Lesson Introduction To Modbus Protocol

SHIVAM 
SINGH

Introduction 
to 
MODBUS
PROTOCOL
                               +91­
8527199116


OVERVIEW­
ABBREVIATIONS


ADU: Application Data Unit 



IETF: Internet Engineering Task Force 



IP: Internet Protocol 



MAC: Medium Access Control 



MB: MODBUS 



MBAP: MODBUS Application Protocol 



PDU: Protocol Data Unit 



PLC: Programmable Logic Controller 



TCP: Transport Control Protocol 



BSD: Berkeley Software Distribution 




OVERVIEW……


MODBUS  is  an  application  layer  messaging  protocol,  positioned  at 
level 7 of the OSI model, which provides client/server communication 

between devices connected on different types of buses or networks. 
 



The  industry’s  serial  de  facto  standard  since  1979,  MODBUS 
continues to enable millions of automation devices to communicate. 
Today,  support  for  the  simple  and  elegant  structure  of  MODBUS 
continues to grow. The Internet community can access MODBUS at a 
reserved system port 502 on the TCP/IP stack. 



MODBUS is a request/reply protocol and offers services specified by 
function  codes.  MODBUS  function  codes  are  elements  of  MODBUS 
request/reply  PDUs.  The  objective  of  this  document  is  to  describe 
the  function  codes  used  within  the  framework  of  MODBUS 
transactions.



MODBUS is an application layer messaging protocol for client/server 
communication  between  devices  connected  on  different  types  of 


OVERVIEW……
It  is  currently  implemented 
using: 


TCP/IP over Ethernet. 



Asynchronous 
serial 
transmission  over  a  variety 
of media (wire: EIA/TIA­232­
E,  EIA­422,  EIA/TIA­485­A; 
fiber, radio, etc.) 



MODBUS  PLUS,  a  high 
speed 
token 
passing 
network. 


Network Architecture of MODBUS­
Every  type  of  devices  (PLC,  HMI, 
Control Panel, Driver, Motion control, 
I/O  Device…)  can  use  MODBUS 
protocol  to  initiate  a  remote 
operation. 
 
The  same  communication  can  be 
done  as  well  on  serial  line  as  on  an 
Ethernet  TCP/IP  networks.  Gateways 

allow  a  communication  between 
several  types  of  buses  or  network 
using the MODBUS protocol.


Protocol Description­


The MODBUS protocol defines a simple protocol data unit (PDU) 
independent  of  the  underlying  communication  layers.  The 
mapping of MODBUS protocol on specific buses or network can 
introduce  some  additional  fields  on  the  application  data  unit 
(ADU).


Protocol Description……


The  MODBUS  application  data  unit  is  built  by  the  client  that 
initiates  a  MODBUS  transaction.  The  function  indicates  to  the 
server what kind of action to perform. The MODBUS application 
protocol establishes the format of a request initiated by a client.



The function code  field of a MODBUS data unit is coded in one 
byte. Valid codes are in the range of 1 ... 255 decimal (the range 
128 – 255 is reserved and used for exception responses). When 
a message is sent from a Client to a Server device the function 
code  field  tells  the  server  what  kind  of  action  to  perform. 

Function code "0" is not valid. Sub­function codes are added to 
some function codes to define multiple actions. 



The  data  field  of messages sent from a client to server devices 
contains  additional  information  that  the  server  uses  to  take  the 
action defined by the function code. This can include items like 
discrete  and  register  addresses,  the  quantity  of  items  to  be 
handled, and the count of actual data bytes in the field. 


Protocol Description……


The  data  field  may  be  nonexistent  (of  zero  length)  in  certain  kinds  of 
requests,  in  this  case  the  server  does  not  require  any  additional 
information. The function code alone specifies the action.



If no error occurs related to the MODBUS function requested in a properly 
received  MODBUS  ADU  the  data  field  of  a  response  from  a  server  to  a 
client  contains  the  data  requested.  If  an  error  related  to  the  MODBUS 
function requested occurs, the field contains an exception code that the 
server application can use to determine the next action to be taken. 



For example a client can read the ON / OFF states of a group of discrete 

outputs  or  inputs  or  it  can  read/write  the  data  contents  of  a  group  of 
registers. 



When the server responds to the client, it uses the function code field to 
indicate  either  a  normal  (error­free)  response  or  that  some  kind  of  error 
occurred  (called  an  exception  response).  For  a  normal  response,  the 
server simply echoes to the request the original function code.


Protocol Description……

For  an  exception  response,  the  server  returns  a  code  that  is 
equivalent to the original function code from the request PDU 
with its most significant bit set to logic 1.


Protocol Description……


The  size  of  the  MODBUS  PDU  is  limited  by  the  size  constraint 
inherited  from  the  first  MODBUS  implementation  on  Serial  Line 
network (max. RS485 ADU = 256 bytes). 

 
Therefore: 


MODBUS  PDU  for  serial  line  communication  =  256  ­  Server 

address (1 byte) ­ CRC (2 bytes) = 253 bytes. 

Consequently: 


RS232 / RS485 ADU = 253 bytes + Server address (1 byte) + CRC 
(2 bytes) = 256 bytes. 



TCP MODBUS ADU = 253 bytes + MBAP (7 bytes) = 260 bytes.


MODBUS TCP/IP­
A  communicating  system  over 
MODBUS  TCP/IP  may  include 
different types of device: 


  A  MODBUS  TCP/IP  Client  and 
Server  devices  connected  to  a 
TCP/IP network 



The  Interconnection  devices  like 
bridge,  router  or  gateway  for 
interconnection  between  the 
TCP/IP  network  and  a  serial  line 
sub­network 

which 
permit 
connections  of  MODBUS  Serial 
line  Client  and  Server  end 
devices. 


MODBUS Data Model­
MODBUS  bases  its  data  model  on  a  series  of  tables  that  have 
distinguishing characteristics. 
The four primary tables are:
The  distinctions  between 
inputs  and  outputs,  and 
between 
bit­addressable 
and  word­addressable  data 
items,  do  not  imply  any 
application  behavior.  It  is 
perfectly  acceptable,  and 
very  common,  to  regard  all 
four  tables  as  overlaying 
one  another,  if  this  is  the 
most  natural  interpretation 
on  the  target  machine  in 

For  each  of  the  primary  tables,  the 
protocol  allows  individual  selection  of 
65536  data  items,  and  the  operations  of 
read  or  write  of  those  items  are  designed 
to  span  multiple  consecutive  data  items 

up to a data size limit which is dependent 
on the transaction function code.


MODBUS Addressing Model­
The  MODBUS  application  protocol 
defines  precisely  PDU  addressing 
rules. 


In  a  MODBUS  PDU  each  data  is 
addressed from 0 to 65535. 



It  also  defines  clearly  a  MODBUS 
data  model  composed  of  4  blocks 
that  comprises  several  elements 
numbered from 1 to n. 



In  the  MODBUS  data  Model  each 
element  within  a  data  block  is 
numbered from 1 to n. 



Afterwards  the  MODBUS  data 
model  has  to  be  bound  to  the 

device  application  (IEC­61131 


Modbus Component Architecture 
Model­

Communication  Application  Layer  ­  A  MODBUS  device  may 
provide  a  client  and/or  a  server  MODBUS  interface.    A  MODBUS 
backend  interface  can  be  provided  allowing  indirectly  the  access 
to  user  application  objects.    Four  areas  can  compose  this 
interface: input discrete, output discrete (coils), input registers and 
output  registers.  A  pre­mapping  between  this  interface  and  the 
user application data has to be done (local issue).
MODBUS  Client  ­  The  MODBUS  Client  allows  the  user  application 
to  explicitly  control  information  exchange  with  a  remote  device. 
The  MODBUS  Client  builds  a  MODBUS  request  from  parameter 
contained  in  a  demand  sent  by  the  user  application  to  the 
MODBUS  Client  Interface.  The  MODBUS  Client  uses  a  MODBUS 
transaction  whose  management  includes  waiting  for  and 
processing of a MODBUS confirmation. 
MODBUS Client Interface ­  The MODBUS Client Interface provides 


Modbus Component Architecture 
Model…….
MODBUS  Server  ­  On 
reception  of  a  MODBUS 
request  this  module  activates 
a local action to read, to write 
or  to  achieve  some  other 

actions.  The  processing  of 
these  actions  is  done  totally 
transparently 
for 
the 
application  programmer.  The 
main 
MODBUS 
server 
functions  are  to  wait  for  a 
MODBUS  request  on  502  TCP 
port,  to  treat  this  request  and 
then  to  build  a  MODBUS 
response 
depending 
on 


Modbus Component Architecture 
Model…….

MODBUS Backend Interface ­ The MODBUS Backend Interface is an 
interface from the MODBUS Server to the user application in which 
the application objects are defined.


Modbus Component Architecture 
Model…….
TCP Management Layer – Establishment, ending and to manage the data flow on 
established TCP connections. 

Connection  Management  ­  A  communication  between  a  client  and  server 
MODBUS Module requires the use of a TCP connection management module. It 
is in charge to manage globally messaging TCP connections. 
The  listening  TCP  port  502  is  reserved  for  MODBUS  communications.  Two 
possibilities  are  proposed  for  the  connection  management.  Either  the  user 
application  itself  manages  TCP  connections  or  the  connection  management  is 
totally  done  by  this  module  and  therefore  it  is  transparent  for  the  user 
application. The last solution implies less flexibility. 
It  is  mandatory  to  listen  by  default  on  that  port.  However,  some  markets  or 
applications might require that another port is dedicated to MODBUS over TCP. 
For that reason, it is highly recommended that the clients and the servers give 
the possibility to the user to parameterize the MODBUS over TCP port number. It 
is  important  to  note  that  even  if  another  TCP  server  port  is  configured  for 
MODBUS  service  in  certain  applications,  TCP  server  port  502  must  still  be 
available in addition to any application specific ports.


Modbus Component Architecture 
Model…….

Access  Control  Module  ­  In  certain  critical  contexts,  accessibility  to 
internal data of devices must be forbidden for undesirable hosts. That’s 
why  a  security  mode  is  needed  and  security  process  may  be 
implemented if required. 
TCP/IP Stack Layer ­ The TCP/IP stack can be parameterized in order to 
adapt the data flow control, the address management and the connection 
management to different constraints specific to a product or to a system. 
Generally  the  BSD  socket  interface  is  used  to  manage  the  TCP 
connections. 

Resource  Management  and  Data  Flow  Control  ­  In  order  to  equilibrate 
inbound and outbound messaging data flow between the MODBUS client 
and the server, data flow control mechanism is provided in all layers of 
MODBUS messaging stack. 
The resource management and flow control module is first based on TCP 
internal  flow  control  added  with  some  data  flow  control  in  the  data  link 
layer and also in the user application level 


The Two Serial Transmission Modes­


Controllers  can  be  setup  to  communicate  on  standard  Modbus 
networks using either of two transmission modes: ASCII or RTU. 
Users  select  the  desired  mode,  along  with  the  serial  port 
communication parameters (baud rate, parity mode, etc.), during 
configuration of each controller. 



The  mode  and  serial  parameters  must  be  the  same  for  all 
devices  on  a  Modbus  network.  The  selection  of  ASCII  or  RTU 
mode pertains only to standard Modbus networks.



It defines the bit contents of message fields transmitted serially 
on those networks. It determines how information will be packed 
into the message fields and decoded. 



On  other  networks  like  MAP  and  Modbus  Plus,  Modbus 
messages  are  placed  into  frames  that  are  not  related  to  serial 
transmission. 



For example, a request to read holding registers can be handled 


The Two Serial Transmission Modes..
ASCII Mode­
When controllers are setup to communicate on a Modbus network using 
ASCII (American Standard Code for Information Interchange) mode, each 
8–bit  byte  in  a  message  is  sent  as  two  ASCII  characters.  The  main 
advantage  of  this  mode  is  that  it  allows  time  intervals  of  up  to  one 
second to occur between characters without causing an error.
The format for each byte in ASCII mode is:
Coding  System:  Hexadecimal,  ASCII  characters  0–9,  A–F.  One 
hexadecimal                character     contained in each ASCII character of 
the message.
Bits per Byte:   1 start bit
                        7 data bits, least significant bit sent first
                        1 bit for even/odd parity; no bit for no parity
                        1 stops bit if parity is used; 2 bits if no parity


The Two Serial Transmission Modes..
RTU Mode­

When  controllers  are  setup  to  communicate  on  a  Modbus  network  using  RTU 
(Remote Terminal Unit)  mode, each 8–bit byte in a message contains two 4–bit 
hexadecimal  characters.  The  main  advantage  of  this  mode  is  that  its  greater 
character  density  allows  better  data  throughput  than  ASCII  for  the  same  baud 
rate. Each message must be transmitted in a continuous stream. 
The format for each byte in RTU mode is:
Coding  System:  8–bit  binary,  hexadecimal  0–9,  A–F.  Two  hexadecimal 
characters contained in each 8–bit field of the message.
Bits per Byte:   1 start bit
                        8 data bits, least significant bit sent first
                        1 bit for even/odd parity; no bit for no parity
                        1 stops bit if parity is used; 2 bits if no parity
Error Check Field: Cyclical Redundancy Check (CRC)