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人工智慧物聯網AIOT-027

先知科技總經理 高季安

August 22, 2024

在我們逐步拆解各種物聯網通訊協定的系列文章中，已經探討了如OPC UA這樣的先進協定，它如何提供跨平台的數據整合與高級安全特性。今天，我們將轉向另一個極為關鍵且歷史悠久的通訊協定——MODBUS。這是一種在工業領域中非常普遍且基礎的通訊協定，經常被用於連接工業電子裝置。

在這篇文章中，我們將解釋MODBUS協定的基本架構及如何在現代的物聯網應用中發揮作用。MODBUS於1979年由Modicon公司（現為施耐德電氣的一部分）首次發布，最初是設計用來與其PLC設備通信。自那時以來，這一協定已經成為工業設備之間簡單通訊的代名詞。MODBUS協定因其開放性、簡單性和易於部署的特點，成為許多小型到中型自動化系統的首選。

一、MODBUS簡介

Modbus通訊協定，自1979年由Modicon公司（現為施耐德電氣 Schneider Electric）推出以來，已經成為工業自動化領域中不可或缺的標準之一。這一協定主要設計用於可編程邏輯控制器（PLC）之間的簡單通訊，而其簡潔和開放的特性使其在全球範圍內被廣泛接受和應用。

  1. Modbus的基本特點: Modbus協定的一個關鍵優勢是它的開放性——協定本身公開發表，無需支付著作權費用，這使得任何廠商都可以自由實現和擴展Modbus協定，而不必擔心版權問題。這一點對於促進了技術的標準化和互操作性具有重要意義。
  2. 易於部署和維護: Modbus協定簡單的架構意味著它不僅易於部署，也便於維護。Modbus通訊使用串行連接，這使得它在老舊設施中仍然非常有用，因為這些設施中經常已有的基礎設備支援串行通訊。
  3. 靈活性: 在Modbus協定中，對數據位元和位元組的控制幾乎沒有限制，供應商可以自訂資料格式和數據結構，以滿足特定的應用需求。這種靈活性是Modbus在許多工業應用中被廣泛使用的另一個原因。
  4. 擴展性: Modbus支持多達247個設備在同一個網路上通信。這種能力使得它特別適用於大規模工業環境，如製造廠或處理廠，這些地方需要大量感測器和執行器協同工作。例如，在一個大型工廠中，多個測量溫度、濕度、壓力等的裝置可以將數據實時傳輸到中央監控系統。
  5. 應用於SCADA系統: 監控及資料採集（SCADA）系統中，Modbus通常用來連接控制中心與場地分散的遠端終端裝置（RTU）。這樣的設置允許中央監控系統收集來自各個終端的數據，進行分析和監控，以優化運行效率和響應潛在的操作問題。

Modbus以其堅固的特性、簡便的實施和卓越的兼容性，在全球範圍內得到了工業自動化領域的廣泛應用。它不僅是現代工業通訊的基石，也是連接舊有系統與新興技術的一個重要橋樑。

二、MODBUS應用架構

在當今的工業自動化與數據管理系統中，整合不同的通訊協定對於實現高效的運營至關重要。Modbus協定，由於其簡單、可靠的特性，常與其他先進協定如EtherNet/IP和OPC UA一起在生產環境中被廣泛應用(如圖1)。這些通訊協定不僅在工廠的實地層面（Factory Floor）上發揮作用，也在更高層次的企業資源規劃（ERP）和製造執行系統（MES）中起到了橋梁的作用。

圖1. MODBUS應用架構

  1. Modbus在工廠樓層的應用: 在工廠的地板層，Modbus通常用於連接各種感測器、執行器和控制器。這一協定支持簡單的訊息交換，使得基於Modbus的裝置能夠輕鬆地收集和傳輸運作數據至上層系統。例如，溫度感測器和壓力計可能會通過Modbus將數據發送到本地控制系統，這些數據可以用於即時監控和調節生產過程。
  2. 與EtherNet/IP和OPC UA的整合: 在更複雜的自動化環境中，Modbus經常與EtherNet/IP和OPC UA等協定整合使用。EtherNet/IP專注於提供通過以太網的實時通訊，而OPC UA則提供了一個跨平台的數據交換框架，支持從工廠樓層到企業管理層的數據流。這使得從底層的實體設備到高層的信息系統之間可以有更流暢的數據傳輸與更好的互操作性。
  3. 數據流向：從SCADA/HMI到MES與ERP: 資料流從實體層透過SCADA/HMI系統首先進行可視化和初步處理。SCADA系統提供實時數據監控和控制介面，使操作員能夠直觀地查看和調整生產過程。從SCADA系統到MES的數據流則涉及到更為複雜的數據分析和生產調度，幫助提高生產效率和質量管理。最終，這些加工後的數據會被傳遞到ERP系統，ERP系統整合來自全廠的信息，協助高層管理決策，完成訂單管理、庫存控制、質量追蹤等關鍵業務流程。

透過這樣的多層次、多協定的架構，現代工廠能夠實現從地板到雲端的無縫數據流動和高效管理。Modbus作為這一體系中的一個基本組成部分，其簡潔有效的通訊能力在連接數據源與消費者之間起到了基石的作用。在未來，隨著工業4.0和物聯網技術的進一步發展，這種整合多協定的系統將更為關鍵，以支持更智慧、更靈活的製造策略。

本篇文章資料來源: https://www.prosoft-technology.com/Landing-Pages/OPC-UA

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