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MODBUS-Kommunikationsprotokoll für verschiedene Geräte

Aktualisiert: 25. Feb. 2023

Was genau ist MODBUS und wofür braucht man es? Wir erklären Ihnen was MODBUS ist und wie es funktioniert.


Was ist MODBUS?


Bei MODBUS handelt es sich genauer gesagt um das MODBUS-Protokoll und ist ein Kommunikationsprotokoll, das auf einer Master/Slave- bzw. Client/Server-Architektur basiert. Das Protokoll soll in erster Linie eine einfache, zuverlässige und schnelle Kommunikation zwischen Automatisierungs- und Feldgeräten ermöglichen.


MODBUS / Marv-IT / Softwareentwicklung
MODBUS

Durch diese Kommunikation ist es möglich gewisse Daten aus den Automatisierungs- und Feldgeräten, jeder Hersteller legt selbst fest, welche Daten in einem sogenannten "MODBUS-Register" bereitgestellt haben. Dabei wird unterschieden zwischen unterschiedlichen MODBUS Arten:


MODBUS ASCII

Dieser Modus zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass er anstatt im Binär-Code zu übertragen, seine Daten in ASCII sendet, so dass sie von Menschen gelesen werden können.

Dies ist bei dem Senden von binär verschlüsselten Codes wesentlich schwieriger zu bewerkstelligen. Der Aufbau des Codes ist immer gleich: Die Nachricht beginnt mit einem Doppelpunkt, gefolgt von der Adresse des Empfängers (in ASCII). Danach wird der auszuführende Befehl dargestellt, woraufhin die eigentliche Nachricht folgt. Diese kann in der Länge variieren. Zur Fehlerprüfung wird ein sogenannter LRC-Befehl angehängt. Jede ASCII-Nachricht endet mit den Zeichen CRLF.



Modbus RTU

Bei dem Modbus Remote Terminal Unit werden die Daten auch binär übertragen, welche für Menschen nicht einfach lesbar sind.

Im Gegensatz zu Modbus TCP wird dafür aber nicht Ethernet verwendet, sondern eine serielle Schnittstelle (RS-485 oder RS-232)

MODBUS RTU / Marv-IT / Softwareentwicklung

Jeder Modbus RTU Code beginnt mit einer mindestens 3,5 Zeichen langen Pause, welche von der Übertragungsgeschwindigkeit abhängt. Adresse des Empfängers und Funktionscode bestehen aus 8 Bit. Bei einer korrekten Übertragung werden die Felder unverändert von dem Slave-Gerät an den Master zurückgesendet. In dem Datenfeld sind die gemessenen Daten des Slave enthalten. Eine zyklische Redundanzprüfung (CR-Check) vermeidet Fehler bei den Prüfwerten. Am Ende steht wieder eine Wartezeit von mindestens 3,5 Zeichen. Der Informationsverlauf sollte bei dem RTU-Modus nicht unterbrochen werden.



MODBUS TCP

Dieser Modus ist speziell für das Ethernet gedacht. Er ist dem MODBUS RTU sehr ähnlich, da auch er in binären Codes sendet, allerdings müssen bei TCP-Modbus keine Kontrollbytes berechnet werden, so dass die Handhabung und Implementierung von TCP-Treibern einfacher zu bewerkstelligen sind.

MODBUS TCP / Marv-IT / Softwareentwicklung

Der Aufbau des Protokolls unterscheidet sich allerdings ein wenig vom Aufbau der RTU-Codes. Am Start jeder TCP-Nachricht steht die Transaktionsnummer, welche 2 Byte groß ist. Darauf folgt das Protokollzeichen. Dieses hat immer den gleichen Aufbau: 0x0000. Danach kommen die Zahl der noch folgenden Bytes sowie die Adresse und das Funktionsfeld. Am Ende der Nachricht stehen dann die Daten, welche immer unterschiedlich groß sind, je nach Länge der Nachricht. Generell ist der TCP-Port 502 für den Modbus TCP reserviert.


Vor- und Nachteile der Master/Slave-Architektur


Das MODBUS-Protokoll basiert auf einer Master/Slave-Architektur, die eine effiziente Kommunikation zwischen verschiedenen Automatisierungs- und Feldgeräten ermöglicht. Einer der Vorteile dieser Architektur ist, dass sie eine klare Rollenverteilung zwischen dem Master, der die Steuerung übernimmt, und den Slaves, die die Aktionen ausführen, bietet. Dadurch kann die Kommunikation zwischen den Geräten schnell und zuverlässig erfolgen, ohne dass es zu Konflikten kommt. Ein weiterer Vorteil der Master/Slave-Architektur ist, dass sie flexibel und skalierbar ist. Es ist möglich, eine große Anzahl von Slaves an einen Master anzuschließen, so dass das System mit der Größe und Komplexität der Anlage mitwachsen kann.

Allerdings gibt es auch Nachteile bei der Verwendung einer Master/Slave-Architektur. Einer davon ist, dass die Zuverlässigkeit des Systems stark von der Verfügbarkeit des Masters abhängt. Wenn der Master ausfällt, kann das System nicht mehr gesteuert werden, was zu Ausfallzeiten und potenziell hohen Kosten führen kann. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Kommunikation zwischen Master und Slaves aufgrund der Verwendung eines einzigen Datenkanals eingeschränkt sein kann. Wenn viele Slaves an den Master angeschlossen sind, kann dies zu Engpässen führen und die Leistung des Systems beeinträchtigen.

Vergleich zu anderen Kommunikationsprotokollen h2

MODBUS ist eines von vielen Kommunikationsprotokollen, die für die Steuerung von Automatisierungs- und Feldgeräten verwendet werden können. Im Vergleich zu anderen Protokollen wie PROFIBUS und DeviceNet hat MODBUS den Vorteil, dass es einfach zu implementieren und zu nutzen ist. Es ist auch weit verbreitet und wird von vielen Herstellern unterstützt, was die Integration in bestehende Systeme erleichtert.

Allerdings gibt es auch einige Nachteile bei der Verwendung von MODBUS im Vergleich zu anderen Protokollen. Einer davon ist, dass es aufgrund der Verwendung einer Master/Slave-Architektur möglicherweise nicht so gut für Systeme geeignet ist, die eine dezentralisierte Steuerung erfordern. Ein weiterer Nachteil ist, dass es aufgrund seiner einfachen Struktur möglicherweise nicht so leistungsfähig wie andere Protokolle ist, insbesondere wenn es um die Übertragung großer Datenmengen geht. Darüber hinaus gibt es auch einige Sicherheitsbedenken im Zusammenhang mit MODBUS, da das Protokoll keine Sicherheitsfunktionen wie Verschlüsselung oder Authentifizierung bietet.


Technische Details und Anforderungen


Hardwareanforderungen für MODBUS-Netzwerke


Für den Einsatz von MODBUS-Netzwerken müssen bestimmte Hardwareanforderungen erfüllt werden. Die Netzwerktopologie ist bei MODBUS im Wesentlichen unabhängig von der Art des Netzwerks. Die Verkabelung muss jedoch die Anforderungen an das jeweilige Netzwerk erfüllen, sei es Ethernet oder RS-485. Bei der Auswahl des Netzwerks sollte auch die Entfernung zwischen den einzelnen Geräten berücksichtigt werden, da bei größeren Entfernungen eine größere Anzahl von Repeatern erforderlich sein kann.


Ein weiterer wichtiger Faktor bei der Auswahl der Hardware ist die Anzahl der angeschlossenen Geräte. Die meisten MODBUS-Netzwerke können bis zu 247 Slaves unterstützen, wobei jeder Slave eine eindeutige Adresse hat. Es ist auch wichtig sicherzustellen, dass die Hardware die vom Netzwerk verwendete Geschwindigkeit unterstützt, da eine zu niedrige Geschwindigkeit die Leistung beeinträchtigen kann.


Implementierung von MODBUS in Software


MODBUS kann in verschiedenen Programmiersprachen implementiert werden, einschließlich C, C++, Java und Python. Es gibt auch viele Bibliotheken und Frameworks, die die Implementierung von MODBUS erleichtern können. Die Implementierung von MODBUS erfordert jedoch ein gewisses Maß an Erfahrung in der Programmierung und Netzwerktechnologie.


Die Implementierung von MODBUS in Software erfordert das Schreiben von Code, der in der Lage ist, das Protokoll zu interpretieren und zu generieren. Dies kann in der Regel durch Verwendung einer entsprechenden Bibliothek oder eines Frameworks vereinfacht werden. Es ist auch wichtig sicherzustellen, dass die verwendete Software die Verwendung des Protokolls unterstützt, einschließlich der Unterstützung für die jeweiligen MODBUS-Modi (ASCII, RTU oder TCP). Eine erfolgreiche Implementierung von MODBUS in Software erfordert ein gründliches Verständnis des Protokolls sowie der verwendeten Netzwerktechnologie.


Sicherheitsaspekte von MODBUS


Herausforderungen bei der Absicherung von MODBUS-Netzwerken

Die Sicherheit von MODBUS-Netzwerken ist ein wichtiges Thema, da die Kommunikation zwischen den Geräten über öffentliche Netzwerke erfolgen kann. Das bedeutet, dass es für Angreifer möglich ist, unautorisierten Zugriff auf die Geräte zu erlangen und Schaden anzurichten. Eine besondere Herausforderung bei der Absicherung von MODBUS-Netzwerken ist, dass das Protokoll keine integrierten Sicherheitsmechanismen bietet. Dies bedeutet, dass zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden müssen, um die Netzwerke abzusichern.


Mögliche Sicherheitsrisiken und -bedrohungen


Es gibt mehrere Sicherheitsrisiken und -bedrohungen, denen MODBUS-Netzwerke ausgesetzt sind. Eine der größten Bedrohungen ist die Möglichkeit, dass Angreifer unautorisierten Zugriff auf das Netzwerk und die damit verbundenen Geräte erlangen. Dies kann zu einer Reihe von Schäden führen, einschließlich Datenmanipulation, Diebstahl von Daten oder Ausfällen von wichtigen Systemen. Darüber hinaus können Angreifer auch versuchen, Malware in das Netzwerk einzuschleusen, um weitere Schäden anzurichten. Eine weitere Bedrohung sind Denial-of-Service (DoS)-Angriffe, bei denen Angreifer versuchen, das Netzwerk durch Überlastung der Server und Geräte unbrauchbar zu machen.


Herausforderungen und Trends im Bereich der Kommunikationsprotokolle


Die technologische Entwicklung im Bereich der Kommunikationstechnologie schreitet rasch voran. Neue Kommunikationsprotokolle werden entwickelt, um den wachsenden Anforderungen gerecht zu werden. Einige der neuesten Protokolle bieten höhere Geschwindigkeiten und sind sicherer als ältere Protokolle. Eine Herausforderung besteht darin, dass diese Protokolle möglicherweise nicht mit älterer Hardware und Software kompatibel sind. Ein weiterer Trend ist die zunehmende Vernetzung von Geräten und Systemen, die eine nahtlose Integration und Kommunikation erfordert.


Ausblick auf die zukünftige Bedeutung von MODBUS


MODBUS ist seit seiner Einführung im Jahr 1979 zu einem der am weitesten verbreiteten Kommunikationsprotokolle für die Industrieautomation geworden. Es ist jedoch fraglich, ob MODBUS auch in Zukunft eine wichtige Rolle spielen wird. Einige Experten sind der Ansicht, dass MODBUS aufgrund seiner veralteten Technologie und der fehlenden Sicherheitsfunktionen allmählich durch modernere Protokolle ersetzt wird.


Auf der anderen Seite gibt es immer noch viele Geräte und Systeme, die MODBUS verwenden. Für diese Systeme ist die Migration auf ein anderes Protokoll möglicherweise nicht praktikabel oder rentabel. Daher ist es wahrscheinlich, dass MODBUS auch in Zukunft eine wichtige Rolle spielen wird, insbesondere in Anwendungen, die auf älteren Systemen basieren.


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