พื้นฐาน Modbus Protocol สำหรับ PLC

ทำไมต้องรู้เรื่อง Modbus

ถึงตอนนี้เราใช้ PLC ตัวเดียวทำงานของมันได้ดีแล้ว ทั้ง Input, Output และ Function ต่างๆ แต่ในโรงงานจริงยังมีอีกความท้าทายคือ การคุยกับอุปกรณ์อื่น

• ระบบที่ต้องใช้ PLC มากกว่า 1 ตัว เพราะเครื่องจักรใหญ่หรือมีหลายส่วน
• การคุยกับอุปกรณ์ต่างรุ่น ต่างแบรนด์ ต่างผู้ผลิต

ปัญหาเหล่านี้ส่วนใหญ่แก้ได้ด้วย Modbus เพราะ Modbus เป็นภาษากลาง

• เป็นภาษาที่เปิดเผยเป็น Open standard (สเปคอยู่ที่ modbus.org)
• ถูกนำไปอ้างอิงและใช้งานอย่างแพร่หลายโดยผู้ผลิต Controller และอุปกรณ์ต่างๆ
• ใช้แพร่หลายในอุตสาหกรรม Automation และเกือบทุก Device ยุคใหม่รองรับการสื่อสารผ่าน Modbus

หลักการ Master-Slave

ในเครือข่าย Modbus ต้องมีอุปกรณ์ 1 ตัวเป็นหัวหน้า เช่นต่อ PLC 2 ตัวผ่านสายไฟ 2 เส้นตามมาตรฐาน RS-485

• Master (บางทีเรียก Client) เป็นผู้ส่งคำขอหรือ Request
• Slave (บางทีเรียก Server) เป็นผู้ตอบกลับหรือ Response

การทำงานวนแบบ Request → Response → Request → Response ไปเรื่อยๆ

Master ทำได้ 2 อย่างหลักคือ อ่าน กับ เขียน เช่น Read Coil, Read Input Status, Read Holding Registers, Read Input Registers, Write Single Coil และ Write Single Register ถ้าพูดในภาษา PLC ก็คืออ่านค่า X, Y, M, S, D ได้เกือบหมด และเขียนค่า Bit หรือค่า 16 Bit ไปที่ลูกข่ายได้

ไม่จำเป็นต้องเป็น PLC เท่านั้นถึงจะเป็น Master ได้ หน้าจอ HMI หรือคอมพิวเตอร์ที่มีโปรแกรม Config เป็น Modbus Master ก็ได้ แต่ซีรีส์นี้จะใช้ PLC เป็น Master

ข้อมูลที่วิ่งในสาย: Byte

ข้อมูลที่ส่งในสายคือ 0 กับ 1 ชุดละ 8 ตัว

• 1 Byte = 8 Bits เช่น 0000 0000
• เขียนเป็นเลขฐาน 16 ได้ เพราะเลขฐาน 16 หนึ่งหลักใช้ 4 Bit จึงมักเขียนเป็น 0x ตามด้วยเลข 2 หลัก เช่น 0x00 = 0 และ 0xFF = 255

Byte เหล่านี้เรียงกันเป็น Modbus Data Frame

Modbus Data Frame

• Device Address: สาย RS485 สองเส้นต่ออุปกรณ์ได้หลายตัว จึงต้องกำหนด Slave ID ให้แต่ละตัว แล้วใส่ ID ลงใน Frame
• Error Check: ข้อมูลในสายคือแรงดันไฟฟ้า อาจโดนสัญญาณรบกวน จึงมีส่วนตรวจความผิดพลาดใน Frame
• TCP/IP ใช้สาย LAN และระบุแต่ละ Node ด้วย IP Address จึงไม่มี Device Address แต่มีส่วนอื่นแทน

ไม่ว่าจะผ่าน RS485 หรือสาย LAN ส่วนที่มี เสมอ ทั้งใน Request และ Response คือ Function Code กับ Data

• Function Code บอกคำสั่งที่ต้องการให้ Slave ทำ (ยาว 1 Byte) เช่น "ช่วยส่งข้อมูล Coil ให้หน่อย 10 ชุด" หรือ "ช่วยเปิด Coil Y0 ให้หน่อย"
• Data บอกตำแหน่ง Address เริ่มต้นกับจำนวน Block (ยาว n Byte ปกติ 4 Byte) เช่น "อ่าน Coil ตั้งแต่ M0 จำนวน 10 ชุด" ก็คือ M0 ถึง M9

ตัวอย่างอ่าน Frame

สั่งให้อ่าน Coil ตำแหน่ง Modbus Address 0 จำนวน 10 ชุด

Request:  ... [01] [00] [00] [00] [0A] ...
Response: ... [01] [02] [05] [00] ...

• Request: 01 = Function Code 01 (อ่าน Coil), 00 00 = Address 0, 00 0A = จำนวน 10 ชุด (A ในฐาน 16 = 10 ในฐาน 10)
• Response: 01 = Function Code เดิม, 02 = อ่านมาได้ 2 Bytes (16 Bit หรือ 1 Word), ข้อมูลคือ 05 00 หรือ 0000 0101 0000 0000

ข้อมูล 4 ประเภทและ Function Code

อุปกรณ์ที่รองรับ Modbus จะมีหน่วยความจำส่วนหนึ่งเผื่อไว้สำหรับ Modbus แบ่งเป็น 4 ชนิด แต่ใช้งานจริงมองเป็น 2 กลุ่มคือ 1 Bit กับ 16 Bit

ระวังสับสน: Address 4x (Holding Register) อ่านด้วย FC03 ส่วน 3x (Input Register) อ่านด้วย FC04 เลข 3 กับ 4 จึงสลับกันระหว่าง Address กับ Function Code

คู่มือผู้ผลิตอุปกรณ์บางเจ้าให้มาแค่ Memory Address ไม่บอก Function Code เราต้องรู้เอง เช่นคู่มือบอกให้อ่านตำแหน่ง 4x0 แปลว่าต้องใช้ FC03 อ่านที่ตำแหน่ง 0

ดังนั้นก่อนใช้คำสั่ง Modbus ต้องรู้ 2 อย่าง

1. ใช้ Function Code อะไร
2. อ่านจากตำแหน่งไหน โดยอ้างอิงคู่มือผู้ผลิตว่า Coil, Input หรือ Register ที่ต้องการอยู่ที่ตำแหน่งใด

ตำแหน่งข้อมูล Modbus ของ Samkoon PLC

ตารางที่ใช้ในคลิปสำหรับ PLC Samkoon

ตอนต่อไปจะลงมือปฏิบัติ อ่านค่า X, Y, M, D ผ่าน Modbus จริง

Address นับจาก 0 หรือ 1

ส่วนนี้ไม่ได้อยู่ในคลิป แต่เป็นสาเหตุที่อ่านค่าเลื่อนไป 1 ตำแหน่งบ่อยที่สุด Modbus เขียน Address ได้ 2 แบบ

Address ในบทเรียนชุดนี้ใช้แบบ นับจาก 0 ทั้งหมด ถ้าคู่มืออุปกรณ์เขียนแบบ 4xxxx ให้ลบ 40001 ก่อนใส่ เช่น 40010 → Address 9

ตัวเลข D0 = 40000 ในตาราง Samkoon ดูคล้ายแบบ 4xxxx แต่ไม่ใช่ เป็น Protocol Address นับจาก 0 ที่ส่งในเฟรมเป็น 9C 40 ตารางเต็มอยู่ในรูปตาราง Modbus Address ของหน้าสินค้า PLC เช่น FAs-32MR-AC-E

สรุป

• Modbus เป็นมาตรฐานเปิดที่ทำงานแบบ Master-Slave (Request-Response) ผ่าน RS485 หรือ TCP/IP
• ทุก Frame มี Function Code กับ Data เสมอ ส่วน RS485 มี Device Address และ Error Check เพิ่ม
• ข้อมูล 4 ประเภท: Coil (0x), Input (1x), Input Register (3x), Holding Register (4x) และ 4x อ่านด้วย FC03
• ก่อนสื่อสารต้องรู้ Function Code และตำแหน่งข้อมูลจากคู่มือผู้ผลิต