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ソフテックだより第１５５号（2012年2月1日発行）
技術レポート

「PLCでmodbus TCP通信〜横河電機社製での実装例〜」

1. はじめに

ソフテックだより第133号「PLCでmodbus通信〜横河電機社製での実装例〜」にて、横河電機社製PLCを使用してmodbus RTUプロトコルを実装した事例を紹介しました。
今回はその続編として、modbusのイーサネット拡張バージョンである modbus TCP プロトコルを実装した事例を紹介したいと思います。
事例紹介を通じて、modbus TCPとmodbus RTUとの違い、横河電機社製PLC FA-M3Vによるソケット通信の実装方法について紹介します。

2. modbus TCPプロトコル

2-1. modbus TCPとは

第133号の技術レポート「PLCでmodbus通信〜横河電機社製での実装例〜」でも紹介していますが、modbus（モドバス）プロトコルには主に表 1に示すバージョンが存在します。

通信モード	特徴
modbus ASCII	1バイトのデータを2文字のASCIIコードとして送受信を行う。電文のチェックコードはLRC法を用いる。
modbus RTU	1バイトのデータをそのままバイナリデータをして送受信を行う。電文チェックコードはCRC法を用いる。
modbus TCP	TCP/IP上でmodbus通信を行うためのプロトコル。 modbusマスタをTCPクライアント、modbusスレーブをTCPサーバとして実装し、マルチマスタのシステムを構築することが可能。 modbus ASCIIおよびmodbus RTUと、チェックコードを除いたメッセージフォーマットは同一である。電文チェックは、TCP、IP、Ethernet層などのプロトコルスタックに任せるため、modbusメッセージの中にチェックコードは含まれない。

表1. プロトコルの特徴

modbus TCPは、前回の技術レポートで紹介したmodbus RTUを、TCP/IPに拡張したプロトコルとなります。
TCP/IPを用いることで、インターネット環境においてもmodbus通信を行うことができます。

2-2. 通信方式

TCP/IPは、クライアント／サーバ方式で通信を行いますが、modbus TCPにおいては、modbusマスタがTCPクライアント、modbusスレーブがTCPサーバとなります。(図1)

図1. クライアント／サーバ方式

modbus通信は、modbusマスタが通信の起点となり、modbusマスタからの要求メッセージに対してmodbusスレーブが応答を返すことで1回の通信が完結します。

modbus TCPでは、TCP/IPがそうであるように、送受信を行う前に接続を確立する必要があります。
modbusスレーブは、modbusマスタからの接続要求を受けることで接続が確立します。

2-3. メッセージフォーマット

図2にmodbus RTU、modbus TCPそれぞれの電文フォーマットを記載します。

図2. メッセージフォーマット

modbus TCPのメッセージフォーマットは、modbus RTUのCRCを除く部分を含んだ形となっています。(図 2の網掛け部分)
modbus RTUでは電文誤りチェックのため、CRCチェックコードを末尾に付加する必要がありましたが、modbus TCPではTCP/IPプロトコルが持つチェック機構を利用するため不要となります。
modbus TCPでは、modbus RTUには存在しなかった、トランザクション識別子、プロトコル識別子、メッセージ長を付加する必要がありますが、その意味を表2に示します。

通信モード	特徴
トランザクション識別子	modbusマスタがトランザクション管理目的で付加するデータ。modbusスレーブはコピーを返す。不要ならば0として構わない。
プロトコル識別子	通信仕様には0固定と記載されており、使用されていない。
メッセージ長	ユニット識別子からデータまでのデータバイト長。
ユニット識別子	modbus RTUではスレーブアドレスと呼んでいたもの。modbusスレーブを特定するデータ。
ファンクションコード	modbus RTU同様、要求の種類を表す。
データ	ファンクションコードによりフォーマットが規定されている。

表2. メッセージの意味

2-4. ファンクションコード

ファンクションコードの種類は、modbus RTUと同一となります。
modbus対応機器によって、サポートするファンクションは異なりますので、通信相手の仕様に合わせて、必要なファンクションを実装する必要があります。
ファンクションの詳細は、参考文献『OPEN modbus/TCP SPECIFICATION 』を参照願います。

3. 開発事例

横河電機社製FA-M3Vにてmodbus スレーブを実装した事例を紹介します。
本事例では、FA-M3Vの継続型応用命令を利用してTCP/IPソケット通信を実装しました。

3-1. システム構成

開発事例のシステム構成を図 3に示します。

図3. システム構成

本事例の要件定義は以下の通りでした。

modbusマスタから、一定周期(1sec)でファンクション04(Read Input Register)の要求メッセージを受信。modbusスレーブは、該当するデバイスデータを格納した応答メッセージを返信する。
複数のmodbusマスタが接続可能であること。FA-M3Vの仕様上、最大同時接続7台とする。

PLC構成は、CPUモジュールに標準で搭載している10BASE-T/100BASE-TXコネクタが利用可能ですので、図 4の通りCPUモジュールのみとしました。

図4. PLC構成

3-2. 実装

modbusスレーブ側ということで、FA-M3VのSOCKET命令を使用してTCP/IPサーバを実装しています。
複数のmodbusマスタから接続要求を受け付け、同時に送受信を行うことを考慮し、以下のような処理分けとしました。

処理	役割
接続処理	modbusマスタ(TCPクライアント)からの接続要求を受け付ける。
送受信処理	接続が確立したmodbusマスタと送受信を行う。

処理の手順をフローチャートにすると、図 5の通りです。

図5. 処理フロー

接続処理では、接続クライアント数が最大になるまで、接続要求を受け付けます。
最大接続数は、FA-M3Vの仕様上の最大値である7台としています。

TCPLSN命令を実行すると接続待ち状態となります。
TCPクライアントから接続要求を受け付けると命令が終了し、送受信用のソケットIDを返します。
取得した送受信用のソケットIDはプログラム内部で保持し、送受信処理で利用します。

送受信処理では、接続処理で取得した送受信用のソケットIDに対して順番に受信待ちを行います。
TCPRCV命令で受信データの有無をチェックし、受信データがあればデータを解析後、応答メッセージの送信を行います。受信データが無ければ何もせず次のソケットIDの受信待ちに移行します。

今回、modbusマスタからの要求メッセージ受信周期が、処理時間に対して十分に余裕があったため、ソケット1つずつ順番に処理を行う設計としました。
更に短い周期で送受信が必要な場合、各ソケットを平行して送受信させるなどの検討が必要となります。

処理手順に関する詳細は、『FA-M3V User's Manual シーケンスCPU説明書ネットワーク通信機能編 (F3SP71-4N, F3SP76-7N対応)』を参照願います。

4. おわりに

2回に渡り横河電機社製PLCでmodbus通信を実装した事例を紹介しました。
弊社では他にも様々な通信ソフトウェア開発の経験がございます。
またの機会にご紹介できればと考えています。

（M．S．）

[参考文献]

『modbus-IDAホームページ』modbus-IDA

『OPEN modbus/TCP SPECIFICATION Release 1.0, 29 March 1999』Schneider Electric

『FA-M3V User's Manual シーケンスCPU説明書ネットワーク通信機能編 (F3SP71-4N, F3SP76-7N対応)』横河電機株式会社

「PLCでmodbus TCP通信 〜横河電機社製での実装例〜」