Giao thức Modbus được coi là ngôn ngữ chung giúp các thiết bị công nghiệp khác hãng có thể nói chuyện với nhau
Giao thức Modbus là một giao thức truyền thông công nghiệp được sử dụng rộng rãi, lần đầu tiên được Modicon (nay là Schneider Electric) phát triển vào năm 1979. Đây là một giao thức đơn giản, mở và linh hoạt được thiết kế để kết nối nhiều loại thiết bị công nghiệp, chẳng hạn như PLC, cảm biến và bộ truyền động, thông qua truyền thông nối tiếp (ví dụ: RS-232 hoặc RS-485 ) hoặc qua mạng (ví dụ: TCP/IP.) Modbus vẫn được sử dụng cho đến ngày nay trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như tự động hóa nhà máy, điều khiển tòa nhà và quản lý năng lượng.
I. Modbus hoạt động như thế nào và nó được sử dụng để làm gì?
Modbus dựa trên kiến trúc Master – Slave( Chủ – Tớ). Master (thường là PLC, HMI, SCADA) sẽ gửi yêu cầu (Request). Slave (cảm biến, biến tần, công tơ điện…) sẽ trả lời (Response). Mỗi Slave có một địa chỉ riêng (ví dụ: 1, 2, 3…). Chỉ có Master mới chủ động gửi lệnh, Slave chỉ trả lời khi được hỏi.
Những công dụng chính của Modbus:
- Thu thập và giám sát dữ liệu: Thiết bị phụ (ví dụ: cảm biến) cung cấp thông tin trạng thái cho thiết bị chính.
- Điều khiển thiết bị: Thiết bị chính điều khiển hoạt động của thiết bị phụ, chẳng hạn như khởi động hoặc dừng thiết bị.
- Quản lý từ xa: Giám sát và quản lý thiết bị từ xa qua mạng TCP/IP.
- Giảm dây tín hiệu, tiết kiệm chi phí
II. PDU và ADU là gì ?
- Đơn vị cơ bản của giao tiếp Modbus. là gói dữ liệu giao thức Modbus gốc PDU được đóng gói trong ADU
- Trong Modbus, PDU gồm:
- Function Code (Mã chức năng – ví dụ: đọc, ghi, điều khiển)
- Data (Dữ liệu – ví dụ: địa chỉ thanh ghi, số lượng thanh ghi, giá trị cần ghi…)
PDU là lõi dữ liệu Modbus, mô tả Master muốn gì và Slave phải trả lời gì.
- Trong giao tiếp nối tiếp, ADU chứa địa chỉ thiết bị phụ, PDU và mã kiểm tra lỗi (CRC).
ADU = PDU + thông tin bổ sung để truyền trên môi trường vật lý cụ thể (RTU, TCP, ASCII).
- Trên TCP/IP, ADU chứa tiêu đề MBAP (Giao thức ứng dụng Modbus) bổ sung, cung cấp khả năng nhận dạng giao dịch và giao thức.
Mô hình dữ liệu Modbus
Modbus tổ chức dữ liệu trong thiết bị Slave thành các bảng (tables).
Các bảng này chứa các bit (0/1) hoặc word (16-bit), được đánh địa chỉ.
Master sẽ gửi yêu cầu đọc/ghi dữ liệu từ những bảng này.
Theo chuẩn Modbus Application Protocol, có 4 bảng chính:
| Bảng dữ liệu | Kiểu | Địa chỉ logic | Quyền truy cập | Ví dụ ứng dụng |
| Coils | Bit (1 bit) | 00001 – 09999 | Read/Write | Điều khiển bật/tắt motor, relay, đèn |
| Discrete Inputs | Bit (1 bit) | 10001 – 19999 | Read Only | Trạng thái công tắc, cảm biến hành trình |
| Input Registers | Word (16 bit) | 30001 – 39999 | Read Only | Giá trị cảm biến (nhiệt độ, áp suất, dòng điện) |
| Holding Registers | Word (16 bit) | 40001 – 49999 | Read/Write | Tham số cài đặt (tốc độ, setpoint), dữ liệu đo lường |
III. Ứng dụng của giao thức Modbus trong các phương thức truyền thông khác nhau
Modbus trong truyền thông nối tiếp
Modbus RTU (Remote Terminal Unit)
- Môi trường truyền: RS485 (phổ biến nhất), RS232, RS422.
- Đặc điểm:
- Dữ liệu nhị phân (compact, gọn nhẹ).
- Nhanh, tin cậy, tiết kiệm băng thông.
- Có thể kết nối tối đa 247 thiết bị Slave trên cùng một bus RS485.
- Ứng dụng:
- Kết nối PLC ↔ Biến tần, PLC ↔ Cảm biến trong dây chuyền sản xuất.
- Giám sát đồng hồ đo điện trong trạm điện.
- Kết nối bộ điều khiển nhiệt độ trong hệ thống HVAC.
Modbus TCP/IP
Modbus TCP/IP trở nên phổ biến cùng với sự phổ biến của Ethernet. Giao thức này truyền các thông điệp Modbus qua Ethernet, sử dụng cổng chuẩn 502. TCP/IP nhanh hơn và có phạm vi phủ sóng rộng hơn so với giao tiếp nối tiếp, do đó phù hợp với các hệ thống phân tán quy mô lớn.
Modbus ASCII
- Môi trường truyền: RS485, RS232.
- Đặc điểm:
- Dữ liệu được mã hóa dưới dạng ký tự ASCII (ví dụ: 0x3A → “:”).
- Dễ đọc bằng mắt, thuận tiện để kiểm tra, debug.
- Hiệu suất thấp hơn RTU vì dữ liệu dài hơn.
- Ứng dụng:
- Các hệ thống cũ, yêu cầu tính đơn giản, dễ kiểm tra bằng tay.
- Gần như ngày nay ít dùng, chủ yếu để bảo trì, chẩn đoán lỗi.
IV. Những hạn chế của Giao thức Modbus
- Truyền dữ liệu kém hiệu quả:
Modbus được thiết kế cho giao tiếp nối tiếp tốc độ thấp và do đó kém hiệu quả khi xử lý lượng dữ liệu lớn. Lượng dữ liệu được truyền cho mỗi yêu cầu bị hạn chế, đặc biệt là khi đọc nhiều thanh ghi hoặc cuộn dây. - Thiếu bảo mật
Giao tiếp Modbus không hỗ trợ mã hóa và xác thực, khiến nó dễ bị đánh cắp dữ liệu và tấn công giả mạo, đặc biệt là trong môi trường mạng công cộng hoặc TCP/IP. - Truyền thông Master – Slave cứng nhắc
Kiến trúc chủ-tớ của Modbus khiến thiết bị tớ không thể chủ động gửi thông tin, và mọi giao tiếp dữ liệu phải được thiết bị chủ khởi tạo. Cách tiếp cận này không đủ linh hoạt trong các hệ thống hiện đại. - Khả năng mở rộng kém
Modbus RTU chỉ hỗ trợ tối đa 247 thiết bị phụ và việc diễn giải dữ liệu giữa các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau có thể khác nhau, dẫn đến các vấn đề về khả năng tương tác. - Hiệu suất thời gian thực không đủ
Cơ chế thăm dò của Modbus dẫn đến độ trễ truyền thông, không thể đáp ứng các yêu cầu thời gian thực cao của ứng dụng, đặc biệt trong trường hợp nhiều thiết bị giao tiếp cùng lúc, sự suy giảm hiệu suất là rõ ràng.
Modbus phù hợp cho hệ thống nhỏ – trung bình, ít dữ liệu, trong môi trường công nghiệp kín. Nhưng với nhà máy thông minh, IoT, SCADA hiện đại, người ta thường dùng các giao thức mới hơn như EtherNet/IP, Profinet, OPC UA, MQTT.
V. Ứng dụng hiện đại của Modbus
Dù có nhiều hạn chế, Modbus vẫn còn được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống hiện đại, nhờ tính đơn giản, phổ biến và sự hỗ trợ rộng rãi từ thiết bị công nghiệp
1. Giám sát năng lượng & nhà máy điện
- Kết nối công tơ điện, máy cắt, rơ le bảo vệ trong trạm biến áp.
- Dùng Modbus TCP để truyền dữ liệu về SCADA hoặc trung tâm điều khiển.
- Ứng dụng trong nhà máy điện mặt trời, điện gió để thu thập dữ liệu inverter, pin lưu trữ, tủ phân phối.
2. Năng lượng tái tạo & Smart Grid
- Các inverter năng lượng mặt trời, pin lưu trữ (BESS) thường hỗ trợ Modbus TCP/IP để gửi dữ liệu về hệ thống giám sát.
- Modbus giúp đồng bộ dữ liệu với EMS (Energy Management System) để cân bằng tải, tối ưu hóa nguồn điện.
3. Tòa nhà thông minh (BMS – Building Management System)
- Tích hợp các thiết bị HVAC (máy lạnh, quạt, bơm, chiller) qua Modbus RTU/TCP.
- Điều khiển chiếu sáng, thang máy, hệ thống PCCC.
- Kết nối dễ dàng với hệ thống giám sát trung tâm.
4. IoT & Công nghiệp 4.0
- Kết hợp Modbus TCP với IoT Gateway → đưa dữ liệu Modbus lên Cloud (AWS, Azure, MQTT broker).
- Ứng dụng trong predictive maintenance (bảo trì dự đoán) bằng cách phân tích dữ liệu cảm biến.
- Tích hợp với hệ thống MES/ERP để quản lý sản xuất thông minh.
5. SCADA & Hệ thống điều khiển trung tâm
- Modbus vẫn là một trong những giao thức chính trong SCADA, dùng để:
- Thu thập dữ liệu từ cảm biến, biến tần, công tơ.
- Điều khiển thiết bị từ xa.
- Nhờ Modbus TCP, hệ thống SCADA có thể mở rộng qua mạng LAN/WAN/Internet.
6. Tích hợp đa giao thức
- Trong các hệ thống lớn, Modbus thường được tích hợp cùng các giao thức khác:
- Modbus TCP ↔ OPC UA để trao đổi dữ liệu với hệ thống IT.
- Modbus RTU ↔ MQTT để đưa dữ liệu lên Cloud IoT.
- Gateway chuyển đổi giữa Modbus và BACnet/Profibus/Profinet để liên kết nhiều thiết bị khác nhau