Modbus adalah: RTU vs TCP, register, dan function code

Modbus adalah protokol komunikasi terbuka untuk perangkat industri; Modbus RTU berjalan di jalur serial seperti RS-485 dengan pemeriksaan CRC, sedangkan Modbus TCP berjalan di Ethernet TCP/IP pada port 502. Modbus Organization menyebutnya standar de facto komunikasi serial di industri sejak 1979, dalam Modbus Application Protocol Specification V1.1b3.

Di terminal BBM, Modbus membawa pembacaan dari automatic tank gauge (ATG), flow meter, motor-operated valve (MOV), dan power meter ke PLC, SCADA, dan perangkat lunak manajemen tangki. Modbus hanya memindahkan angka, bukan arti. Register map dari pembuat perangkat yang menjelaskan arti setiap angka, satuannya, dan formatnya.

Modbus tetap banyak dipakai karena mudah diterapkan, dokumen spesifikasinya bisa diunduh gratis, dan hampir semua PLC, gateway, serta paket SCADA mendukungnya. Konsekuensi dari kesederhanaan itu: Modbus tidak mengenal satuan, status kualitas data, maupun keamanan. Kekurangan tersebut harus ditutup dengan dokumentasi yang rapi, desain jaringan yang benar, dan bila perlu protokol yang lebih baru seperti OPC UA atau MQTT di lapisan atasnya.

Bagi tim terminal, memahami Modbus berarti bisa membaca sendiri dokumen vendor, memeriksa pengaturan gateway, dan membedakan gangguan kabel dari kesalahan konfigurasi. Kemampuan dasar ini mempersingkat waktu pencarian gangguan ketika data tangki atau status valve tiba-tiba berhenti di layar operator.

Modbus bekerja seperti absensi: satu perangkat bertanya, dan hanya perangkat yang dipanggil yang menjawab.

Spesifikasinya menempatkan Modbus di lapisan aplikasi (lapisan 7 model OSI) sebagai protokol tanya-jawab (request/reply). Perangkat yang bertanya disebut client, atau master pada jalur serial. Perangkat yang menjawab disebut server, atau slave pada jalur serial. Server tidak pernah mengirim data atas inisiatif sendiri, sehingga protokolnya ringkas dan siklus polling mudah diperkirakan.

Setiap permintaan membawa function code yang menyatakan perintahnya, misalnya membaca register atau menulis coil, ditambah data yang menyatakan alamat dan jumlahnya. Server mengirim balik datanya, atau mengirim exception response. Balasan itu memakai function code yang sama ditambah 0x80, diikuti satu byte exception code yang menjelaskan alasan penolakan.

Di terminal pada umumnya, server SCADA atau gateway industri berperan sebagai client. Ia membaca setiap perangkat bergantian: tank gauge, flow computer, aktuator valve, power meter. Waktu satu putaran polling bertambah seiring jumlah perangkat dan register, jadi daftar polling perlu dirancang sama seriusnya dengan pengkabelan.

Pada jalur serial, client juga bisa mengirim broadcast ke alamat 0. Semua server menjalankan perintahnya tetapi tidak ada yang membalas, sehingga broadcast hanya cocok untuk perintah tulis. Setelah broadcast, client menunggu jeda turnaround sebelum mengirim permintaan berikutnya. Spesifikasi serial menyebut 100 sampai 200 ms sebagai nilai jeda yang umum, dan response timeout satu sampai beberapa detik pada 9600 baud untuk permintaan biasa.

Modbus RTU dan Modbus TCP membawa permintaan yang sama; yang berbeda adalah kabel di bawahnya dan cara setiap frame dibungkus.

Modbus RTU mengirim frame biner lewat jalur serial, biasanya RS-485 dua kawat. Frame diawali alamat server, lalu function code, data, dan CRC 16-bit. Modbus over Serial Line specification V1.02 menetapkan alamat 1 sampai 247 untuk server dan menyisakan 0 untuk broadcast. Antar-frame dipisahkan jeda diam minimal 3,5 karakter, dan format bawaannya 8 bit data dengan parity even.

Modbus TCP memasukkan protocol data unit (PDU) yang sama ke dalam paket TCP/IP. Alamat serial dan CRC hilang. Penggantinya header MBAP 7 byte yang berisi transaction identifier, protocol identifier, panjang data, dan unit identifier. Messaging on TCP/IP Implementation Guide mencadangkan port 502, dan IANA mencatat port itu dengan nama mbap.

Pilih berdasarkan topologi, bukan kebiasaan. RS-485 cocok untuk deretan perangkat lapangan yang tersebar ratusan meter dengan satu pasang kabel. Ethernet cocok untuk panel dan server yang sudah berada di satu jaringan, dan memungkinkan beberapa client membaca perangkat yang sama jika perangkat itu menerima lebih dari satu koneksi.

Semua perangkat dalam satu jalur RTU wajib memakai baud rate, parity, dan stop bit yang sama. Spesifikasi serial mewajibkan dukungan 9600 dan 19200 baud, dengan 19200 sebagai nilai bawaan, dan mensyaratkan 2 stop bit jika parity tidak dipakai. Ada juga bentuk serial ketiga, Modbus ASCII, yang mengirim karakter terbaca dengan pemeriksaan LRC; bentuk ini masih ditemui di peralatan lama tetapi jarang di terminal baru.

Register map adalah kamus sebuah perangkat: daftar alamat, nilai yang disimpan di alamat itu, format, dan satuannya.

Dua kebiasaan penulisan paling sering membingungkan di hari pertama. Banyak manual menulis holding register sebagai 40001, 40002, dan seterusnya, penomoran warisan kontroler Modicon. Frame sendiri membawa alamat yang dimulai dari nol, jadi 40001 dikirim sebagai 0. Contoh di Application Protocol Specification membaca register 108 sampai 110 dengan alamat awal 107 (0x006B).

Jebakan kedua adalah tipe data. Level yang dikirim sebagai FLOAT32 harus dibaca dua register sekaligus dalam satu permintaan dan diurai dengan urutan word yang benar. Jika dibaca dalam dua permintaan, kedua bagiannya bisa berasal dari scan yang berbeda. Register integer sering punya faktor skala yang harus diterapkan client sebelum nilainya tampil di layar operator.

Minta register map yang sesuai dengan firmware terpasang, bukan brosur merek. INTEGRA TMS membaca ATG buatan Honeywell, Endress+Hauser, dan Tokyo Keiso, dan dua gauge dari pabrikan yang sama pun bisa punya register map berbeda.

Register map yang layak pakai sudah menjelaskan empat hal berikut sebelum ada yang membuka laptop di lokasi:

• Pengalamatan: dimulai dari nol atau dari satu, dan setiap alamat masuk ke tabel yang mana. Tanpa informasi ini, semua tag berisiko bergeser satu register.
• Tipe data: INT16, UINT16, INT32, atau FLOAT32, beserta urutan word untuk setiap nilai 32-bit. Urutan yang terbalik menghasilkan angka yang tampak acak.
• Satuan dan skala: satuan teknik, faktor skala, dan nilai khusus yang berarti "tidak ada pembacaan" atau "gauge rusak".
• Hak tulis: register mana yang boleh ditulis, dan apa yang dilakukan perangkat ketika register itu ditulis.

Function code adalah kata kerja dalam permintaan Modbus: satu byte yang memberi tahu server apakah harus membaca atau menulis, dan tabel mana yang dipakai.

Delapan kode publik sudah mencakup hampir semua pekerjaan integrasi lapangan. Kode lain di luar delapan ini, misalnya untuk diagnostik serial atau akses file record, jarang dibutuhkan untuk integrasi tangki, meter, dan valve. Application Protocol Specification membatasi setiap pembacaan: hingga 2000 coil atau discrete input, dan hingga 125 register untuk function code 03 dan 04. Function code 16 menulis hingga 123 register dalam satu frame.

Saat perangkat menolak permintaan, ia membalas dengan function code ditambah 0x80. Exception 01 berarti fungsi tidak didukung, 02 berarti alamat tidak ada, 03 berarti ada nilai yang tidak valid di permintaan, dan 04 berarti perangkat gagal saat menjalankannya. Gateway menambahkan 0A dan 0B jika jalur atau perangkat di belakangnya tidak menjawab.

Hati-hati memakai kode tulis di plant yang sedang beroperasi. Function code 05, 06, 15, dan 16 langsung mengubah output dan setpoint tanpa langkah konfirmasi di dalam protokol. Sepakati sejak desain register mana yang boleh ditulis client, uji penulisan pada jendela kerja yang disetujui, dan tetap tempatkan perintah ke valve dan pompa di belakang interlock sistem kontrol.

Gateway Modbus adalah penerjemah yang memungkinkan client TCP di jaringan membaca perangkat RTU di jalur serial.

Gateway menerima permintaan Modbus TCP, memakai unit identifier untuk memilih perangkat serial, mengirim frame RTU ke RS-485, menunggu balasan, lalu meneruskannya lewat TCP. Alasan umum memasang gateway: server SCADA tidak punya port serial, beberapa sistem membutuhkan data lapangan yang sama, atau ujung jalur serial jauh dari control room. Di terminal BBM, gateway biasanya dipasang di panel dekat perangkat lapangan atau di ruang server, tergantung panjang kabel serial dan jaringan yang tersedia.

Gateway membawa pengaturan sendiri dan titik gagal sendiri. Timeout di sisi TCP harus lebih panjang dari waktu jawab perangkat serial, kalau tidak client menyerah saat gateway masih menunggu. Exception 0A (jalur tidak tersedia) dan 0B (perangkat tujuan tidak menjawab) berasal dari gateway itu sendiri, sehingga membantu memisahkan gangguan jaringan dari perangkat lapangan yang mati.

Tidak semua kotak konverter serial ke Ethernet adalah gateway Modbus. Serial device server dalam mode transparan hanya meneruskan byte, sehingga client tetap berbicara Modbus RTU lengkap dengan CRC melalui virtual COM port atau socket TCP mentah. Gateway Modbus mengubah format frame RTU menjadi TCP dan sebaliknya. Pastikan mode yang dipakai perangkat itu sebelum menyalahkan perangkat lapangan.