Modbus RTU / TCP（Modbus serial & TCP）¶
前面幾張卡反覆說設備「透過 Modbus 接進 EPMS／BMS」，這張卡打開那條線。Modbus 是 1979 年的主從式協定：主站問「某位址起的 N 個 16 位元暫存器」，從站回一串位元組。它只傳位元組，不傳型別、單位、字序或時間。重點因此不在封包，而在封包外面那張暫存器表，以及線上的時間成本。
六格¶
拓撲位置¶
上游：有暫存器表的設備，如電錶、UPS、rack PDU、VFD、斷路器跳脫單元。下游：輪詢者（EPMS、BMS 監督控制器、DCIM collector；見 dc-39、dc-38）。RTU 走 RS-485 菊鍊（單主站）；TCP 走乙太網；兩者間用 TCP↔RTU 閘道（dc-45）。它是觀察層的傳輸邊，不在電力樹上。
容量單位¶
暫存器 = 16 位元；一次讀最多 125 個（FC03/04）、寫最多 123 個（FC16）、線圈 2000 個。真正稀缺的是總線時間（毫秒），不是位元組數：見下方計算二。
冗餘表達¶
協定本身沒有冗餘機制（來源未提）。RTU 是單一主站、一條線：一顆壞收發器可拉走整條（dc-15 已寫）。TCP 允許多個 client 但沒有仲裁，同一暫存器被兩個 master 寫入時最後寫入者勝。冗餘只能由架構補（雙閘道、雙輪詢者），協定不會告訴你。
遙測介面¶
| FC | 用途 | 表 | 單次上限 |
|---|---|---|---|
| 01 / 02 | 讀線圈／離散輸入 | 位元 | 2000 |
| 03 | 讀保持暫存器 | 16 位元 R/W | 125 |
| 04 | 讀輸入暫存器 | 16 位元 R | 125 |
| 05 / 06 | 寫單一線圈／暫存器 | — | 1 |
| 15 / 16 | 寫多個線圈／暫存器 | — | FC16 為 123 |
回應功能碼加 0x80 即為例外（01 非法功能、02 非法資料位址、03 非法資料值、04 從站故障、06 忙碌…）。位元組序為 big-endian。RTU 從站位址 1–247，0 為廣播（無回應）。
故障域¶
RTU：整條 RS-485（任一台短路／收發器故障、錯誤鮑率或奇偶設定的新設備）。TCP：交換器埠、閘道、設備的連線上限（嵌入式從站常見只收 4／8／16／32 條連線，單一來源）。例外回應表示設備活著，逾時才表示聯絡不上——兩者的處置完全不同。
維護特性¶
韌體升級可能改暫存器位址（版本不符時讀取回例外 02）；換電錶要重設 unit ID、鮑率、奇偶。暫存器表是型號＋韌體版本的屬性。
來源分歧¶
- RTU 框間靜默時間（19200 baud）：同一網站兩篇文章給出兩個數字——RTU 文章以 11 位元字元算，字元時間 0.573 ms，3.5 字元即 2.005 ms；TCP 文章寫「約 1.83 ms」，與 10 位元字元（3.5×10/19200 = 1.823 ms）吻合。Wikipedia：每位元組 11 位元，高速率建議固定 1.750 ms。未裁決，卡片一律用 11 位元，並把
bits_per_char做成欄位。 - 浮點範例數值：來源把
7F 7F 00 00誤解成「約 1.7E+38」。實際解碼為 3.39E+38（1.7E+38 是 2¹²⁷）。二手數字要自己算過。 - pymodbus 簽名：文件頁（4.0.0dev16）用
device_id；3.x 簽名未查證。練習以標準庫為主，pymodbus 只當加分題。 - 規範原文未讀到：modbus.org 兩份 PDF（應用協定、serial line）抓取失敗。本卡數字來自 Wikipedia、umodbus 文件與一家二手知識庫（後者是同一來源的多篇文章，不算多個獨立來源）。
關鍵數字與計算¶
一、尺寸上限怎麼來的。 PDU 上限 253 位元組（Wikipedia）。FC03 回應 = 功能碼 1 + 位元組數 1 + 2n，n=125 → 252 ≤ 253；n=126 → 254，超過。FC16 請求 = 1+2+2+1+2n，n=123 → 252；n=124 → 254。RTU ADU = 位址 1 + PDU 252 + CRC 2 = 255 ≤ 256；TCP ADU = MBAP 7 + 252 = 259 ≤ 260。125 與 123 不是隨意的數字，是 253 的推論。
二、一條 RS-485 的輪詢預算。 每個字元 11 位元（1 起始＋8 資料＋1 同位＋1 停止）。讀 n 個暫存器：請求 8 位元組、回應 5+2n 位元組，加上前後各一個 3.5 字元靜默：
t(n, baud) = (8 + 5 + 2n + 2×3.5) × 11 / baud
- 9600 baud、n=10：(8+25+7)=40 字元 ×11/9600 = 45.83 ms；30 台 = 1375 ms。若需求間隔 1 s，超標；最多容納 ⌊1000/45.83⌋ = 21 台。
- 19200 baud：22.92 ms，30 台 = 687.5 ms，最多 43 台。
- 同一台 10 個暫存器改成 10 次單暫存器讀取：10 × (8+7+7=22 字元) → 252.1 ms，是一次批次讀取的 5.5 倍。
- 這是下限：未含從站回應延遲、重試與閘道延遲（單一來源給 5–50 ms）。
三、位址換算。 Modicon 慣例「40013」＝保持暫存器第 13 號（1 起算），線上 PDU 位址 = 13−1 = 12（0x000C）；「30001」→ 0。前綴 4/3 只說明是哪張表，不上線。直接把 13 當 PDU 位址送出，在表的中段不會報錯，只會回傳隔壁暫存器的值（我的推論；來源說錯誤形式「通常」得到例外 02，那只發生在表尾或未實作處）。
四、字序與型別。 50.0 Hz 的 IEEE 754 為 0x42480000。ABCD 序：暫存器 [0x4248, 0x0000]；CDAB 序（低字先）：[0x0000, 0x4248]。拿 CDAB 的資料當 ABCD 解碼 → 0x00004248 = 2.38×10⁻⁴¹（看起來像「頻率 0」，而且是一個成功的回應）。整數例：[0x0001, 0xE240] = 123456，÷1000 = 123.456 A；[0xFFFF, 0xFFFE] 是 int32 的 −2、uint32 的 4294967294——有號與否也在表外。
常見誤解¶
以為暫存器「40013」就是線上位址 40013，但實際上線上是 0 起算的 16 位元位置 12，前綴只是表的分類：四位、五位、六位寫法（4013、40013、400013）送出的位元組都是 00 0C；最危險的是 off-by-one 在表中段不報錯，只讀到鄰居。
以為讀得回數字就是讀對了，但實際上 Modbus 回的只是 16 位元原始值，型別、字序、scale、單位全在協定外：字序錯得到 10⁻⁴¹ 或 10³⁸，scale 套兩次差 10 或 100 倍，這些全都是「成功的回應」。唯一的防線是表本身有版本、有欄位、有驗收。
以為輪詢越快資料越新，但實際上總線時間是共享資源，且一個輪詢週期內各設備不是同一時刻的量測：30 台、9600 baud 的一輪 1375 ms，第 1 台與第 30 台的值差 1.4 秒；把它們加總（如總電力、PUE）混了不同時刻。Modbus 沒有時間戳，時間戳是輪詢者讀到時打的。
對資料模型的意涵¶
- 暫存器表是有版本的獨立實體，不是設備上的欄位。
RegisterMap{id, model, firmware_range, version}；RegisterDef{name, table, fc, pdu_addr, doc_addr, doc_basis, count, dtype, word_order, scale, offset, unit, access}。以pdu_addr為正本，doc_addr與doc_basis（modicon5/modicon6/one/zero）留作稽核——這樣廠商手冊與線上抓包永遠對得起來。Asset.register_map_id為空即「看得見設備、看不懂它」。 count ≥ 2時word_order不得為空——又一個「模式欄位改變基數」（同 dc-14 的wiring之於Outlet.legs）。字序預設值是 bug 來源，不是便利。- Endpoint 與 Bus 是資源，不是標籤。
Endpoint{transport: rtu|tcp, bus_id|host:port, unit_id, baud, bits_per_char}；unit_id在同一條 bus 內唯一，經閘道時是下游 RTU 位址（直連 TCP 常為 0xFF）。Bus.cycle_ms是派生值（各端點t(n,baud)之和）；Point.interval_s的有效值是max(設定值, cycle_ms)，這直接約束 dc-38 的interval_s ≤ min_duration_s / 2——你想要的取樣率可能物理上做不到。 - 時間基準沿用 dc-39：Modbus Point 的
time_basis = poll，不確定度 = 該 bus 的cycle_ms，clock_id指向輪詢者的時鐘。跨設備加總要帶skew_ms，否則 PUE 一類的比值在負載變動時帶著看不見的誤差。 - 讀取結果是四態，不是值：
OK / EXCEPTION(code) / TIMEOUT / CRC_ERROR。EXCEPTION 02全面出現＝表版本不符（設備活著）；TIMEOUT＝聯絡不上。dc-38 的POINT_STALE不能把兩者混為一談。 - 第十一個「缺東西」告警：
ASSET_NO_REGISTER_MAP（資產宣稱走 Modbus 卻沒有表），配對WORD_ORDER_UNDECLARED（雙暫存器型別缺字序）與POLL_BUDGET_EXCEEDED（bus 週期超過需求間隔）。接在 dc-40 的三集合差集之後。
該問 facility 的問題¶
- 每條 RS-485 掛幾台、鮑率與同位設定（8N1／8E1／8N2）各是多少？有沒有 TCP↔RTU 閘道，unit ID 對照表在誰手上？
- 每種設備的暫存器表（含韌體版本）從哪裡取得？換韌體時有沒有人驗過位址沒動？
- EPMS、BMS、DCIM 是否各自輪詢同一台電錶？該電錶同時最多接受幾條 TCP 連線？
動手練習（35 分鐘）¶
目標：寫 modbus.py（標準庫即可），實作框、位址、字序解碼、總線時間預算，以及第十一個「缺東西」告警。接在 dc-40 的 dcim.py 後面：沿用 (code, subject) 元組，check_maps 的輸出可以直接 append 到同一個 findings；modbus_assets 就取 dcim.reconcile 裡的已登記資產子集。
# modbus.py（約 60 行；骨架）
def crc16(b: bytes) -> int # init 0xFFFF，多項式 0xA001（反射）
def rtu_frame(unit, pdu) -> bytes # unit + pdu + CRC（低位元組在前）
def mbap_frame(tid, unit, pdu) -> bytes # >HHHB：tid, 0, len(pdu)+1, unit
LIMITS = {1: 2000, 2: 2000, 3: 125, 4: 125}
def read_pdu(fc, addr, qty) # qty 不在 1..LIMITS[fc] -> ValueError
def pdu_addr(doc, basis) # modicon5: doc%10000-1；modicon6: doc%100000-1；one: doc-1；zero: doc
def decode32(regs, order, kind="f") # order: ABCD/CDAB/BADC/DCBA；kind: f/i/u
def txn_ms(n_regs, baud, bits=11, turn_ms=0.0) # (8+5+2n+7)*bits/baud*1000 + turn
def max_slaves(baud, n_regs, interval_ms) # 取整數
def check_bus(buses, interval_ms) # buses={name:(baud,[各端點 n_regs])}；週期 > interval -> POLL_BUDGET_EXCEEDED
@dataclass Reg: name, addr, count, dtype, order=None
def check_maps(modbus_assets, maps) # maps={asset:[Reg]}；空/缺 -> ASSET_NO_REGISTER_MAP；count==2 且 order None -> WORD_ORDER_UNDECLARED("asset.name")
測試資料：buses = {"BUS-1": (9600, [10]*30), "BUS-2": (19200, [10]*30), "BUS-3": (9600, [125])}；maps = {"PM-1": [Reg("freq",3109,2,"f","CDAB"), Reg("kw",3000,2,"f",None)], "PM-2": [Reg("v",0,1,"u")], "UPS-A": [Reg("load",5,2,"i")], "PM-3": []}；modbus_assets = {PM-1, PM-2, PM-3, UPS-A, PDU-A}。
驗收表¶
| # | 輸入 | 期望輸出 |
|---|---|---|
| 1 | rtu_frame(0x11, bytes.fromhex("0100130025")).hex() |
1101001300250e84（CRC 低位元組在前＝0E 84） |
| 2 | rtu_frame(0x11, bytes.fromhex("03006B0003")).hex() |
1103006b00037687 |
| 3 | mbap_frame(1, 0xFF, read_pdu(3, 0, 6)).hex() |
000100000006ff0300000006 |
| 4 | pdu_addr(40013,"modicon5")；(400013,"modicon6")；(13,"one")；(12,"zero")；(30001,"modicon5") |
皆 12；最後一個 0 |
| 5 | read_pdu(3,0,125)；(3,0,126)；(3,0,0)；(1,0,2000)；(1,0,2001) |
成功；ValueError；ValueError；成功；ValueError |
| 6 | decode32([0x4248,0],"ABCD")；decode32([0,0x4248],"CDAB") |
皆 50.0 |
| 7 | decode32([0,0x4248],"ABCD")（字序用錯） |
2.38e-41（不報錯，這就是重點） |
| 8 | decode32([0x0001,0xE240],"ABCD","i")/1000 |
123.456 |
| 9 | decode32([0xFFFF,0xFFFE],"ABCD","i")；"u" |
−2；4294967294 |
| 10 | decode32([0x4842,0],"BADC")；decode32([0,0x4842],"DCBA") |
皆 50.0 |
| 11 | txn_ms(10,9600)；txn_ms(10,19200)；txn_ms(125,9600) |
45.83；22.92；309.4 |
| 12 | 10*txn_ms(1,9600)（十次單讀） |
252.1（一次批次讀的 5.5 倍） |
| 13 | max_slaves(9600,10,1000)；(19200,10,1000) |
21；43 |
| 14 | check_bus(buses,1000) |
[("POLL_BUDGET_EXCEEDED","BUS-1")] |
| 15 | check_bus(buses,300) |
三條皆超標 |
| 16 | check_maps(modbus_assets, maps) |
[("ASSET_NO_REGISTER_MAP","PDU-A"), ("ASSET_NO_REGISTER_MAP","PM-3"), ("WORD_ORDER_UNDECLARED","PM-1.kw"), ("WORD_ORDER_UNDECLARED","UPS-A.load")] |
加分題：（一）pip install pymodbus 起 TCP server，把 [0, 0x4248] 放在位址 3109，client 讀回後丟給 decode32（API 先看 help()，別照舊範例抄）。（二）給 Bus 加 bits_per_char，用 10 位元重算 19200 baud 的框間時間（1.823 vs 2.005 ms），問：對 43 台的上限有影響嗎？
自我檢核¶
Q1. 設備手冊寫「保持暫存器 40109，雙暫存器 IEEE 浮點」。你的 RegisterDef 至少要存哪些欄位，才能讓另一個人不看手冊也讀對？這會讓資料模型長出什麼欄位？
答案
pdu_addr（= 108）、doc_addr=40109 與 doc_basis=modicon5、fc（03）、count=2、dtype=f32、word_order（ABCD／CDAB…，不得為空）、scale/offset、unit，再加指向 RegisterMap.version 的外鍵。缺字序就是 WORD_ORDER_UNDECLARED；缺整張表就是 ASSET_NO_REGISTER_MAP。
Q2. 一條 9600 baud 的 RS-485 要在 1 秒內輪詢完，每台讀 10 個暫存器，22 台可以嗎？換成 19200 呢？
答案
9600：22 × 45.83 = 1008.3 ms > 1000，不行（上限 21 台）。19200：22 × 22.92 = 504.2 ms，可以（上限 43 台）。這仍是下限。
Q3. EPMS 對某台電錶所有讀取突然都回例外 02，而同一條 bus 上其他電錶正常。是設備掛了嗎？你的資料模型該怎麼反映？
答案
不是。例外回應代表設備活著且在回應，02 是「位址未實作」，最常見原因是韌體升級後暫存器表版本不符。讀取結果應記成 EXCEPTION(02) 而非 TIMEOUT，告警應是「表版本不符」而非「設備離線」，並要求 Asset.register_map_id 的 firmware_range 與設備回報的韌體相符。
下一張：dc-42 BACnet 物件模型