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[ Modbus ] Modbus (모드버스) 통신에 대한 이해

Je-chan 2025. 7. 20. 22:57

Modbus 통신 가이드

최근 제가 담당하고 있는 L 프로젝트에서 현장 Modbus 통신 기기의 연결 테스트 페이지를 개발하게 되었습니다. 처음에는 단순히 기능만 구현하면 된다고 생각했지만, 저에게는 한 가지 확고한 원칙이 있습니다. 개발하는 기능의 내용을 정확하게 이해하지 못한 채로는 절대 개발하지 않는다는 것입니다. 이 원칙을 지키기 위해 Modbus 통신에 대한 체계적인 학습을 진행하였고, 그 과정에서 얻은 지식을 정리하여 공유하고자 합니다.

개요

Modbus는 산업용 전자 장치 간의 통신을 위한 표준 프로토콜로, 1979년 Modicon사에서 개발되었습니다. 현재 가장 널리 사용되는 산업용 통신 프로토콜 중 하나입니다.

Modbus 개요

주요 특징

단순성: 구현이 간단하고 이해하기 쉽습니다
오픈 표준: 로열티 없이 자유롭게 사용 가능합니다
안정성: 오류 검출 기능이 내장되어 있습니다
광범위한 지원: 다양한 장치와 소프트웨어에서 지원됩니다

Modbus 통신 방식

Master-Slave 구조

Modbus는 Master-Slave 구조를 기반으로 합니다:

역할	설명	동작
Master	통신을 주도하는 장치	질의 송신
Slave	Master의 요청에 응답하는 장치	응답 송신

통신 매체별 분류

Modbus RTU (Remote Terminal Unit)

전송 매체: RS-232, RS-485
데이터 형식: 바이너리 (8비트)
오류 검출: CRC-16
특징: 컴팩트하고 효율적입니다

Modbus ASCII

전송 매체: RS-232, RS-485
데이터 형식: ASCII 문자 (7비트)
오류 검출: LRC (Longitudinal Redundancy Check)
특징: 사람이 읽기 쉬우나 비효율적입니다

Modbus TCP/IP

전송 매체: 이더넷
데이터 형식: 바이너리
오류 검출: TCP 자체 오류 검출 기능 사용
특징: 네트워크 환경에서 사용됩니다

Modbus 데이터 모델

참고

Modbus는 4가지 기본 데이터 타입을 정의합니다.

Coils (코일)

속성	내용
주소 범위	00001 ~ 09999 (또는 0x0000 ~ 0x270E)
데이터 타입	1비트 (ON/OFF)
접근 권한	읽기/쓰기 가능
용도	디지털 출력 (릴레이, 디지털 출력 포트)
함수 코드	01 (읽기), 05 (단일 쓰기), 15 (다중 쓰기)

Discrete Inputs (이산 입력)

속성	내용
주소 범위	10001 ~ 19999 (또는 0x0000 ~ 0x270E)
데이터 타입	1비트 (ON/OFF)
접근 권한	읽기 전용
용도	디지털 입력 (스위치, 센서 상태)
함수 코드	02 (읽기)

Input Registers (입력 레지스터)

속성	내용
주소 범위	30001 ~ 39999 (또는 0x0000 ~ 0x270E)
데이터 타입	16비트 워드
접근 권한	읽기 전용
용도	아날로그 입력 (센서 값, 측정값)
함수 코드	04 (읽기)

Holding Registers (홀딩 레지스터)

속성	내용
주소 범위	40001 ~ 49999 (또는 0x0000 ~ 0x270E)
데이터 타입	16비트 워드
접근 권한	읽기/쓰기 가능
용도	설정값, 제어값 저장
함수 코드	03 (읽기), 06 (단일 쓰기), 16 (다중 쓰기)

Modbus 프레임 구조

Modbus RTU 프레임

[Slave Address][Function Code][Data][CRC]
     1 byte        1 byte      N bytes  2 bytes

Modbus ASCII 프레임

[Start]:[Slave Address][Function Code][Data][LRC][End]
  1     :    2 bytes       2 bytes     N     2    2

Modbus TCP 프레임

[MBAP Header][Function Code][Data]
   7 bytes        1 byte      N bytes

MBAP Header:
[Transaction ID][Protocol ID][Length][Unit ID]
    2 bytes       2 bytes     2 bytes  1 byte

주요 함수 코드

함수 코드	기능	대상 데이터
01	Read Coils	Coils (읽기)
02	Read Discrete Inputs	Discrete Inputs (읽기)
03	Read Holding Registers	Holding Registers (읽기)
04	Read Input Registers	Input Registers (읽기)
05	Write Single Coil	Coils (단일 쓰기)
06	Write Single Register	Holding Registers (단일 쓰기)
15	Write Multiple Coils	Coils (다중 쓰기)
16	Write Multiple Registers	Holding Registers (다중 쓰기)

통신 시퀀스 예시

레지스터 읽기 예시

Master → Slave: [01][03][00 00][00 02][C4 0B]
               슬레이브1, 기능03, 주소0000, 개수2, CRC

Slave → Master: [01][03][04][00 0A][00 0B][79 84]
               슬레이브1, 기능03, 바이트4, 데이터10, 데이터11, CRC

코일 쓰기 예시

Master → Slave: [01][05][00 00][FF 00][8C 3A]
               슬레이브1, 기능05, 주소0000, 값FF00(ON), CRC

Slave → Master: [01][05][00 00][FF 00][8C 3A]
               동일한 응답 (확인)

☀️ 태양광 RTU와 Inverter 통신 예시

시나리오

태양광 RTU(Remote Terminal Unit)가 Master로 동작하여 Serial Converter를 통해 여러 대의 Inverter(Slave)로부터 발전량, 전압, 전류 등의 데이터를 수집하고 제어하는 예시입니다.

시스템 구성

물리적 연결 구성

시스템 구성도

[태양광 RTU]
(Master)

←→

[Serial Converter]
(Gateway)

↓

[Solar-INV-200 #1]
(Slave ID: 1)

↓

[Solar-INV-200 #2]
(Slave ID: 2)

↓

[Solar-INV-200 #3]
(Slave ID: 3)

상단: Ethernet/TCP (Modbus TCP)
하단: RS-485 (Modbus RTU)

통신 매체별 역할

구간	통신 방식	프로토콜	특징
RTU ↔ Serial Converter	Ethernet	Modbus TCP	높은 대역폭, 장거리 전송
Serial Converter ↔ Inverter	RS-485	Modbus RTU	멀티드롭, 노이즈 내성

Serial Converter 역할

주요 기능

프로토콜 변환: Modbus TCP ↔ Modbus RTU
물리 계층 변환: Ethernet ↔ RS-485
버퍼링: 데이터 임시 저장 및 전송 순서 관리
오류 복구: 통신 오류 시 재전송 처리
타이밍 관리: RTU 프레임 간격 조정

설정 예시

Serial Converter 설정:
- IP Address: 192.168.1.100
- Port: 502 (Modbus TCP 기본 포트)
- Serial Settings: 9600, 8, N, 1
- Timeout: 1000ms
- Max Connections: 5

Solar-INV-200 데이터 맵 예시

Input Registers (30001~39999)

주소	설명	단위	데이터 타입
30001	DC 전압	V	16-bit
30002	DC 전류	A	16-bit
30003	AC 전압 (R상)	V	16-bit
30004	AC 전압 (S상)	V	16-bit
30005	AC 전압 (T상)	V	16-bit
30006	AC 전류 (R상)	A	16-bit
30007	AC 전류 (S상)	A	16-bit
30008	AC 전류 (T상)	A	16-bit
30009	순시 전력	kW	16-bit
30010	누적 발전량 (상위)	kWh	16-bit
30011	누적 발전량 (하위)	kWh	16-bit
30012	온도	°C	16-bit
30013	주파수	Hz	16-bit

Holding Registers (40001~49999)

주소	설명	단위	데이터 타입
40001	출력 제한 설정	%	16-bit
40002	전력 인자 설정	-	16-bit
40003	시간 설정 (시)	-	16-bit
40004	시간 설정 (분)	-	16-bit

Coils (00001~09999)

주소	설명	동작
00001	인버터 시작/정지	ON: 시작, OFF: 정지
00002	비상 정지	ON: 비상 정지 활성
00003	리셋	ON: 알람 리셋

Discrete Inputs (10001~19999)

주소	설명	상태
10001	인버터 운전 상태	ON: 운전 중, OFF: 정지
10002	알람 상태	ON: 알람 발생, OFF: 정상
10003	DC 입력 상태	ON: 정상, OFF: 이상
10004	AC 출력 상태	ON: 정상, OFF: 이상

실제 통신 시퀀스 (Solar-INV-200 기준)

PV 스트링 데이터 읽기

RTU → Serial Converter (Modbus TCP)

TCP Header: [Transaction ID: 0001][Protocol: 0000][Length: 0006][Unit ID: 01]
Data: [01][03][75 30][00 10]
└─ 슬레이브1, 기능03(Input Register 읽기), 주소30001, 개수16개

Serial Converter → Solar-INV-200 (Modbus RTU)

[01][03][75 30][00 10][A1 B7]
└─ 슬레이브1, 기능03, 주소30001(DC전압), 개수16개, CRC

Solar-INV-200 → Serial Converter (Modbus RTU)

[01][03][20][12 C0][05 DC][00 F0][00 12][00 F1][00 14][00 F2][00 13][00 00][00 00][00 00][00 00][00 00][00 00][00 00][00 00][B2 A1]
└─ 슬레이브1, 기능03, 32바이트
   DC전압: 4800(480.0V), DC전류: 1500(15.0A)
   AC전압(R): 240(240V), AC전류(R): 18(1.8A)  
   AC전압(S): 241(241V), AC전류(S): 20(2.0A)
   AC전압(T): 242(242V), AC전류(T): 19(1.9A)

인버터 상태 및 알람 정보 읽기

RTU → Serial Converter (Modbus TCP)

TCP Header: [Transaction ID: 0002][Protocol: 0000][Length: 0006][Unit ID: 01]
Data: [01][02][27 10][00 04]
└─ 슬레이브1, 기능02(Discrete Input 읽기), 주소10001, 개수4개

Solar-INV-200 → Serial Converter (Modbus RTU)

[01][02][01][0D][A1 F8]
└─ 슬레이브1, 기능02, 1바이트
   비트맵: 1101 (운전중, 알람발생, DC정상, AC이상)

출력 제한 설정

RTU → Serial Converter (Modbus TCP)

TCP Header: [Transaction ID: 0003][Protocol: 0000][Length: 0006][Unit ID: 01]
Data: [01][06][9C 40][00 50]
└─ 슬레이브1, 기능06(Single Register 쓰기), 주소40001, 값80(%)

Serial Converter → Solar-INV-200 (Modbus RTU)

[01][06][9C 40][00 50][88 B4]
└─ 슬레이브1, 기능06, 주소40001, 값80, CRC

Solar-INV-200 → Serial Converter (Modbus RTU)

[01][06][9C 40][00 50][88 B4]
└─ 동일한 응답 (설정 완료 확인)

비상 정지 명령 (브로드캐스트)

RTU → Serial Converter (Modbus TCP)

TCP Header: [Transaction ID: 0004][Protocol: 0000][Length: 0006][Unit ID: 00]
Data: [00][05][00 02][FF 00]
└─ 브로드캐스트, 기능05(Coil 쓰기), 주소00002, 값ON

Serial Converter → 모든 Solar-INV-200 (Modbus RTU)

[00][05][00 02][FF 00][2C 3A]
└─ 브로드캐스트는 응답 없음

Serial Converter 내부 처리

데이터 스케일링 처리

전압 데이터 (게인 10)

// 수신된 값: 0x12 0xC0 = 4800
실제전압 = 4800 / 10 = 480.0V (DC 전압)

전류 데이터 (게인 100)

// 수신된 값: 0x05 0xDC = 1500  
실제전류 = 1500 / 100 = 15.0A (DC 전류)

전력 데이터 (게인 1000)

// 수신된 값: 0x13 0x88 = 5000
실제전력 = 5000 / 1000 = 5.0kW (순시 전력)

비트 필드 해석

상태 비트 해석

// 수신된 값: 0x0D = 1101b
비트0(운전상태): 1 - 운전 중
비트1(알람상태): 0 - 정상  
비트2(DC입력상태): 1 - 정상
비트3(AC출력상태): 1 - 정상

실제 운영 시나리오

정상 운전 모니터링
RTU가 1분마다 PV 스트링 데이터를 수집하고, 10초마다 AC 출력 데이터를 수집합니다. 5초마다 알람 상태를 확인하여 이상 감지 시 즉시 상세 정보를 요청합니다.

출력 제한 제어
계통 요청으로 출력을 80%로 제한이 필요할 때, RTU가 40001번 레지스터에 80을 설정하고 인버터의 설정 확인 응답 후 실제 출력 전력을 모니터링합니다.

비상 상황 대응
심각한 알람 감지 시 RTU가 즉시 비상 정지 명령을 브로드캐스트하여 모든 인버터를 안전 정지시키고, 상태 확인 및 로그를 기록합니다.

오류 처리

예외 응답

오류 발생 시 슬레이브는 예외 응답을 보냅니다:

[Slave Address][Function Code + 0x80][Exception Code][CRC]

주요 예외 코드

코드	설명
01	불법 기능 코드
02	불법 데이터 주소
03	불법 데이터 값
04	슬레이브 장치 오류
06	슬레이브 장치 사용 중

구현 시 고려사항

타이밍

RTU: 문자 간 타임아웃 (1.5문자 시간)
RTU: 프레임 간 타임아웃 (3.5문자 시간)
ASCII: 문자 간 타임아웃 (1초)

주소 체계

PDU 주소: 0부터 시작 (프로토콜 내부)
데이터 모델 주소: 1부터 시작 (사용자 참조)
실제 구현 시 주소 변환이 필요합니다

바이트 순서

Modbus는 Big-Endian 순서를 사용합니다
16비트 데이터: 상위 바이트 먼저 전송
32비트 데이터: 구현에 따라 다름 (표준 미정의)

활용 사례

산업 자동화

PLC와 HMI 간 통신
센서 데이터 수집
액추에이터 제어

건물 자동화

HVAC 시스템 제어
조명 제어
보안 시스템 연동

에너지 관리

전력 미터 데이터 수집
태양광 인버터 모니터링
배터리 관리 시스템

장단점

✅ 장점

구현이 간단하고 비용 효율적입니다
광범위한 하드웨어 지원을 받습니다
안정적이고 신뢰할 수 있습니다
오픈 표준으로 호환성이 우수합니다

❌ 단점

상대적으로 낮은 데이터 전송 속도를 가집니다
제한된 보안 기능을 제공합니다
Master-Slave 구조의 한계가 있습니다
실시간 통신에는 부적합합니다

결론

Modbus는 단순하면서도 강력한 통신 프로토콜로, 산업 자동화 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 코일과 레지스터를 통한 명확한 데이터 모델과 다양한 통신 매체 지원으로 인해 다양한 애플리케이션에 적용할 수 있습니다. 특히 태양광 시스템에서는 RTU와 Inverter 간의 안정적인 데이터 수집과 제어를 위한 핵심 기술로 활용되고 있습니다.

새로운 기술들이 등장하고 있지만, Modbus의 단순성과 안정성은 여전히 많은 산업 현장에서 선택받는 이유입니다.

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Modbus 개요

주요 특징

Modbus 통신 방식

Master-Slave 구조

통신 매체별 분류

Modbus RTU (Remote Terminal Unit)

Modbus ASCII

Modbus TCP/IP

Modbus 데이터 모델

Coils (코일)

Discrete Inputs (이산 입력)

Input Registers (입력 레지스터)

Holding Registers (홀딩 레지스터)

Modbus 프레임 구조

Modbus RTU 프레임

Modbus ASCII 프레임

Modbus TCP 프레임

주요 함수 코드

통신 시퀀스 예시

레지스터 읽기 예시

코일 쓰기 예시

☀️ 태양광 RTU와 Inverter 통신 예시

시스템 구성

물리적 연결 구성

통신 매체별 역할

Serial Converter 역할

주요 기능

설정 예시

Solar-INV-200 데이터 맵 예시

Input Registers (30001~39999)

Holding Registers (40001~49999)

Coils (00001~09999)

Discrete Inputs (10001~19999)

실제 통신 시퀀스 (Solar-INV-200 기준)

PV 스트링 데이터 읽기

인버터 상태 및 알람 정보 읽기

출력 제한 설정

비상 정지 명령 (브로드캐스트)

Serial Converter 내부 처리

데이터 스케일링 처리

비트 필드 해석

실제 운영 시나리오

오류 처리

예외 응답

주요 예외 코드

구현 시 고려사항

타이밍

주소 체계

바이트 순서

활용 사례

산업 자동화

건물 자동화

에너지 관리

장단점

결론

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