Was muss ich beim Aufbau eines Modbus RTU Netzwerks beachten?
Was (RS485) ist Modbus RTU Kommunikation?
Modbus RTU ist ein offenes serielles Protokoll, das von der Master/Slave-Architektur (jetzt Client/Server) abgeleitet ist, die ursprünglich von Modicon (jetzt Schneider Electric) entwickelt wurde. Es ist ein weithin akzeptiertes Protokoll auf serieller Ebene aufgrund seiner Benutzerfreundlichkeit und Zuverlässigkeit. Modbus RTU wird häufig in Gebäudemanagementsystemen (BMS) und industriellen Automatisierungssystemen (IAS) eingesetzt. Die Modbus RTU-Nachrichten bestehen aus einer einfachen 16-Bit-Struktur mit einer zyklisch redundanten Prüfsumme (Cyclic-Redundant Checksum). Die Einfachheit dieser Nachrichten gewährleistet Zuverlässigkeit. Aufgrund dieser Einfachheit kann die grundlegende 16-Bit-Registerstruktur von Modbus RTU verwendet werden, um Fließkommazahlen, Tabellen, ASCII-Text, Warteschlangen und andere nicht verwandte Daten einzubinden. Dieses Protokoll verwendet in erster Linie eine serielle RS-232- oder RS-485-Schnittstelle für die Kommunikation und wird von allen kommerziellen SCADA-, HMI-, OPC-Server- und Datenerfassungsprogrammen auf dem Markt unterstützt. Dies macht es sehr einfach, Modbus-kompatible Geräte in neue oder bestehende Überwachungs- und Steuerungsanwendungen zu integrieren.
RS485 ist ein der RS232 ähnliches Protokoll, das für die serielle Datenkommunikation verwendet wird. Die beiden Protokolle verwenden unterschiedliche elektrische Signale, um die Datenübertragung zu ermöglichen. Einer der Gründe, warum die RS485-Schnittstelle in der Industrie eingesetzt wird, ist ihre Fähigkeit, mehrere an denselben Bus angeschlossene Geräte zu bedienen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, mehrere Schnittstellen zur Verfügung zu haben, wenn mehrere Geräte abgefragt werden. Dies kann durch einen Busabschluss, einen Schalter oder einen kleinen, auf eine Klemme geschraubten Widerstand erreicht werden. Es muss darauf geachtet werden, dass die richtige Schnittstelle verwendet wird, da die Protokolle RS485 und RS232 nicht vollständig kompatibel sind. Sie können ein Gateway zwischen RS232- und RS485-Schnittstellen einrichten, aber normalerweise wird das RS485-Protokoll direkt an USB- oder Ethernet-Ports angeschlossen. Dieser kostengünstigere Ansatz macht die Verwendung zusätzlicher Komponenten überflüssig.
Geräte mit RS485 Anschlüssen verwenden in der Regel das Modbus Protokoll und bieten eine Halbduplex Übertragung auf einer symmetrischen Leitung über Entfernungen von bis zu 1200 m. Ein Halbduplex-System besteht aus einem oder mehreren Sendern und Empfängern, wobei jeweils nur ein Sender aktiv sein kann. Die Kommunikation erfolgt, indem ein Sender eine an einen bestimmten Empfänger gerichtete Anfrage stellt. Der Sender wartet dann eine bestimmte Zeit auf eine Antwort oder entscheidet, dass keine Antwort vom Empfänger kommt.
Ein RS485-Netzwerk basiert auf einem Master/Slave-System. Der Master übernimmt die Rolle des Senders und stellt Anfragen an einen bestimmten Slave, der als Empfänger fungiert. Der Master wartet auf die Antwort und bricht die Kommunikation ab, wenn er sie nicht innerhalb eines angemessenen Zeitrahmens erhält. In einem Modbus RS485-Netzwerk beginnt die Kommunikation, wenn das Master-Gerät eine Anfrage an einen angeschlossenen Slave sendet. Ein Slave-Gerät beobachtet das Netzwerk auf speziell an ihn gerichtete Abfragen. Wenn eine Abfrage empfangen wird, führt es entweder eine Aktion aus oder antwortet dem Master. Abfragen werden nur vom Master-Gerät initiiert.
Das Modbus-Protokoll bietet dem Master die Möglichkeit, Nachrichten an bestimmte Slave-Geräte zu adressieren oder mit allen Slaves gleichzeitig zu kommunizieren. Dies geschieht über eine spezielle "Broadcast"-Adresse. Einige Produkte, wie die von Integra und SPR, unterstützen die Verwendung dieser Broadcast-Adresse nicht. Lese- und Schreibvorgänge werden über Modbus-Nachrichten unter Verwendung von Coils gesendet. Ein Coil besteht aus 16-Bit-Wörtern und Binärregistern. Ein Slave kann nur auf eine empfangene Nachricht antworten und initiiert niemals eine Kommunikation mit dem Master.
Jedem parallel an den RS485-Bus angeschlossenen Slave-Gerät wird eine eindeutige Modbus-Slave-ID zugewiesen. Jede Modbus-Kommunikation beginnt mit dem Senden der Slave-ID, entweder um ein Slave-Gerät darauf hinzuweisen, dass es eine Anfrage akzeptiert, oder um den Master zu informieren, welches Gerät die Antwort geliefert hat. Wie bei einer RS232-Verbindung müssen Slave- und Master-Geräte korrekt konfiguriert werden. Parameter wie Geschwindigkeit und Parität müssen im gesamten Netz synchronisiert werden.
Das Nachrichtenformat, das bei der Modbus-Kommunikation zwischen Master und Slave verwendet wird, ist im Protokoll definiert:
- Eine Modbus-Abfrage besteht aus der Geräte- (oder Broadcast-) Adresse, einem Funktionscode, der die angeforderte Aktion definiert, den mit der Anfrage zurückgegebenen Daten und einem Fehlerprüfungsfeld.
- Eine Modbus-Antwort besteht aus Feldern, die bestätigen, dass die angeforderte Aktion durchgeführt wurde, aus Daten, die mit der Antwort gesendet werden, und aus einem Fehlerprüfungsfeld. Das Slave-Gerät erstellt eine Fehlermeldung als Antwort, wenn es nicht in der Lage ist, die Anforderung zu erfüllen oder wenn Fehler den Empfang der Nachricht beeinträchtigt haben.
Im Modus Modbus RTU (Remote Terminal Unit) werden die Nachrichten in einem anderen Format übertragen. Hier enthält eine 8-Bit-Nachricht zwei 4-Bit-Hexadezimalzeichen. Daten, die diesen Übertragungsmodus verwenden, müssen in einem kontinuierlichen Strom gesendet werden und ermöglichen einen besseren Durchsatz bei einer vergleichbaren Baudrate als der ASCII-Modus.
Modbus Network Bus Terminator oder NBT
Die meisten der von uns verwendeten Kommunikationsbusse sind mit Blick auf die Netzwerkbus-Terminierung (NBT) oder auch End of Line (EoL) spezifiziert. Es handelt sich um einen Leitungsabschlusswiderstand, der für das RS485/Modbus RTU-Kommunikationskabel verwendet wird. Eine Reflexion in einer Übertragungsleitung ist das Ergebnis einer Impedanzdiskontinuität, auf die eine sich ausbreitende Welle trifft, während sie sich auf der Leitung ausbreitet. Um die Reflexionen am Ende des Netzwerkkabels zu minimieren, ist es erforderlich, einen Leitungsabschluss in der Nähe der beiden Enden des Busses zu platzieren. Der NBT sollte am letzten Gerät in der Schleife installiert werden. Einige Sentera-Geräte verfügen über einen internen NBT-Jumper, die neuesten Designs bieten ein Modbus Holding Register (HR 9), in dem der NBT gesetzt oder nicht gesetzt werden kann, um den Netzwerkleitungsabschluss zu aktivieren. Falls der NBT-Jumper oder die Registersteuerung auf dem Gerät nicht verfügbar ist, sollte ein 120Ω 1/2 W-Widerstand zwischen dem Differenzpaar platziert werden.
Busabschlusswiderstände sind nicht immer erforderlich
In der Praxis sind diese Abschlüsse nicht immer vorhanden, insbesondere bei kurzen Strecken. Brauchen wir sie? Es gibt eine Analogie, die verdeutlicht, warum wir Endabschlüsse brauchen: Ein Bus verhält sich wie ein Seil, das zwischen zwei Personen gespannt ist. Wenn eine Person sprechen möchte, sendet sie Impulse über das Seil an ihren Partner. Die andere Person spürt diese Impulse und findet heraus, was die Nachricht bedeutet. Die Impulse verschwinden jedoch nicht, sondern werden von der Person, die sie gesendet hat, zurückgeworfen. Sie werden immer wieder zurückgeworfen, jedes Mal ein bisschen schwächer, weil die Verluste sie aufnehmen. Diese Reflexionen sind für beide Seiten verwirrend, denn sie verschwenden Zeit mit dem Versuch, diese falsche Botschaft immer wieder zu entschlüsseln. Ein Bus, der an beiden Enden abgeschlossen ist, ist wie ein Seil, das an beiden Seiten mit Federn befestigt ist. Wenn die Impulse das Ende erreichen, kann die Person dort sie fühlen, und dann werden die Impulse von den Federn absorbiert. Wenn die Federn entsprechend dimensioniert sind, werden die Impulse "vollständig gedämpft" und es gibt keine Rückstrahlung.
Da wir in der Regel RS-485 verwenden, wird der Leitungsabschluss auf der Grundlage der so genannten charakteristischen Impedanz des verwendeten Kabels ausgewählt. Dies ist etwas, das der Hersteller auf die Verpackung des Kabels stempelt, es ist also kein Geheimnis. Normalerweise verwenden wir etwa 108-120 Ohm. Sie müssen nicht genau diesen Wert verwenden, aber versuchen Sie, sich diesem Wert anzunähern, und verwenden Sie keine Widerstände, die viel kleiner sind als dieser Wert!
Braucht man immer einen Abschluss am Ende der Leitung? Nicht wirklich, nein. Es hängt von zwei Dingen ab: Kommunikationsgeschwindigkeit (Baudrate) und Buslänge. Je niedriger die Baudrate, desto geringer ist die Reflexion. Je größer die Entfernung, desto stärker die Reflexion. Hochgeschwindigkeitsbusse sind viel empfindlicher, weil alles auf einer viel niedrigeren Zeitskala passiert. Ein einzelnes Bit, das mit 38400 bps übertragen wird, dauert nur 26 Mikrosekunden. Bei 9600 bps sind es 104 Mikrosekunden. Eine Spannungsspitze an der falschen Stelle, die so lange dauert wie ein Bit, kann zu Kommunikationsfehlern führen. Längere Busse reagieren empfindlicher auf Reflexionen, da sich diese nach mehreren Hin- und Herfahrten auf dem Bus abbauen. Bei einem längeren Bus dauert diese Ableitung länger. Wenn der Bus lang genug ist, können die Steuerungen neue Nachrichten auf den Bus schicken, während die älteren Reflexionen noch herumschwirren.
Richtlinien für die Verkabelung eines Modbus Netzwerks
Ein Modbus RS485 RTU-Netzwerk verbindet ein Master-Gerät mit einem oder mehreren Slave-Geräten. Im Folgenden werden wir Slave-Geräte als Messgeräte mit serieller Kommunikation betrachten, auch wenn die Verkabelung für alle Modbus-Geräte ähnlich ist. 9 Hauptregeln, die bei der Verkabelung dieser Art von Netzwerk beachtet werden müssen:
1. Anschluss Port
Jedes Gerät hat einen Kommunikationsanschluss mit 2 Signalen, die als A und /B bezeichnet werden. Diese beiden Signale verbinden das Kommunikationskabel, so dass alle Geräte, die an der Kommunikation teilnehmen, parallel geschaltet sind. Alle 'A'-Klemmen müssen miteinander verbunden sein und alle '/B'-Klemmen müssen miteinander verbunden sein. Um Fehler zu vermeiden, wenn viele Geräte angeschlossen sind, sollten für den Anschluss der A-Klemmen Kabel der gleichen Farbe und für alle Anschlüsse an die Klemmen /B der verschiedenen Geräte Kabel der gleichen Farbe verwendet werden (z. B. blau(/grün-weiß) für A und grün(/blau-weiß) für /B). Hinweis: Das Vertauschen der Anschlüsse "A" und "/B" eines Geräts verhindert nicht nur dessen Kommunikation, sondern kann auch dazu führen, dass das gesamte Kommunikationssystem aufgrund der falschen Gleichspannung (Polarisation) an den Anschlüssen des falsch angeschlossenen Geräts nicht mehr funktioniert. Dadurch lassen sich Verkabelungsfehler leichter erkennen.
2. Anschluss zwischen Geräten
Anders als in vielen Energieverteilungssystemen ist die Art und Weise, wie die Geräte parallel geschaltet werden, wichtig. Das für die Modbus-Kommunikation verwendete RS485-System verfügt über ein Hauptkabel (Bus oder Backbone), an das alle Geräte mit möglichst kurzen Abzweigungen angeschlossen werden müssen. Hinweis: Die Gesamtlänge darf nicht länger als 1200 m sein! Längere Netzwerk-Kommunikationsleitungen könnten Signalreflexionen verursachen und zu Störungen und damit zu Fehlern beim Datenempfang führen.
3. Maximale Entfernung und maximale Anzahl von Geräten
Das Hauptkabel darf nicht länger als 700 m sein! In dieser Entfernung sind die Abzweigungen nicht enthalten (die jedoch kurz sein müssen). Die maximale Anzahl der Geräte, die an ein Hauptkabel angeschlossen werden können, beträgt 247, einschließlich des Masters. Hinweis: Beachten Sie bei der Verkabelung die maximale Stromaufnahme und die Anzahl der Geräte, wenn PoM (Power over Modbus) verwendet wird. Konsultieren Sie immer die Datenblattinformationen der im Netzwerk verwendeten Artikel.
4. Einsatz von Repeatern
Um den Umfang des Modbus-Netzes zu vergrößern, können Repeater mit Signalverstärkern und -regeneratoren eingesetzt werden, die mit zwei Kommunikationsanschlüssen ausgestattet sind, die jeweils das übertragen, was sie vom anderen empfangen. Bei Verwendung eines Repeaters wird das Hauptkabel in verschiedene Segmente unterteilt, an die 32 Geräte angeschlossen werden können (diese Zahl schließt die Repeater ein). Die maximale Anzahl von Repeatern, die in Reihe geschaltet werden sollten, beträgt 3. Eine höhere Anzahl führt zu übermäßigen Verzögerungen im Kommunikationssystem.
5. Welche Art von Kabel verwenden Sie
Das zu verwendende Kabel ist ein abgeschirmtes Twisted-Pair-Kabel wie das UTP-Kabel der Kat. 5e oder Kat. 6, es können aber auch andere Kabeltypen mit gleichwertigen Eigenschaften verwendet werden. Der Doppelstrang besteht aus zwei Leitern, die miteinander verdrillt sind. Die Abschirmung kann aus einem Geflecht aus dünnen leitenden Drähten oder aus einer Folie bestehen, die um die Leiter gewickelt ist. Hinweis: Diese Anordnung verbessert die Immunität gegen elektromagnetische Störungen, da das Kabel eine Reihe von aufeinanderfolgenden Spulen bildet, von denen jede in die entgegengesetzte Richtung zur nächsten zeigt. Auf diese Weise durchläuft jedes Magnetfeld der Umgebung jedes Spulenpaar in entgegengesetzter Richtung, so dass seine Wirkung stark reduziert wird (theoretisch ist die Wirkung auf jede Spule genau das Gegenteil der Wirkung auf die nächste Spule, so dass die Wirkung aufgehoben wird).
6. Geräte anschliessen
In einigen Ländern ist es erlaubt, zwei Kabel in dieselbe Schraubklemme einzuführen. In diesem Fall ist es möglich, die Haupteingangs- und -ausgangsklemme direkt mit den Klemmen eines Artikels zu verbinden, ohne eine Abzweigung zu schaffen. Wenn jedoch jede Klemme nur ein einziges Kabel aufnehmen kann, muss eine ordnungsgemäße Abzweigung mit drei Hilfsklemmen für jeden anzuschließenden Artikel erstellt werden. Wenden Sie sich an unser Verkaufspersonal, um den richtigen Adapterartikel zu finden (wie ADPT-3RJ-TB). Im Falle des Anschlusses von Geräten mit geschirmten Twisted Pair und RJ45-Steckern gibt es kein solches Problem.
7. Erdung der Abschirmung
Die Kabelabschirmung darf nur an einer Stelle geerdet werden. Normalerweise wird diese Verbindung an einem Ende des Hauptkabels hergestellt.
8. Netzwerk Bus Abschlusswiderstande
Um Signalreflexionen zu vermeiden, muss an jedem Ende des Hauptkabels ein 120 Ohm Abschlusswiderstand angebracht werden. Der Abschlusswiderstand darf nur an den Enden des Hauptkabels verwendet werden. Wenn die Gesamtlänge des Hauptkabels weniger als 50 m beträgt, kann auf Abschlusswiderstände an den Enden des Hauptkabels verzichtet werden.
9. Anschluss an PC oder SenteraWeb
Wenn es sich bei dem verwendeten Master um einen PC handelt oder wenn die Netzwerkverkabelung vor der Inbetriebnahme überprüft werden muss, stellt ein serieller USB-zu-RS485-Konverter (CNVT-USB-RS485-V2) die Verbindung zum Bus her, um die korrekte Verkabelung und Funktionalität zu überprüfen. Falls eine Verbindung mit dem Internet benötigt wird, kann ein Internet-Gateway-Artikel in das Modbus-RTU-Netzwerk als Kommunikationsbrücke zur Verbindung mit SenteraWeb eingefügt werden. Diese Option gibt Ihnen völlige Freiheit bei der Verbindung mit installierten Geräten von jedem beliebigen Standort aus. Bitte wenden Sie sich für die korrekten Artikelcodes direkt an unsere Verkaufsabteilung.