Modbus 的讀取最佳化：如何提升通訊效率

在工業自動化中，Modbus 協議是一種廣泛使用的通訊方式，能夠實現控制器與傳感器之間的數據交換。然而，當需要讀取大量資料時，通訊效率成為一個關鍵問題。本文將探討如何利用 Modbus 的機制，實現讀取效率的最佳化。

為什麼需要最佳化讀取？

在讀取 Modbus 資料時，通常的做法是逐筆讀取每一個位址的數據。然而，每次讀取都需要發送完整的通訊幀，包括站號、位址、功能碼和 CRC 校驗碼。當需要讀取多筆資料時，這種逐筆讀取的方法會顯著增加通訊時間，降低系統效率。

最佳化讀取的關鍵：批量讀取

Modbus 規範中允許一次性讀取多筆資料，最大支持 128 BYTE 的數據傳輸。如果能將位址的讀取範圍設置得更長，減少通訊幀的發送次數，便能大幅提升讀取效率。例如，將多個連續的位址一次性讀取，而不是分多次進行，這樣不僅減少了通訊幀的開銷，還能縮短讀取所需的總時間。

實際場景中的挑戰

在使用 HMI（人機界面）讀取 Modbus 資料時，如果通訊速度不足且需要讀取的資料量較大，就可能出現「掃描更新慢」的問題。這種情況在 10 多年前使用 RS-232 或 RS-485 的舊系統中尤為常見。如今，隨著工業 4.0 的發展，各種感測器被廣泛應用，這一問題再次浮現。

應對方案

為了解決這一問題，可以採取以下幾種對策：

• 資料映射功能：檢查感測器是否支持資料映射功能，將需要讀取的關鍵資料集中到一個位址範圍內。這樣，上位機在讀取時只需一次性訪問這個範圍即可，避免了多次讀取的時間浪費。
• 上位機批量讀取：在設計上位機通訊時，應儘量採用批量讀取方式，而不是逐筆讀取。透過優化通訊協議的應用層邏輯，可以有效提高整體通訊效率。

結論

Modbus 的讀取最佳化不僅能提升系統的通訊效率，還能改善使用者的體驗。無論是在傳統的 RS-232/RS-485 環境中，還是在現代的工業 4.0 應用中，通過利用批量讀取和資料映射等技巧，能夠顯著提升系統性能。如果您的系統正在面臨通訊效率的挑戰，現在就是實施這些最佳化策略的好時機。

從類比的麻煩到量子的難題：超類比世界真的不好搞

 在上一篇文章，我們用「超類比」的想法來比喻量子位元，讓熟悉PLC和工控的你，多少能對量子這個抽象概念有點感覺。

可是，別光看「超類比」這詞兒就覺得很厲害，事實上，這背後的工程挑戰可比你在工廠現場面對的類比訊號問題還要「爆炸級」困難。

今天，我們就從類比訊號的難搞程度出發，來看看量子世界要面臨的超級考驗。

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類比訊號已經夠麻煩了，對吧？

做自動化控制的夥伴都很清楚，類比訊號雖然靈活，卻總有一堆煩人的問題：

1. 精度不容易：
   想要量得很準，就得花大錢買更好的感測器、更厲害的儀器。

2. 雜訊一堆：
   各種電磁干擾、熱噪聲，都會把你的電壓值搞得亂七八糟。你得想盡辦法接地、屏蔽、過濾，才能有稍微穩定的輸入。

3. 校正很煩：
   溫度變化、感測器老化、線路誤差，一不小心就得重新校正，調整完東一個參數又跑出西一個問題。

即使如此，我們對類比訊號還算是能找到一些對策，總有辦法把整個系統調校到可以用的程度。

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換成量子狀態後，難度直接升級

現在把想像升級一下：量子位元的世界可不只是簡單的電壓上下飄，而是所謂的「超類比」狀態——不只幅度，還有複雜的相位變化。問題來了，量子狀態比類比訊號還脆弱一百倍：

1. 稍有風吹草動就「退相干」：
   在量子世界，任何微小的外界干擾都可能讓原本穩定的量子態瞬間「崩壞」，變得一無是處。換成類比訊號，最多是偏個0.1伏特，對量子而言，卻是整個計算結果全毀。

2. 量子誤差更正超複雜：
   面對雜訊，我們在類比系統中加個濾波器、調個增益就好。可量子誤差更正要搞一整套複雜的編碼，有時甚至要好幾個量子位元來保護一個訊息位元。這就好比你的溫度感測器壞一個需要放十個備份，一點也不簡單。

3. 無法隨便複製訊號：
   類比訊號可分路給好幾台設備測量、記錄。但量子態是「獨一無二」，不能複製。想監控狀態，等於同時破壞它。要精準控制，卻不能直接「複製樣本」比較，超級尷尬！

4. 苛刻環境要求：
   對付類比訊號，我們需要過濾器和良好接地。對付量子？你可能需要把整套系統冷卻到接近絕對零度，或者把離子懸浮在超高真空裡，然後還要用雷射精準控制。這不是多花點錢就能搞定，而是工藝與科學技術的極限挑戰。

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結論：量子就像類比的地獄模式

如果你覺得類比訊號已經很煩心，量子系統就是「地獄難度加倍版」。一樣有雜訊問題，但比以前還敏感上萬倍；一樣需要校正，但過程更複雜、更高成本、失敗風險更大。

不過，這也是為什麼量子計算引人注目。因為它承諾的好處是可以在某些應用上帶來超級強大的運算能力。就像你願意在類比訊號上多花點功夫，因為它能提供細緻的控制；未來，我們也願意投入心血攻克量子技術的難關，只因它可能為人類帶來更偉大的成果。

所以，下次你聽到「量子計算」很厲害的時候，別忘了它背後是多麼驚人的工程挑戰。想像一下，把你處理類比訊號所有的經驗難度一口氣提升一千倍，那就是現在的量子世界正在面對的狀況。

量子是什麼?從電控工程師的思維來看量子計算

 在傳統工廠自動化控制中，電控工程師經常處理兩種基本訊號：

        1.        數位訊號(Digital Input/Output, D/I與D/O)：

例如光電感測器偵測到物體時，輸入為「1」，沒偵測到則為「0」。PLC的邏輯程式透過基本的開關量變化來決定輸出繼電器是否激活，這很像我們常見的二進位電腦位元(bit)概念。

        2.        類比訊號(Analog Input/Output, A/I與A/O)：

例如溫度感測器輸出010V的電壓，對應到0100度C的溫度範圍。這是一個連續值範疇，不再只是0或1，而是0與10V之間任意可能的數值。

當我們了解了數位與類比訊號，再來看「量子計算」時，或許能更直觀地理解量子位元(qubit)的概念。

從數位到「超類比」：量子位元的疊加態

傳統二進位僅有0或1這兩個離散狀態，就像數位輸入的開或關。而量子位元可同時以一定比例「存在於0和1」之間，這種現象稱為「疊加(superposition)」。

要比喻的話，我們可以想像：

        •        數位位元是電壓只有0V(low)或24V(high)兩種狀態，二擇一明確。

        •        一般類比訊號是0~10V間任意值，但它本質上只是一條線性尺度上的一點。

        •        量子位元的狀態則更像在一個「二維球面」上，有一個點能同時包含「對應0」及「對應1」的某些成分。這不僅是單純一個數值，而是包含「振幅」與「相位」，兩個維度的資訊。

白話文：數位1條線，只能0跟1的狀態，而類比是1條線0-10v，可以依解析度有1024或更高的可能性(依解析位元)，而量子可以是兩個類比的信號，同時存在，所以有比類比更高的解析。

這意味著量子位元的狀態在測量前，並非固定為0或1，而是處於一種「可同時代表多種可能性」的狀態，就好像類比訊號不只是一條線上的值，而是能在一個球面上移動的位置。

由疊加態到測量結果：最終仍是0或1

雖然量子位元在運算過程中可以同時有「0的成分」和「1的成分」，但當你真正「測量」它時，結果仍會只顯示為0或1兩種離散值。這點與類比訊號不同：你不會量測到一個「0與10V的同時值」，類比訊號本身就是真實的連續量值；而量子位元則是因為量測行為本身會使疊加態「塌縮(Collapse)」，從多重可能狀態中瞬間鎖定為單一答案。

換句話說，量子計算的強大之處並非讓你最後看到「所有狀態同時的值」，而在於運用這種「疊加」來在計算過程中並行探索多條路徑，並透過特定流程增加正確答案出現的機率，最後在你測量時提高讀到正確結果的機率。

結語：從電控觀點理解量子

對電控工程師來說，量子世界似乎很抽象，但透過PLC的類比、數位概念，我們有了下列對應：

        1.        數位訊號對應二進位位元——離散明確。

        2.        類比訊號代表連續量值——無限多中間值。

        3.        量子位元在計算中像擁有「更高維度的類比」特質，可同時具備0和1的疊加——但最終結果仍必須用「離散」的0或1呈現。

透過這種比喻，我們或許能更直觀地理解量子計算的基本概念：就像擁有一種介於數位和「超類比」之間的奇妙信號，在特定計算情境下能帶來指數級的處理效益。