Modbus 통신: 산업 자동화와 데이터 교환의 표준 프로토콜

Modbus는 산업 자동화에서 널리 사용되는 통신 프로토콜로, PLC, HMI, 센서 등 다양한 장치 간의 데이터 교환을 가능하게 합니다.
1979년 Modicon(현재 Schneider Electric)에서 개발된 이후, Modbus는 개방형 프로토콜로 발전하며 여러 제조사와 장치에서 지원되는 사실상 표준 프로토콜로 자리 잡았습니다.

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1. Modbus란 무엇인가?

1.1 기본 개념

Modbus는 마스터-슬레이브 구조를 기반으로 데이터 요청과 응답을 처리하는 통신 프로토콜입니다.

• 마스터(Master): 데이터를 요청하는 주체(예: 컴퓨터, SCADA 시스템).
• 슬레이브(Slave): 요청에 응답하여 데이터를 제공하는 장치(예: PLC, 센서).

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1.2 Modbus의 주요 특징

1. 개방형 표준:
   • 다양한 제조사의 장치에서 쉽게 구현 가능.
2. 경량 프로토콜:
   • 간단한 구조로 빠르고 효율적인 데이터 전송.
3. 유연성:
   • RS-485, RS-232, TCP/IP 등 다양한 물리적 계층에서 작동.

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2. Modbus의 작동 원리

2.1 프레임 구조

Modbus 메시지는 프레임(Frame)이라는 고정된 구조를 따릅니다.

기본 프레임 구조:

1. 슬레이브 주소:
   • 특정 슬레이브 장치를 식별하는 ID.
2. 기능 코드:
   • 데이터를 읽거나 쓰는 등의 명령을 지정.
3. 데이터 필드:
   • 실제 데이터 값 또는 주소 정보를 포함.
4. 오류 검사(CRC):
   • 메시지의 무결성을 확인.

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2.2 기능 코드

Modbus는 다양한 기능 코드를 제공하여 데이터를 읽거나 쓰는 작업을 지원합니다.

주요 기능 코드:

기능 코드설명

01	Coil 상태 읽기
02	입력 상태 읽기
03	레지스터 데이터 읽기
04	입력 레지스터 데이터 읽기
05	단일 Coil 쓰기
06	단일 레지스터 쓰기
15	여러 Coil 쓰기
16	여러 레지스터 쓰기

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3. Modbus의 유형

3.1 Modbus RTU

• 특징:
  • RS-485 또는 RS-232 직렬 통신에서 사용.
  • 메시지가 바이너리 형식으로 전송되어 효율적.
• 장점:
  • 저속 통신에서 안정적.
  • 간단한 구조와 낮은 비용.

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3.2 Modbus ASCII

• 특징:
  • 데이터가 ASCII 형식으로 전송.
  • 사람이 읽기 쉬운 형식 제공.
• 장점:
  • 디버깅에 용이.
• 단점:
  • RTU보다 데이터 전송 효율이 낮음.

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3.3 Modbus TCP

• 특징:
  • TCP/IP 네트워크를 기반으로 동작.
  • 메시지의 시작과 종료를 구분하지 않음.
• 장점:
  • 이더넷 기반 네트워크에서 높은 속도와 확장성 제공.
  • 기존의 IT 인프라와 쉽게 통합 가능.

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4. Modbus 통신의 장점과 단점

4.1 장점

1. 표준화:
   • 다양한 장치와 제조사 간 호환성.
2. 간단한 구현:
   • 기본적인 프로토콜 구조로 빠르게 설정 가능.
3. 다양한 지원 환경:
   • 직렬 통신과 이더넷 모두에서 사용 가능.

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4.2 단점

1. 보안 취약성:
   • Modbus 자체에 암호화나 인증이 없어 네트워크 공격에 취약.
2. 대역폭 제한:
   • 복잡한 데이터 구조를 처리하는 데 한계.
3. 단방향 통신:
   • 마스터-슬레이브 구조로 인해 슬레이브가 주도적으로 데이터를 보낼 수 없음.

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5. Modbus의 응용 분야

5.1 산업 자동화

• PLC와 센서 간 데이터 교환.
• 공정 제어 시스템에서 실시간 모니터링.

5.2 에너지 관리 시스템(EMS)

• 태양광 및 풍력 발전 설비에서 데이터 수집.
• 스마트 미터와 SCADA 시스템 간 통신.

5.3 건물 관리 시스템(BMS)

• HVAC(냉난방 환기) 제어.
• 조명 및 보안 시스템의 상태 모니터링.

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6. Modbus와 다른 프로토콜 비교

 

 

7. Modbus 통신 구현 시 고려사항

1. 네트워크 환경:
   • RS-485, RS-232 또는 TCP/IP에 따라 설정 필요.
2. 슬레이브 주소 지정:
   • 네트워크 내 각 장치의 고유 주소를 설정.
3. 오류 처리:
   • CRC 오류 검사를 통해 메시지 무결성 확인.

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