Na co je třeba dávat pozor při vytváření sítě Modbus RTU?
Co je to komunikace Modbus RTU (RS485)?
Modbus RTU je otevřený sériový protokol odvozený z architektury master/slave (nyní klient/server), kterou původně vyvinula společnost Modicon (nyní Schneider Electric). Jedná se o široce rozšířený protokol na sériové úrovni díky jeho snadnému použití a spolehlivosti. Modbus RTU se široce používá v systémech řízení budov (BMS) a průmyslových automatizačních systémech (IAS). Zprávy Modbus RTU mají jednoduchou 16bitovou strukturu s cyklicky redundantním kontrolním součtem. Jednoduchost těchto zpráv zajišťuje spolehlivost. Díky této jednoduchosti lze základní 16bitovou strukturu registrů Modbus RTU použít pro vkládání dat s plovoucí desetinnou čárkou, tabulek, textu ASCII, front a dalších nesouvisejících dat. Tento protokol používá ke komunikaci především sériové rozhraní RS-232 nebo RS-485 a je podporován všemi komerčními programy SCADA, HMI, OPC server a programy pro sběr dat na trhu. Díky tomu je velmi snadné integrovat zařízení kompatibilní s protokolem Modbus do nových nebo stávajících monitorovacích a řídicích aplikací.
RS485 je protokol podobný RS232, který se používá k realizaci sériové datové komunikace. Oba protokoly používají k přenosu dat různé elektrické signály. Jedním z důvodů, proč se rozhraní RS485 používá v průmyslovém prostředí, je jeho schopnost obsluhovat několik zařízení připojených ke stejné sběrnici. Díky tomu není nutné mít při dotazování více zařízení k dispozici několik rozhraní. Toho lze dosáhnout pomocí terminátoru sběrnice, přesunutím přepínače nebo pomocí malého odporu našroubovaného na svorku. Je třeba dbát na to, aby bylo použito správné rozhraní, protože protokoly RS485 a RS232 nejsou zcela kompatibilní. Mezi rozhraními RS232 a RS485 lze zkonstruovat bránu, ale obvykle se setkáte s připojením protokolu RS485 přímo k portům USB nebo Ethernet. Tento levnější přístup odstraňuje požadavek na použití jakýchkoli dalších komponent.
Zařízení využívající porty RS485 obvykle používají protokol Modbus a zajišťují poloduplexní přenos na vyvážené lince na vzdálenost až 1 200 m. Poloduplexní systém se skládá z jednoho nebo více vysílačů a přijímačů, přičemž v daném okamžiku může být aktivní pouze jeden vysílač. Komunikace probíhá tak, že vysílač zadá požadavek směrovaný na konkrétní přijímač. Vysílač pak čeká po předem stanovenou dobu na odpověď nebo rozhodne, že od přijímače nepřijde žádná odpověď.
Síť RS485 je založena na principu master/slave. Master plní roli vysílače a zadává požadavky určenému slave, který funguje jako přijímač. Master čeká na odpověď, a pokud ji neobdrží v příslušném časovém rámci, komunikaci ukončí. V síti Modbus RS485 začíná komunikace, když zařízení master vyšle dotaz připojenému zařízení slave. Zařízení slave tráví čas sledováním sítě, zda nejsou dotazy adresovány právě jemu. Po přijetí dotazu buď provede nějakou akci, nebo odpoví odpovědí zařízení master. Dotazy iniciuje pouze hlavní zařízení.
Protokol Modbus dává nadřízenému zařízení možnost volby, zda bude zprávy adresovat konkrétním podřízeným zařízením, nebo zda bude komunikovat se všemi podřízenými zařízeními současně. K tomu slouží speciální adresa "Broadcast". Některé produkty, jako například produkty od společností Integra a SPR, použití této broadcastové adresy nepodporují. Operace čtení a zápisu jsou zasílány prostřednictvím zpráv Modbus pomocí cívek. Cívka se skládá z 16bitových slov a binárních registrů. Podřízená jednotka může pouze reagovat na přijatou zprávu a nikdy neiniciuje komunikaci s nadřízenou jednotkou.
Každému podřízenému zařízení připojenému paralelně ke sběrnici RS485 je přiřazeno jedinečné ID podřízeného zařízení Modbus. Veškerá komunikace Modbus začíná odesláním ID podřízeného zařízení, které buď upozorní podřízené zařízení na přijetí dotazu, nebo informuje master, které zařízení poskytlo odpověď. Stejným způsobem, jakým funguje připojení RS232, je třeba správně nakonfigurovat zařízení slave a master. Parametry, jako je rychlost a parita, musí být synchronizovány v celé síti.
Formát zpráv používaný při komunikaci Modbus mezi zařízeními master a slave je definován v protokolu:
- Dotaz Modbus se skládá z adresy zařízení (nebo vysílání), kódu funkce, který definuje požadovanou akci, dat vrácených s požadavkem a pole pro kontrolu chyb.
- Odpověď Modbusu se skládá z polí, která ověřují, zda byla provedena požadovaná akce, z dat zaslaných s odpovědí a z pole pro kontrolu chyb. Podřízené zařízení vytvoří jako odpověď chybovou zprávu, pokud není schopno splnit požadavek nebo pokud příjem zprávy ovlivnily chyby.
Režim Modbus RTU (Remote Terminal Unit) přenáší zprávy v jiném formátu. Zde 8bitová zpráva obsahuje dva 4bitové hexadecimální znaky. Data používající tento režim přenosu je nutné posílat v souvislém proudu a umožňuje lepší propustnost při srovnatelné přenosové rychlosti než režim ASCII.
Modbus Network Bus Terminator neboli NBT
Většina používaných komunikačních sběrnic je specifikována s ohledem na terminátor síťové sběrnice (NBT) nebo také nazývaný End of Line (EoL). Jedná se o zakončovací odpor linky, který se používá pro komunikační kabel RS485/Modbus RTU. Odraz v přenosovém vedení je výsledkem impedanční nespojitosti, kterou vidí šířící se vlna při svém šíření po vedení. Aby se minimalizovaly odrazy od konce síťového kabelu, je nutné umístit zakončení vedení v blízkosti každého ze 2 konců sběrnice. NBT by měl být instalován u posledního zařízení na smyčce. Některá zařízení Sentera poskytují interní propojku NBT, nejnovější konstrukce nabízejí udržovací registr Modbus (HR 9), kde lze nastavit nebo nenastavit NBT pro aktivaci ukončení síťové linky. V případě, že propojka NBT nebo ovládací registr nejsou na zařízení k dispozici, měl by být mezi diferenciální pár umístěn 120Ω 1/2 W rezistor.
Terminátory sběrnice nejsou vždy nutné
V terénu nejsou tyto terminátory vždy přítomny, zejména u krátkých tras. Potřebujeme je? Existuje analogie, která ilustruje, proč potřebujeme koncové svorky vedení: sběrnice se chová jako lano držené mezi dvěma lidmi. Když chce jedna osoba mluvit, šlehá impulsy po laně směrem ke svému partnerovi. Druhá osoba tyto impulzy cítí a zjišťuje, co zpráva znamená. Tyto impulzy však nezmizí, ale odrazí se zpět k osobě, která je po laně šlehla. Budou se odrážet tam a zpět, pokaždé o něco slabší, jak je ztráty požírají. Tyto odrazy matou oba lidi, kteří ztrácejí čas tím, že se snaží tuto falešnou zprávu znovu a znovu dekódovat. Sběrnice ukončená na obou koncích je jako lano upevněné na obou stranách pružinami. Když impulsy dorazí na konec, osoba, která se tam nachází, je ucítí a pak jsou impulsy pohlceny pružinami. Pokud jsou pružiny vhodně dimenzovány, budou impulzy "plně tlumeny" a nedojde k žádnému zpětnému odrazu.
Vzhledem k tomu, že obvykle používáme RS-485, je zakončení na konci vedení zvoleno na základě něčeho, čemu se říká charakteristická impedance použitého kabelu. Tuto hodnotu výrobce vyrazí na krabici, ve které je kabel dodáván, takže to není žádné tajemství. Obvykle se používá něco kolem 108-120 ohmů. Nemusíte použít přesně tuto hodnotu, ale snažte se jí přiblížit a nepoužívejte rezistory, které jsou mnohem menší!
Potřebujete vždy zakončení na konci vedení? Ne tak docela. Záleží na dvou věcech: rychlosti komunikace (přenosové rychlosti) a délce sběrnice. Čím nižší je přenosová rychlost, tím méně záleží na odrazu. Čím větší je vzdálenost, tím více bude záležet na odrazu. Vysokorychlostní sběrnice jsou mnohem citlivější, protože vše se odehrává v mnohem nižším časovém měřítku. Jeden bit přenesený rychlostí 38400 bps trvá pouze 26 mikrosekund. U rychlosti 9600 bps je to 104 mikrosekundy. Napěťová špička na nesprávném místě, která trvá v délce jednoho bitu, může způsobit chybu v komunikaci. Delší sběrnice jsou na odrazy citlivější, protože případné odrazy mají tendenci se rozptýlit po několika cestách po sběrnici tam a zpět. U delší sběrnice trvá toto rozptýlení déle. Pokud je dostatečně dlouhá, mohou řadiče posílat nové zprávy na sběrnici, zatímco starší odrazy stále ještě odskakují.
Pokyny pro zapojení sítě Modbus
Síť Modbus RS485 RTU spojuje hlavní zařízení s jedním nebo více podřízenými zařízeními. Od této chvíle budeme za podřízená zařízení považovat měřicí přístroje se sériovou komunikací, i když kabeláž je u všech zařízení Modbus podobná. Devět hlavních pravidel, která je třeba dodržovat při kabeláži tohoto typu sítě:
1. Připojovací port
Každý přístroj má komunikační port se dvěma signály, které se označují jako A a /B. Tyto dva signály propojují komunikační kabel tak, aby všechna zařízení, která se účastní komunikace, byla zapojena paralelně. Všechny svorky "A" musí být propojeny dohromady a všechny svorky "/B" musí být propojeny dohromady ve stejném pořadí. Aby se předešlo chybám při připojení mnoha zařízení, měly by se pro připojení svorek A použít kabely stejné barvy a pro všechna připojení ke svorkám /B různých zařízení kabely stejné barvy (např. modrý(/zeleno-bílý) pro A a zelený(/modro-bílý) pro /B). Poznámka: Převrácení připojení "A" a "/B" zařízení nejen znemožňuje komunikaci, ale může také zastavit činnost celého komunikačního systému v důsledku nesprávného stejnosměrného (polarizačního) napětí zjištěného na připojeních nesprávně připojeného zařízení. To usnadňuje identifikaci chyb v kabeláži.
2. Propojení mezi zařízeními
Na rozdíl od toho, co se děje v mnoha energetických distribučních systémech, je důležitý způsob paralelního zapojení zařízení. Systém RS485 používaný pro komunikaci Modbus poskytuje hlavní kabel (sběrnici nebo páteř), ke kterému musí být všechna zařízení připojena co nejkratšími odbočkami. Poznámka: celková délka nesmí být delší než 1200 m! Delší síťové komunikační vedení by mohlo způsobovat odrazy signálu a generovat rušení a následné chyby v příjmu dat.
3. Maximální vzdálenost a maximální počet zařízení
Hlavní kabel nesmí být delší než 700 m! Do této vzdálenosti se nezapočítávají odbočky (které však musí být krátké). Maximální počet zařízení, která mohou být připojena k hlavnímu kabelu, je 247, včetně hlavního kabelu. Poznámka: Při kabeláži mějte na paměti maximální odběr proudu a počet zařízení, pokud se používá PoM (Power over Modbus). Vždy se seznamte s informacemi v technickém listu výrobků používaných uvnitř sítě.
4. Použití opakovačů
Pro zvětšení rozsahu sítě Modbus lze použít opakovače se zařízeními pro zesilování a regeneraci signálu, která jsou vybavena dvěma komunikačními porty, které do každého z nich přenášejí to, co přijímají od druhého. Pomocí opakovače se hlavní kabel rozdělí na různé segmenty a připojí se 32 zařízení (tento počet zahrnuje i opakovače). Maximální počet opakovačů, které by měly být sériově zapojeny, je 3. Vyšší počet vnáší do komunikačního systému nadměrné zpoždění.
5. Typ kabelu, který se má použít
Kabel, který má být použit, je stíněná kroucená dvojlinka, jako je kabel UTP cat 5e nebo cat6, ale lze použít různé typy kabelů s rovnocennými vlastnostmi. Dvojlinka se skládá ze dvou vodičů, které jsou vzájemně zkroucené. Stínění může být opletené (může být tvořeno sítí tenkých vodivých drátků) nebo může být fóliové (tvořené plechem navinutým kolem vodičů). Poznámka: Toto uspořádání zlepšuje odolnost proti elektromagnetickému rušení, protože kabel tvoří řadu po sobě jdoucích cívek, z nichž každá směřuje v opačném směru než následující. Tímto způsobem jakékoliv magnetické pole okolí prochází každou dvojicí cívek v opačném směru a jeho účinek se tak velmi snižuje (teoreticky je účinek na každou cívku přesně opačný než účinek na následující, čímž se účinek ruší).
6. Spojovací zařízení
V některých zemích je povoleno zasunutí dvou kabelů do stejné šroubové svorky. V tomto případě je možné připojit hlavní přívodní a výstupní svorku přímo ke svorkám výrobku bez vytvoření odbočky. Pokud naopak každá svorka může přijmout pouze jeden kabel, musí být vytvořena řádná větev pomocí tří pomocných svorek pro každý připojovaný článek. Správný typ adaptéru (jako je ADPT-3RJ-TB) konzultujte s našimi obchodními zástupci. V případě připojení zařízení se stíněnou kroucenou dvojlinkou a konektory RJ45 není takový problém.
7. Uzemnění stínění
Stínění kabelu musí být uzemněno pouze v jednom bodě. Obvykle se toto připojení provádí na jednom konci hlavního kabelu.
8. Ukončovací odpor síťové sběrnice
Aby nedocházelo k odrazům signálu, musí být na každém konci hlavního kabelu namontován ukončovací odpor 120 Ohmů. Koncový odpor se musí použít pouze na koncích hlavního kabelu. Pokud je celková délka hlavního kabelu menší než 50 m, lze se koncovým odporům na koncích hlavního kabelu vyhnout.
9. Připojení k PC nebo SenteraWeb
Pokud je použitým nadřazeným počítačem osobní počítač nebo pokud je třeba před uvedením do provozu ověřit síťovou kabeláž, poskytuje připojení ke sběrnici pro kontrolu správného zapojení a funkčnosti převodník USB na sériovou sběrnici RS485 (CNVT-USB-RS485-V2). V případě potřeby připojení k internetu lze do sítě Modbus RTU vložit článek Internet Gateway jako komunikační most pro připojení k SenteraWeb. Tato možnost poskytuje naprostou svobodu připojení k instalovaným zařízením z libovolného místa. Správné kódy jednotlivých výrobků konzultujte přímo s naším obchodním oddělením.