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「C Sharpの基礎 - MODBUS」の版間の差分

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ビジュアルウィキテキスト
ページの作成:「== 概要 == MODBUSは1979年にModicon (現Schneider Electric) により開発された産業用通信プロトコルである。<br> 単純で堅牢な設計により、製造業、ビル管理、エネルギー管理等の様々な産業分野で使用されている。<br> <br> 通信方式として、マスター・スレーブ方式を採用しており、1台のマスター機器が複数のスレーブ機器と通信を行う。<br> マスターからの要…」
 
 
(同じ利用者による、間の5版が非表示)
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セキュリティおいては、認証機能は備えていないため、閉じたネットワーク内での使用が推奨される。<br>
セキュリティおいては、認証機能は備えていないため、閉じたネットワーク内での使用が推奨される。<br>
近年では、暗号化やセキュリティ機能を追加した拡張仕様も提案されている。<br>
近年では、暗号化やセキュリティ機能を追加した拡張仕様も提案されている。<br>
<br><br>
== Modbus RS-485 と Modbus RS-232C の比較 ==
<center>
{| class="wikitable"
|+ Modbus RS-485 と Modbus RS-232C の比較
|-
! !! RS-485 !! RS-232C
|-
| 接続形態 || マルチドロップ (複数デバイス) || ポイント・ツー・ポイント (1対1)
|-
| 伝送距離 || 最大1200m程度 || 最大15m程度
|-
| ノイズ耐性 || 高い (差動信号) || 低い
|-
| 用途 || 工場の自動化、ビル管理 || 近距離の機器接続
|}
</center>
<br><br>
== Modbus RTU / Modbus ASCII ==
* Modbus RTU
*: RS-485またはRS-232Cで使用
*: バイナリ形式でデータを送信 (効率的)
*: RS-485では最大32台 (または拡張で247台) のデバイスをマルチドロップ接続可能
*: <br>
* Modbus ASCII
*: RS-485またはRS-232Cで使用
*: ASCII文字形式でデータを送信
*: デバッグが容易だが、RTUより速度が遅い
<br><br>
== Modbus RTU メッセージ構造 ==
Modbus RTUでは、全てのデータがバイナリ形式で送信される。<br>
<br>
メッセージは、デバイスアドレス、ファンクションコード、データ、CRCチェックサムで構成される。<br>
CRCは下位バイトが先に送信されるリトルエンディアン形式である。<br>
<br>
[[ファイル:Modbus RTU Message 1.png|フレームなし|中央|600px]]
<br><br>
== 通信シーケンス ==
==== Modbus RTU 基本通信シーケンス ====
Modbus RTU通信では、マスターがリクエストフレームを送信し、スレーブが応答する。<br>
RS-485のHalf Duplex方式では、送信開始時にDE-ONでドライバを有効化して、送信完了後はDE-OFFで受信モードに切り替える。<br>
<br>
スレーブは、T3.5 (フレーム間無通信時間) を経過後にリクエストを受信したと判断して、CRCチェックとデータ処理を行った後、応答フレームを返信する。<br>
正常応答を受信できない場合、マスターはタイムアウト処理を実行する。<br>
<br>
[[ファイル:Modbus RTU Message 2.png|フレームなし|中央|600px]]
<br>
==== Modbus ASCII 基本通信シーケンス ====
Modbus ASCII通信では、各バイトが16進数のASCII文字として送信される。<br>
メッセージは開始文字 (:) で始まり、スレーブアドレス、ファンクションコード、データ、LRCチェックサム、終了文字 (CR LF) で構成される。<br>
<br>
ASCII形式は人間が読みやすく、デバッグ作業が容易であるというメリットがある。<br>
<br>
通信シーケンスはRTUと同様に、マスターからのリクエストに対してスレーブが応答する形式である。<br>
<br>
[[ファイル:Modbus ASCII Message 3.png|フレームなし|中央|600px]]
<br>
==== マルチドロップ接続時の通信フロー ====
RS-485のマルチドロップ接続では、1台のマスターが複数のスレーブと通信を行う。<br>
<br>
各スレーブには固有のアドレスが割り当てられ、マスターはリクエスト時に対象スレーブのアドレスを指定する。<br>
バス上の全てのスレーブがメッセージを受信するが、指定されたアドレスのスレーブのみが応答を返す。<br>
他のスレーブは受信したメッセージを無視して、待機状態を維持する。<br>
<br>
この方式により、単一のバスで多数のデバイスを効率的に制御できる。<br>
<br>
[[ファイル:Modbus Multiple Slave 4.png|フレームなし|中央|600px]]
<br><br>
== マスター・スレーブ状態遷移 ==
==== マスター側状態遷移 ====
マスター側は、アイドル状態からポーリングを開始して、リクエスト生成、フレーム生成、送信中、応答待ちの順に遷移する。<br>
<br>
応答を受信した場合、CRCまたはLRCチェックを行い、正常であれば検証状態に進む。<br>
応答がない場合はタイムアウトとなり、再送判定を行う。<br>
<br>
エラーが確定した場合は、アイドル状態に戻る。<br>
<br>
この状態遷移により、通信の信頼性が確保される。<br>
<br>
==== スレーブ側状態遷移 ====
スレーブ側は、受信待ち状態でフレームの到着を監視する。<br>
フレームを受信すると、受信中状態に遷移して、アドレスを確認する。<br>
自身のアドレスと一致すれば、アドレス判定、検証、処理中、応答生成、応答送信の順に進む。<br>
<br>
アドレスが不一致の場合やCRCまたはLRCエラーが検出された場合は、受信待ち状態に戻る。<br>
<br>
この動作により、マルチドロップ環境で適切なスレーブのみが応答を返す仕組みが実現される。<br>
<br>
[[ファイル:Modbus Master Slave StateMachine 5.jpg|フレームなし|中央|600px]]
<br><br>
== 通信エラーと対策 ==
==== アドレス衝突とバス競合 ====
マルチドロップ環境で設計ミスやアドレス重複が発生すると、複数のスレーブが同時に応答を送信して、バス競合 (データ衝突) が発生する。<br>
この場合、マスターは破損したデータを受信して、CRCエラーが発生する。<br>
マスターは、タイムアウトまたはCRCエラーを検出すると、再送処理またはエラー処理を実行する。<br>
<br>
システム設計時には、各スレーブに重複しない固有のアドレスを割り当てることが必須である。<br>
<br>
また、定期的なアドレス確認と衝突検出機能の実装が推奨される。<br>
<br>
[[ファイル:Modbus Collision 6.png|フレームなし|中央|600px]]
<br>
==== 通信エラーと対策 ====
Modbus通信における代表的なエラーとして、タイムアウト、CRCまたはLRCエラー、フレーミングエラー、アドレス不一致が挙げられる。<br>
タイムアウトは、スレーブの応答遅延やケーブル断線、ノイズによる応答消失が原因である。<br>
<br>
対策として、適切なタイムアウト時間の設定と再送処理の実装が必要である。<br>
* CRCまたはLRCエラー
*: ノイズやケーブル劣化、インピーダンス不整合により発生する。
*: シールドケーブルの使用、適切な終端抵抗の配置、ケーブル長の遵守が有効である。
*: <br>
* フレーミングエラー
*: ボーレート設定の相違やパリティ設定の不一致が原因であり、通信パラメータの統一が必要である。
*: アドレス不一致は、設定ミスや重複により発生するため、システム構築時のアドレス管理が重要である。
<br><br>
== MODBUSのデータ型 ==
Modbusには、4種類の主要なデータ型がある。<br>
<br>
==== コイル ====
1ビットのデジタル出力 (読み書き可能) が可能である。<br>
<br>
* アドレス範囲
*: 00001 - 09999
<br>
* ファンクションコード
** 01
**: Read Coils
** 05
**: Write Single Coil
** 15
**: Write Multiple Coils
<br>
用途例を以下に示す。<br>
* ON / OFF制御
*: バルブの開閉状態, モータの起動 / 停止, ランプの点灯 / 消灯
<br>
==== ディスクリート入力 ====
1ビットのデジタル入力 (読み取り専用) が可能である。<br>
<br>
* アドレス範囲
*: 10001 - 19999
<br>
* ファンクションコード
** 02
**: Read Discrete Inputs
<br>
用途例を以下に示す。<br>
* リミットスイッチの状態
* センサのON / OFF信号
* アラーム信号
<br>
==== 入力レジスタ ====
16ビットのデータレジスタ (読み取り専用) である。<br>
<br>
* アドレス範囲
*: 30001 - 39999
<br>
* ファンクションコード
** 04
**: Read Input Registers
<br>
用途例を以下に示す。<br>
* アナログ入力値
* 測定値 (温度、圧力等)
* カウンタ値
<br>
==== 保持レジスタ ====
16ビットのデータレジスタ (読み書き可能) である。<br>
<br>
* アドレス範囲
*: 40001 - 49999
<br>
* ファンクションコード
** 03
**: Read Holding Registers
** 06
**: Write Single Register
** 16
**: Write Multiple Registers
<br>
用途例を以下に示す。<br>
* 設定値
*: 温度、速度、時間等
* 制御パラメータ
* 出力値の調整
* アナログ出力の制御
<br>
==== 実装上の注意点 ====
* アドレッシング
*: プログラム内でのアドレス指定は通常0ベースである。
*: 例 : コイル00001は、実際にはアドレス0として指定する。
<br>
* データ形式
*: 保持レジスタは、16ビット整数値を扱う。
*: 浮動小数点数を扱う場合は、2つのレジスタを組み合わせて使用する。
*: ビッグエンディアン / リトルエンディアンを考慮する必要がある。
<br>
* アクセス制御
*: 読み取り専用、あるいは、読み書き可能かを判断する必要がある。
<br>
* エラーハンドリング
*: 不正なアドレスへのアクセス
*: 範囲外の値の書き込み
*: 通信エラー
<br>
==== 使用例 ====
以下の例では、コイルと保持レジスタを使用している。<br>
<br>
コイルはデジタル制御 (ON / OFF)、保持レジスタはアナログ値や設定値の制御に使用する。<br>
<br>
<syntaxhighlight lang="c#">
// コイルの制御
public async Task ControlValveExample(IModbusMaster master)
{
    // バルブの開閉制御
    await master.WriteSingleCoilAsync(
      slaveId: 1,
      coilAddress: 0,    // コイル00001
      value: true        // バルブを開く
    );
    // 複数のコイルの状態を一度に読み取る
    bool[] valveStates = await master.ReadCoilsAsync(
      slaveId: 1,
      startAddress: 0,  // コイル00001から
      numberOfPoints: 4  // 4つのコイルの状態を読む
    );
}
</syntaxhighlight>
<br>
<syntaxhighlight lang="c#">
// 保持レジスタの制御
public async Task ControlTemperatureExample(IModbusMaster master)
{
    // 温度設定値の書き込み (例 : 25.5[℃])
    ushort temperatureValue = 255;  // 0.1[℃]単位で設定
    await master.WriteSingleRegisterAsync(
      slaveId: 1,
      registerAddress: 0,    // レジスタ40001
      value: temperatureValue
    );
    // 現在の設定値を読み取る
    ushort[] settings = await master.ReadHoldingRegistersAsync(
      slaveId: 1,
      startAddress: 0,    // レジスタ40001から
      numberOfPoints: 1  // 1つのレジスタを読む
    );
    decimal actualTemperature = settings[0] / 10.0m; // 実際の温度値に変換
}
</syntaxhighlight>
<br><br>
<br><br>


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