Modbus Nedir? RTU, TCP, RS-485 Bağlantısı ve Register

Modbus nedir, ne işe yarar?

Modbus, PLC, ölçüm cihazı ve kontrol sistemi gibi akıllı cihazların birbirinden veri okumasını ve birbirine veri yazmasını sağlayan, istek-cevap esasıyla çalışan bir haberleşme protokolüdür. Modicon (bugünkü Schneider Electric) protokolü 1979’da piyasaya sundu. Nisan 2004’te protokol, kullanıcıların ve üreticilerin oluşturduğu, kâr amacı gütmeyen Modbus Organization’a devredildi. Spesifikasyon ücretsiz indirilebilir ve sonradan lisans ücreti istenmez; bu açıklık, Modbus’ın endüstride fiilî (de facto) bir standart haline gelmesinde önemli bir etkendir.

Modbus’ın çekirdeği bir uygulama katmanı protokolüdür ve mesajın biçimini tanımlar. Mesajın seri hatta hangi fiziksel katmanla (RS-485 ya da RS-232) taşınacağı, Modbus’ın ayrı seri hat belgesinde anlatılır. Bu yüzden aynı mesajlar seri hatlarda çoğunlukla RS-485 üzerinden, Ethernet ağlarında TCP/IP üzerinden taşınır. Transmitter çıkış türlerine genel bakış transmitter nedir rehberindedir.

Modbus haberleşme nasıl çalışır?

Modbus istek-cevap esasıyla çalışır: istemci (eski adıyla ana cihaz, master) bir istek gönderir, isteğin adreslendiği sunucu (eski adıyla bağımlı cihaz, slave) bu isteğe cevap verir. Modbus Organization, Temmuz 2020’de “master-slave” yerine “client-server” (istemci-sunucu) terimlerine geçtiğini duyurdu; eski terimler cihaz kılavuzlarında ve üretici belgelerinde hâlâ geçer.

Haberleşmenin temel kuralları şunlardır:

• İletişimi istemci başlatır: Seri hatta bir Modbus işlemini yalnız istemci başlatabilir. Sunucu ancak kendisine bir istek geldiğinde veri gönderir.
• Tek istemci: Bir RS-485 Modbus RTU hattında birden fazla istemci bulunamaz.
• Adresler: Her sunucunun 8 bitlik, hatta tek olan bir adresi vardır. Seri hatta en çok 247 sunucu, 1 ile 247 arasındaki adreslerle bağlanır. 0 adresi yayın (broadcast) içindir: sunucular yayın mesajını kabul eder ama cevap vermez.
• İstisna cevabı: Sunucu istenen işlemi yapamazsa, örneğin cihazda olmayan bir register istenirse, veri yerine istisna (exception) cevabı döner. Bu cevapta fonksiyon koduna 0x80 eklenir: 03 kodlu bir isteğin istisna cevabındaki fonksiyon kodu 0x83’tür. Temel istisna kodları 1 (geçersiz fonksiyon), 2 (geçersiz veri adresi), 3 (geçersiz veri değeri) ve 4 (sunucu cihaz arızası) kodlarıdır.
• Zaman aşımı: Sunucu belirli bir süre içinde cevap vermezse istemci bunu “cevap yok” hatası sayar. Sunucu parite, LRC ya da CRC hatası olan bir mesaj alırsa hiç cevap vermez; istemcide bu da zaman aşımı olarak görünür.

Modbus türleri nelerdir?

Modbus’ın yaygın üç türü Modbus RTU, Modbus ASCII ve Modbus TCP’dir: RTU ve ASCII seri hatta (RS-485 ya da RS-232), TCP ise Ethernet üzerinde çalışır.

• Modbus RTU: Veriyi kompakt, ikili (binary) biçimde taşır ve hata denetimi için döngüsel artıklık denetimi (CRC) kullanır. Modbus’ın en yaygın uygulamasıdır.
• Modbus ASCII: Her baytı okunabilir iki ASCII karakteriyle yazar. Mesaj iki nokta (:) ile başlar, satır başı ve satır sonu karakterleriyle (CR/LF) biter; hata denetimi LRC ile yapılır. Varsayılan olarak karakterler arasında 1 saniyeye kadar gecikmeye izin verilir. Bir baytı iki karakterle taşıdığı için aynı veri RTU’dakinin iki katı karakter tutar.
• Modbus TCP (Modbus TCP/IP): Modbus mesajını TCP paketinin içine koyarak Ethernet ağında taşır. Modbus Organization bunu, TCP sarmalayıcısı eklenmiş Modbus protokolü olarak tanımlar.

Adı benzese de Modbus Plus, Modbus’ın bir türü değildir: Schneider Electric’e ait, jeton geçişli (token passing) ayrı bir protokoldür.

Modbus RTU ile Modbus TCP arasındaki fark nedir?

Modbus RTU seri hatta (çoğunlukla RS-485) çalışır ve her mesajın sonuna 2 baytlık CRC ekler; Modbus TCP ise Ethernet üzerinde, 502 numaralı TCP portundan çalışır ve hata denetimini alt katmanlara bıraktığı için CRC kullanmaz. İki türde de mesajın çekirdeği aynıdır: fonksiyon kodu ve veriden oluşan protokol veri birimi (PDU) en çok 253 bayttır. Fark, bu çekirdeğin etrafındaki zarftadır.

Özellik	Modbus RTU	Modbus TCP
Ortam	Seri hat: RS-485 (en yaygını iki telli arayüz) ya da RS-232	Ethernet, TCP/IP
Cihazın seçilmesi	1 baytlık sunucu adresi (1-247)	IP adresi ve MBAP başlığındaki birim tanımlayıcı
Başlık	Adres baytı	7 baytlık MBAP başlığı: işlem tanımlayıcı (2 bayt), protokol tanımlayıcı (2 bayt, Modbus için 0), uzunluk (2 bayt), birim tanımlayıcı (1 bayt)
Hata denetimi	2 baytlık CRC	Yok; alt katmanlar korur
Mesajın en büyük boyu	256 bayt	260 bayt
Port	Yok	502

RS-485 ya da RS-232 üzerindeki seri cihazları TCP/IP ağına taşımak için fiziksel katmanı Ethernet’e, Modbus RTU mesajını da Modbus TCP’ye çeviren bir ağ geçidi (gateway) gerekir. Birim tanımlayıcı bu durumda kullanılır: değeri, geçidin arkasındaki cihazın sunucu adresidir.

Modbus protokolünün kendisi yetkisiz komutlara ve verinin dinlenmesine karşı koruma içermez; Modbus Organization bu konu için ayrı bir Modbus Security Protocol spesifikasyonu yayımlar.

RS-485 nedir, RS-485 Modbus mudur?

RS-485 Modbus değildir: RS-485 (resmî adıyla TIA/EIA-485-A), verinin kabloda hangi elektriksel yolla taşınacağını tanımlayan fiziksel katman standardıdır; Modbus ise o kablo üzerinden giden mesajların biçimini tanımlar. Analog Devices’ın uygulama notuna göre RS-485 genellikle Profibus, Interbus, Modbus ya da BACnet gibi daha üst seviyeli bir protokolle birlikte kullanılır. “RS-485 Modbus” ifadesi bu yüzden Modbus RTU mesajlarının RS-485 hattı üzerinden taşındığını anlatır.

RS-485’i endüstriyel ölçüm ve otomasyonda yaygın kılan özellikler şunlardır:

• Uzun hat: Hat uzunluğu 4000 feet’e (yaklaşık 1.200 m) kadar çıkabilir.
• Diferansiyel iletim: İki hattan birindeki gerilim diğerinin tersidir; gürültü iki hatta eşit bindiği için dengeli iletim gürültüye dayanıklıdır ve daha az gürültü yayar.
• Çok noktalı bağlantı: Aynı hatta birden çok verici ve alıcı bulunabilir.
• Geniş ortak mod aralığı: RS-485 alıcı-vericileri -7 V ile +12 V arasındaki ortak mod gerilimine dayanır; bu, verici ile alıcı arasındaki toprak potansiyeli farkına belirli ölçüde tolerans sağlar.

Modbus seri hatta RS-232 üzerinde de çalışabilir, ama RS-232 noktadan noktaya ve kısa mesafeli haberleşmeyle sınırlıdır; tek bir RS-232 hattına birden çok cihaz bağlanamaz.

RS-485 bağlantısı nasıl yapılır, hangi kablo kullanılır?

RS-485 Modbus hattı, cihazların tek bir hat boyunca arka arkaya (papatya dizimi, daisy chain) bağlandığı, veri hatları bükümlü çift olan ve yalnız iki ucundan sonlandırılan bir bara olarak kurulur. Kurulumda şu noktalara bakılır:

• Kablo: İki veri hattı mutlaka bükümlü çift olmalıdır. Önerilerin çoğu ekranlı (blendajlı) kablo ister.
• Ortak iletken: “İki telli RS-485” adındaki iki tel yalnız veri hatlarıdır ve ikisi de sinyal toprağı görevi görmez. Dönüş yolu için üçüncü bir iletken, yani ortak (sinyal referansı) gerekir.
• İki telli ve dört telli bağlantı: İki telli (yarı çift yönlü, half-duplex) bağlantıda veri iki yönde de gider, ama aynı anda yalnız bir yönde. Dört telli (tam çift yönlü, full-duplex) bağlantıda ana cihaz ile bağımlı cihazlar aynı anda iki yönde haberleşebilir.
• Topoloji: Cihazlar rastgele ya da yıldız biçiminde değil, kesin bir papatya dizimiyle bağlanır. Bir cihazı ana hatta bağlayan dal (stub) mümkün olduğunca kısa tutulur; en iyisi hiç dal bırakmamaktır.
• Hat sonlandırma: Sonlandırma direnci yalnız hattın iki uç noktasına konur; tipik olarak her uçta iki veri hattı arasına 120 Ω’luk bir direnç bağlanır. Direnç kablonun karakteristik empedansına eşit seçilir ve hatta kaç cihaz olursa olsun ikiden fazla sonlandırma direnci bulunmaz. Kısa bir test düzeneği sonlandırmasız da çalışabilir; uzun hatlarda ise yansımalar alıcının bitleri yanlış okumasına yol açabilir.
• Kutuplama (bias): Hiçbir cihaz göndermezken iki veri hattı arasındaki fark 0 V olur; standart bu durumda alıcı çıkışını tanımlamaz ve alıcı rastgele veri, sahte başlangıç biti ve çerçeve hatası üretebilir. Çözüm, hattın tek bir noktasına bir yukarı çekme (pull-up) ve bir aşağı çekme (pull-down) direnci koymaktır; kutuplama birden fazla noktada açılmamalıdır. Hattaki tüm alıcı-vericiler gerçek arıza emniyetli (true fail-safe) alıcıya sahipse bu dirençlere gerek kalmaz.
• A ve B adları: RS-485 standardı ve yonga üreticileri veri hatlarını A ve B diye adlandırır, ama bazı belgeler bu harfleri ters kutuplara verir. Etiketlere rağmen haberleşme kurulamıyorsa iki veri hattının yerini değiştirmek basit bir denemedir.
• Cihaz sayısı: RS-485 vericisi 32 birim yükü (unit load) sürebilir; standart bir alıcı 1 birim yüktür (en az 12 kΩ giriş empedansı). 1/4 birim yüklü alıcılarla 128, 1/8 birim yüklü alıcılarla 256 düğüm bağlanabilir. Modbus’ın seri hattaki adres aralığı nedeniyle bir hatta adreslenebilen sunucu sayısı ise en çok 247’dir.
• Mesafe ve hız: Yüksek veri hızında kablo boyu kısalır, düşük veri hızında daha uzun kablo kullanılabilir.
• Toprak ve yalıtım: Uzun hatlarda düğümlerin toprak potansiyelleri farklı olabilir. Cihazlar farklı binalardaysa ya da toprak farkının ortak mod aralığında kalacağı garanti değilse galvanik yalıtım bu sorunu azaltır ya da ortadan kaldırır.

Modbus veri modeli nedir: coil, discrete input, input register ve holding register?

Modbus cihazdaki veriyi dört türde düzenler: tek bitlik coil ve ayrık girişler (discrete input), 16 bitlik giriş register’ları (input register) ve tutma register’ları (holding register).

Veri türü	Boyut	Erişim	Okuma kodu	Yazma kodu	Referans
Coil	1 bit	Okuma ve yazma	01	05, 15	0xxxx
Ayrık giriş (discrete input)	1 bit	Yalnız okuma	02	Yok	1xxxx
Giriş register’ı (input register)	16 bit	Yalnız okuma	04	Yok	3xxxx
Tutma register’ı (holding register)	16 bit	Okuma ve yazma	03	06, 16	4xxxx

Hangi ölçüm değerinin hangi register’da ve hangi biçimde tutulduğu cihaza göre değişir; bu bilgi cihazın Modbus belgesindeki register listesinden (register haritası) okunur.

16 bitten büyük değerler: Bir register 16 bit genişliğindedir. 32 bitlik tam sayılar ve 32 bitlik IEEE 754 kayan nokta sayıları iki ardışık register’da taşınır. Bu iki register’dan yüksek anlamlı olanın mı, düşük anlamlı olanın mı önce geleceği standart değildir; bu yüzden birçok cihaz ve ağ geçidinde register sırasını ters çeviren bir “swap” seçeneği bulunur. İki cihazın sırası uyuşmazsa okunan değer anlamsız çıkar.

Modbus fonksiyon kodları nelerdir?

Fonksiyon kodu, istemcinin sunucudan ne istediğini bildiren 1 baytlık alandır; Modbus cihazlarının en yaygın tanıdığı kodlar 01, 02, 03, 04, 05, 06, 15 ve 16’dır.

Kod	Onaltılık	İşlem
01	0x01	Coil okuma
02	0x02	Ayrık giriş okuma
03	0x03	Tutma register’ı okuma
04	0x04	Giriş register’ı okuma
05	0x05	Tek coil yazma
06	0x06	Tek tutma register’ı yazma
15	0x0F	Birden çok coil yazma
16	0x10	Birden çok tutma register’ı yazma

Bir isteğin taşıyabileceği veri miktarı fonksiyon koduna bağlıdır ve PDU’nun 253 baytlık sınırını aşamaz. Örneğin 01 kodu tek istekte 1 ile 2000 arasında coil okuyabilir.

Modbus register adresi nasıl okunur, 40001 ne demek?

40001 gibi beş haneli sayılar register’ın mesajdaki adresi değil, Modicon’dan gelen bir referans numarasıdır: ilk hane register türünü gösterir (0 coil, 1 ayrık giriş, 3 giriş register’ı, 4 tutma register’ı), mesajdaki adres ise 0’dan başlar. Bu düzende 1 numaralı register 0 adresindedir; referans 40001, 0 adresindeki tutma register’ını gösterir.

Örnek: 40108 numaralı tutma register’ı mesajda 0x006B adresiyle istenir. 0x006B ondalık 107’dir ve 40108 - 40001 = 107 eder.

Cihaz belgesi register numarası yerine adres veriyorsa, register numarası bekleyen bir yazılıma girerken adrese bir eklenir; hangisinin kullanıldığı belirsizse bir fazlası ve bir eksiği denenir. Bir birimlik kayma komşu register’ın okunmasına yol açar; cihazda olmayan bir register istenirse sunucu 2 kodlu (geçersiz veri adresi) istisna cevabı döner.

Modbus RTU çerçevesi nasıl görünür, CRC nedir?

Modbus RTU çerçevesi sırasıyla sunucu adresi (1 bayt), fonksiyon kodu (1 bayt), veri ve 2 baytlık CRC’den oluşur; iki çerçeve arasında en az 3,5 karakterlik iletim süresi kadar sessizlik bulunur.

Varsayılan biçimde (çift parite) her bayt hatta 11 bit olarak gönderilir: 1 başlangıç biti, en düşük anlamlı biti önce giden 8 veri biti, 1 parite biti ve 1 durma biti. Tek (odd) parite ya da paritesiz çalışma ek seçenek olarak uygulanabilir; bu durumda karakter biçimi cihazın belgesinden kontrol edilir. 9600 bit/s hızda 11 bitlik bir karakter 11 / 9600 s, yani yaklaşık 1,15 ms sürer; 3,5 karakterlik sessizlik yaklaşık 4 ms eder.

Örnek istek: 11 03 00 6B 00 03 76 87

• 11: sunucu adresi (ondalık 17)
• 03: fonksiyon kodu, tutma register’ı okuma
• 00 6B: okunacak ilk register’ın adresi (107, yani referans 40108)
• 00 03: okunacak register sayısı (3 register: 40108, 40109 ve 40110)
• 76 87: CRC

Cevap: 11 03 06 AE 41 56 52 43 40 49 AD. 06 ardından 6 bayt veri geldiğini söyler (3 register × 2 bayt); register değerleri AE41, 5652 ve 4340, son iki bayt (49 AD) CRC’dir.

CRC (döngüsel artıklık denetimi), verinin iletim sırasında bozulup bozulmadığını anlamak için kullanılan bir hata denetim değeridir. Modbus RTU’da CRC-16-MODBUS kullanılır (polinom x¹⁶ + x¹⁵ + x² + 1) ve 16 bitlik sonuç düşük anlamlı baytı önce gidecek biçimde gönderilir. Örnek istekteki ilk altı bayt için CRC değeri 0x8776’dır ve hatta 76 87 olarak görünür; cevaptaki CRC değeri de aynı yolla 0xAD49 olarak hesaplanır.

CRC hatası ne demek? Sunucu CRC’si tutmayan bir mesaja cevap vermez, istemcide zaman aşımı görülür. Bitlerin yolda bozulmasının olası nedenleri arasında önceki bölümde anlatılan sonlandırma eksikliğinden doğan yansımalar ve kutuplanmamış hatta boşta üretilen rastgele veri vardır.

Modbus haberleşme nasıl kurulur?

Modbus RTU haberleşmesi için hattaki tüm cihazlarda aynı seri ayarlar (baud hızı, veri biti, parite, durma biti), her sunucuda farklı bir adres tanımlanır ve istemciye okunacak register’lar girilir; baud hızı, karakter biçimi ya da adres uyuşmazsa haberleşme hiç kurulmaz. Sahada şu sırayla kontrol edilebilir:

1. Protokol seçimi: Cihaz birden çok protokol destekliyorsa Modbus RTU’nun seçili olduğu kontrol edilir. Örneğin Sabit Tip Ultrasonik Debimetre BCUF3000 kılavuzuna göre cihazın fabrika ayarı Modbus ASCII’dir ve Modbus RTU kullanılacaksa menüden seçilir.
2. Adres: Her sunucuya hatta tek olan bir adres verilir. Cihazların kabul ettiği adres aralığı Modbus’ın 1-247 aralığından dar olabilir: örneğin Vorteks Debimetre BVFM kataloğu 01-99 aralığını verir.
3. Seri ayarlar: Baud hızı, parite, veri biti ve durma biti istemcide ve tüm sunucularda aynı olmalıdır. 9600 bit/s tipik bir haberleşme hızıdır; cihazın desteklediği değerler kataloğunda yazar.
4. Register listesi: Okunacak değerin register türü, adresi ve veri biçimi cihazın belgesinden alınır. Adresin 0 tabanlı mı yazıldığı ve 32 bitlik değerlerde register sırası kontrol edilir.
5. Kablolama: Papatya dizimi, iki uçta sonlandırma, tek noktada kutuplama ve ortak iletkenin bağlı olup olmadığına bakılır.
6. Cevabın yorumu: Hiç cevap gelmiyorsa adres, seri ayarlar ve kablolama; istisna cevabı geliyorsa fonksiyon kodu ve register adresi kontrol edilir.

4-20 mA ile Modbus arasındaki fark nedir?

4-20 mA, tek bir ölçüm değerini akımın büyüklüğüyle taşıyan analog bir sinyaldir; Modbus ise bir hat üzerindeki birden çok cihazdan çok sayıda değeri sayısal olarak okuyan bir haberleşme protokolüdür. Analog 4-20 mA döngüsünde ölçüm değerini tek bir transmitter taşır; bir RS-485 Modbus hattına ise her biri kendi adresine sahip birden çok cihaz bağlanabilir. Analog çıkış ölçüm değerini (ya da arıza akımını) taşırken dijital çıkış başka değişkenleri ve bilgileri de aktarabilir. Akım döngüsü 4-20 mA nedir rehberinde anlatılır.

İki çıkış aynı cihazda birlikte de bulunabilir. Örneğin Vorteks Debimetre BVFM kataloğundaki C3 elektronik seçeneği 24 V DC besleme ile 3 telli 4-20 mA, puls ve RS-485 çıkışını bir arada verir. Müşterilerimiz cihazdan veriyi en çok 4-20 mA analog çıkışla (PLC ya da SCADA’ya) ve RS-485 üzerinden Modbus RTU ile alıyor.

Modbus haberleşmesi olmayan cihazları bir Modbus ağına bağlamak için Modbus ağ geçitleri kullanılır.

Modbus ile Profibus arasındaki fark nedir?

İkisi de endüstriyel saha veri yolu (fieldbus) olarak kullanılır, ama yapıları farklıdır: Modbus, istemcinin sorduğu ve sunucunun cevap verdiği bir istek-cevap protokolüdür; Profibus ise uluslararası standartta (IEC 61158/61784-1, tip 3) tanımlanmış, farklı sürümleri olan bir saha veri yolu sistemidir.

Özellik	Modbus	Profibus
Köken	Modicon, 1979; bugün Modbus Organization	Almanya, 1989’da BMBF desteğiyle; bugün PROFIBUS & PROFINET International (PI)
Erişim	Seri hatta tek istemci sorar, sunucular cevap verir	Jeton geçişini ana/bağımlı yöntemiyle birleştiren karma erişim
Fiziksel katman ve hız	Modbus RTU genellikle RS-485, Modbus TCP Ethernet	Profibus DP: 150 Ω empedanslı bükümlü çift, 9,6 kbit/s ile 12 Mbit/s; Profibus PA: sabit 31,25 kbit/s, veri ve besleme aynı kablodan
Tipik kullanım	Cihazdan değer okuma ve ayar yazma	DP: sensör ve aktüatörlerin merkezi kontrolü; PA: proses otomasyonunda ölçüm cihazlarının izlenmesi

Profibus DP ve PA farkı ile kablo yapısı Profibus nedir, Ethernet tabanlı Profinet ise Profinet nedir rehberinde anlatılır.

Befa Proses’in hangi cihazlarında Modbus var?

Befa Proses’in debimetre ve seviye sensörü gruplarında Modbus ya da RS-485 haberleşme seçeneği olan modeller vardır. HART, Modbus (RS-485) ve Profibus seçenekleri sipariş seçeneğidir ve modele göre seçilir. Tablodaki seri ayar değerleri ürün kataloglarındandır.

Ürün	Modbus ve RS-485	Katalogdaki haberleşme ayarları
Elektromanyetik Debimetre BMF2000	RS-485 Modbus; katalogda Modbus RTU arayüzü	-
Vorteks Debimetre BVFM	İsteğe bağlı Modbus RS-485	1200, 2400, 4800, 9600, 19200 baud; veri biçimi “n; 8; 1”; adres 01-99
Termal Kütlesel Debimetre BTMF6100	RS-485 Modbus RTU	1200 … 9600 baud
Sabit Tip Ultrasonik Debimetre BCUF3000	RS-485 seri port (1000 m’ye kadar iletim); Modbus ASCII ve Modbus RTU, M-BUS	300-19200 baud; 8 veri biti, 1 durma biti, parite ayarlanabilir; fabrika ayarı Modbus ASCII
Radar Seviye Sensörü BCR-1000	Standart çıkış 2 telli 4-20 mA ve Bluetooth; seçenek olarak RS-485, SDI-12, Modbus ve röle	-

Bu gruplardaki diğer modeller ve haberleşme seçenekleri debimetre ve seviye sensörü sayfalarında listelenir.

Cihazların montajını ve montaj sonrasında devreye alınmasını sahada üstlenebiliyoruz. Verdiğimiz eğitimde cihazın elektrik bağlantısı ve veri aktarımı (analog çıkış ve haberleşme) da ele alınır; eğitim genellikle devreye alma sırasında tesiste verilir, telefonla ya da görüntülü görüşmeyle uzaktan da verilebilir. Ayrıntılar hizmetlerimiz sayfasındadır.