Qu’est-ce que Modbus ? Le fonctionnement du protocole Modbus

Modbus est un protocole requête-réponse qui sert à lire et à écrire des nombres dans des appareils de terrain. Un client, par exemple une passerelle, un automate ou un système SCADA, envoie une requête à un seul serveur, par exemple un compteur d’énergie. La requête désigne une table, une adresse de départ et une quantité, et le serveur répond par les valeurs ou par une erreur. Modicon a publié Modbus en 1979 pour ses automates ; la Modbus Organization tient aujourd’hui les spécifications à jour et les met gratuitement à disposition. Modbus fonctionne sur liaison série en Modbus RTU et sur Ethernet en Modbus TCP, et reste le moyen le plus courant de lire des compteurs, des onduleurs, des variateurs et des régulateurs d’installation.

Le fonctionnement de Modbus en un coup d’œil

La spécification distingue l’unité de données de protocole (PDU), c’est-à-dire le code de fonction et ses données, de l’unité de données d’application (ADU), qui ajoute l’adresse et le contrôle d’erreur propres à un support. La PDU est identique sur tous les supports : c’est pourquoi une passerelle peut transmettre une requête de Modbus TCP à Modbus RTU sans en changer le sens. Le comparatif Modbus TCP et RTU détaille les deux variantes.

Le modèle de données Modbus : quatre tables

Un serveur Modbus expose quatre tables. Chaque entrée a une adresse de 0 à 65 535, et chaque table a ses propres codes de fonction :

Un registre contient un mot de 16 bits. Toute valeur plus grande s’étend sur des registres consécutifs : un flottant ou un entier de 32 bits en occupe deux, un compteur d’énergie de 64 bits en occupe quatre. Le protocole ne dit pas quel mot vient en premier, et les fabricants de compteurs utilisent les deux ordres. Les valeurs sont aussi souvent des entiers mis à l’échelle : un registre qui lit 2302 peut signifier 230,2 V. Le guide des tables de registres explique comment lire une ligne de table, les conventions 30001 et 40001 et l’ordre des mots.

C’est le fabricant qui choisit la table. Beaucoup de compteurs placent les mesures dans les registres d’entrée et les réglages dans les registres de maintien. D’autres placent tout dans les registres de maintien, si bien que la fonction 03 lit aussi les mesures. Seule la table de registres du modèle et du firmware exacts fait foi.

Les codes de fonction Modbus

Le code de fonction est le premier octet de chaque PDU. Voici ceux que l’on rencontre sur les compteurs et les régulateurs :

Une lecture renvoie au plus 125 registres ou 2 000 bobines, et une écriture porte au plus 123 registres. Ces limites découlent de la PDU de 253 octets. Lire un bloc de registres voisins en une requête est bien plus rapide que de les lire un par un, mais de nombreux compteurs refusent un bloc qui enjambe un trou dans leur table.

Quand un serveur reçoit une trame valide qu’il ne peut pas exécuter, il répond par une exception : le code de fonction avec son bit de poids fort à 1 (0x83 pour une fonction 03 en échec) et un code d’exception. La référence des codes de fonction et d’exception les donne tous.

L’absence totale de réponse n’est pas une exception. Un dépassement de délai signifie que la requête n’a jamais atteint le serveur ou que la réponse n’est jamais revenue : câblage, paramètres série, adresse ou problème réseau. Le guide de dépannage Modbus traite les deux cas.

Modbus RTU, ASCII et TCP

Modbus RTU est de loin le plus courant sur les compteurs. Modbus ASCII est rare dans les équipements récents. Modbus TCP enveloppe la même PDU dans un en-tête MBAP de 7 octets : un identifiant de transaction, un identifiant de protocole à 0, une longueur et l’identifiant d’unité. Sur un appareil lui-même raccordé à Ethernet, l’identifiant d’unité est en général ignoré ou fixé à 1 ou 255. Sur une passerelle TCP vers RTU, il sélectionne l’appareil série. Le guide RS-485 et Modbus explique pourquoi RTU et RS-485 sont deux couches et non deux noms pour la même chose.

Exemple chiffré : lire la tension d’un compteur

La table de registres de l’Eastron SDM630 place la tension phase 2-neutre dans le registre d’entrée 30003, en flottant de 32 bits exprimé en volts. 30003 est le troisième registre d’entrée : la requête porte donc l’adresse 2 et demande deux registres (un flottant). Pour un compteur à l’adresse 1, la requête Modbus RTU compte huit octets :

Le compteur répond 01 04 04 43 67 99 9A B5 E4 : adresse 1, fonction 04, 4 octets de données, les deux registres 0x4367 et 0x999A, puis le CRC. Décodé en flottant IEEE 754, mot de poids fort en premier, 0x4367999A vaut 231,6 V. Le calculateur de CRC vérifie le CRC de n’importe quelle trame :

La même lecture en Modbus TCP n’a pas de CRC. Le client envoie 00 01 00 00 00 06 01 04 00 02 00 02 : transaction 1, protocole 0, 6 octets à suivre, identifiant d’unité 1 et la même PDU. Le compteur répond 00 01 00 00 00 07 01 04 04 43 67 99 9A : la même transaction, 7 octets à suivre (l’identifiant d’unité et la PDU de 6 octets) et les mêmes données. Si le compteur avait répondu 01 84 02, il s’agirait de l’exception 02 : l’adresse ne figure pas dans sa table.

Ce que Modbus ne fait pas

Modbus transporte des nombres. Il ne transporte pas :

• Les unités et l’échelle. 2302 ne veut rien dire sans le « V × 0,1 » de la table de registres.
• L’horodatage. Une mesure a l’âge de l’interrogation qui l’a lue. Le client doit noter l’heure de réception de chaque valeur.
• La qualité. Un compteur qui a perdu son entrée de tension peut renvoyer 0 V sans erreur. Certaines tables prévoient des mots d’état ou des valeurs « non disponible » comme 0xFFFF ou NaN ; le client doit les contrôler.
• Les événements. Un serveur ne peut rien envoyer de lui-même. Un changement n’apparaît qu’à l’interrogation suivante : la période d’interrogation fixe la latence.
• La sécurité. Le Modbus de base n’a ni identification ni chiffrement. Ne l’utilisez que sur un réseau où chaque appareil raccordé est de confiance, et séparez-le du trafic bureautique et Internet.

C’est pour ces raisons qu’une passerelle qui lit du Modbus ajoute en général l’heure, l’unité et un indicateur de qualité avant de transmettre la mesure, par exemple en MQTT ou OPC UA. C’est aussi pourquoi les mêmes appareils figurent souvent dans le comparatif BACnet et Modbus : les objets BACnet portent des unités et des indicateurs d’état que les registres Modbus n’ont pas.

Interrogation et temps de cycle

Sur un bus série, une seule transaction peut être en cours. À 9 600 bauds, chaque caractère de 11 bits dure environ 1,15 ms. Une requête de 8 octets et une réponse de 40 registres de 85 octets occupent la ligne environ 106,6 ms, et les deux silences de 3,5 caractères portent ce temps à 114,6 ms. Avec le temps de réponse du compteur, en général 20 à 50 ms, chaque transaction prend 135 à 165 ms. Dix compteurs de trois blocs chacun demandent environ 4 à 5 secondes par cycle. Un débit plus élevé et des blocs moins nombreux mais plus grands raccourcissent le cycle. Le calculateur de temps RTU donne les valeurs pour n’importe quel réglage, et le guide de mise en service calcule un budget d’interrogation pour un bus réel.

Modbus TCP est plus rapide par transaction, mais une passerelle placée devant un bus série n’envoie toujours qu’une requête à la fois côté série. Plusieurs clients TCP qui interrogent la même passerelle se partagent son cycle série.

Modbus avec EpiSensor

Edge, sur la Gateway ZGW-20, est un client Modbus. Il lit les appareils Modbus TCP du réseau du site, et les appareils Modbus RTU sur l’entrée RS-485 de la carte d’E/S de la version Industrial de la Gateway, ou sur un adaptateur série USB. Il enregistre chaque valeur avec son heure, son unité et son état, et peut mettre des valeurs choisies à disposition d’un BMS ou d’un système SCADA sous forme de registres Modbus TCP. Quand un compteur est loin de la Gateway, l’interface Modbus ZMB le lit sur un court bus RS-485 local et transmet les registres par le réseau maillé Zigbee. L’annuaire des appareils recense des compteurs et des régulateurs avec leurs tables de registres et leurs modèles Edge, et le guide des passerelles Modbus et BACnet compare la Gateway aux convertisseurs de protocole.