모드버스 TCPIP의 이해
Modbus TCP/IP 프로토콜은 산업용 통신 시스템 영역의 초석입니다. 이더넷과 함께 작동하여 서로 다른 유형의 네트워크에 연결된 장치 간의 클라이언트/서버 통신을 가능하게 하는 애플리케이션 계층 메시징 프로토콜입니다. Modbus 직렬 프로토콜(Modbus RTU)로 시작된 Modbus는 TCP/IP와 같은 최신 기술을 수용하도록 발전하여 빌딩 자동화 및 에너지 관리 시스템에서 복잡한 산업 자동화 프로세스에 이르기까지 다양한 영역에서 중요한 역할을 합니다. 단순성과 견고성에 중점을 둔 이 프로토콜은 사용 편의성, 개방성 및 다양한 장치를 네트워크에 통합할 수 있는 기능으로 인해 널리 채택되어 많은 애플리케이션에서 선택하는 프로토콜입니다.
Modbus TCP/IP: 기본 개념 및 원리
Modbus TCP/IP란?
Modbus TCP/IP는 TCP/IP 네트워크를 통해 사용하기 위해 잘 정립된 Modbus 프로토콜을 채택한 것입니다. Modbus 장치가 이더넷 네트워크를 통해 원활하게 통신할 수 있도록 하는 표준화된 TCP 인터페이스를 제공하여 효율적이고 안정적인 데이터 교환을 가능하게 합니다.
Modbus TCP/IP 메시징 프로토콜은 원래 Modbus 프로토콜의 단순성과 견고성(메시지 구조, 레지스터 기반 통신 등을 유지함으로써)을 계승하여 TCP/IP의 신뢰성과 상호 운용성을 추가합니다. 기존 Modbus 데이터를 TCP/IP 패킷에 캡슐화하여 표준 네트워크 인프라를 통해 데이터를 전송할 수 있습니다.
Modbus TCP/IP는 TCP(전송 제어 프로토콜)를 기본 전송 프로토콜로 사용합니다. TCP는 데이터 분할, 승인 및 재전송과 같은 기능을 제공하여 네트워크를 통해 Modbus 메시지의 안정적이고 질서 있는 전달을 보장합니다.
프로토콜은 주소 지정, 라우팅 및 패킷 전달을 위해 IP 계층(인터넷 계층)에 의존합니다. IP 주소를 사용하여 네트워크의 소스 및 대상 디바이스를 식별합니다. IP는 Modbus TCP/IP 메시지가 이더넷 네트워크에 연결된 장치 간에 적절하게 라우팅되도록 합니다.
TCP/IP 패킷 내에서 Modbus 메시지의 캡슐화는 클라이언트-서버 모델에서 발생합니다. 이 모델은 한 장치를 요청을 시작하는 클라이언트로 지정하고, 다른 장치는 이러한 요청을 처리하고 응답을 보내는 서버 역할을 합니다.
Modbus TCP/IP의 기본 원리
Modbus TCP/IP를 포함한 Modbus 프로토콜 제품군은 작동의 기초가 되는 몇 가지 기본 개념과 원칙을 중심으로 합니다.
- 클라이언트/서버 아키텍처: Modbus 메시징 구조는 명령/응답 프로토콜이며 데이터를 요청하는 클라이언트(TCP 클라이언트)와 요청을 처리하고 응답을 반환하는 서버가 필요합니다.
- 레지스터 기반 통신: Modbus 영역에서 데이터는 개별 입력, 코일, 입력 레지스터 및 홀딩 레지스터의 네 가지 기본 데이터 엔터티에 저장됩니다. 이러한 엔티티는 Modbus 시스템 내에서 데이터를 구성하고 해석하는 데 필수적입니다. 이산 입력 및 코일은 이진 정보를 처리하는 반면 입력 및 홀딩 레지스터는 수치 데이터를 처리합니다.
- 주소 지정: Modbus는 액세스 중인 레지스터를 식별하기 위해 간단한 주소 지정 체계를 사용합니다. 주소 지정은 일반적으로 숫자 값을 사용하여 시작 레지스터 주소와 읽거나 쓸 레지스터 수를 지정합니다.
- 기능 코드 기반 읽기/쓰기 작업: Modbus의 데이터 액세스는 Modbus 데이터 프레임의 기능 코드 필드에 의해 정의됩니다. 이러한 함수 코드는 데이터 엔터티에서 수행할 작업 유형을 지정하므로 매우 중요합니다. 작업은 읽기 및 쓰기에서 데이터 조작 기능에 이르기까지 다양할 수 있습니다.
- 트랜잭션 지향: Modbus의 필수 원칙은 트랜잭션 지향적인 특성입니다. Modbus 클라이언트의 각 요청은 다른 모든 요청과 독립적입니다. 이 트랜잭션 속성을 통해 Modbus는 광범위한 애플리케이션 및 사용 사례에 사용될 수 있습니다.
TCP/IP 대 Modbus TCP/IP
TCP/IP와 Modbus TCP/IP가 동의어인지 아니면 별개의 기술인지는 초보자에게 분명한 호기심이 될 것입니다. 다음 섹션에서는 이러한 용어에 대한 올바른 명확성을 제공합니다.
TCP/IP 프로토콜 스택은 인터넷과 최신 네트워크의 중추입니다. 인터넷에서 네트워크 장치를 상호 연결하는 데 사용되는 통신 프로토콜 모음입니다. 이 프로토콜은 이더넷 네트워크를 통해 널리 사용되므로 이더넷 TCP/IP라고도 합니다. 반면에 Modbus TCP/IP는 TCP/IP 네트워크를 통한 산업 자동화 및 제어 시스템의 통신을 위해 특별히 설계된 프로토콜입니다.
TCP/IP 통신은 인터넷에서 데이터 패킷을 전송하기 위해 설계된 범용 프로토콜 역할을 하는 반면, Modbus TCP/IP는 산업용 애플리케이션에 TCP/IP 스택을 활용하여 전문화되어 있습니다. Modbus TCP/IP는 애플리케이션 계층에서 작동하면서 하위 계층에서 TCP/IP의 전송 및 네트워크 기능을 활용하여 인터넷 또는 로컬 네트워크 인프라를 통해 Modbus 메시징 구조 데이터를 전달합니다.
데이터 처리: 근본적인 차이점은 데이터 처리 접근 방식에 있습니다. TCP/IP는 바이트 캐리어 역할을 하여 네트워크 통신의 기초를 설정하는 포괄적인 프로토콜 제품군을 형성합니다. 프로토콜 스택의 하위 계층에서 작동하며 주소 지정, 라우팅, 시퀀싱, 오류 감지 및 재전송과 같은 작업에 집중합니다
.
TCP/IP는 인터넷으로 전송하기 위해 메시지 또는 파일을 패킷으로 분할한 다음 의도한 대상에서 재구성합니다. 그러나 TCP/IP는 전달하는 내용에 대한 고유한 이해를 가지고 있지 않다는 점에 유의해야 합니다. 데이터를 원시 바이트로 처리합니다.
그러나 Modbus TCP/IP는 데이터 구조 정의를 포함합니다. 데이터를 전달할 뿐만 아니라 데이터가 명령 또는 응답을 나타내는지 여부 또는 데이터가 속한 데이터 유형(코일, 이산 입력, 입력 레지스터 또는 홀딩 레지스터)과 같이 전달하는 데이터의 특성도 이해합니다.
TCP/IP에서는 데이터와 관련된 특정 조치 없이 데이터가 전송됩니다. 대조적으로, Modbus TCP/IP는 레지스터 또는 코일에 대한 읽기 또는 쓰기와 같이 데이터에 대해 수행되는 특정 작업을 포함합니다.
다목적성: 또한 TCP/IP는 특정 애플리케이션과 독립적으로 작동하므로 다양한 유형의 데이터 통신에 매우 적합합니다. 그러나 Modbus TCP/IP는 산업 자동화 시스템의 매개변수 내에서 작동하고 이러한 시스템과 관련된 특정 유형의 정보를 전달하도록 설계된 애플리케이션별 것입니다.
따라서 둘 다 최신 네트워크 통신에 필수적이지만 TCP/IP는 기본 전송 프로토콜 역할을 하며 Modbus TCP/IP는 특정 산업용 통신 요구 사항에 맞는 맞춤형 솔루션을 제공합니다.
Modbus TCP/IP 아키텍처
Modbus TCP/IP 아키텍처는 네트워크 통신에 대한 계층화된 접근 방식을 나타냅니다. 이 아키텍처는 TCP/IP 스택과 MBAP(Modbus Application Protocol)의 두 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다. Modbus 프로토콜과 TCP/IP의 통합은 일반적인 Modbus 메시지 구조 앞에 MBAP 헤더를 포함함으로써 달성됩니다.
TCP/IP 스택은 물리적 계층(이더넷), 네트워크 계층(IP) 및 전송 계층(TCP)을 포함한 하위 계층을 구성합니다. 이 구조는 네트워크를 통한 데이터의 물리적 및 논리적 전송을 처리합니다.
TCP/IP 스택 위에 위치하는 MBAP(애플리케이션 계층의 일부로)는 TCP/IP 패킷 내에 Modbus 메시지를 캡슐화하는 역할을 합니다. 이 아키텍처는 표준 네트워크 인프라를 통해 Modbus 데이터를 원활하게 통신할 수 있도록 합니다.
아키텍처의 중심에는 Modbus 메시지가 있습니다. Modbus TCP/IP 메시지에는 Modbus 애플리케이션 프로토콜 헤더, 메시지 작업을 나타내는 함수 코드 및 함수 코드에 따라 달라지는 데이터 필드가 포함됩니다. 메시지는 네트워크의 장치에서 쉽게 처리하고 이해할 수 있는 형식으로 구성됩니다.
이 계층화된 구조는 Modbus 네트워크의 다양한 장치 간에 원활한 상호 운용성을 달성하는 데 매우 중요합니다. 또한 Modbus 프로토콜이 최신 네트워크 기술을 통해 작동하도록 조정되는 경우에도 Modbus 프로토콜의 단순성과 견고성을 유지하는 데 도움이 됩니다.
Modbus 애플리케이션 프로토콜(MBAP)
Modbus 애플리케이션 프로토콜(MBAP)은 Modbus TCP/IP 프로토콜의 핵심 구성 요소입니다. Modbus TCP/IP 네트워크의 장치 간 통신을 위한 데이터 인코딩을 정의하는 애플리케이션 계층 프로토콜입니다. MBAP 헤더는 TCP/IP 네트워크를 통해 Modbus 메시지를 성공적으로 전달하는 데 중요한 역할을 합니다.
MBAP 헤더는 표준 Modbus 메시지 앞에 접두사가 붙은 7바이트 구조입니다. 이 헤더에는 세 가지 기본 필드가 포함되어 있습니다.
- 트랜잭션 식별자(2바이트): 트랜잭션 식별자는 각 트랜잭션의 고유 식별 번호입니다.
- 프로토콜 식별자(2바이트): Modbus 서비스의 경우 프로토콜 식별자가 0으로 설정됩니다.
- 길이(2바이트): 길이(또는 바이트 수) 필드는 메시지에 남아 있는 바이트 수를 나타냅니다. 메시지 페이로드의 크기를 결정하는 데 사용되며, 수신자가 데이터를 적절하게 처리하고 처리할 수 있도록 합니다.
- 장치 식별자(1바이트): Modbus 네트워크 내에서 대상 장치 또는 장치를 식별합니다.
MBAP 캡슐화를 사용하면 Modbus TCP/IP 프로토콜이 Modbus 메시징 구조의 단순성과 직설성을 유지하면서 TCP/IP의 강력하고 안정적인 전송 메커니즘을 활용할 수 있습니다. Modbus 프로토콜을 최신 네트워크 기술과 통합하는 다리 역할을 합니다.
TCP/IP 프로토콜
TCP/IP 프로토콜은 인터넷과 개인 네트워크 내에서 데이터 통신의 기초입니다. Modbus TCP/IP가 산업용 통신을 가능하게 하기 위해 구축하는 기본 프로토콜입니다. TCP/IP 프로토콜 스택은 응용 프로그램, 전송, 인터넷 및 네트워크 인터페이스 계층으로 구성된 4계층 모델입니다.
- 응용 프로그램 계층: 맨 위에 있는 응용 프로그램 계층은 특정 데이터 통신 서비스에 대한 프로토콜을 제공합니다. 이러한 프로토콜은 웹 브라우저 또는 이메일 클라이언트와 같은 소프트웨어 응용 프로그램에서 직접 작동합니다. 예를 들어 웹 브라우징을 위한 HTTP와 이메일 전송을 위한 SMTP가 있습니다.
- 전송 계층: 전송 계층은 종단 간 통신 제어를 담당하여 완전한 데이터 전송을 보장합니다. 이 수준에서는 TCP(Transmission Control Protocol)와 UDP(User Datagram Protocol)의 두 가지 주요 프로토콜이 작동합니다. TCP는 신뢰할 수 있고 순서가 정해져 있으며 오류가 확인된 데이터 전달을 제공합니다. 패킷 시퀀싱, 패킷 수신 확인 및 손실된 데이터의 재전송을 관리합니다.
- 인터넷 계층: 네트워크 계층이라고도 하는 인터넷 계층은 여러 네트워크 간의 데이터 라우팅을 담당합니다. 이 수준의 핵심 프로토콜은 최종 목적지에 대한 패킷의 주소 지정 및 라우팅을 처리하는 인터넷 프로토콜(IP)입니다. 각 데이터 패킷은 발신자와 수신자의 IP 주소를 모두 전달합니다.
- 네트워크 인터페이스 계층: 마지막으로 링크 계층 또는 물리적 계층이라고도 하는 네트워크 인터페이스 계층은 데이터의 물리적 전송을 관리합니다. 여기에는 장치의 전기적 및 물리적 사양을 정의하는 이더넷 및 Wi-Fi와 같은 프로토콜이 포함됩니다.
Modbus TCP/IP의 컨텍스트에서 MBAP(Modbus 애플리케이션 프로토콜)는 TCP/IP 스택의 애플리케이션 계층에 있습니다. MBAP는 Modbus 프로토콜 데이터 단위를 TCP/IP 패킷으로 캡슐화합니다. 그런 다음 전송 계층에서 TCP 프로토콜은 네트워크를 통해 이러한 패킷의 안정적인 전달을 보장합니다. 한편, IP 프로토콜은 IP 주소를 기반으로 이러한 패킷을 대상으로 라우팅하고 네트워크 인터페이스 계층은 네트워크 매체를 통한 물리적 전송을 처리합니다.
TCP/IP 프로토콜의 다양성, 견고성 및 광범위한 채택으로 인해 Modbus는 최신 네트워크 기술로 범위를 확장하는 데 이상적인 선택입니다.
장치 및 레지스터 주소 지정
Modbus TCP/IP는 네트워크 장치 내의 특정 데이터 포인트를 참조하는 메커니즘을 제공하므로 장치 및 레지스터 주소 지정을 이해하는 것이 중요합니다. 이 섹션에서는 장치와 관련된 핵심 개념을 분석하고 Modbus TCP/IP 네트워크에 주소 지정을 등록합니다.
Modbus TCP/IP의 장치 주소 지정은 네트워크의 IP 수준에서 처리됩니다. 각 장치에 1-247 범위의 고유한 슬레이브 ID가 할당되는 Modbus RTU 또는 Modbus ASCII와 달리 Modbus TCP/IP 네트워크의 장치는 IP 주소를 사용하여 주소가 지정됩니다. IP 주소 지정을 사용하면 각각 고유 식별자를 가진 수많은 장치를 연결하고 네트워크로 연결할 수 있으므로 복잡하고 대규모 산업 시스템을 용이하게 할 수 있습니다.
한편, Modbus TCP/IP의 주소 등록은 장치 내에서 데이터에 액세스하는 방식과 관련이 있습니다. Modbus에서 데이터는 각각 특정 유형의 데이터와 연결된 4개의 기본 테이블로 구성됩니다.
- 코일(읽기/쓰기, 부울)
- Discrete Inputs (Read-Only, Boolean)
- 입력 레지스터(읽기 전용, 16비트)
- 홀딩 레지스터(읽기/쓰기, 16비트)
각 테이블에는 해당 데이터에 액세스하기 위한 고유한 함수 코드가 있으며 테이블 내의 각 데이터 포인트에는 일반적으로 0-65535 범위의 고유한 주소가 있습니다. 예를 들어, 주소 40001에서 홀딩 레지스터를 읽기 위한 요청은 함수 코드 3(홀딩 레지스터 읽기)과 주소 0(Modbus 주소 지정은 0부터 시작하므로 레지스터는 1이 아닌 0부터 번호가 매겨집니다)과 함께 전송됩니다.
Modbus TCP/IP의 고유한 측면 중 하나는 프로토콜이 유니캐스트 및 멀티캐스트 요청을 모두 지원한다는 것입니다. 유니캐스트 요청은 장치의 고유한 IP 주소를 사용하여 단일 장치로 전달됩니다. 반면, 멀티캐스트 요청은 멀티캐스트 IP 주소를 사용하여 디바이스 그룹으로 전송됩니다. 이 기능을 사용하면 네트워크에서 여러 장치를 처리할 때 효율적인 동시 데이터 액세스가 가능합니다.
따라서 Modbus TCP/IP의 장치 및 주소 등록은 2단계 계층 구조를 형성합니다. IP 주소는 네트워크의 특정 장치를 식별하는 반면, 기능 코드 및 데이터 주소는 해당 장치 내의 특정 데이터 포인트를 식별합니다. 이 구조는 산업 자동화 시스템에서 정밀한 제어 및 데이터 액세스를 가능하게 합니다.
Modbus TCP/IP 작동 방식
Modbus TCP/IP는 데이터 통신 및 제어를 위한 단순하면서도 강력한 모델을 따릅니다. 신뢰성, 효율성 및 단순성이 산업 자동화 및 공정 제어 응용 분야에서 가장 중요하다는 이해를 바탕으로 설계되었습니다. Modbus TCP/IP의 프레임워크는 고유한 클라이언트-서버 모델에서 특정 데이터 전송 및 쿼리 방법에 이르기까지 다양한 측면으로 구성됩니다.
클라이언트-서버 통신
Modbus TCP/IP를 정의하는 측면 중 하나는 클라이언트-서버 모델입니다. 이 모델은 Modbus TCP/IP 네트워크에서 데이터 통신의 중추를 형성합니다.
이 모델에서 클라이언트는 서버(또는 여러 서버)에 요청을 보낸 다음 요청을 처리하고 응답을 다시 보냅니다. 클라이언트는 일반적으로 HMI(인간-기계 인터페이스), PLC(Programmable Logic Controller) 또는 데이터 또는 장치 제어가 필요한 모든 장치입니다. 반면에 서버는 일반적으로 센서, 액추에이터 또는 데이터를 제공하거나 작업을 수행하는 기타 장치입니다.
각 클라이언트 요청에는 MBAP 헤더, 함수 코드 및 데이터 필드가 포함됩니다. MBAP 헤더는 Modbus TCP/IP에 고유하며 트랜잭션 식별자 및 프로토콜 식별자와 같은 세부 정보를 포함합니다. 함수 코드는 클라이언트가 서버가 수행하기를 원하는 작업을 나타냅니다. 이는 데이터 읽기, 데이터 쓰기 또는 서버 진단일 수 있습니다. 데이터 필드에는 읽을 등록된 주소 또는 레지스터에 쓸 값과 같은 요청의 세부 정보가 포함됩니다.
서버는 함수 코드에 따라 요청을 처리합니다. 데이터 읽기를 요청하는 경우 서버는 레지스터에서 요청된 데이터를 검색합니다. 데이터 쓰기 요청인 경우 서버는 제공된 값을 지정된 레지스터에 씁니다. 그런 다음 서버는 작업이 성공적으로 완료되었음을 확인하거나 작업을 완료할 수 없는 경우 오류를 나타내는 응답을 클라이언트로 다시 보냅니다.
이 간단한 클라이언트-서버 모델은 Modbus TCP/IP 운영의 핵심입니다. 단순성과 견고성으로 인해 신뢰성과 효율성이 중요한 산업 자동화 및 공정 제어를 위한 탁월한 프로토콜입니다.
Modbus 기능
Modbus 기능은 Modbus TCP/IP 프로토콜의 작동에 필수적이며 클라이언트가 서버에서 다양한 유형의 작업을 요청할 수 있는 방법을 제공합니다. 클라이언트의 요청 메시지에 포함되며 고유한 함수 코드로 표시됩니다.
Modbus 기능은 일반적으로 두 가지 범주로 분류됩니다.
i) 공개 기능: 공개 기능은 사전 정의되어 모든 Modbus 장치에서 보편적으로 허용되는 반면, 사용자 정의 기능은 개별 제조업체에서 맞춤 정의하며 보편적으로 인식되지 않을 수 있습니다.
공용 Modbus 기능은 광범위한 작업을 포괄합니다. 일반적인 것은 함수 코드 03으로 표시되는 'Read Holding Registers' 기능입니다. 클라이언트가 이 함수 코드로 요청을 보내면 서버에 특정 보유 레지스터의 내용을 제공하도록 요청합니다. 이 함수는 단일 요청에서 최대 125개의 레지스터를 읽을 수 있습니다.
또 다른 중요한 기능은 함수 코드 06으로 표시되는 '단일 레지스터 쓰기'입니다. 클라이언트가 서버의 특정 보유 레지스터에 특정 값을 쓰려고 할 때 사용됩니다. 요청의 데이터 필드에는 레지스터의 주소와 기록할 값이 포함됩니다.
함수 코드 16 또는 'Write Multiple Registers'는 클라이언트가 단일 요청에서 여러 개의 연속 레지스터에 값을 쓰려고 할 때 사용됩니다. 이 경우 데이터 필드에는 시작 주소, 레지스터 수 및 기록할 값 집합이 포함됩니다.
ii) 사용자 정의 기능: 대조적으로, 사용자 정의 함수는 제조업체가 공용 기능의 범위를 넘어 고유한 작업을 구현할 수 있는 유연성을 제공합니다. 즉, 제조업체와 개발자는 특정 요구 사항에 맞는 자체 기능 코드 세트와 해당 작업을 정의할 수 있습니다. 이러한 사용자 정의 기능을 통해 Modbus 기반 시스템에서 사용자 정의 및 유연성을 얻을 수 있습니다. 65-72 및 100-110 범위의 기능 코드로 표시됩니다. 이러한 코드와 관련된 정확한 기능은 제조업체의 소유입니다.
사용자 정의 기능 코드를 구현할 때 다른 Modbus 장치 또는 시스템과의 호환성 및 상호 운용성을 보장하는 것이 중요합니다. 명확한 문서화와 Modbus 통신 표준 준수는 Modbus 네트워크에서 사용자 정의 기능을 사용할 때 적절한 통신을 보장하고 충돌이나 오해를 방지하는 데 도움이 됩니다.
기능 코드를 사용하면 표준화되면서도 다양한 작업 요청 방법이 가능하여 산업 자동화 및 공정 제어 시스템에서 Modbus TCP/IP 프로토콜의 효율성에 기여합니다.
Modbus TCP/IP 대 Modbus RTU
Modbus TCP/IP 및 Modbus RTU는 Modbus 프로토콜의 두 가지 중요한 변형으로, 각각 강점과 특정 응용 분야가 있습니다. 전송 모드, 미디어 및 속도 등이 다릅니다.
Modbus TCP/IP는 이더넷 기반 버전의 프로토콜입니다. 네트워크 통신을 위해 TCP/IP 스택을 활용하여 TCP/IP 네트워크를 통해 작동합니다. 일반적으로 최대 100Mbps 이상의 더 빠른 데이터 속도를 가지며 로컬 및 광역 네트워크 모두에서 작동합니다. 따라서 장치가 여러 지리적 위치에 흩어져 있을 수 있는 대규모 산업용 네트워크에 적합합니다.
Modbus TCP/IP는 이더넷 네트워크의 특성으로 인해 여러 클라이언트가 서버와 동시에 통신할 수 있는 클라이언트-서버 모델을 사용합니다. 이 프로토콜 버전은 Modbus PDU 앞에 7바이트 MBAP(Modbus Application Protocol) 헤더를 사용하여 복잡한 네트워크 토폴로지를 통해 요청 및 응답을 라우팅할 수 있습니다. 또한 기본 TCP/IP 통신 프로토콜이 이 측면을 처리하므로 Modbus TCP/IP에는 오류 검사 기능이 내장되어 있지 않습니다.
반면에 Modbus RTU는 RS-232 또는 RS-485 물리적 인터페이스를 통해 자주 사용되는 Modbus의 직렬 전송 버전입니다. "Remote Terminal Unit"의 약자입니다. 전송 속도는 일반적으로 Modbus TCP/IP보다 느리며 일반적으로 최대 115200bps의 전송 속도이지만 일부 최신 직렬 인터페이스에서는 더 빠를 수 있습니다.
Modbus RTU는 마스터-슬레이브 모델을 기반으로 작동합니다. 여러 슬레이브 장치와 통신하는 하나의 마스터 장치가 있으며, 마스터는 모든 통신을 시작하고 슬레이브는 마스터의 요청에 응답합니다.
Modbus RTU 메시지에는 데이터 무결성을 보장하기 위한 CRC(Cyclic Redundancy Check) 오류 검사 필드가 포함되어 있습니다. 이는 전기적 노이즈로 인해 데이터 전송 오류가 발생할 수 있는 산업 환경에서 매우 중요합니다. CRC 필드를 통해 수신 디바이스는 이러한 오류를 감지하고 필요한 경우 데이터의 재전송을 요청할 수 있습니다. 그러나 CRC 계산은 발신자와 수신자 모두 계산을 수행해야 하므로 통신 프로세스에 약간의 오버헤드를 추가합니다.
Modbus TCP/IP와 Modbus RTU 중에서 선택할 때 필요한 데이터 속도, 네트워크 토폴로지의 복잡성, 연결할 장치 수 및 환경 조건과 같은 요소를 고려해야 합니다.
Modbus TCP/IP: 실제 애플리케이션
산업 자동화의 Modbus TCP/IP
Modbus TCP/IP는 개방성, 단순성 및 광범위한 수용성으로 인해 산업 자동화 시스템에서 중추적인 역할을 합니다. PLC(Programmable Logic Controller), RTU(Remote Terminal Unit) 및 센서를 포함한 다양한 산업용 장치를 연결하는 공통 통신 프로토콜로 작동합니다.
PLC에 광범위하게 적용됩니다. Modbus TCP/IP 기능이 있는 PLC는 이더넷을 통해 다른 PLC 및 장치와 연결하여 통합된 다중 노드 제어 시스템을 생성할 수 있습니다. 여기에는 중앙 집중식 PLC, 주변 PLC에 명령 실행 또는 분산 네트워크에서 제어 책임을 공유하는 PLC가 있는 복잡한 설정이 포함될 수 있습니다. 이를 통해 자동화 수준을 높이고 사람의 개입을 줄이며 산업 프로세스의 효율성과 정확성을 크게 향상시킵니다.
Modbus TCP/IP는 산업 환경에서 RTU를 연결하는 데에도 광범위하게 사용됩니다. RTU는 일반적으로 광대한 지역에 걸쳐 있는 석유 및 가스 파이프라인 또는 수처리 플랜트와 같은 대규모 시스템에 적용됩니다. RTU는 Modbus TCP/IP를 사용하여 현장 계측기에서 중앙 제어실로 데이터를 다시 전송하므로 감시 제어 및 데이터 수집(SCADA) 시스템의 중요한 구성 요소가 됩니다.
빌딩 자동화의 Modbus TCP/IP
빌딩 자동화 영역에서 Modbus TCP/IP는 다재다능하고 통합이 용이하기 때문에 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 빌딩 자동화 시스템(BAS)은 HVAC, 조명 제어, 액세스 제어 및 화재 안전 시스템을 포함한 다양한 하위 시스템을 통합하는 경우가 많으며, 각 하위 시스템은 서로 다른 통신 프로토콜을 사용할 수 있습니다.
이러한 시나리오에서 Modbus TCP/IP는 이러한 하위 시스템 간의 원활한 통신을 가능하게 합니다. 예를 들어, HVAC 시스템은 종종 Modbus TCP/IP를 사용하여 온도, 습도 및 공기질과 같은 매개변수를 모니터링하기 위해 컨트롤러 및 센서와 인터페이스합니다. 그런 다음 이 데이터를 사용하여 HVAC 작동을 자동으로 제어하여 에너지 효율성 및 거주자 편안함과 같은 요소를 최적화할 수 있습니다.
마찬가지로 Modbus TCP/IP는 조명 제어 시스템과 광 센서 및 조광기와 같은 관련 장치 간의 상호 작용을 용이하게 합니다. 이러한 상호 작용을 통해 자연광 가용성 또는 사전 정의된 일정에 따라 조명 수준을 자동으로 조정하여 에너지 효율성을 높일 수 있습니다.
또한 Modbus TCP/IP는 액세스 제어 시스템을 다른 빌딩 시스템과 통합하는 데 중요한 연결 고리 역할을 합니다. 예를 들어, 출입 통제 시스템은 방이 점유될 때 HVAC 및 조명 시스템에 신호를 보내 이러한 시스템이 점유에 따라 조건을 조정할 수 있도록 할 수 있습니다.
에너지 관리의 Modbus TCP/IP
Modbus TCP/IP의 역할은 에너지 사용을 최적화하고 비용을 최소화하려는 기업에게 중요한 영역인 에너지 관리 시스템으로 확장됩니다. Modbus TCP/IP는 전력계, 서브미터 및 에너지 관리 소프트웨어와 같은 에너지 관리 시스템의 다양한 구성 요소 간의 통신 매체입니다.
파워 미터는 다양한 장비 및 회로에서 에너지 사용량을 모니터링하는 데 필수적입니다. 많은 최신 전력계는 Modbus TCP/IP를 지원하며 전압, 전류, 역률 및 에너지 소비와 같은 전기 매개변수에 대한 실시간 데이터를 제공합니다. 이 실시간 데이터는 과도한 에너지 사용 영역을 식별하고 시정 조치를 구현하는 데 유용합니다.
서브미터는 대규모 시설에서 부서, 층 또는 특정 장비와 같은 보다 세분화된 수준에서 에너지 사용량을 추적하는 데 자주 사용됩니다. 전력계와 마찬가지로 서브미터는 Modbus TCP/IP를 사용하여 중앙 에너지 관리 시스템과 통신하는 경우가 많습니다. 이러한 소규모 에너지 소비를 모니터링함으로써 기업은 에너지 절약 전략을 더욱 구체화하여 전체 에너지 소비를 볼 때 명확하지 않을 수 있는 사용량이 많은 특정 영역을 해결할 수 있습니다.
마지막으로 Modbus TCP/IP는 전력계 및 서브미터를 에너지 관리 소프트웨어와 쉽게 통합할 수 있습니다. 이 소프트웨어는 계량기에서 제공하는 데이터를 수집 및 분석하여 피크 수요 기간 식별, 비효율성 인식 및 미래 에너지 수요 예측과 같은 실행 가능한 통찰력을 생성할 수 있습니다. 이러한 통찰력은 포괄적인 에너지 관리 전략에 정보를 제공하여 기업이 에너지 낭비를 줄이고 비용을 절감하며 환경에 미치는 영향을 최소화하는 데 도움이 될 수 있습니다.
Modbus TCP/IP의 장점
Modbus TCP/IP는 산업 자동화 및 기타 응용 분야에서 선호되는 프로토콜이 된 몇 가지 이점을 제공합니다.
1. 원활한 통합: 첫째, TCP/IP를 기본 전송 프로토콜로 사용하면 광범위한 호환성과 기존 네트워크 인프라와의 쉬운 통합이 보장됩니다. TCP/IP의 유비쿼터스 특성은 Modbus TCP/IP를 사용하는 장치가 근거리 통신망, 광역 네트워크 및 인터넷을 통해 통신할 수 있음을 의미하므로 네트워크 설계 및 확장성에 상당한 유연성을 제공합니다.
2. 단순성 및 효율성: Modbus 프로토콜의 단순성은 또 다른 장점입니다. 작고 잘 정의된 기능 코드 세트와 간단한 데이터 모델을 통해 Modbus는 장치 및 소프트웨어에서 쉽게 구현할 수 있습니다. 이러한 단순성은 또한 처리 오버헤드를 줄여 저전력 장치에서도 프로토콜을 효율적으로 만듭니다.
3. 신뢰성 및 견고성: Modbus TCP/IP는 바이트 스트림의 안정적이고 순서가 정돈된 오류 검사 전달을 제공하는 TCP 프로토콜의 견고성의 이점을 제공합니다. 이러한 신뢰성은 제어 명령 및 상태 업데이트의 정확한 전달이 작업의 안전과 생산성에 직접적인 영향을 미칠 수 있는 많은 산업 자동화 시나리오에서 매우 중요합니다.
4. 확장성: Modbus TCP/IP는 단일 네트워크에서 최대 247개의 개별 장치를 처리할 수 있는 대규모 주소 공간을 지원합니다. 따라서 많은 장치가 통신해야 하는 대규모 애플리케이션에 적합합니다. 또한 Modbus TCP/IP는 한 장치의 메시지를 네트워크의 다른 모든 장치로 보낼 수 있는 브로드캐스팅을 지원하여 네트워크 통신의 효율성을 향상시킵니다.
5. 개방성 및 다양성: 마지막으로, Modbus 프로토콜의 개방성은 상당한 이점입니다. 프로토콜 사양은 무료로 사용할 수 있으며 프로토콜을 구현하는 데 라이선스가 필요하지 않습니다. 이로 인해 Modbus 호환 장치 및 소프트웨어의 대규모 에코시스템이 형성되어 사용자에게 시스템을 설계할 때 다양한 옵션을 제공할 수 있습니다.
Modbus TCP/IP의 한계
Modbus TCP/IP는 널리 사용되고 많은 이점을 제공하지만 과제와 한계가 없는 것은 아닙니다. 이러한 정보를 이해하면 이 프로토콜을 사용할지 여부를 결정하거나 이 프로토콜을 사용하는 네트워크의 문제를 해결할 때 도움이 될 수 있습니다.
1. 보안: 한 가지 중요한 문제는 보안입니다. Modbus는 사이버 보안이 중요한 문제가 되기 전에 설계되었으며 보안 기능이 내장되어 있지 않습니다. 이 프로토콜은 암호화 또는 인증을 지원하지 않으므로 Modbus TCP/IP를 통해 전송된 데이터를 쉽게 가로채고 변경할 수 있습니다. 또한 승인되지 않은 장치가 Modbus 네트워크에 연결하여 명령 전송을 시작하는 것도 쉽습니다. 따라서 프로토콜은 민감한 데이터가 전송되거나 무단 액세스로 인해 심각한 결과를 초래할 수 있는 시나리오에 적합하지 않습니다.
2. 장치 구성: 또 다른 문제는 Modbus TCP/IP가 일부 최신 네트워킹 기능을 지원하지 않는다는 것입니다. 예를 들어, 자동 장치 검색을 지원하지 않으므로 새 장치가 네트워크에 추가될 때 주소 및 기타 세부 정보를 수동으로 구성해야 합니다. 이로 인해 자동 구성을 지원하는 프로토콜보다 Modbus 네트워크를 설정하고 유지 관리하는 데 더 많은 시간이 소요될 수 있습니다.
3. 고급 기능 부족: Modbus TCP/IP의 단순성은 여러 면에서 장점이지만 일부 최신 산업용 프로토콜의 유연성과 기능이 부족하다는 의미이기도 합니다. 예를 들어, 이벤트 기반 또는 게시/구독 통신을 지원하지 않는 간단한 요청/응답 통신 모델만 지원합니다. 즉, 복잡한 통신 패턴이나 실시간 성능이 필요한 시나리오에는 적합하지 않을 수 있습니다.
4. TCP의 혼잡 제어에 대한 의존성: 이 프로토콜은 또한 TCP의 혼잡 제어 메커니즘에 의존하므로 사용량이 많은 네트워크 또는 장거리 연결에서 비효율성과 지연이 발생할 수 있습니다. TCP의 혼잡 제어 메커니즘은 산업 자동화의 특정 요구 사항이 아닌 범용 네트워크를 위해 설계되었습니다. 일부 시나리오에서는 이로 인해 실시간 산업 프로세스 제어에 허용되는 수준을 초과하는 대기 시간 또는 지터가 발생할 수 있습니다.
5. 확장성: Modbus는 이론적으로 많은 수의 장치를 지원하며, 실제로 더 많은 장치가 추가됨에 따라, 특히 많은 장치가 메시지를 브로드캐스트하는 경우 네트워크 성능이 저하될 수 있습니다. 이 제한 사항은 Modbus에만 국한된 것은 아니지만 대규모 시스템을 설계할 때 이를 인식하는 것이 중요합니다.
Modbus TCP/IP는 TCP/IP 네트워크를 통해 사용하도록 설계된 잘 정립된 Modbus RTU 프로토콜을 채택한 것입니다. 원래 프로토콜의 단순성과 신뢰성을 이더넷 및 인터넷 통신 영역으로 전달합니다. 개방형 표준으로 산업 자동화 및 빌딩 관리 시스템에서 널리 수용되고 있습니다. 그러나 프로토콜의 보안 조치 및 특정 애플리케이션에 대한 적합성에 영향을 줄 수 있는 기타 최신 네트워킹 기능의 부족에 대한 우려가 있습니다.
이러한 문제에도 불구하고 Modbus TCP/IP는 광범위한 사용, 업계 내 친숙함 및 광범위한 지원 장치 라이브러리로 인해 계속해서 적절한 선택이 되고 있습니다.
강력한 필드버스 프로토콜인 Profinet은 실시간 통신, 고급 진단 및 정밀 제어를 제공하여 Modbus의 한계를 해결하므로 산업 자동화 애플리케이션에 적합한 선택입니다.