Modbus

Modbusでは、クライアントとは、要求レシーバーから特定のタスクを要求するトランザクションを開始するエンティティであると定義されています。^{[ 6 ]}クライアントがトランザクションを開始したクライアントの「要求レシーバー」は、サーバーと呼ばれます。^{[ 6 ]}例えば、マイクロコントローラが有線ネットワーク（RS485バスなど）上のModbusでセンサーに接続してデータを読み取る場合、このコンテキストではMCUがクライアントであり、センサーがサーバーです。以前の用語では、クライアントはマスター、サーバーはスレーブと呼ばれていました。

Modbus は、プロトコルスタック内の下位レイヤプロトコルとは独立してプロトコルデータユニット(PDU) を定義します。特定のバスまたはネットワークに MODBUS プロトコルをマッピングするには、アプリケーションデータユニット (ADU) として定義されるいくつかの追加フィールドが必要です。ADU は、クライアントがトランザクションを開始したときに、Modbus ネットワーク内のクライアントによって形成されます。内容は次のとおりです。^{[ 7 ]}

• PDU = 機能コード + データ
• ADU = 追加アドレス + PDU + エラーチェック

ADUはModbus Organizationによって正式にはModbusフレームと呼ばれていますが^{[ 7 ]} 、フレームはOSIおよびTCP/IPモデルではデータリンク層のデータユニットとして使用されます（Modbusはアプリケーション層プロトコルです）。

PDUの最大サイズは253バイトです。RS232/RS485ネットワークでのADUの最大サイズは256バイト、TCPでは260バイトです。^{[ 8 ]}

データエンコーディングに関して、Modbusはアドレスとデータフィールドにビッグエンディアン表現を使用します。したがって、16ビット値の場合、最上位バイトが最初に送信されます。たとえば、16ビットレジスタの値が0x1234の場合、バイト0x12がバイト0x34より先に送信されます。^{[ 8 ]}

関数コードは、実行する関数のコードを示す1バイトのデータです。関数コードは1から255までの整数値で、128から255の範囲は例外応答に使用されます。

PDU のデータ フィールドのアドレスは 0 ～ 65535 です (ADU の追加アドレス フィールドのアドレスと混同しないでください)。^{[ 9 ]} PDU のデータ フィールドは空にすることができ、その場合サイズは 0 になります。この場合、サーバーは情報を要求せず、関数コードによって実行される関数が定義されます。実行プロセス中にエラーがない場合、サーバーからクライアントへの ADU 応答のデータ フィールドには、要求されたデータ、つまりクライアントが以前に受信したデータが含まれます。エラーが発生した場合は、サーバーは例外コードで応答します。^{[ 6 ]}

クライアントとサーバー間の Modbus トランザクションには以下が含まれます。^{[ 6 ] [ 10 ]}

• ステップ1：クライアントはPDU（機能コード＋データリクエスト）でリクエストを開始します
• ステップ2：サーバーはクライアントからリクエストを受信します。サーバーはファンクションコードを読み取り/解析し、PDUのデータフィールドのアドレスを取得し、このデータフィールドの値を取得して、最後にファンクションコードに基づいてアクションを実行します。これらのステップでエラーが発生しない場合、サーバーはPDU = ファンクションコード + データ応答で応答します。これらのステップでエラーが発生しない限り、サーバーの応答ファンクションコードもクライアントから送信されたファンクションコードになります。これらのステップでエラーが発生した場合、サーバーはPDU = 例外ファンクションコード + 例外コードで応答します（以下で定義するPDU mb_excep_rsp_pduを参照）。
• ステップ3：クライアントは応答を受け取り、取引を終了します。

それに基づいて、Modbusは3種類のPDUを定義しています。^{[ 8 ]}

• MODBUSリクエストPDU、mb_req_pdu
• MODBUS応答PDU、mb_rsp_pdu
• MODBUS例外応答PDU、mb_excep_rsp_pdu

mb_req_pdu = 機能コード（1バイト）+ リクエストデータ（nバイト）

リクエストデータフィールドのサイズは関数コードによって異なり、通常は変数値、データオフセット、サブ関数コードなどの値が含まれます。^{[ 8 ]}

mb_rsp_pdu = 機能コード（1バイト）+ 応答データ（nバイト）

mb_req_pduと同様に、応答データフィールドのサイズは機能コードによって異なり、通常は変数値、データオフセット、サブ機能コードなどの値が含まれます。^{[ 8 ]}

mb_excep_rsp_pdu = 例外機能コード（1バイト）+ 例外コード（1バイト）

例外機能コード= 機能コード (1 バイト) + 0x80。例外機能コードは、最上位ビット (MSB) が 1 に設定されている点を除いて、機能コードと同じです。

mb_excep_rsp_pdu の例外コード (1 バイト) は、MODBUS 例外コードテーブルで定義されています。

Modbusは、4つの主要なタイプの一連のテーブルに基づいてデータモデルを定義します。^{[ 11 ]}

各プライマリテーブルについて、プロトコルでは65536個のデータ項目を個別に選択することができ、それらの項目の読み取りまたは書き込み操作は、トランザクション機能コードに依存するデータサイズ制限まで、複数の連続したデータ項目にまたがるように設計されています。^{[ 11 ]}

注：一部の情報源では、標準とは異なる用語が使用されています。たとえば、「Write Single Coil」の代わりに「Force Single Coil」が使用されています。^{[ 14 ]}

ユーザー定義機能コードは、ユーザーが定義する機能コードです。Modbusでは、ユーザー定義機能コードに65～72と100～110の2つの値の範囲が与えられています。当然ながら、ユーザー定義機能コードは一意ではありません。^{[ 13 ]}

予約済み機能コードは、一部の企業がレガシー製品に使用する機能コードであり、一般には使用できません。^{[ 13 ]}

Modbus RTU (リモートターミナルユニット) は、Modbus で最も一般的な実装であり、プロトコル通信のためにデータのコンパクトなバイナリ表現を使用します。RTU フォーマットは、コマンド/データに続いて、データの信頼性を確保するためのエラーチェックメカニズムとして巡回冗長検査チェックサムが続きます。Modbus RTU メッセージは、文字間のためらいなく連続して送信する必要があります。Modbus メッセージは、アイドル (無音) 期間によってフレーム (分離) されます。データの各バイト (8 ビット) は 11 ビットとして送信されます。^{[ 3 ] [ 24 ]}

• 1 スタートビット
• 8ビットのデータ/メッセージ、最下位ビットが最初に送信される
• 1ビットパリティ
• 1ストップビット

デフォルトは偶数パリティですが、奇数パリティまたはパリティなしは追加オプションとして実装できます。^{[ 24 ]}

Modbus RTUフレームは次のようになります。^{[ 25 ]}

CRC の計算は CRC-16-MODBUS として広く知られており、その多項式はx ¹⁶ + x ¹⁵ + x ² + 1 です (通常の 16 進代数多項式は であり8005、 は逆ですA001)。^{[ 26 ]}

Modbus RTUフレームの16進数表記の例：（からまで01 04 02 FF FF B8 80の5バイトに対するCRC-16-MODBUS計算結果はとなり、これは最下位バイトから順に送信されます）。01FF80B8

送信中のフレームの完全性を確保するため、2つのフレーム間の時間間隔は少なくとも3.5文字の送信時間でなければならず、連続する2文字間の時間間隔は1.5文字の送信時間以下でなければなりません。^{[ 25 ]}例えば、デフォルトのデータレート19200ビット/秒の場合、3.5文字（t3.5）と1.5文字（t1.5）の11ビット文字の送信時間は次のようになります。

${\displaystyle t3.5=3.5\cdot \left({\frac {11\cdot 1000}{19200}}\right)=2.005\,\mathrm {ms} }$

${\displaystyle t1.5=1.5\cdot \left({\frac {11\cdot 10^{6}}{19200}}\right)=859.375\,\mathrm {\mu s} }$

 より高いデータレートの場合、Modbus RTU はt1.5 に750 μs、t3.5 に 1.750 ms の固定値を使用することを推奨しています。 ^{[ 25 ]}

Modbus ASCII は、プロトコル通信にASCII文字 (char)を使用します。ASCII フォーマットは、縦方向の冗長性チェック (LRC) チェックサムを使用します。Modbus ASCII メッセージは、先頭のコロン (":", ASCII 値 3A ₁₆ ) と末尾の改行 (CR/LF、ASCII 値 0D ₁₆および 0A ₁₆ ) で囲まれます。Modbus ASCII フレームは、Modbus RTU のようにバーストで送信する必要はなく、デフォルトでは各文字の送信間に最大 1 秒の遅延が許容されます。各 ASCII 文字は 10 ビットとして送信されます。

• 1 スタートビット
• 7ビットASCII文字、最下位ビットが最初に送信される
• 1ビットパリティ
• 1ストップビット

デフォルトは偶数パリティですが、奇数パリティまたはパリティなしは追加オプションとして実装できます。

Modbus ASCIIフレームには以下が含まれます。^{[ 27 ]}

アドレス、ファンクション、データ、および LRC は ASCII 16 進数でエンコードされた値であり、各バイト (8 ビット) の情報は、0 ～ 9 と A ～ F の範囲の人間が読み取れる 2 つの ASCII 文字としてエンコードされます。たとえば、バイト値 122 ( 1111010 ₂または7A ₁₆ ) は、2 つの ASCII 文字「7」と「A」としてエンコードされ、2 バイト55(37 ₁₆、「7」の ASCII 値) と65(41 ₁₆、「A」の ASCII 値) として送信されます。

LRC は、8 ビット値の合計 (開始文字と終了文字を除く) を否定 ( 2 の補数) し、8 ビット値としてエンコードして計算されます。たとえば、アドレス、機能、データが 247、3、19、137、0、10 の場合、それらの合計 (416) の 2 の補数は -416 です。これを 8 ビットにトリミングすると 96 (256 × 2 − 416 = 60 ₁₆ ) となり、次の 17 文字の ASCII フレームが得られます。LRC:F7031389000A60␍␊はチェックサムとしてのみ使用することが規定されています。エンコードされたデータに対して計算されるため、送信された文字に対して計算されるのではなく、その「縦方向」の特性は、パリティ ビットと組み合わせて 1 ビットのエラーを特定するために使用することはできません。

Modbus TCPまたはModbus TCP/IPは、 TCP/IPネットワーク上で通信を行うために使用される Modbus のバリアントで、ポート 502 を介して接続します。^{[ 28 ]}下位レイヤーが既にチェックサム保護を提供しているため、チェックサム計算は必要ありません。

Modbus TCP の命名法は、シリアルライン上の Modbus プロトコルと同じで、Modbus コマンドを送信するデバイスはすべて「クライアント」であり、応答は「サーバー」から返されます。^{[ 29 ]}

Modbus TCP の ADU は、Modbus 組織によって正式にはModbus TCP/IP ADUと呼ばれており^{[ 30 ]} 、他の団体ではModbus TCP フレームとも呼ばれています。^{[ 3 ]}

MODBUS TCP/IP ADU = MODBUSアプリケーションプロトコルヘッダー + 機能コード + データ

MODBUSアプリケーションプロトコルヘッダー - これは、TCP/IP上でMODBUSアプリケーションデータユニットを識別するために使用される専用ヘッダーです。

MODBUSアプリケーションプロトコルヘッダーには、次のフィールドが含まれています。^{[ 31 ]}

ユニット識別子は、複数のModbusデバイスを組み合わせたModbus TCPデバイス（例：Modbus TCP-Modbus RTUゲートウェイ）で使用されます。このような場合、ユニット識別子はゲートウェイの背後にあるデバイスのサーバアドレスになります。

MODBUS TCP/IP ADU/Modbus TCPフレームフォーマットは次のようになります。^{[ 31 ] [ 30 ]}

• Modbus over TCP/IP、Modbus over TCP、またはModbus RTU/IP – Modbus RTUと同様に、ペイロードにチェックサムが含まれる点でModbus TCPとは異なるバリアント。
• Modbus over UDP – IPネットワーク上でModbus over UDPを使用することで、TCPのオーバーヘッドがなくなります。^{[ 32 ] [ 33 ]}

Modbusと密接に関連するもう一つの事実上のプロトコルが後に登場し、PLCメーカーのApril Automatesによって定義されました。これは、1985年にフランスのRenault AutomationとMerlin Gerin et Cieの共同作業の成果であり、JBUSと呼ばれています。当時、ModbusとJBUSの違い（エンティティ数、サーバステーション数など）は、AEG Schneider Automationが1994年に買収し、その後廃止したApril PLCシリーズとともにこのプロトコルがほぼ消滅したため、現在では重要ではありません。しかし、JBUSという名称は、ある程度残っています。

JBUSは機能コード1、2、3、4、5、6、15、16をサポートしており、したがって上記で説明したすべてのエンティティをサポートしていますが、番号付けは異なります。

• 番号と住所が一致します。エンティティ # xはデータフレーム内で住所xを持っています。
• したがって、エンティティ番号にはエンティティタイプは含まれません。例えば、Modbusでレジスタ番号40010を保持している場合、JBUSではアドレス9のレジスタ番号9を保持していることになります。
• 番号0（したがってアドレス0）はサポートされていません。サーバーはこの番号とアドレスに実際のデータを実装してはならず、要求された際にはnull値を返すか、エラーをスローすることができます。

• MODBUSアプリケーションプロトコル（2012）。Modbusアプリケーションプロトコル仕様v1.1b3（PDF）。Modbus Organization。2025年8月25日にオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2023年10月10日取得。
• MODBUS over Serial Line プロトコル (2006)。MODBUS over Serial Line 仕様および実装ガイド v1.02 (PDF)。 2025年9月10日にオリジナル(PDF)からアーカイブされました。
• TCP/IP 上の MODBUS メッセージング (2006)。TCP /IP 上の MODBUS メッセージング実装ガイド v1.0b (PDF)。Modbus Organization。 2025年8月6日にオリジナル(PDF)からアーカイブされました。
• MODICON, Inc. (1996). Modicon Modbus プロトコル リファレンス ガイド/シリアル ライン経由の Modbus (レガシー アプリケーション専用) (PDF) 。2025 年 8 月 25 日にオリジナル(PDF)からアーカイブされました。

• Modbus構成

• modbusbacnet.comのフィールド技術者向けModbus情報
• RF Wireless WorldのModbusチュートリアル