 자르면 96 (256 × 2 − 416 = 60₁₆)이 되며, 다음과 같은 17개의 ASCII 문자 프레임이 생성된다: :F7031389000A60␍␊. LRC는 체크섬으로만 사용하도록 지정된다. 전송된 문자 대신 인코딩된 데이터에서 계산되기 때문에 패리티 비트를 사용하여 단일 비트 오류를 찾는 데 사용할 수 있는 '종단' 특성을 사용할 수 없다.^[12]

4. 2. Modbus TCP

''유닛 식별자''는 Modbus TCP to Modbus RTU 게이트웨이와 같이 여러 Modbus 장치의 복합체인 Modbus TCP 장치에 사용된다. 이러한 경우, 유닛 식별자는 게이트웨이 뒤에 있는 장치의 서버 주소이다.

MODBUS TCP/IP ADU/Modbus TCP 프레임 형식은 다음과 같다.

예시: 12 34 00 00 00 06 01 03 00 01 00 01

• 0x12 및 0x34: 트랜잭션 ID = 0x1234 (2바이트)로, Modbus TCP 클라이언트/서버 간에 식별될 "고유 번호"로 사용된다. 트랜잭션 ID의 상위 바이트는 0x12이고 하위 바이트는 0x34이다.
• 0x00 및 0x00: 프로토콜 식별자 상위 바이트 및 하위 바이트
• 0x00 및 0x06: 길이 상위 바이트 및 하위 바이트. 길이는 6바이트이며, 장치 식별자 (슬레이브 주소) (1바이트), 기능 코드 (1바이트), 읽을 레지스터 주소의 상위 바이트 (1바이트), 읽을 레지스터 주소의 하위 바이트 (1바이트) 및 데이터 (2바이트 = 읽을 레지스터 수의 상위 바이트와 하위 바이트)를 포함한다.
• 0x01: 장치 식별자 (슬레이브 주소)
• 0x03: 기능 코드 (여러 홀딩 레지스터 읽기)
• 0x00 및 0x01: 읽을 레지스터 주소의 상위 바이트 및 하위 바이트. 이 경우 읽을 레지스터 주소는 0x0001이다.
• 0x00 및 0x01: 읽을 레지스터 수의 상위 바이트 및 하위 바이트. 이 경우 읽을 레지스터 수는 0x0001이다. (즉, 1개의 레지스터)

4. 2. 1. 기타 Modbus 프로토콜 버전 (TCP/IP)

• '''Modbus TCP''' 또는 '''Modbus TCP/IP'''는 TCP/IP 네트워크를 통해 통신하는 데 사용되는 Modbus 변형이며, 포트 502를 통해 연결된다.^[6] 하위 계층에서 이미 체크섬 보호 기능을 제공하므로 체크섬 계산이 필요하지 않다.

'''유닛 식별자'''는 여러 Modbus 장치의 복합체인 Modbus TCP 장치(예: Modbus TCP to Modbus RTU 게이트웨이)와 함께 사용된다. 이러한 경우, 유닛 식별자는 게이트웨이 뒤에 있는 장치의 서버 주소이다.

MODBUS TCP/IP ADU/Modbus TCP 프레임 형식은 다음과 같다.

• '''Modbus over TCP/IP''', '''Modbus over TCP''', 또는 '''Modbus RTU/IP''' – Modbus TCP와 달리, Modbus RTU와 마찬가지로 페이로드에 체크섬이 포함된 변형이다.
• '''Modbus over UDP''' – 일부에서는 TCP의 오버헤드를 제거하기 위해 IP 네트워크에서 UDP를 통한 Modbus 사용을 실험했다.^[7]

4. 3. 기타 Modbus 프로토콜 버전

• '''Modbus Plus''' (''Modbus+'', ''MB+'', 또는 ''MBP'') – 슈나이더 일렉트릭(Schneider Electric)의 독점 프로토콜이지만, 특허가 아닌 미공개 프로토콜이며, 다른 변형과 달리 여러 클라이언트 간의 피어 투 피어 통신을 지원한다.^[8] 이름에도 불구하고, Modbus Plus^[9]는 Modbus의 변형이 아니다. 이는 토큰 전달을 포함하는 다른 통신 프로토콜이다. 빠른 고급 데이터 링크 제어(HDLC)와 유사한 토큰 회전을 처리하기 위해 전용 보조 프로세서가 필요하다. 1Mbit/s의 연선 케이블을 사용하며 각 노드에 변압기 절연을 포함하여 전압/레벨 트리거 방식이 아닌 전이/엣지 트리거 방식을 사용한다. Modbus Plus를 컴퓨터에 연결하려면 일반적으로 산업 표준 아키텍처(ISA), 주변 구성 요소 상호 연결(PCI), 또는 PC 카드(PCMCIA) 버스용으로 제작된 카드가 필요하다. Modbus Plus는 일반적으로 슈나이더의 파트너에게만 제공되는 사용자 지정 칩셋을 사용하여 구현된다.
• '''Pemex Modbus''' – 표준 Modbus의 확장으로, 과거 데이터 및 유량 데이터를 지원한다. Pemex(페멕스) 석유 및 가스 회사의 공정 제어용으로 설계되었지만 광범위하게 채택되지는 않았다.
• '''Enron Modbus''' – 엔론(Enron)에서 개발한 표준 Modbus의 또 다른 확장으로, 32비트 정수 및 부동 소수점 변수와 과거 및 유량 데이터를 지원한다. 데이터 유형은 표준 주소를 사용하여 매핑된다.^[10] 과거 데이터는 데이터 저장 방식에 대한 미국 석유 협회(API) 산업 표준을 충족하는 데 사용된다.

5. JBUS 매핑

JBUS는 1985년 프랑스 회사인 르노 오토메이션과 메를린 제린이 PLC 제조업체인 에이프릴 오토메이츠를 위해 정의한 프로토콜로, 모드버스와 밀접하게 관련되어 있다. 1994년 AEG 슈나이더 오토메이션이 에이프릴 PLC 시리즈를 인수하면서 구식이 되었지만, JBUS라는 이름은 여전히 사용되고 있다.

JBUS는 모드버스와 유사하게 기능 코드 1, 2, 3, 4, 5, 6, 15, 16을 지원하여 모든 엔티티를 지원하지만, 번호 매기기 방식이 다르다. JBUS의 번호 매기기 방식은 다음과 같다.

• 번호와 주소가 일치한다. 엔티티 #''x''는 데이터 프레임에서 주소 ''x''를 갖는다.
• 엔티티 번호는 엔티티 유형을 포함하지 않는다. 예를 들어, Modbus의 홀딩 레지스터 #40010은 JBUS에서 주소 9에 있는 홀딩 레지스터 #9가 된다.
• 0번(및 주소 0)은 지원되지 않는다. 서버는 이 번호와 주소에서 실제 데이터를 구현해서는 안 되며, 요청 시 널 값을 반환하거나 오류를 발생시킬 수 있다.

6. 제한 사항

• 모드버스는 1970년대 후반에 프로그래머블 로직 컨트롤러와의 통신을 위해 설계되었기 때문에, 데이터 형식의 수가 당시 PLC가 이해할 수 있는 수준으로 제한되어 있다. 대용량 바이너리 객체는 지원되지 않는다.
• 노드가 데이터 객체에 대한 설명을 찾을 수 있는 표준적인 방법이 없다. 예를 들어, 레지스터 값이 30도에서 175도 사이의 온도를 나타낸다는 것을 알 수 없다.
• 모드버스는 클라이언트/서버(이전에는 마스터/슬레이브) 프로토콜이므로, 필드 장치가 이벤트 핸들러 메커니즘으로 데이터를 가져올 수 있는 방법이 없다(이더넷 TCP/IP를 통한 경우, 오픈-엠버스라고 함). 클라이언트 노드는 각 필드 장치를 정기적으로 폴링하여 데이터의 변경 사항을 찾아야 하기 때문이다. 이는 대역폭이 비쌀 수 있는, 예를 들어 낮은 비트율의 무선 링크와 같은 애플리케이션에서 대역폭과 네트워크 시간을 소모한다.
• 모드버스는 하나의 데이터 링크에서 247개의 장치로 주소가 제한되어 있어, 상위 스테이션에 연결될 수 있는 필드 장치의 수를 제한한다(이 또한 이더넷 TCP/IP는 예외).
• 모드버스 프로토콜 자체는 무단 명령이나 데이터 가로채기에 대한 보안을 제공하지 않는다.
• Modbus의 전송은 연속적이어야 한다. 따라서 원격 통신 장치는 데이터를 버퍼링하고 전송에 갭이 생기지 않도록 해야 한다.

7. 대한민국에서의 활용 및 전망

대한민국에서는 스마트 팩토리, 빌딩 자동화, 에너지 관리 시스템 등 다양한 분야에서 Modbus가 활용되고 있다. 특히, 4차 산업혁명 시대에 발맞춰 스마트 시티 구축에도 중요한 역할을 하고 있다. 정부와 기업들은 Modbus와 같은 개방형 프로토콜을 활용하여 다양한 시스템 간의 상호 운용성을 확보하고, 데이터 기반의 효율적인 운영을 추구하고 있다.

네트워크에서 Modbus 통신을 지원하기 위해 많은 모뎀과 게이트웨이는 유선 또는 무선 통신을 사용하며, ISM 무선 대역, 단문 메시지 서비스(SMS) 또는 일반 패킷 무선 서비스(GPRS)와 같은 구현도 가능하다.

8. 같이 보기

• PLC
• 산업 자동화
• 빌딩 자동화
• 이더넷
• RS-232
• RS-485

참조

_[1] 서적 Control Techniques Drives and Controls Handbook https://app.knovel.c[...] Institution of Engineering and Technology 2009
_[2] 웹사이트 Modbus FAQ https://modbus.org/f[...] Modbus Organization, Inc. 2012-11-01
_[3] 웹사이트 About Modbus Organization https://modbus.org/a[...] Modbus Organization, Inc. 2012-11-08
_[4] 웹사이트 Modpoll Modbus Master Simulator https://www.modbusdr[...] 2023-10-13
_[5] 서적 Practical Modern Scada Protocols: Dnp3, 60870.5 and Related Systems https://books.google[...] Newnes 2004
_[6] 웹사이트 Crash Course: Client/Server/Master/Slave https://www.prosoft-[...] 2022-10-17
_[7] 웹사이트 Java Modbus Library - About http://jamod.sourcef[...] 2017-02-07
_[8] 웹사이트 What is the difference between Modbus and Modbus Plus? https://www.se.com/c[...] Schneider Electric 2017-02-07
_[9] 웹사이트 Modbus Plus - Modbus Plus Network - Products overview - Schneider Electric United States https://www.se.com/u[...] Schneider-electric.com 2014-01-03
_[10] 웹사이트 Simply Modbus - About Enron Modbus https://www.simplymo[...] Simply Modbus 2017-02-07
_[11] 웹사이트 Modbus Organization Replaces Master-Slave with Client-Server (press release) https://modbus.org/d[...] 2023-07-11
_[12] 간행물 Critical Infrastructure Protection III Springer 2009-03-23
_[13] 문서 Technote 27 - Modbus/RS485 Questions http://www.obvius.co[...] Obvius Holdings LLC