Modbus คืออะไร ? โปรโตคอลสื่อสารที่เก่าแต่เก๋า ยังนิยมในงานอุตสาหกรรมอยู่

ถึงแม้ว่าโลกของเทคโนโลยีจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างรวดเร็วมากแค่ไหน โปรโตคอลการสื่อสารใหม่ ๆ ผุดขึ้นไม่เว้นวัน แต่ในมุมหนึ่งของระบบอัตโนมัติ และงานอุตสาหกรรม “Modbus” กลับยังคงยืนหยัดอยู่ได้เหมือนกับผู้เฒ่าที่มากประสบการณ์ และยังได้รับความเคารพจากลูกหลานที่เกิดขึ้นมาใหม่

จริง ๆ แล้ว Modbus อาจไม่ได้ดูหวือหวาเหมือน โปรโตคอล (Protocol) ยุคใหม่ แต่ด้วยความที่มันเรียบง่าย เสถียร และใช้งานได้กับอุปกรณ์หลากหลายชนิด มันจึงกลายเป็นตัวเลือกยอดนิยมในระบบโรงงาน และ ระบบการจัดการอุตสาหกรรม (SCADA) และด้วยอายุที่มากกว่า 40 ปี แต่กลับยังทำหน้าที่ได้ดี คำถามคืออะไรคือเสน่ห์ของมัน ? ทำไมยังมีคนใช้มันอยู่ ?

ดังนั้นในบทความนี้จะพาคุณไปรู้จักกับ Modbus ตั้งแต่จุดเริ่มต้น วิธีการทำงาน, ความหลากหลายของรูปแบบ, องค์ประกอบ ไปจนถึง ข้อดี และข้อจำกัด ของ Modbus มาเจาะลึกว่าอะไรคือสาเหตุที่ทำให้ โปรโตคอลนี้ยังถูกใช้งานอยู่ …

Modbus คืออะไร ? (What is Modbus ?)

เรามาเริ่มต้นกันที่ความหมายของ Modbus ซึ่งก็คือ โปรโตคอลการสื่อสารข้อมูล ที่ถูกออกแบบมาเพื่อใช้งานในระบบอุตสาหกรรม เน้นที่การเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์ควบคุม เช่น Programmable Logic Controller (PLC) กับอุปกรณ์ต่าง ๆ ในโรงงานไม่ว่าจะเป็น เซนเซอร์, วาล์ว หรือหน้าจอควบคุม (HMI)

ภาพจาก : https://www.accuenergy.com/support/reference-directory/wireless-modbus/

โปรโตคอลนี้ถูกพัฒนาขึ้นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1979 (พ.ศ. 2522) โดยบริษัท Modicon ปัจจุบันเป็นส่วนหนึ่งของ Schneider Electric แล้ว จุดเด่นที่ทำให้ Modbus กลายเป็นมาตรฐานที่แพร่หลายในวงการอุตสาหกรรม คือ ความเรียบง่ายในการใช้งานของมัน ทุกวันนี้ Modbus ยังคงถูกใช้อย่างแพร่หลายทั้งในระบบ SCADA, ระบบควบคุมเครื่องจักร, ระบบพลังงาน และการตรวจวัดจากระยะไกล เพราะเป็นระบบที่คุ้มค่า และเชื่อถือได้นั่นเอง

Modbus ทำงานอย่างไร ? (How does Modbus work ?)

Modbus มีพื้นฐานคือใช้การสื่อสารแบบ Master-Slave หรือที่ในบางกรณีเรียกว่า Client-Server โดยมีอุปกรณ์หลักหนึ่งตัว (Master) ควบคุมการสื่อสารกับอุปกรณ์รอง (Slave) ที่อาจมีได้มากถึง 247 ตัว ในเครือข่ายเดียวซึ่งถือว่าเยอะมาก โดยอุปกรณ์แต่ละตัวจะมีหมายเลขไอดี หรือ Address เฉพาะตัว เพื่อให้ Master รู้ว่าจะส่งข้อมูลไปหาใคร หรือว่ารอรับข้อมูลจากใคร

ภาพจาก : https://www.dewetron.com/news/what-is-modbus-and-how-does-it-work/

Master จะเป็นฝ่าย “เริ่มต้น” การสื่อสาร เช่น สั่งให้อ่านค่าเซนเซอร์, เปิดวาล์ว หรือส่งค่าคำสั่งไปยังอุปกรณ์ควบคุมต่าง ๆ ขณะที่ Slave จะ “ตอบสนอง” ตามคำขอที่ได้รับเท่านั้น ไม่มีการส่งข้อมูลเองโดยไม่ถูกร้องขอเหมือนกับโปรโตคอลอื่น ๆ

ตัวอย่างง่าย ๆ เช่น ในระบบควบคุมอุณหภูมิ Master อาจขอข้อมูลจากเซนเซอร์วัดอุณหภูมิ (ที่เป็น Slave) ทุก ๆ 5 วินาที แล้วนำข้อมูลที่ได้ไปใช้ควบคุมการเปิด-ปิดเครื่องปรับอากาศตามค่าที่กำหนดไว้โดยผู้ใช้นั่นเอง

ประเภทของโปรโตคอล Modbus (Types of Modbus Protocol)

ปัจจุบัน Modbus มีหลายรูปแบบให้เลือกใช้ ซึ่งแต่ละเวอร์ชันก็ออกแบบมาเพื่อรองรับความต้องการที่ต่างกัน ทั้งด้านความเร็ว, รูปแบบการเชื่อมต่อ และลักษณะของระบบงาน โดยสามรูปแบบหลักที่พบได้บ่อยในงานอุตสาหกรรม ได้แก่ Modbus ASCII, Modbus RTU และ Modbus TCP/IP เราลองมาไล่ดูทีละตัวกันเลย

1. Modbus ASCII

Modbus ASCII เป็นเวอร์ชันที่ใช้การส่งข้อมูลในรูปแบบตัวอักษร ASCII ซึ่งสามารถอ่านได้ง่ายด้วยตาเปล่าเพราะมันเป็นตัวอักษร จึงเหมาะกับการใช้งานที่ต้องการตรวจสอบ หรือดีบั๊กข้อมูลแบบ แต่เนื่องจากการเข้ารหัสในรูปแบบข้อความทำให้ใช้พื้นที่มากกว่า จึงมีความเร็วในการส่งข้อมูลต่ำกว่าเวอร์ชันอื่น ไม่เหมาะกับงานที่ต้องการประสิทธิภาพสูง

ภาพจาก : https://www.w3resource.com/python-exercises/python-basic-exercise-86.php

2. Modbus RTU (Remote Terminal Unit)

Modbus RTU เป็นรูปแบบที่นิยมใช้มากที่สุดในภาคอุตสาหกรรม โดยใช้การเข้ารหัสข้อมูลในรูปแบบ ไบนารี (Binary) ทำให้สามารถส่งข้อมูลได้รวดเร็ว และมีประสิทธิภาพสูงกว่า ASCII อย่างชัดเจน นอกจากนี้ยังมีระบบตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูลอย่าง Cyclic Redundancy Check (CRC) เพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือในการสื่อสาร และ RTU เหมาะกับการเชื่อมต่อผ่านสายอนุกรม เช่น RS-485 ซึ่งสามารถรองรับอุปกรณ์จำนวนมาก ในระยะทางที่ไกลได้ไม่เกิดปัญหาเรื่องสัญญาณรบกวนอีกด้วย

ภาพจาก : https://www.lorric.com/en/Articles/flowmeter-technology/ultrasonic-flowmeter/modbus-rtu

3. Modbus TCP/IP

Modbus TCP/IP คือเวอร์ชันที่ถูกพัฒนาให้ทำงานผ่าน เครือข่าย Ethernet โดยใช้โปรโตคอล TCP/IP ซึ่งเป็นมาตรฐานในโลกของเครือข่ายคอมพิวเตอร์ ข้อดีคือสามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์ได้จากระยะที่ไกลมาก ขยายระบบได้อย่างยืดหยุ่น จึงเป็นตัวเลือกยอดนิยมในงานอุตสาหกรรมยุคใหม่ที่ต้องการเชื่อมโยงกับระบบ Internet of Things (IoT) ที่ทันสมัย

การทำงานในเชิงเทคนิคของ Modbus (Technical Implementation of Modbus)

ไม่ว่าจะเป็น Modbus RTU, ASCII หรือ TCP/IP โครงสร้างการสื่อสารของ Modbus ยังคงอิงรูปแบบพื้นฐานเดียวกันคือการทำงานแบบ Master-Slave โดยอุปกรณ์หลัก (Master หรือ Client) โดยมีองค์ประกอบสำคัญดังต่อไปนี้

ภาพจาก : https://instrumentationtools.com/background-of-modbus-ascii-and-rtu-data-frames/

1. หมายเลขอุปกรณ์ (Slave ID)

อุปกรณ์ทุกตัวในระบบ Modbus จะต้องมีหมายเลขประจำตัวที่ไม่ซ้ำกัน หรือที่เรียกว่า Slave ID เพื่อให้ Master สามารถส่งคำสั่งไปยังอุปกรณ์แต่ละตัวได้อย่างเจาะจง ในระบบที่ใช้สายอนุกรม เช่น RTU และ ASCII หมายเลขนี้มีตั้งแต่ 1 ถึง 247 ส่วนในเวอร์ชัน TCP/IP จะใช้ หมายเลขที่อยู่ไอพี (IP Address) แทนการระบุอุปกรณ์

2. รหัสคำสั่ง (Function Codes)

ทุกคำสั่งในระบบ Modbus จะมี Function Code ระบุไว้ชัดเจนว่า Master ต้องการให้ Slave ทำอะไร เช่น อ่านค่าจากเซนเซอร์, เขียนข้อมูลไปยังรีจิสเตอร์ หรือดึงข้อมูลสถานะของอุปกรณ์ โดยรหัสแต่ละแบบจะมีมาตรฐานกลาง ซึ่งช่วยให้การสื่อสารระหว่างอุปกรณ์ต่างยี่ห้อ หรือต่างผู้ผลิตสามารถทำงานร่วมกันได้

3. ชุดข้อมูล (Data Packet)

ข้อมูลที่ถูกส่งระหว่างอุปกรณ์จะถูกจัดอยู่ใน Data Packet หรือแพ็กเกจข้อมูล ซึ่งมีโครงสร้างประกอบด้วย 4 ส่วนดังนี้

1. ที่อยู่ของอุปกรณ์ (Slave ID หรือ IP Address)
2. ฟังก์ชันโค้ด (Function Code)
3. ข้อมูลที่ต้องการส่ง (Data Field)
4. ส่วนตรวจสอบความถูกต้อง เช่น CRC สำหรับ RTU/ASCII หรือ Error Checking ในส่วนเครือข่าย TCP/IP

ด้วยโครงสร้างที่เรียบง่ายแต่ยืดหยุ่นนี้ ทำให้ Modbus สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ข้อดี และข้อจำกัดของการใช้ Modbus (Advantages and Limitations of using Modbus)

บทสรุป : ทำไม Modbus ยังไม่ตาย ? (Conclusion, Why is not Modbus dead yet ?)

Modbus แม้จะมีอายุเกือบครึ่งศตวรรษ และอยู่ท่ามกลางการเกิดขึ้นของโปรโตคอลใหม่ ๆ ที่ทันสมัยกว่า เช่น Profibus, BACnet หรือ OPC UA แต่ว่า Modbus ก็ยังคงมีที่ยืนอย่างมั่นคงในวงการอุตสาหกรรม โดยเฉพาะในระบบควบคุมที่ไม่ต้องการความซับซ้อนเกินจำเป็น

ภาพจาก : https://www.wevolver.com/article/modbus-rtu-vs-tcp

เมื่อเปรียบเทียบกับ Profibus ซึ่งแม้จะเร็วกว่า และรองรับการส่งข้อมูลมากขึ้น แต่ก็มีความซับซ้อนในการติดตั้ง และต้องดูแลรักษามากกว่า ในขณะที่ BACnet เหมาะกับระบบอาคารอัจฉริยะมากกว่าโรงงานอุตสาหกรรมทั่วไป และ OPC UA แม้จะรองรับระบบ IoT และ คลาวด์ (Cloud) ได้ดี แต่การใช้งานก็ต้องอาศัยความรู้เฉพาะทาง และต้นทุนติดตั้งสูง

Modbus จึงยังคงได้เปรียบในเรื่อง ความง่าย, ความเสถียร, ต้นทุนต่ำ และที่สำคัญคือ มีอุปกรณ์รองรับจำนวนมาก อยู่ในตลาด หากมองในแง่ของระบบที่ต้องการความน่าเชื่อถือ ไม่ซับซ้อน และมีชิ้นส่วนเปลี่ยนได้ง่าย Modbus ยังคงเป็นทางเลือกที่เหมาะสมในหลายกรณี สุดท้าย ความอยู่รอดของ Modbus ไม่ใช่เพราะมันดีที่สุดในทุกด้าน แต่เพราะมัน “พอดี” สำหรับระบบจำนวนมากที่ยังคงต้องการความเรียบง่าย และใช้งานได้จริงโดยไม่ต้องลงทุนเกินความจำเป็นนั่นเอง

ที่มา : www.circuitschools.com , www.dewetron.com , en.wikipedia.org