산업 자동화 환경에서 Modbus는 가장 널리 사용되는 통신 프로토콜 중 하나로 자리 잡았습니다.
센서, 필드 계기, PLC, VFD, HMI, SCADA와 같은 장비들이 동일한 네트워크에서 안정적으로 데이터를 주고받기 위해 Modbus를 활용하고 있으며, 대량의 데이터를 효율적으로 처리해야 하는 현대 산업 환경에서 그 중요성은 더 높아지고 있습니다.
이번글에서는 Modbus의 기본 구조와 산업 네트워크에서 실제로 어떻게 적용되는지 상세히 정리해보겠습니다.
Modbus란 무엇인가
Modbus는 산업 자동화 시스템에서 사용되는 직렬 기반 통신 프로토콜입니다. 일정한 메시지 구조를 통해 데이터를 교환하며, 마스터와 슬레이브라는 고유 구조를 갖고 있습니다.
마스터는 요청을 보내고, 슬레이브는 이에 응답하는 방식으로 통신이 이루어집니다. 메시지에는 슬레이브 주소, 명령 타입, 데이터, 오류 검출용 체크섬 등이 포함됩니다.
Modbus가 개방형(Open) 프로토콜이라는 점은 다양한 제조사의 장비가 동일 네트워크에서 통신할 수 있게 하는 중요한 장점입니다.
Modbus 통신의 물리 계층 RS232 RS422 RS485
Modbus는 RS232, RS422, RS485 세 가지 물리 계층 기반으로 동작합니다.
RS232는 마스터와 슬레이브 단일 연결만 가능해 제한적이며, RS422와 RS485는 다중 슬레이브 구성이 가능합니다. 이 중 RS485는 노이즈에 강하고 설비 간 거리를 넓게 구성할 수 있어 산업 현장에서 가장 많이 쓰입니다.
Modbus 기능 코드 Function Code 이해
Modbus 통신에서 읽기 또는 쓰기 명령은 기능 코드(Function Code)로 구분됩니다. 기능 코드는 어떤 데이터를 읽고 쓸지, 데이터 길이는 얼마인지 등을 명확하게 정의합니다.
예를 들어 아래와 같은 기능 코드가 널리 사용됩니다.
- Read Coils
- Read Discrete Inputs
- Read Multiple Registers
- Write Multiple Registers
- Read Input Registers
- Write Single Register
- Read Device Information
프로그래머는 PLC에서 Modbus 통신을 설정할 때 기능 코드를 반드시 지정해야 하며, 이를 통해 마스터 장비는 슬레이브에 어떤 작업을 수행할지 인식하게 됩니다.
Modbus RTU ASCII TCP/IP 방식 비교
Modbus는 RTU, ASCII, TCP/IP 세 가지 변형이 있습니다.
RTU와 TCP/IP는 바이너리 코딩과 CRC 기반 오류 검출을 사용합니다. RTU는 RS485 등 직렬 통신 기반에서 사용되며, TCP/IP는 Ethernet 기반에서 IP 주소와 장비 ID만으로 설정이 가능합니다.
ASCII 방식은 메시지를 ASCII 문자로 표현하여 사람이 읽기 쉬운 형태를 제공합니다.
Modbus 설정 시 꼭 알아야 할 구성 규칙
Modbus 장비의 포트는 한 번에 마스터 또는 슬레이브 중 하나의 역할만 수행합니다. 예를 들어 PLC가 VFD 데이터를 받아야 한다면 PLC는 마스터 역할을 해야 하며, VFD는 기본적으로 슬레이브 역할을 수행합니다.
Modbus RTU에서는 통신 속도, parity, stop bit 등을 설정해야 하지만, Modbus TCP/IP에서는 IP 주소만 입력하면 됩니다.
Modbus는 이론적으로 약 4000ft까지 통신이 가능하지만 실제 산업 환경에서는 전기적 노이즈로 인해 약 1000ft 이후부터 신호 지연이나 통신 장애가 발생하기 쉽습니다. 장거리 통신이 필요하다면 리피터나 증폭기 설치가 필요합니다.
PLC에서는 읽기·쓰기 명령 블록을 동시에 실행해서는 안 되며, 순차적으로 실행해야 합니다.
산업 네트워크에서 Modbus 구현 예시
PLC, VFD 두 대, SCADA가 있는 구조를 예로 들어보겠습니다.
PLC는 두 개의 Modbus 포트를 사용하는데, 한 포트는 마스터로 설정하여 두 대의 VFD를 데이지 체인 방식으로 연결합니다. 다른 포트는 슬레이브로 설정하여 SCADA가 PLC 데이터를 읽어갈 수 있도록 구성합니다.
이 구조에서는 VFD의 데이터가 PLC를 거쳐 SCADA로 전달되며, 장비 주소는 서로 중복되지 않도록 관리해야 합니다. 또한 노이즈 제거를 위해 중성선과 접지 간 전압은 0.5V 이하로 유지하는 것이 권장됩니다.
결론
Modbus는 단순하면서도 안정적인 구조 덕분에 PLC, VFD, HMI, SCADA 등 다양한 자동화 장비를 연결하는 핵심 프로토콜로 널리 사용되고 있습니다. 기능 코드, 물리 계층, 슬레이브 주소 관리, 노이즈 대책 등의 기본 개념을 이해한다면 복잡한 산업 네트워크에서도 안정적인 통신 구조를 구축할 수 있습니다.
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