Modbus Connector – Funktionsbeschreibung

Der Modbus Connector (HP.ModbusConnector) ist eine App von Herborner Pumpen für die FLECS-Plattform. Sie verbindet Ihre Steuerung – eine SPS oder ein Leitsystem – über Modbus TCP mit den übrigen Herborner-Apps auf dem Gerät: Die Steuerung schreibt Messwerte der Pumpen in Register, der Modbus Connector gibt sie an die anderen Apps weiter und stellt deren Ergebnisse wieder als Register bereit.

Die Apps im Zusammenspiel

Alle Apps laufen auf demselben FLECS-Gerät und tauschen ihre Daten ausschließlich über den Datenbus aus. Der Modbus Connector ist die einzige App mit einer Modbus-Schnittstelle.

Steuerung (SPS)           HP.ModbusConnector                  Datenbus
┌─────────────┐ schreibt ┌──────────────────┐ Messwerte ┌──────────────────┐
│             │ ───────► │ Holding-Register │ ────────► │ HP.AiCore        │
│             │  liest   │                  │ Kennwerte │                  │
│             │ ◄─────── │ Input-Register   │ ◄──────── │                  │
└─────────────┘          └──────────────────┘           ├──────────────────┤
                                                        │ HP.CloudLink     │ ◄──► Herborner-Cloud
                                                        └──────────────────┘

Datenfluss

1. Die Steuerung schreibt die Messwerte einer Pumpe – Volumenstrom, Drücke, Drehzahl, Leistung, Motorwerte, Umrichter-Status – in die Holding-Register.
2. Der Modbus Connector prüft jeden Wert auf Datentyp, Registeranzahl und die zulässigen Grenzen (Min/Max) und gibt gültige Werte auf den Datenbus. Ungültige Werte werden verworfen und im Protokoll vermerkt.
3. HP.AiCore berechnet aus den Messwerten die Kennwerte der Pumpe und gibt sie auf den Datenbus.
4. Der Modbus Connector übernimmt die Kennwerte in die Input-Register, aus denen die Steuerung sie liest.
5. HP.CloudLink überträgt Mess- und Kennwerte in die Herborner-Cloud.

Nach einem Neustart fordert der Modbus Connector die Konfigurationen und die aktuellen Kennwerte bei den anderen Apps neu an, damit die Input-Register wieder gefüllt sind.

Pumpen und Entities

Pumpen haben einen festen Satz an Datenpunkten. Die vollständige Belegung mit Adressen, Datentypen und Grenzwerten steht in der Standard-Konfiguration.

¹ Nur, wenn das zugehörige Analysemodul für die Pumpe freigeschaltet ist; sonst bleibt das Register auf 0.

Entities sind frei definierte Objekte ohne Pumpe, etwa Messstellen oder Behälter, mit eigenen Datenpunkten. Nur lesbare Datenpunkte erscheinen als Input-Register, beschreibbare als Holding-Register. Jede Entity belegt ab Register 20000 + Nr. × 1000 je Datenpunkt einen Block von 10 Registern.

Pumpen und Entities legt Herborner Pumpen in der Cloud an; HP.CloudLink überträgt ihre Konfiguration auf das Gerät, der Modbus Connector speichert sie lokal. Neu angelegte Pumpen oder Entities erhalten ihre Register erst nach einem Neustart des Modbus Connectors.

Verhalten der Modbus-Schnittstelle

• Erreichbarkeit: Port 502 des Geräts (in der App intern Port 5020).
• Adressen sind 1-basierte Registernummern: Register 100 entspricht der Protokolladresse 99. Jede Pumpe belegt 100 Register ab Pumpen-Nr. × 100; die Input-Register davor (1–99) enthalten die Geräteinformationen.
• Unterstützte Function Codes: Lesen 01, 02, 03, 04; Schreiben 05, 06, 15, 16; Lesen und Schreiben 23; Geräteidentifikation 43 (Read Device Identification, MEI-Typ 14). Andere Function Codes beantwortet die App mit der Exception Illegal Function (01).
• Geräteinformationen: Function Code 43 und die Input-Register 1–99 beschreiben das Gerät und den Zustand der App, siehe Geräteinformationen.
• Holding-Register sind Eingänge. Der Modbus Connector füllt sie nicht selbst – dort steht, was die Steuerung zuletzt geschrieben hat, nach einem Neustart zunächst 0.
• Input-Register werden bei jeder Leseanfrage im Hintergrund aktualisiert; die Antwort enthält den Stand der vorherigen Aktualisierung. Lesen Sie die Register daher zyklisch. Ohne Anfragen gleicht die App spätestens nach 100 Zyklen ab.
• Last: Die App bearbeitet Anfragen in Zyklen (Standard: 0,1 s). Kommen in einem Zyklus mehr Anfragen als eingestellt (Standard: 20), antwortet sie mit der Exception Server Device Busy (06) – die Steuerung sollte die Anfrage dann wiederholen.
• Zahlen und Texte: Zahlen belegen 2 Register (32 Bit), Texte so viele Register, wie die Konfiguration vorgibt. Byte-Reihenfolge (Standard little) und Textkodierung (Standard utf-8) sind einstellbar.

Geräteinformationen

Eine Steuerung, die den Modbus Connector zum ersten Mal anspricht, muss drei Dinge wissen: ob unter der Adresse wirklich ein Modbus Connector antwortet, wie sie die Register lesen muss und ob die App arbeitet. Dafür gibt es zwei Wege:

Pflicht sind bei Function Code 43 laut Modbus-Spezifikation nur Hersteller, Produktcode und Version. Die vollständige Belegung beider Wege mit Beispielwerten steht in der Standard-Konfiguration. Die Werte im Einzelnen:

Erkennung

Signatur (Register 1–2): immer 0x4850 0x4D42. Jedes Register enthält zwei ASCII-Zeichen – 0x48 „H“, 0x50 „P“, 0x4D „M“, 0x42 „B“ –, auf der Leitung stehen also die Bytes von „HPMB“. Ein Modbus-Tool zeigt sie dezimal als 18512 19778, in der Textansicht als HPMB.

Mit einem einzigen Lesezugriff prüft die Steuerung damit, ob sie mit einem Modbus Connector spricht und nicht – etwa nach einem Tippfehler in der IP-Adresse – fremde Register als Pumpendaten liest. Die Signatur besteht bewusst aus zwei einzelnen 16-Bit-Zahlen: so ist sie unabhängig von Byte-Reihenfolge und Textkodierung immer gleich. Das Verfahren ist aus der Energietechnik bekannt; SunSpec-Geräte kennzeichnen sich auf dieselbe Weise mit „SunS“. Die Signatur ändert sich nie.

Layout-Version (Register 3): Version der Belegung von Register 1–99, aktuell 1. Kommt ein Feld hinzu oder verschiebt sich eines, steigt die Version. Eine Steuerung, die für Version 1 programmiert ist, erkennt eine höhere Version und wertet die übrigen Register dann nicht blind aus.

Kodierung

Zahlen mit 32 Bit belegen zwei Register, und welches davon zuerst kommt, ist bei Modbus nicht festgelegt. Ein vertauschtes Paar ist der häufigste Fehler bei der Inbetriebnahme: Der Volumenstrom steht dann als winzige oder riesige Zahl statt als 12,5 in der Steuerung.

Byteorder-Prüfzahl (Register 4–5): immer der Wert 0x12345678, abgelegt in der eingestellten Byte-Reihenfolge. Die Reihenfolge der beiden Register zeigt, wie alle 32-Bit- Werte des Geräts zu lesen sind:

Bei Texten bestimmt die Byte-Reihenfolge, welches der beiden Zeichen eines Registers zuerst kommt.

Byte-Reihenfolge (Register 6): dieselbe Aussage als Zahl – 0 big, 1 little – für Steuerungen, die sie automatisch auswerten.

Textkodierung (Register 7): 0 utf-8, 1 latin-1, 2 ascii, 3 cp1252, 4 utf-16. Texte wie Pumpenname und Seriennummer liegen als Bytes in den Registern. Bei Umlauten hängt es von der Kodierung ab, welche Zeichen die Bytes ergeben; ohne dieses Register müsste die Steuerung sie raten.

Version und Gerät

App-Version (Register 8–10) als Major, Minor und Patch sowie die Build-Zeit (Register 11–12) in Unix-Sekunden. Damit lässt sich in der Steuerung oder im Leitsystem festhalten, welche Version auf welchem Gerät läuft.

Texte (Register 13–80): Herstellername, Produktname, Produktcode, FLECS-Version, Hostname, Gerätekennung und Architektur. Ein Text endet am ersten Byte 0x00. Ist er länger als sein Feld, steht nur der Anfang im Register; vollständig liefert ihn Function Code 43. Die Gerätekennung ist aus der Lizenz des FLECS-Geräts abgeleitet und unterscheidet Geräte eindeutig, etwa in einer Anlage mit mehreren Modbus Connectors.

FLECS-Version, Gerätekennung und Architektur liest die App beim Start vom FLECS-Gerät. Klappt das nicht, versucht sie es noch zweimal im Abstand von einer Minute; danach bleiben die Felder bis zum nächsten Start leer. Für den Betrieb ist das ohne Bedeutung.

Registerbelegung

Die Register 81–84 beschreiben, wo Pumpen und Entities liegen. Eine Steuerung kann die Adressen damit ausrechnen, statt sie fest einzuprogrammieren:

Zusammen mit der Anzahl Pumpen und Entities (Register 88–89) kann ein Leitsystem alle Pumpen und Entities automatisch durchlaufen, z. B. bei 3 Pumpen die Basisadressen 100, 200 und 300. Wo ein Datenpunkt innerhalb einer Pumpe liegt, steht nicht hier, sondern in der Standard-Konfiguration.

Zustand der App

Statuswort (Register 85):

Heartbeat (Register 86): zählt in jedem Zyklus der App um 1 hoch (Standard: zehnmal je Sekunde) und beginnt nach 65535 wieder bei 0. Ändert sich der Wert zwischen zwei Abfragen nicht mehr, liefert die App keine frischen Daten.

Verbindungen (Register 87), Laufzeit (Register 90–91, Sekunden seit dem Start) und Uhrzeit des Geräts (Register 92–93, Unix-Sekunden UTC). Wird die Laufzeit kleiner, ist die App neu gestartet.

Inbetriebnahme und Implementierung

Inbetriebnahme mit einem Modbus-Tool

Für die erste Prüfung genügt ein Modbus-TCP-Testprogramm auf einem Rechner im selben Netz. Die App antwortet auf jede Unit-ID.

1. Verbindung und Gerät prüfen: Function Code 04, Protokolladresse 0, Anzahl 3. Erwartet: 0x4850 0x4D42 0x0001 (dezimal 18512 19778 1). Kommt eine andere Antwort oder keine, stimmen IP-Adresse oder Port 502 nicht.
2. Kodierung bestimmen: Register 4–7 lesen (Protokolladresse 3, Anzahl 4). Die Prüfzahl zeigt die Wortreihenfolge, Register 7 die Textkodierung. Beides im Testprogramm und später in der Steuerung einstellen.
3. Konfiguration prüfen: Register 85 lesen. Ist Bit 1 nicht gesetzt oder steht in Register 88 eine 0, sind keine Pumpen konfiguriert – Herborner Pumpen muss sie in der Cloud anlegen, und HP.CloudLink muss auf dem Gerät laufen.
4. Pumpendaten prüfen: Die Basisadresse der Pumpe aus Register 81 berechnen und einen bekannten Wert schreiben bzw. lesen. Die Weboberfläche zeigt unter Telemetry dieselben Werte; die Gruppe Device Information enthält den Info-Block, wie ihn die Steuerung sieht.
5. Optional: Function Code 43 lesen, sofern das Programm ihn unterstützt.

Implementierung in der Steuerung

• Beim Verbindungsaufbau Register 1–7 einmal lesen. Weicht die Signatur ab oder ist die Layout-Version unbekannt, eine Störung melden und keine weiteren Register auswerten. Danach Wortreihenfolge und Textkodierung aus Register 4–7 übernehmen.
• Den Info-Block in einem Stück lesen: alle 99 Register mit einer Anfrage (Function Code 04, Protokolladresse 0, Anzahl 99). Jede Anfrage zählt gegen die Grenze der Anfragen je Zyklus; ein großer Block belastet die App weniger als viele kleine.
• Heartbeat überwachen: Register 86 zyklisch lesen, z. B. jede Sekunde, und auf Änderung prüfen, nicht auf größer – der Zähler läuft über. Ändert er sich mehrere Sekunden lang nicht, eine Störung „Modbus Connector liefert keine Daten“ auslösen.
• Neustart erkennen: Wird die Laufzeit (Register 90–91) kleiner, ist die App neu gestartet. Dann die Prüfung beim Verbindungsaufbau wiederholen: Neue Pumpen erhalten ihre Register erst mit einem Neustart, und eine geänderte Byte-Reihenfolge oder Textkodierung gilt ebenfalls erst danach.
• Pumpenwerte nur mit Bit 1 verwenden: Ist Bit 1 im Statuswort nicht gesetzt, die Input-Register der Pumpen als ungültig behandeln.
• Texte dekodieren: je Register zwei Bytes in der eingestellten Reihenfolge, am ersten 0x00 abschneiden, mit der Kodierung aus Register 7 in Zeichen umwandeln.

Ablauf in Pseudocode:

beim Verbindungsaufbau:
    r = lese_input_register(adresse=0, anzahl=99)
    wenn r[0..1] != [0x4850, 0x4D42]          -> Störung "falsches Gerät"
    wenn r[2] != 1                             -> Störung "unbekannte Layout-Version"
    word_swap  = (r[3] == 0x5678)               // little: niederwertiges Wort zuerst
    kodierung  = r[6]
    basis_pumpe(i) = i * r[80]

zyklisch (z. B. 1 s):
    r = lese_input_register(adresse=0, anzahl=99)
    wenn r[85] == heartbeat_alt über 5 s       -> Störung "keine Daten"
    wenn laufzeit(r[89..90]) < laufzeit_alt    -> Neustart: Verbindungsaufbau wiederholen
    pumpen_gültig = (r[84] & 0b10) != 0

Die Indizes im Pseudocode sind Protokolladressen, also Registernummer minus 1.

Einstellungen

Die Server-Einstellungen – Port, Zykluszeit, Anfragen je Zyklus, Byte-Reihenfolge und Textkodierung – sind mit ihren Standardwerten in der Standard-Konfiguration beschrieben. Herborner Pumpen kann sie über die Cloud anpassen; HP.CloudLink übergibt die Änderung an den Modbus Connector, und die aktuelle Konfiguration wird zurück in die Cloud gemeldet. Einzelne Werte lassen sich außerdem über Umgebungsvariablen der App setzen; sie werden dabei dauerhaft übernommen.

Weboberfläche

Die Weboberfläche der App zeigt:

• Telemetry: alle Register mit ihrem aktuellen Wert, in der Gruppe Device Information auch den Info-Block 1–99, und den Zustand des Servers (Verbindungen, Anzahl Register, Byte-Reihenfolge und Textkodierung),
• Logs: die letzten Protokolleinträge,
• Statistics: Anfragen, Verbindungen und Fehlerantworten der Modbus-Schnittstelle,
• Jobs: Wartungsaufträge, die Herborner Pumpen über die Cloud anstößt, etwa die Installation, Aktualisierung oder den Neustart einer anderen App auf dem Gerät. Der Modbus Connector kann sich selbst nicht aktualisieren oder neu starten.

Ereignisse und Protokolle der App gelangen über HP.CloudLink auch in die Herborner-Cloud.

Sicherheit

Die Modbus-Schnittstelle und die Weboberfläche arbeiten ohne Anmeldung. Betreiben Sie das Gerät nur in einem vertrauenswürdigen Netz und sichern Sie den Zugang zu Port 502 und zur Weboberfläche über Firewall oder Netzwerksegmentierung ab. Jeder Modbus-Client im Netz kann die Geräteinformationen lesen, darunter eine eindeutige Kennung des Geräts.

Lizenzen

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