На що слід звертати увагу при створенні мережі Modbus RTU?
Що таке зв'язок (RS485) Modbus RTU?
Modbus RTU - це відкритий послідовний протокол, що походить від архітектури «ведучий/ведений» (зараз клієнт/сервер), спочатку розроблений компанією Modicon (зараз Schneider Electric). Це широко прийнятий протокол на послідовному рівні через його простоту використання та надійність. Modbus RTU широко використовується в системах управління будівлями (BMS) і системах промислової автоматизації (IAS). Повідомлення Modbus RTU являють собою просту 16-бітну структуру з циклічно надлишковою контрольною сумою. Простота цих повідомлень забезпечує надійність. Завдяки цій простоті, базову 16-бітну структуру регістрів Modbus RTU можна використовувати для пакування даних з плаваючою комою, таблиць, ASCII-тексту, черг та інших незв'язаних даних. Цей протокол в основному використовує послідовний інтерфейс RS-232 або RS-485 для зв'язку і підтримується кожним комерційним SCADA, HMI, OPC-сервером і програмним забезпеченням для збору даних на ринку. Це дозволяє дуже легко інтегрувати Modbus-сумісне обладнання в нові або існуючі програми моніторингу та управління.
Modbus RTU - це відкритий послідовний протокол, що походить від архітектури «ведучий/ведений» (зараз клієнт/сервер), спочатку розроблений компанією Modicon (зараз Schneider Electric). Це широко прийнятий протокол на послідовному рівні через його простоту використання та надійність. Modbus RTU широко використовується в системах управління будівлями (BMS) і системах промислової автоматизації (IAS). Повідомлення Modbus RTU являють собою просту 16-бітну структуру з циклічно надлишковою контрольною сумою. Простота цих повідомлень забезпечує надійність. Завдяки цій простоті, базову 16-бітну структуру регістрів Modbus RTU можна використовувати для пакування даних з плаваючою комою, таблиць, ASCII-тексту, черг та інших незв'язаних даних. Цей протокол в основному використовує послідовний інтерфейс RS-232 або RS-485 для зв'язку і підтримується кожним комерційним SCADA, HMI, OPC-сервером і програмним забезпеченням для збору даних на ринку. Це дозволяє дуже легко інтегрувати Modbus-сумісне обладнання в нові або існуючі програми моніторингу та управління.
RS485 - це протокол, подібний до RS232, який використовується для реалізації послідовної передачі даних. Обидва протоколи використовують різні електричні сигнали для передачі даних. Однією з причин використання інтерфейсу RS485 в промислових умовах є його здатність обслуговувати декілька пристроїв, підключених до однієї шини. Це усуває необхідність мати кілька інтерфейсів, доступних при запиті декількох пристроїв. Це можна зробити за допомогою термінатора шини, перемикача або невеликого резистора, прикрученого до клеми. Необхідно переконатися, що використовується правильний інтерфейс, оскільки протоколи RS485 і RS232 не є повністю сумісними. Можна побудувати шлюз між інтерфейсами RS232 і RS485, але зазвичай протокол RS485 підключають безпосередньо до портів USB або Ethernet. Цей менш витратний підхід усуває необхідність використання будь-яких додаткових компонентів.
Пристрої, що використовують порти RS485, зазвичай використовують протокол Modbus і забезпечують напівдуплексну передачу по збалансованій лінії, що покриває відстань до 1200 м. Напівдуплексна система складається з одного або декількох передавачів і приймачів, причому одночасно активним може бути лише один передавач. Зв'язок починається з того, що передавач надсилає запит, спрямований на певний приймач. Потім передавач чекає на відповідь протягом заздалегідь визначеного часу або вирішує, що відповіді від приймача не надійде.
Мережа RS485 будується за принципом «ведучий/ведений». Ведучий виконує роль передавача, надсилаючи запити до визначеного веденого пристрою, який виступає в ролі приймача. Ведучий чекає на відповідь і, якщо не отримує її у відповідний проміжок часу, перериває зв'язок. У мережі Modbus RS485 зв'язок починається, коли ведучий пристрій надсилає запит до підключеного веденого пристрою. Підлеглий пристрій витрачає час на моніторинг мережі на наявність запитів, адресованих саме йому. При отриманні запиту він або виконує дію, або відповідає на нього, надсилаючи відповідь ведучому пристрою. Запити ініціюються тільки ведучим пристроєм.
Мережа RS485 будується за принципом «ведучий/ведений». Ведучий виконує роль передавача, надсилаючи запити до визначеного веденого пристрою, який виступає в ролі приймача. Ведучий чекає на відповідь і, якщо не отримує її у відповідний проміжок часу, перериває зв'язок. У мережі Modbus RS485 зв'язок починається, коли ведучий пристрій надсилає запит до підключеного веденого пристрою. Підлеглий пристрій витрачає час на моніторинг мережі на наявність запитів, адресованих саме йому. При отриманні запиту він або виконує дію, або відповідає на нього, надсилаючи відповідь ведучому пристрою. Запити ініціюються тільки ведучим пристроєм.
Протокол Modbus дозволяє ведучому пристрою адресувати повідомлення певним підлеглим пристроям або спілкуватися з усіма підлеглими одночасно. Для цього використовується спеціальна широкомовна адреса. Деякі продукти, такі як Integra та SPR, не підтримують використання цієї широкомовної адреси. Операції читання і запису передаються через повідомлення Modbus за допомогою котушок. Котушка складається з 16-бітних слів і двійкових регістрів. Ведений пристрій може лише відповідати на отримане повідомлення і ніколи не ініціює зв'язок з ведучим.
Кожному підлеглому пристрою, паралельно підключеному до шини RS485, присвоюється унікальний ідентифікатор Modbus slave ID. Весь зв'язок Modbus починається з надсилання ідентифікатора веденого пристрою, щоб попередити ведений пристрій про прийняття запиту або повідомити ведучому, який пристрій надав відповідь. Так само, як працює з'єднання RS232, підлеглі та провідні пристрої повинні бути правильно налаштовані. Такі параметри, як швидкість і парність, повинні бути синхронізовані по всій мережі.
Формат повідомлень, що використовується в комунікації Modbus між ведучим і веденим пристроями, визначено в протоколі:
- Запит Modbus складається з адреси пристрою (або широкомовної адреси), коду функції, який визначає будь-яку запитувану дію, даних, що повертаються разом із запитом, і поля для перевірки помилок.
- Відповідь Modbus складається з полів, які підтверджують виконання запитуваної дії, даних, що надсилаються разом з відповіддю, та поля для перевірки помилок. Підлеглий пристрій створить повідомлення про помилку у відповідь, якщо він не може виконати запит або якщо помилки вплинули на отримання повідомлення.
Режим Modbus RTU (Remote Terminal Unit) передає повідомлення в іншому форматі. Тут 8-бітне повідомлення містить два 4-бітних шістнадцяткових символи. Дані в цьому режимі передачі повинні надсилатися безперервним потоком, що забезпечує кращу пропускну здатність при порівнянній швидкості передачі, ніж у режимі ASCII.
- Запит Modbus складається з адреси пристрою (або широкомовної адреси), коду функції, який визначає будь-яку запитувану дію, даних, що повертаються разом із запитом, і поля для перевірки помилок.
- Відповідь Modbus складається з полів, які підтверджують виконання запитуваної дії, даних, що надсилаються разом з відповіддю, та поля для перевірки помилок. Підлеглий пристрій створить повідомлення про помилку у відповідь, якщо він не може виконати запит або якщо помилки вплинули на отримання повідомлення.
Режим Modbus RTU (Remote Terminal Unit) передає повідомлення в іншому форматі. Тут 8-бітне повідомлення містить два 4-бітних шістнадцяткових символи. Дані в цьому режимі передачі повинні надсилатися безперервним потоком, що забезпечує кращу пропускну здатність при порівнянній швидкості передачі, ніж у режимі ASCII.
Modbus Network Bus Terminator або NBT
Більшість комунікаційних шин, які ми використовуємо, визначені з урахуванням термінатора мережевої шини (NBT) або, як його ще називають, кінця лінії (End of Line, EoL). Це кінцевий резистор лінії, який використовується для кабелю зв'язку RS485/ Modbus RTU. Відбиття в лінії передачі є результатом розриву імпедансу, який бачить біжуча хвиля, коли вона поширюється по лінії. Щоб мінімізувати відбиття від кінця мережевого кабелю, необхідно розмістити кінцевий пристрій біля кожного з 2 кінців шини. NBT повинен бути встановлений на останньому пристрої. Деякі пристрої Sentera мають внутрішню перемичку NBT, а найновіші моделі мають регістр Modbus (HR 9), в якому можна встановити або не встановлювати NBT для активації терміналу мережевої лінії. Якщо перемичка NBT або управління регістром недоступні на пристрої, між диференціальною парою слід встановити резистор 120 Ом 1/2 Вт.
Більшість комунікаційних шин, які ми використовуємо, визначені з урахуванням термінатора мережевої шини (NBT) або, як його ще називають, кінця лінії (End of Line, EoL). Це кінцевий резистор лінії, який використовується для кабелю зв'язку RS485/ Modbus RTU. Відбиття в лінії передачі є результатом розриву імпедансу, який бачить біжуча хвиля, коли вона поширюється по лінії. Щоб мінімізувати відбиття від кінця мережевого кабелю, необхідно розмістити кінцевий пристрій біля кожного з 2 кінців шини. NBT повинен бути встановлений на останньому пристрої. Деякі пристрої Sentera мають внутрішню перемичку NBT, а найновіші моделі мають регістр Modbus (HR 9), в якому можна встановити або не встановлювати NBT для активації терміналу мережевої лінії. Якщо перемичка NBT або управління регістром недоступні на пристрої, між диференціальною парою слід встановити резистор 120 Ом 1/2 Вт.
Термінатори шин не завжди потрібні
В польових умовах ці термінатори не завжди присутні, особливо на коротких дистанціях. Чи потрібні вони нам? Існує аналогія, яка ілюструє, чому нам потрібні кінцеві зупинки: шина поводиться як мотузка, яку тримають між двома людьми. Коли одна людина хоче поговорити, вона посилає імпульси вниз по мотузці до свого партнера. Інша людина відчуває ці імпульси і розуміє, що означає повідомлення. Однак ці імпульси нікуди не зникають, вони відбиваються від людини, яка посилає їх по мотузці. Вони відбиватимуться туди-сюди, щоразу слабше, оскільки втрати поглинають їх. Ці віддзеркалення збивають з пантелику обох людей, які витрачають час, намагаючись розшифрувати це фальшиве повідомлення знову і знову. Шина, закінчена з обох кінців, схожа на мотузку, закріплену з обох боків пружинами. Коли імпульси досягають кінця, людина може їх відчути, а потім імпульси поглинаються пружинами. Якщо пружини мають відповідний розмір, імпульси будуть «повністю гаситися» і не будуть відбиватися назад.
В польових умовах ці термінатори не завжди присутні, особливо на коротких дистанціях. Чи потрібні вони нам? Існує аналогія, яка ілюструє, чому нам потрібні кінцеві зупинки: шина поводиться як мотузка, яку тримають між двома людьми. Коли одна людина хоче поговорити, вона посилає імпульси вниз по мотузці до свого партнера. Інша людина відчуває ці імпульси і розуміє, що означає повідомлення. Однак ці імпульси нікуди не зникають, вони відбиваються від людини, яка посилає їх по мотузці. Вони відбиватимуться туди-сюди, щоразу слабше, оскільки втрати поглинають їх. Ці віддзеркалення збивають з пантелику обох людей, які витрачають час, намагаючись розшифрувати це фальшиве повідомлення знову і знову. Шина, закінчена з обох кінців, схожа на мотузку, закріплену з обох боків пружинами. Коли імпульси досягають кінця, людина може їх відчути, а потім імпульси поглинаються пружинами. Якщо пружини мають відповідний розмір, імпульси будуть «повністю гаситися» і не будуть відбиватися назад.
Оскільки ми зазвичай використовуємо RS-485, кінцеве закінчення лінії вибирається на основі так званого характеристичного імпедансу кабелю. Виробник вказує це значення на коробці, в якій поставляється кабель. Зазвичай ми використовуємо щось близько 108-120 Ом. Вам не обов'язково використовувати саме це значення, але намагайтеся бути близькими до нього і не використовуйте резистори з набагато меншим опором!
Чи завжди вам потрібне завершення в кінці лінії? Насправді, ні. Це залежить від двох речей: швидкості зв'язку (швидкості передачі даних) і довжини шини. Чим нижча швидкість передачі даних, тим менше значення матиме віддзеркалення. Чим більша відстань, тим більше значення матиме віддзеркалення. Високошвидкісні шини набагато чутливіші, оскільки все відбувається в набагато меншому часовому масштабі. Один біт, переданий зі швидкістю 38400 біт/с, триває лише 26 мікросекунд. Для 9600 біт/с - 104 мікросекунди. Стрибок напруги в неправильному місці, який триває протягом одного біта, може спричинити помилки зв'язку. Довші шини більш чутливі до відбиття, оскільки будь-яке відбиття має тенденцію розсіюватися після кількох проходжень по шині туди і назад. Для довшої шини це розсіювання займає більше часу. Якщо вона досить довга, контролери можуть надсилати нові повідомлення по шині, поки старі дані все ще відзеркалюються по ній.
Керівництво з підключення мережі Modbus
Мережа Modbus RS485 RTU з'єднує головний пристрій з одним або декількома підлеглими пристроями. Надалі ми будемо вважати підлеглими пристроями вимірювальні прилади з послідовним зв'язком, навіть якщо кабельне з'єднання для всіх Modbus-пристроїв однакове. Отже, 9 основних правил, яких необхідно дотримуватися при прокладанні кабелів цього типу мережі:
Мережа Modbus RS485 RTU з'єднує головний пристрій з одним або декількома підлеглими пристроями. Надалі ми будемо вважати підлеглими пристроями вимірювальні прилади з послідовним зв'язком, навіть якщо кабельне з'єднання для всіх Modbus-пристроїв однакове. Отже, 9 основних правил, яких необхідно дотримуватися при прокладанні кабелів цього типу мережі:
1. Порт підключення
Кожен пристрій має комунікаційний порт з 2-ма сигналами, які позначаються як A і /B. Ці два сигнали з'єднують комунікаційний кабель таким чином, що всі пристрої, які беруть участь у комунікації, підключаються паралельно. Всі клеми «A» повинні бути з'єднані разом, а всі клеми «/B» повинні бути з'єднані між собою відповідно. Щоб уникнути помилок при підключенні багатьох пристроїв, слід використовувати кабелі одного кольору для з'єднання клем A і кабелі одного кольору для всіх підключень до клем /B різних пристроїв (наприклад, синій (/зелено-білий) для A і зелений (/синьо-білий) для /B). Примітка: інвертування з'єднань «A» і «/B» пристрою не тільки перешкоджає його зв'язку, але й може зупинити роботу всієї системи зв'язку через неправильну пряму (поляризаційну) напругу на з'єднаннях неправильно підключеного пристрою. Це полегшує виявлення помилок у підключенні.
Кожен пристрій має комунікаційний порт з 2-ма сигналами, які позначаються як A і /B. Ці два сигнали з'єднують комунікаційний кабель таким чином, що всі пристрої, які беруть участь у комунікації, підключаються паралельно. Всі клеми «A» повинні бути з'єднані разом, а всі клеми «/B» повинні бути з'єднані між собою відповідно. Щоб уникнути помилок при підключенні багатьох пристроїв, слід використовувати кабелі одного кольору для з'єднання клем A і кабелі одного кольору для всіх підключень до клем /B різних пристроїв (наприклад, синій (/зелено-білий) для A і зелений (/синьо-білий) для /B). Примітка: інвертування з'єднань «A» і «/B» пристрою не тільки перешкоджає його зв'язку, але й може зупинити роботу всієї системи зв'язку через неправильну пряму (поляризаційну) напругу на з'єднаннях неправильно підключеного пристрою. Це полегшує виявлення помилок у підключенні.
2. З'єднання між пристроями
На відміну від того, що відбувається в багатьох системах розподілу енергії, спосіб паралельного з'єднання пристроїв має важливе значення. Система RS485, що використовується для зв'язку Modbus, передбачає головний кабель (шину або магістраль), до якого всі пристрої повинні бути підключені якомога коротшими відгалуженнями. Примітка: загальна довжина не повинна перевищувати 1200 м! Довші лінії зв'язку можуть спричиняти відбиття сигналу, створювати перешкоди і, як наслідок, помилки в отриманні даних.
3. Максимальна відстань і максимальна кількість пристроїв
Основний кабель повинен бути не довшим за 700 м! Ця відстань не включає відгалуження (які, тим не менш, повинні бути короткими). Максимальна кількість пристроїв, які можна підключити до головного кабелю - 247, включаючи головний пристрій. Примітка: Під час прокладання кабелю враховуйте максимальний струм споживання та кількість пристроїв, якщо використовується технологія PoM (Power over Modbus). Завжди звертайтеся до інформації з паспортів виробів, що використовуються в мережі.
4. Використання повторювачів
Для збільшення протяжності мережі Modbus можна використовувати повторювачі (репітери) з пристроями підсилення та регенерації сигналу, що мають два комунікаційні порти, які передають один одному те, що вони отримують від іншого. За допомогою повторювача основний кабель ділиться на різні сегменти і з'єднує 32 пристрої (це число включає в себе повторювачі). Максимальна кількість послідовно з'єднаних репітерів - 3. Більша кількість призводить до надмірних затримок у системі зв'язку.
Основний кабель повинен бути не довшим за 700 м! Ця відстань не включає відгалуження (які, тим не менш, повинні бути короткими). Максимальна кількість пристроїв, які можна підключити до головного кабелю - 247, включаючи головний пристрій. Примітка: Під час прокладання кабелю враховуйте максимальний струм споживання та кількість пристроїв, якщо використовується технологія PoM (Power over Modbus). Завжди звертайтеся до інформації з паспортів виробів, що використовуються в мережі.
4. Використання повторювачів
Для збільшення протяжності мережі Modbus можна використовувати повторювачі (репітери) з пристроями підсилення та регенерації сигналу, що мають два комунікаційні порти, які передають один одному те, що вони отримують від іншого. За допомогою повторювача основний кабель ділиться на різні сегменти і з'єднує 32 пристрої (це число включає в себе повторювачі). Максимальна кількість послідовно з'єднаних репітерів - 3. Більша кількість призводить до надмірних затримок у системі зв'язку.
5. Тип кабелю, що використовується
Кабель, що використовується - це екранована вита пара типу UTP cat 5e або cat6, але можна використовувати інші типи кабелю з еквівалентними характеристиками. Пара складається з двох провідників, які скручені разом. Екранування може бути плетеним (утвореним сіткою з тонких струмопровідних дротів) або фольгованим (що складається з листа металу, намотаного навколо провідників). Примітка: Така конструкція підвищує стійкість до електромагнітних завад, оскільки кабель утворює серію послідовних витків, кожен з яких спрямований у протилежний бік до наступного. Таким чином, будь-яке магнітне поле навколишнього середовища проходить через кожну пару котушок в протилежних напрямках, і його вплив таким чином дуже зменшується (теоретично, вплив на кожну котушку прямо протилежний впливу на наступну, таким чином, ефект скасовується).
6. Підключення пристроїв
У деяких країнах дозволено вставляти два кабелі в одну гвинтову клему. У цьому випадку можна підключити головну вхідну і вихідну клему безпосередньо до клем виробу, не створюючи розгалуження. Якщо, з іншого боку, кожна клема може прийняти тільки один кабель, необхідно створити відповідне відгалуження, використовуючи три допоміжні клеми для кожного виробу, що підключається. Проконсультуйтеся з нашими спеціалістами щодо правильного артикулу адаптера, який потрібно використовувати (наприклад, ADPT-3RJ-TB). У разі підключення пристроїв з екранованою витою парою та роз'ємами RJ45 такої проблеми не виникає.
Кабель, що використовується - це екранована вита пара типу UTP cat 5e або cat6, але можна використовувати інші типи кабелю з еквівалентними характеристиками. Пара складається з двох провідників, які скручені разом. Екранування може бути плетеним (утвореним сіткою з тонких струмопровідних дротів) або фольгованим (що складається з листа металу, намотаного навколо провідників). Примітка: Така конструкція підвищує стійкість до електромагнітних завад, оскільки кабель утворює серію послідовних витків, кожен з яких спрямований у протилежний бік до наступного. Таким чином, будь-яке магнітне поле навколишнього середовища проходить через кожну пару котушок в протилежних напрямках, і його вплив таким чином дуже зменшується (теоретично, вплив на кожну котушку прямо протилежний впливу на наступну, таким чином, ефект скасовується).
6. Підключення пристроїв
У деяких країнах дозволено вставляти два кабелі в одну гвинтову клему. У цьому випадку можна підключити головну вхідну і вихідну клему безпосередньо до клем виробу, не створюючи розгалуження. Якщо, з іншого боку, кожна клема може прийняти тільки один кабель, необхідно створити відповідне відгалуження, використовуючи три допоміжні клеми для кожного виробу, що підключається. Проконсультуйтеся з нашими спеціалістами щодо правильного артикулу адаптера, який потрібно використовувати (наприклад, ADPT-3RJ-TB). У разі підключення пристроїв з екранованою витою парою та роз'ємами RJ45 такої проблеми не виникає.
7. Заземлення екрану
Екран кабелю повинен бути заземлений тільки в одній точці. Зазвичай це з'єднання виконується на одному кінці основного кабелю.
8. Опір закінчення мережевої шини
Щоб уникнути відбиття сигналу, на кожному кінці основного кабелю повинен бути встановлений кінцевий опір 120 Ом. Кінцевий опір повинен використовуватися тільки на кінцях магістрального кабелю. Якщо загальна довжина магістрального кабелю не перевищує 50 м, на кінцях магістрального кабелю можна не встановлювати оконечні опори.
9. Підключення до ПК або SenteraWeb
Якщо в якості ведучого пристрою використовується персональний комп'ютер або якщо перед введенням в експлуатацію необхідно перевірити мережеві кабелі, послідовний перетворювач USB в RS485 (CNVT-USB-RS485-V2) забезпечує підключення до шини для перевірки правильності підключення та функціональності. У разі необхідності підключення до Інтернету, в мережу Modbus RTU можна вставити інтернет-шлюз як комунікаційний міст для підключення до SenteraWeb. Ця опція дає вам повну свободу підключення до встановлених пристроїв з будь-якого місця. Будь ласка, проконсультуйтеся безпосередньо з нашим відділом продажів щодо правильних кодів артикулів.
Екран кабелю повинен бути заземлений тільки в одній точці. Зазвичай це з'єднання виконується на одному кінці основного кабелю.
8. Опір закінчення мережевої шини
Щоб уникнути відбиття сигналу, на кожному кінці основного кабелю повинен бути встановлений кінцевий опір 120 Ом. Кінцевий опір повинен використовуватися тільки на кінцях магістрального кабелю. Якщо загальна довжина магістрального кабелю не перевищує 50 м, на кінцях магістрального кабелю можна не встановлювати оконечні опори.
9. Підключення до ПК або SenteraWeb
Якщо в якості ведучого пристрою використовується персональний комп'ютер або якщо перед введенням в експлуатацію необхідно перевірити мережеві кабелі, послідовний перетворювач USB в RS485 (CNVT-USB-RS485-V2) забезпечує підключення до шини для перевірки правильності підключення та функціональності. У разі необхідності підключення до Інтернету, в мережу Modbus RTU можна вставити інтернет-шлюз як комунікаційний міст для підключення до SenteraWeb. Ця опція дає вам повну свободу підключення до встановлених пристроїв з будь-якого місця. Будь ласка, проконсультуйтеся безпосередньо з нашим відділом продажів щодо правильних кодів артикулів.