Na co powinienem zwrócić uwagę przy tworzeniu sieci Modbus RTU?
Modbus RTU to otwarty protokół szeregowy wywodzący się z architektury master/slave (obecnie klient/serwer), pierwotnie opracowanej przez firmę Modicon (obecnie Schneider Electric). Jest to powszechnie akceptowany protokół szeregowy ze względu na łatwość użycia i niezawodność. Modbus RTU jest szeroko stosowany w systemach zarządzania budynkiem (BMS) i systemach automatyki przemysłowej (IAS). Komunikaty Modbus RTU to prosta 16-bitowa struktura z cykliczną redundantną sumą kontrolną. Prostota tych komunikatów zapewnia niezawodność. Dzięki tej prostocie podstawowa 16-bitowa struktura rejestrów Modbus RTU może być używana do pakowania w liczby zmiennoprzecinkowe, tabele, tekst ASCII, kolejki i inne niepowiązane dane. Protokół ten wykorzystuje głównie interfejsy szeregowe RS-232 lub RS-485 do komunikacji i jest obsługiwany przez każdy komercyjny SCADA, HMI, serwer OPC i oprogramowanie do akwizycji danych dostępne na rynku.
RS485 to protokół podobny do RS232, który służy do implementacji szeregowej komunikacji danych. Oba protokoły wykorzystują różne sygnały elektryczne, aby umożliwić transmisję danych. Jednym z powodów, dla których interfejs RS485 jest wykorzystywany w środowiskach przemysłowych, jest jego zdolność do obsługi kilku urządzeń podłączonych do tej samej magistrali. Eliminuje to konieczność posiadania kilku dostępnych interfejsów podczas wysyłania zapytań do wielu urządzeń. Można to zrobić za pomocą terminatora magistrali, przesuwając przełącznik lub przykręcając mały rezystor do zacisku. Należy zadbać o to, aby używany był właściwy interfejs, ponieważ protokoły RS485 i RS232 nie są w pełni kompatybilne. Możesz zbudować bramę między interfejsami RS232 i RS485, ale zwykle zobaczysz protokół RS485 łączący się bezpośrednio z portami USB lub Ethernet.
Urządzenia wykorzystujące porty RS485 zazwyczaj wykorzystują protokół Modbus i zapewniają transmisję half-duplex po linii zrównoważonej na odległość do 1200 m. System półdupleksowy składa się z jednego lub większej liczby nadajników i odbiorników, przy czym tylko jeden nadajnik może być aktywny w danej chwili. Komunikacja jest realizowana przez nadajnik wysyłający żądanie skierowane do określonego odbiornika. Nadajnik następnie czeka na odpowiedź z góry określony czas lub decyduje, że żadna odpowiedź nie będzie nadchodzić od odbiornika.
Sieć RS485 jest zbudowana w oparciu o strukturę master/slave. Master pełni rolę nadajnika, wysyłając żądania do wyznaczonego urządzenia podrzędnego, które działa jako odbiornik. Master nasłuchuje odpowiedzi i jeśli nie zostanie ona uzyskana w odpowiednim czasie, zakończy komunikację. W sieci Modbus RS485 komunikacja rozpoczyna się, gdy urządzenie nadrzędne wysyła zapytanie do podłączonego urządzenia podrzędnego. Urządzenie podrzędne spędza czas na monitorowaniu sieci pod kątem zapytań skierowanych specjalnie do niego. Po odebraniu zapytania wykona akcję lub odpowie odpowiedzią do wzorca. Zapytania są inicjowane tylko przez urządzenie główne.
Protokół Modbus daje masterowi możliwość adresowania komunikatów do określonych urządzeń slave lub jednoczesnej komunikacji ze wszystkimi urządzeniami slave. Odbywa się to za pomocą specjalnego adresu „Broadcast”. Niektóre produkty, takie jak Integra i SPR, nie obsługują tego adresu rozgłoszeniowego. Operacje odczytu i zapisu są przesyłane przez komunikaty Modbus za pomocą cewek. Cewka składa się z 16-bitowych słów i rejestrów binarnych. Urządzenie podrzędne może odpowiedzieć tylko na otrzymaną wiadomość i nigdy nie inicjuje komunikacji z urządzeniem nadrzędnym.
Każde urządzenie podrzędne podłączone równolegle do magistrali RS485 ma przypisany unikalny identyfikator urządzenia podrzędnego Modbus. Cała komunikacja Modbus rozpoczyna się od wysłania identyfikatora urządzenia podrzędnego w celu powiadomienia urządzenia podrzędnego o przyjęciu zapytania lub poinformowania urządzenia nadrzędnego, które urządzenie dostarczyło odpowiedź. W ten sam sposób, w jaki działa łączność RS232, urządzenia podrzędne i główne muszą być poprawnie skonfigurowane. Parametry takie jak prędkość i parzystość muszą być synchronizowane w całej sieci.
Format komunikatu używany w komunikacji Modbus między urządzeniem nadrzędnym a urządzeniem podrzędnym jest zdefiniowany w protokole:
- Zapytanie Modbus składa się z adresu urządzenia (lub rozgłoszeniowego), kodu funkcji definiującego żądaną akcję, danych zwracanych wraz z żądaniem oraz pole sprawdzania błędów.
- Odpowiedź Modbus składa się z pól potwierdzających podjęcie żądanej akcji, danych przesłanych wraz z odpowiedzią oraz pola sprawdzania błędów. Urządzenie podrzędne utworzy komunikat o błędzie jako odpowiedź, jeśli nie będzie w stanie spełnić żądania lub jeśli błędy wpłynęły na odbiór komunikatu.
Tryb Modbus RTU (Remote Terminal Unit) przesyła komunikaty w innym formacie. W tym przypadku wiadomość 8-bitowa zawiera dwa 4-bitowe znaki szesnastkowe. Dane korzystające z tego trybu transmisji muszą być przesyłane w ciągłym strumieniu i zapewniają lepszą przepustowość przy porównywalnej szybkości transmisji niż tryb ASCII.
Terminator magistrali sieciowej Modbus lub NBT
Większość magistrali komunikacyjnych, których używamy, jest specyfikowana z myślą o terminacji magistrali sieciowej (NBT) lub zwanej także końcem linii (EoL). Jest to rezystor terminujący linię używany w kablu komunikacyjnym RS485/Modbus RTU. Odbicie w linii transmisyjnej jest wynikiem nieciągłości impedancji, którą widzi fala biegnąca, gdy rozchodzi się wzdłuż linii. Aby zminimalizować odbicia od końca kabla sieciowego, wymagane jest umieszczenie zakończenia linii w pobliżu każdego z 2 końców magistrali. NBT należy zainstalować na ostatnim urządzeniu w pętli. Niektóre urządzenia Sentera zapewniają wewnętrzną zworkę NBT, najnowsze projekty oferują rejestr wstrzymania Modbus (HR 9), w którym NBT można ustawić lub nie aktywować zakończenia linii sieciowej.
Terminatory magistrali nie zawsze są wymagane
W terenie te zakończenia nie zawsze są obecne, zwłaszcza w przypadku krótkich serii. Czy ich potrzebujemy? Istnieje analogia, która ilustruje, dlaczego potrzebujemy zakończeń linii: autobus zachowuje się jak lina trzymana między dwiema osobami. Kiedy jedna osoba chce porozmawiać, wysyła impulsy w dół liny w kierunku partnera. Druga osoba czuje te pulsy i domyśla się, co oznacza wiadomość. Te impulsy nie znikają jednak, odbijają się z powrotem na osobie, która je wyrzuciła. Będzie odbijać się w tę iz powrotem, za każdym razem nieco słabiej, gdy pochłoną ją straty. Te refleksje są mylące dla obu osób, które marnują czas na próby odszyfrowania tej fałszywej wiadomości w kółko. Magistrala zakończona na obu końcach jest jak lina zamocowana po obu stronach za pomocą sprężyn. Kiedy impulsy dotrą do końca, osoba tam przebywająca może je wyczuć, a następnie impulsy są absorbowane przez sprężyny. Jeśli sprężyny są odpowiednio dobrane, impulsy będą „całkowicie wytłumione” i nie będzie odbicia wstecznego.
Ponieważ zwykle używamy RS-485, zakończenie linii jest wybierane na podstawie czegoś, co nazywa się impedancją charakterystyczną używanego kabla. To jest coś, co producent stempluje na pudełku, w którym kabel jest dostarczany, więc nie jest to tajemnicą. Zwykle używamy około 108-120 omów. Nie musisz używać dokładnie tej wartości, ale staraj się być blisko i nie używaj rezystorów, które są znacznie mniejsze!
Czy zawsze potrzebujesz zakończenia linii? Nie, naprawdę nie. Zależy to od dwóch rzeczy: szybkości komunikacji (szybkości transmisji) i długości magistrali. Im niższa szybkość transmisji, tym mniej odbicia będzie miało znaczenie. Im większa odległość, tym większe znaczenie będzie miało odbicie. Autobusy dużych prędkości są znacznie bardziej wrażliwe, ponieważ wszystko dzieje się w znacznie mniejszej skali czasowej. Pojedynczy bit przesyłany z szybkością 38400 bps trwa tylko 26 mikrosekund. Dla 9600 bps to 104 mikrosekundy. Skok napięcia w niewłaściwym miejscu, który trwa przez długość jednego bitu, może spowodować błędy komunikacji. Dłuższe autobusy są bardziej wrażliwe na odbicie, ponieważ każde odbicie będzie miało tendencję do rozpraszania się po kilku przejazdach tam iz powrotem w autobusie. W przypadku dłuższego autobusu rozpraszanie trwa dłużej. Jeśli jest wystarczająco długi, kontrolerzy mogą wysyłać nowe wiadomości na magistrali, podczas gdy starsze odbicia wciąż się odbijają.
Wytyczne dotyczące okablowania dla sieci Modbus
Sieć Modbus RS485 RTU łączy urządzenie nadrzędne z jednym lub większą liczbą urządzeń podrzędnych. Odtąd urządzenia Slave będziemy uważać za przyrządy pomiarowe z komunikacją szeregową, nawet jeśli okablowanie jest podobne dla wszystkich urządzeń Modbus. 9 głównych zasad, których należy przestrzegać przy okablowaniu tego typu sieci:
1. Port połączenia
Każde urządzenie posiada port komunikacyjny z 2 sygnałami, które są oznaczone jako A i /B. Te dwa sygnały łączą kabel komunikacyjny, dzięki czemu wszystkie urządzenia biorące udział w komunikacji są połączone równolegle. Wszystkie zaciski „A” muszą być ze sobą połączone, a wszystkie zaciski „/B” odpowiednio ze sobą połączone. Aby uniknąć błędów w przypadku podłączenia wielu urządzeń, należy użyć przewodów tego samego koloru do podłączenia zacisków A oraz przewodów tego samego koloru do wszystkich połączeń do zacisków /B różnych urządzeń (np. niebieski (/zielono-biały) dla A i zielony(/niebiesko-biały) dla /B). Notatka: Zamiana połączeń 'A' i '/B' urządzenia nie tylko uniemożliwia jego komunikację, ale może również uniemożliwić działanie całego systemu komunikacyjnego z powodu nieprawidłowego napięcia stałego (polaryzacji) występującego na złączach nieprawidłowo podłączonego urządzenia. Ułatwia to identyfikację błędów w okablowaniu.
2. Połączenie między urządzeniami
W przeciwieństwie do tego, co dzieje się w wielu systemach dystrybucji energii, ważny jest sposób, w jaki urządzenia są połączone równolegle. System RS485 używany do komunikacji Modbus zapewnia główny kabel (magistrala lub szkielet), do którego należy podłączyć wszystkie urządzenia możliwie jak najkrótszymi odgałęzieniami. Uwaga: całkowita długość nie może przekraczać 1200 m! Dłuższe linie komunikacyjne sieci mogą powodować odbicia sygnału i generować zakłócenia, aw konsekwencji błędy w odbiorze danych.
3. Maksymalna odległość i maksymalna liczba urządzeń
Kabel główny nie może być dłuższy niż 700 m! Odległość ta nie obejmuje gałęzi (które jednak muszą być krótkie). Maksymalna liczba urządzeń, które można podłączyć do głównego kabla wynosi 247, wliczając Master. Uwaga: Należy pamiętać o maksymalnym poborze prądu i liczbie urządzeń, gdy podczas okablowania używany jest PoM (Power over Modbus). Zawsze sprawdzaj informacje w arkuszu danych artykułów używanych w sieci.
4. Wykorzystanie repeaterów
W celu zwiększenia zasięgu sieci Modbus można zastosować repeatery z urządzeniami wzmacniającymi i regenerującymi sygnał wyposażonymi w dwa porty komunikacyjne, które przesyłają do każdego to, co otrzymują od drugiego. Za pomocą repeatera główny kabel jest podzielony na różne segmenty i łączy 32 urządzenia (ta liczba obejmuje repeatery). Maksymalna liczba repeaterów, które powinny być połączone szeregowo to 3. Większa liczba wprowadza nadmierne opóźnienia w systemie komunikacji.
5. Rodzaj używanego kabla
Kabel, który ma być użyty, to ekranowana skrętka dwużyłowa, taka jak kabel UTP kat. 5e lub kat. 6, ale można użyć różnych typów kabli o równoważnych właściwościach. Bliźniak składa się z dwóch skręconych ze sobą przewodów. Ekran może być pleciony (utworzony przez siatkę cienkich drutów przewodzących) lub być folią (składającą się z blachy owiniętej wokół przewodników). Uwaga: Taki układ zwiększa odporność na zakłócenia elektromagnetyczne, ponieważ kabel tworzy szereg kolejnych zwojów, z których każdy jest skierowany w kierunku przeciwnym do poprzedniego. W ten sposób każde pole magnetyczne otoczenia przechodzi przez każdą parę cewek w przeciwnych kierunkach, a jego efekt jest bardzo zmniejszony (teoretycznie wpływ na każdą cewkę jest dokładnie odwrotny do wpływu na następną, więc efekt jest anulowany)
6. Podłączanie urządzeń
W niektórych krajach dozwolone jest podłączanie dwóch kabli do tego samego zacisku śrubowego. W takim przypadku możliwe jest podłączenie głównego zacisku wlotowego i wylotowego bezpośrednio do zacisków artykułu bez tworzenia rozgałęzienia. Z drugiej strony, jeśli każdy terminal może przyjąć tylko jeden kabel, należy utworzyć odpowiednie odgałęzienie przy użyciu trzech zacisków pomocniczych dla każdego podłączanego artykułu. Skonsultuj się z naszymi sprzedawcami, aby wybrać odpowiedni adapter (np. ADPT-3RJ-TB). W przypadku łączenia urządzeń ze skrętką ekranowaną i złączami RJ45 nie ma takiego problemu.
7. Uziemienie ekranu Ekran
kabla należy uziemić tylko w jednym punkcie. Zwykle to połączenie jest wykonywane na jednym końcu głównego kabla.
8 . Magistrala sieciowaRezystancja końcowa
Aby uniknąć odbić sygnału, na każdym końcu głównego kabla należy zamontować rezystancję końcową 120 omów. Rezystancję końcową należy stosować tylko na końcach głównego kabla. Jeśli całkowita długość głównego kabla jest mniejsza niż 50 m, można uniknąć rezystancji końcowych na końcach głównego kabla.
9. Połączenie z komputerem PC lub SenteraWeb
Jeśli używanym urządzeniem nadrzędnym jest komputer osobisty lub gdy okablowanie sieciowe wymaga sprawdzenia przed uruchomieniem, konwerter szeregowy USB na RS485 (CNVT-USB-RS485-V2) zapewnia połączenie z magistralą w celu sprawdzenia poprawności okablowania i funkcjonalności. W przypadku, gdy potrzebne jest połączenie z Internetem, bramkę internetową można wstawić do sieci Modbus RTU jako most komunikacyjny do połączenia z SenteraWeb. Ta opcja daje pełną swobodę łączenia się z zainstalowanymi urządzeniami z dowolnej lokalizacji. Aby uzyskać prawidłowe kody artykułów, skonsultuj się bezpośrednio z naszym działem sprzedaży.