Waar moet ik op letten bij het maken van een Modbus RTU-netwerk?
Wat is (RS485) Modbus RTU-communicatie?
Modbus Remote Terminal Unit (RTU) is een open serieel protocol dat is afgeleid van de master-slave-architectuur (nu client-server) die oorspronkelijk werd ontwikkeld door Modicon (nu Schneider Electric). Het is een algemeen geaccepteerd protocol op serieel niveau vanwege het gebruiksgemak en betrouwbaarheid. Modbus RTU wordt veel gebruikt in gebouwbeheersystemen (GBS) en industriële automatiseringssystemen. Modbus RTU-berichten zijn een eenvoudige 16-bits structuur met een cyclische redundantiecontrolesom. De eenvoud van deze berichten zorgt voor betrouwbaarheid. Door deze eenvoud kan de basis 16-bits Modbus RTU-registerstructuur worden gebruikt om zwevendekommagetallen, tabellen, ASCII-tekst, wachtrijen en andere ongerelateerde gegevens op te slagen. Dit protocol maakt voornamelijk gebruik van een RS-232 of RS-485 seriële interface voor communicatie en wordt ondersteund door elk commercieel SCADA-, HMI-, OPC- server- en softwareprogramma voor data-acquisitie op de markt. Dit maakt het heel eenvoudig om Modbus-compatibele apparatuur te integreren in nieuwe of bestaande bewakings- en besturingstoepassingen.
RS485 is een protocol dat lijkt op RS232 en wordt gebruikt om seriële datacommunicatie te implementeren. De twee protocollen gebruiken verschillende elektrische signalen om gegevensoverdracht mogelijk te maken. Een van de redenen dat RS485-interfacing wordt gebruikt in industriële omgevingen is de mogelijkheid om meerdere apparaten op dezelfde bus aan te sluiten. Hierdoor is het niet meer nodig om meerdere interfaces beschikbaar te hebben bij het opvragen van meerdere apparaten. Dit is mogelijk door een busafsluiting te gebruiken, een schakelaar te verplaatsen of een kleine weerstand op een terminal te schroeven. Zorg er wel voor dat de juiste interface gebruikt wordt aangezien de RS485- en RS232-protocollen niet volledig compatibel zijn. Een gateway kan gebouwd worden tussen de RS232- en RS485-interfaces, maar meestal zal het RS485-protocol direct op USB- of Ethernetpoorten worden aangesloten. Deze minder dure benadering maakt het gebruik van extra componenten overbodig.
Apparaten die gebruik maken van RS485-poorten gebruiken meestal het Modbus-protocol en bieden half-duplex transmissie op een gebalanceerde lijn over afstanden tot 1200 m. Een half-duplex systeem bestaat uit één of meer zenders en ontvangers waarbij slechts één zender tegelijk actief kan zijn. Communicatie vindt plaats door een zender die een verzoek (query) stuurt naar een specifieke ontvanger. De zender wacht dan een vooraf bepaalde tijd op antwoord of besluit dat er geen antwoord van de ontvanger komt.
Een RS485-netwerk is gebaseerd op een master-slave-structuur. De master speelt de rol van zender en stuurt verzoeken naar een aangewezen slave die als ontvanger fungeert. De master luistert naar het antwoord en als dit niet binnen een bepaalde tijd wordt ontvangen, wordt de communicatie beëindigd. In een Modbus RS485-netwerk begint de communicatie wanneer de master een query stuurt naar een aangesloten slave. Een slave-apparaat besteedt zijn tijd aan het controleren van het netwerk op query's die specifiek aan hem gericht zijn. Wanneer een query wordt ontvangen, zal het een actie uitvoeren of antwoorden naar de master. Query's worden alleen geïnitieerd door de master.
Het Modbus-protocol geeft de master de keuze om berichten naar specifieke slave-apparaten te sturen of om met alle slaves tegelijk te communiceren. Dit gebeurt met behulp van een speciaal "broadcastadres". Sommige producten zoals die van Integra en SPR ondersteunen het gebruik van dit broadcastadres niet. Lees- en schrijfbewerkingen worden via Modbus-berichten verzonden met behulp van spoelen. Een spoel bestaat uit 16-bits woorden en binaire registers. Een slave kan alleen reageren op een ontvangen bericht en initieert nooit communicatie met de master.
Aan elk slave-apparaat dat parallel op de RS485-bus is aangesloten, wordt een unieke Modbus-slave-ID toegewezen. Alle Modbus-communicatie begint met het verzenden van de slave-ID, ofwel om een slave-apparaat te waarschuwen om een query te accepteren of om de master te informeren welk apparaat het antwoord heeft gegeven. Op dezelfde manier als RS232-connectiviteit werkt moeten master- en slave-apparaten correct geconfigureerd worden. Parameters zoals snelheid en pariteit moeten gesynchroniseerd zijn in het netwerk.
Het berichtformaat dat wordt gebruikt in Modbus-communicatie tussen master en slave is gedefinieerd in het protocol:
- Een Modbus-verzoek bestaat uit het apparaatadres (of broadcastadres), een functiecode die een gevraagde actie definieert, gegevens die met het verzoek worden teruggestuurd en een veld voor foutcontrole.
- Een Modbus-antwoord bestaat uit velden die controleren of de gevraagde actie is uitgevoerd, gegevens die met het antwoord worden meegestuurd en een veld voor foutcontrole. Het slave-apparaat maakt een foutbericht aan als antwoord als het niet aan het verzoek kan voldoen of als fouten de ontvangst van het bericht hebben beïnvloed.
Modbus RTU-modus verzendt berichten in een ander formaat. Hier bevat een 8-bits bericht twee 4-bits hexadecimale tekens. Gegevens die deze overdrachtsmodus gebruiken, moeten in een continue stroom worden verzonden en maken een betere doorvoer mogelijk voor een vergelijkbare communicatiesnelheid (baudrate) dan ASCII-modus.
Modbus Network Bus Terminator of NBT
De meeste communicatielijnen die we gebruiken zijn gespecificeerd met Network Bus Termination (NBT) of ook End of Line (EoL) genoemd. Het is een (lijn)afsluitweerstand die wordt gebruikt voor de RS485 Modbus RTU-communicatiekabel. Een reflectie in een transmissielijn is het resultaat van een impedantieonregelmatigheid die een voortschrijdende golf tegenkomt wanneer deze zich over de lijn beweegt. Om de reflecties aan het einde van de netwerkverbinding te minimaliseren, is het noodzakelijk om een lijnterminatie nabij elk van de 2 uiteinden van de bus te plaatsen. De NBT moet worden geïnstalleerd bij het laatste apparaat in de lus. Sommige Sentera-apparaten hebben een interne NBT-jumper, de meest recente ontwerpen bieden een Modbus holdingregister (HR 9) waar de NBT al dan niet kan worden ingesteld om de netwerklijnafsluiting te activeren. Als de NBT-jumper of registerbesturing niet beschikbaar is op het apparaat, moet een weerstand van 120 Ω 1/2 W tussen het differentiële paar worden geplaatst.
Busafsluitweerstanden zijn niet altijd nodig
In het veld zijn deze afsluitingen niet altijd aanwezig, vooral bij korte runs. Zijn ze nodig? Er is een analogie die illustreert waarom we netwerklijnafsluitingen nodig hebben: een bus gedraagt zich als een touw dat tussen twee mensen wordt gehouden. Wanneer de ene persoon wil praten, geeft hij impulsen langs het touw naar zijn partner. De andere persoon voelt deze pulsen en begrijpt wat de boodschap betekent. Deze pulsen gaan echter niet weg, ze kaatsen terug naar de persoon die ze naar beneden heeft geslagen. Het blijft heen en weer kaatsen, elke keer een beetje zwakker door de verliezen. Deze weerkaatsingen zijn verwarrend voor beide mensen, die tijd verspillen aan het steeds opnieuw proberen te decoderen van deze valse boodschap. Een bus die aan beide uiteinden is afgesloten is als een touw dat aan beide zijden met veren is vastgezet. Wanneer de pulsen het uiteinde bereiken, kan de persoon daar ze voelen en dan worden de pulsen geabsorbeerd door de veren. Als de veren de juiste grootte hebben, worden de pulsen “volledig gedempt” en is er geen terugkaatsing.
Omdat we meestal RS485 gebruiken, wordt de netwerklijnafsluiting geselecteerd op basis van de karakteristieke impedantie van de kabel die gebruikt wordt. Dit is iets wat de fabrikant op de doos van de kabel zet, dus het is geen geheim. Meestal gebruiken we iets van 108 - 120 Ohm. Het hoeft niet precies die waarde te zijn, maar probeer in de buurt te blijven en gebruik geen weerstanden die veel lager zijn!
Is er altijd een terminatie aan het einde van de lijn nodig?
Neen. Het hangt van twee dingen af: de communicatiesnelheid (baudrate) en de buslengte. Hoe lager de baudrate, hoe minder reflectie van belang is. Hoe groter de afstand, hoe meer reflectie. Snelle bussen zijn veel gevoeliger omdat alles op een veel lagere tijdschaal gebeurt. Een enkel bit overgedragen bij 38400 bps duurt slechts 26 microseconden. Voor een 9600 bps is dat 104 microseconden. Een spanningspiek op de verkeerde plaats die net zo lang duurt als één bitlengte kan communicatiefouten veroorzaken. Langere bussen zijn gevoeliger voor reflectie omdat elke reflectie de neiging heeft om te dissiperen (geleidelijk verdwijnen) na verschillende keren heen en weer rijden over de bus. Bij een langere bus duurt die dissipatie langer. Als de bus lang genoeg is, kunnen controllers nieuwe berichten over de bus sturen terwijl de oudere reflecties nog steeds rondstuiteren.
Bedradingsrichtlijnen voor een Modbus-netwerk
Een Modbus RS485 RTU-netwerk verbindt een master met één of meer slave-apparaten. Voortaan zullen we slave-apparaten beschouwen als meetinstrumenten met seriële communicatie, ook al is de bekabeling voor alle Modbus-apparaten gelijk.
Er zijn 9 hoofdregels die gevolgd moeten worden voor de bekabeling van dit type netwerk:
1. Aansluitpoort
Elk apparaat heeft een communicatiepoort met 2 signalen die worden aangeduid als A en /B. Deze twee signalen verbinden de communicatiekabel zodat alle apparaten die deelnemen aan de communicatie parallel worden aangesloten. Alle 'A'-klemmen moeten met elkaar worden verbonden en alle '/B'-klemmen moeten met elkaar worden verbonden. Om fouten te voorkomen als er veel apparaten zijn aangesloten, moeten kabels van dezelfde kleur worden gebruikt om de A-terminals aan te sluiten en kabels van dezelfde kleur om de /B-terminals van de verschillende apparaten aan te sluiten (bijvoorbeeld blauw (/groen-wit) voor A en groen (/blauw-wit) voor /B). Opmerking: als de aansluitingen 'A' en '/B' van een apparaat worden omgekeerd, kan het niet alleen niet meer communiceren, maar kan ook het hele communicatiesysteem niet meer werken door een onjuiste gelijkspanning (polarisatie) op de aansluitingen van het verkeerd aangesloten apparaat. Dit maakt het eenvoudiger om bekabelingsfouten op te sporen.
2. Verbinding tussen apparaten
In tegenstelling tot wat in veel energiedistributiesystemen gebeurt, is de manier waarop de apparaten parallel worden aangesloten belangrijk. Het RS485-systeem dat wordt gebruikt voor Modbus-communicatie voorziet in een hoofdkabel (bus of backbone) waarop alle apparaten moeten worden aangesloten met zo kort mogelijke aftakkingen. Opmerking: de totale lengte mag niet langer zijn dan 1200 m! Langere netwerkcommunicatielijnen kunnen signaalreflecties veroorzaken en storingen en daaruit voortvloeiende fouten bij de ontvangst van gegevens veroorzaken.
3. Maximale afstand en maximaal aantal apparaten
De hoofdkabel mag niet langer zijn dan 700 m! Deze afstand is exclusief de aftakkingen (die echter wel kort moeten zijn). Het maximale aantal apparaten dat op een hoofdkabel kan worden aangesloten is 247, inclusief de master. Opmerking: hou rekening met het maximale stroomverbruik en het aantal apparaten als Power over Modbus (PoM) wordt gebruikt tijdens de bekabeling. Raadpleeg altijd de technische fiches van de artikelen die in het netwerk worden gebruikt.
4. Gebruik van repeaters
Om de omvang van het Modbus-netwerk te vergroten, kunnen repeaters gebruikt worden met signaalversterkende en -regenererende apparaten die voorzien zijn van twee communicatiepoorten die aan elkaar doorgeven wat ze van de ander ontvangen. Met een repeater wordt de hoofdkabel in verschillende segmenten verdeeld en worden 32 apparaten aangesloten (dit aantal is inclusief de repeaters). Het maximale aantal repeaters dat in serie aangesloten mag worden is 3. Een hoger aantal introduceert buitensporige vertragingen in het communicatiesysteem.
5. Te gebruiken kabeltype
De te gebruiken kabel is afgeschermd twisted pair zoals UTP-kabel cat 5e of cat 6, maar er kunnen ook andere kabeltypes met gelijkwaardige eigenschappen gebruikt worden. Het twisted pair bestaat uit twee geleiders die in elkaar gedraaid zijn. De afscherming kan gevlochten zijn (gevormd door een netwerk van dunne geleidende draden) of een folie (bestaande uit een metalen plaat die rond de geleiders is gewikkeld). Opmerking: deze opstelling verbetert de immuniteit tegen elektromagnetische storingen omdat de kabel een reeks opeenvolgende spoelen vormt die elk in de tegenovergestelde richting van de volgende zijn gericht. Op deze manier passeert elk magnetisch veld van de omgeving elk spoelpaar in tegengestelde richting en wordt het effect ervan sterk verminderd (theoretisch is het effect op elke spoel precies het tegenovergestelde van het effect op de volgende spoel, waardoor het effect wordt opgeheven).
6. Verbindingsapparaten
In sommige landen is het toegestaan om twee kabels in dezelfde schroefklem te steken. In dit geval is het mogelijk om de hoofdinlaat- en uitlaatklem rechtstreeks op de klemmen van een artikel aan te sluiten zonder een aftakking te maken. Als aan de andere kant elke klem slechts één kabel kan bevatten, moet er een goede aftakking worden gemaakt met behulp van drie hulpklemmen voor elk aan te sluiten artikel. Neem contact op met onze verkoopmedewerkers voor het juiste adapterartikel dat moet worden gebruikt (zoals ADPT-3RJ-TB). Bij het aansluiten van apparaten met afgeschermd twisted pair en RJ45-connectoren is dit probleem niet aanwezig.
7. Aarding van de afscherming
De afscherming van de kabel mag slechts op één punt worden geaard. Normaal wordt deze verbinding gemaakt aan één uiteinde van de hoofdkabel.
8. Afsluitweerstand van de netwerkbus
Om signaalreflecties te voorkomen, moet aan elk uiteinde van de hoofdkabel een afsluitweerstand van 120 Ohm worden gemonteerd. De afsluitweerstand mag alleen worden gebruikt aan de uiteinden van de hoofdkabel. Als de totale lengte van de hoofdkabel minder dan 50 m is, kunnen afsluitweerstanden aan de uiteinden van de hoofdkabel worden vermeden.
9. Aansluiting op PC of SenteraWeb
Als de gebruikte master een personal computer is of als de netwerkbekabeling gecontroleerd moet worden voor de inbedrijfstelling, dan zorgt een USB naar RS485 seriële converter (CNVT-USB-RS485-V2) voor de verbinding met de bus om de juiste bekabeling en functionaliteit te controleren. Als een internetverbinding nodig is, kan een Internet Gateway artikel in het Modbus RTU-netwerk worden geplaatst als communicatiebrug om verbinding te maken met SenteraWeb. Deze optie geeft u de volledige vrijheid om vanaf elke locatie verbinding te maken met geïnstalleerde apparaten. Neem direct contact op met onze verkoopafdeling voor de juiste artikelcodes.