Vad ska jag vara uppmärksam på när jag skapar ett Modbus RTU-nätverk?
Vad är (RS485) Modbus RTU-kommunikation?
Modbus RTU är ett öppet seriellt protokoll som härrör från master/slave-arkitekturen (nu klient/server) som ursprungligen utvecklades av Modicon (nu Schneider Electric). Det är ett allmänt accepterat seriellt protokoll på grund av dess användarvänlighet och tillförlitlighet. Modbus RTU används ofta inom Building Management Systems (BMS) och Industrial Automation Systems (IAS). Modbus RTU-meddelanden är en enkel 16-bitarsstruktur med en cyklisk redundant kontrollsumma. Enkelheten i dessa meddelanden garanterar tillförlitlighet. På grund av denna enkelhet kan den grundläggande 16-bitars Modbus RTU-registerstrukturen användas för att packa in flyttal, tabeller, ASCII-text, köer och andra orelaterade data. Protokollet använder främst seriella RS-232- eller RS-485-gränssnitt för kommunikation och stöds av alla kommersiella SCADA-, HMI-, OPC-server- och datainsamlingsprogram på marknaden. Det gör det mycket enkelt att integrera Modbus-kompatibel utrustning i nya eller befintliga övervaknings- och kontrollapplikationer.
Modbus RTU är ett öppet seriellt protokoll som härrör från master/slave-arkitekturen (nu klient/server) som ursprungligen utvecklades av Modicon (nu Schneider Electric). Det är ett allmänt accepterat seriellt protokoll på grund av dess användarvänlighet och tillförlitlighet. Modbus RTU används ofta inom Building Management Systems (BMS) och Industrial Automation Systems (IAS). Modbus RTU-meddelanden är en enkel 16-bitarsstruktur med en cyklisk redundant kontrollsumma. Enkelheten i dessa meddelanden garanterar tillförlitlighet. På grund av denna enkelhet kan den grundläggande 16-bitars Modbus RTU-registerstrukturen användas för att packa in flyttal, tabeller, ASCII-text, köer och andra orelaterade data. Protokollet använder främst seriella RS-232- eller RS-485-gränssnitt för kommunikation och stöds av alla kommersiella SCADA-, HMI-, OPC-server- och datainsamlingsprogram på marknaden. Det gör det mycket enkelt att integrera Modbus-kompatibel utrustning i nya eller befintliga övervaknings- och kontrollapplikationer.
RS485 är ett protokoll som liknar RS232 och som används för att implementera seriell datakommunikation. De två protokollen använder olika elektriska signaler för att möjliggöra dataöverföring. En av anledningarna till att RS485-gränssnitt används i industriella miljöer är dess förmåga att betjäna flera enheter som är anslutna till samma buss. Det gör att man inte behöver ha flera gränssnitt tillgängliga när man vill ställa frågor till flera enheter. Detta kan göras genom att använda en bussterminator, flytta en omkopplare eller med ett litet motstånd som skruvas fast på en terminal. Man måste vara noga med att rätt gränssnitt används eftersom RS485- och RS232-protokollen inte är helt kompatibla. Det går att konstruera en gateway mellan RS232- och RS485-gränssnitt, men vanligtvis ansluts RS485-protokollet direkt till USB- eller Ethernet-portar. Den här billigare lösningen innebär att inga ytterligare komponenter behöver användas.
Enheter som använder RS485-portar använder vanligtvis Modbus-protokollet och ger halvduplexöverföring på en balanserad linje som täcker avstånd på upp till 1200 m. Ett halvduplexsystem består av en eller flera sändare och mottagare där endast en sändare kan vara aktiv åt gången. Kommunikationen sker genom att en sändare gör en förfrågan riktad till en specifik mottagare. Sändaren väntar sedan en förutbestämd tid på ett svar eller beslutar att inget svar kommer att komma från mottagaren.
Ett RS485-nätverk är uppbyggt enligt master/slave-principen. Mastern fungerar som sändare och skickar förfrågningar till en utsedd slav som fungerar som mottagare. Mastern lyssnar efter svaret och om det inte kommer inom en lämplig tidsram avslutas kommunikationen. I ett Modbus RS485-nätverk börjar kommunikationen när masterenheten skickar en fråga till en ansluten slav. En slavenhet tillbringar sin tid med att övervaka nätverket efter frågor som är specifikt adresserade till den. När en fråga tas emot kommer den antingen att utföra en åtgärd eller svara med ett svar till masterenheten. Förfrågningar initieras endast av masterenheten.
Ett RS485-nätverk är uppbyggt enligt master/slave-principen. Mastern fungerar som sändare och skickar förfrågningar till en utsedd slav som fungerar som mottagare. Mastern lyssnar efter svaret och om det inte kommer inom en lämplig tidsram avslutas kommunikationen. I ett Modbus RS485-nätverk börjar kommunikationen när masterenheten skickar en fråga till en ansluten slav. En slavenhet tillbringar sin tid med att övervaka nätverket efter frågor som är specifikt adresserade till den. När en fråga tas emot kommer den antingen att utföra en åtgärd eller svara med ett svar till masterenheten. Förfrågningar initieras endast av masterenheten.
Modbus-protokollet ger mastern möjlighet att välja mellan att adressera meddelanden till specifika slavenheter eller att kommunicera med alla slavar samtidigt. Detta görs med hjälp av en speciell ”Broadcast”-adress. Vissa produkter, t.ex. från Integra och SPR, stöder inte användningen av denna broadcast-adress. Läs- och skrivoperationer skickas genom Modbus-meddelanden med hjälp av spolar. En coil består av 16-bitars ord och binära register. En slav kan bara svara på ett mottaget meddelande och aldrig initiera kommunikation med mastern.
Varje parallellt ansluten slavenhet till RS485-bussen tilldelas ett unikt Modbus-slav-ID. All Modbus-kommunikation börjar med att slav-ID:t skickas, antingen för att meddela en slavenhet att den accepterar en förfrågan eller för att informera mastern om vilken enhet som har svarat. På samma sätt som RS232-anslutning fungerar måste slav- och masterenheter konfigureras korrekt. Parametrar som hastighet och paritet måste synkroniseras i hela nätverket.
Det meddelandeformat som används i Modbus-kommunikation mellan master och slav definieras i protokollet:
- En Modbus-förfrågan består av enhetens adress (eller broadcast-adress), en funktionskod som definierar den begärda åtgärden, data som returneras med förfrågan och ett fält för felkontroll.
- Ett Modbus-svar består av fält som verifierar att den begärda åtgärden har utförts, data som skickas med svaret och ett fält för felkontroll. Slavenheten kommer att skapa ett felmeddelande som svar om den inte kan uppfylla begäran eller om fel har påverkat mottagandet av meddelandet.
Modbus RTU-läge (Remote Terminal Unit) sänder meddelanden i ett annat format. Här innehåller ett 8-bitars meddelande två 4-bitars hexadecimala tecken. Data i det här överföringsläget måste skickas i en kontinuerlig ström och ger bättre genomströmning för en jämförbar baudhastighet än ASCII-läget.
- En Modbus-förfrågan består av enhetens adress (eller broadcast-adress), en funktionskod som definierar den begärda åtgärden, data som returneras med förfrågan och ett fält för felkontroll.
- Ett Modbus-svar består av fält som verifierar att den begärda åtgärden har utförts, data som skickas med svaret och ett fält för felkontroll. Slavenheten kommer att skapa ett felmeddelande som svar om den inte kan uppfylla begäran eller om fel har påverkat mottagandet av meddelandet.
Modbus RTU-läge (Remote Terminal Unit) sänder meddelanden i ett annat format. Här innehåller ett 8-bitars meddelande två 4-bitars hexadecimala tecken. Data i det här överföringsläget måste skickas i en kontinuerlig ström och ger bättre genomströmning för en jämförbar baudhastighet än ASCII-läget.
Modbus nätverksbussterminering eller NBT
De flesta av de kommunikationsbussar vi använder är specificerade med Network Bus Termination (NBT) eller även kallat End of Line (EoL) i åtanke. Det är ett linjeavslutningsmotstånd som används för RS485/ Modbus RTU-kommunikationskabeln. En reflektion i en transmissionslinje är resultatet av en impedansdiskontinuitet som en vandrande våg ser när den fortplantar sig längs linjen. För att minimera reflektionerna från nätverkskabelns ände måste en linjeavslutning placeras nära var och en av bussens två ändar. NBT bör installeras på den sista enheten på slingan. Vissa Sentera-enheter har en intern NBT-bygel, de senaste konstruktionerna erbjuder ett Modbus-hållregister (HR 9) där NBT kan ställas in eller inte för att aktivera nätverkslinjeavslutningen. Om NBT-bygeln eller registerkontrollen inte är tillgänglig på enheten ska ett 120Ω 1/2 W-motstånd mellan differentialparet placeras.
De flesta av de kommunikationsbussar vi använder är specificerade med Network Bus Termination (NBT) eller även kallat End of Line (EoL) i åtanke. Det är ett linjeavslutningsmotstånd som används för RS485/ Modbus RTU-kommunikationskabeln. En reflektion i en transmissionslinje är resultatet av en impedansdiskontinuitet som en vandrande våg ser när den fortplantar sig längs linjen. För att minimera reflektionerna från nätverkskabelns ände måste en linjeavslutning placeras nära var och en av bussens två ändar. NBT bör installeras på den sista enheten på slingan. Vissa Sentera-enheter har en intern NBT-bygel, de senaste konstruktionerna erbjuder ett Modbus-hållregister (HR 9) där NBT kan ställas in eller inte för att aktivera nätverkslinjeavslutningen. Om NBT-bygeln eller registerkontrollen inte är tillgänglig på enheten ska ett 120Ω 1/2 W-motstånd mellan differentialparet placeras.
Bussterminatorer är inte alltid nödvändiga
I fält är dessa termineringar inte alltid närvarande, särskilt inte i korta förgreningar. Behöver vi dem? Det finns en analogi som illustrerar varför vi behöver ändterminaler: en buss beter sig som ett rep som hålls mellan två personer. När den ena personen vill prata piskar han pulser ner i repet mot sin partner. Den andra personen känner dessa pulser och räknar ut vad meddelandet betyder. Pulserna försvinner dock inte, utan reflekteras tillbaka till den person som piskade dem längs linan. Det kommer att fortsätta reflektera fram och tillbaka, lite svagare varje gång som förluster äter upp det. Dessa reflektioner är förvirrande för båda parter, som slösar tid på att försöka avkoda detta falska budskap om och om igen. En buss som är terminerad i båda ändar är som ett rep som är fäst med fjädrar på båda sidor. När pulserna når ändan kan personen där känna dem och sedan absorberas pulserna av fjädrarna. Om fjädrarna är av rätt storlek blir pulserna ”helt dämpade” och det blir ingen reflektion tillbaka.
Eftersom vi vanligtvis använder RS-485 väljs termineringen i slutet av linjen baserat på något som kallas den karakteristiska impedansen för den kabel du använder. Det här är något som tillverkaren stämplar på lådan som kabeln kommer i, så det är ingen hemlighet. Vanligtvis använder vi något runt 108-120 ohm. Du behöver inte använda exakt det värdet, men försök att ligga nära och använd inte motstånd som är mycket lägre.
I fält är dessa termineringar inte alltid närvarande, särskilt inte i korta förgreningar. Behöver vi dem? Det finns en analogi som illustrerar varför vi behöver ändterminaler: en buss beter sig som ett rep som hålls mellan två personer. När den ena personen vill prata piskar han pulser ner i repet mot sin partner. Den andra personen känner dessa pulser och räknar ut vad meddelandet betyder. Pulserna försvinner dock inte, utan reflekteras tillbaka till den person som piskade dem längs linan. Det kommer att fortsätta reflektera fram och tillbaka, lite svagare varje gång som förluster äter upp det. Dessa reflektioner är förvirrande för båda parter, som slösar tid på att försöka avkoda detta falska budskap om och om igen. En buss som är terminerad i båda ändar är som ett rep som är fäst med fjädrar på båda sidor. När pulserna når ändan kan personen där känna dem och sedan absorberas pulserna av fjädrarna. Om fjädrarna är av rätt storlek blir pulserna ”helt dämpade” och det blir ingen reflektion tillbaka.
Eftersom vi vanligtvis använder RS-485 väljs termineringen i slutet av linjen baserat på något som kallas den karakteristiska impedansen för den kabel du använder. Det här är något som tillverkaren stämplar på lådan som kabeln kommer i, så det är ingen hemlighet. Vanligtvis använder vi något runt 108-120 ohm. Du behöver inte använda exakt det värdet, men försök att ligga nära och använd inte motstånd som är mycket lägre.
Behöver du alltid en terminering i slutet av linjen? Egentligen inte, nej. Det beror på två saker: kommunikationshastighet (baudhastighet) och busslängd. Ju lägre baudhastighet, desto mindre spelar reflektion någon roll. Ju längre avståndet är, desto mer spelar reflektionen roll. Höghastighetsbussar är mycket känsligare eftersom allt sker på en mycket lägre tidsskala. En enda bit som överförs med 38400 bps varar bara 26 mikrosekunder. För en 9600 bps är det 104 mikrosekunder. En spänningsspik på fel ställe som varar lika länge som en bitlängd kan orsaka kommunikationsfel. Längre bussar är känsligare för reflektioner eftersom eventuella reflektioner tenderar att försvinna efter flera resor fram och tillbaka längs bussen. För en längre buss tar denna avledning längre tid. Om den är tillräckligt lång kan styrenheter skicka nya meddelanden på bussen medan de äldre reflektionerna fortfarande studsar runt.
Riktlinjer för kabeldragning i ett Modbus-nätverk
Ett Modbus RS485 RTU-nätverk ansluter en masterenhet till en eller flera slavenheter. Hädanefter kommer vi att betrakta slavenheter som mätinstrument med seriell kommunikation, även om kabeldragningen är likadan för alla Modbus-enheter. 9 huvudregler som måste följas vid kabeldragning i den här typen av nätverk:
Ett Modbus RS485 RTU-nätverk ansluter en masterenhet till en eller flera slavenheter. Hädanefter kommer vi att betrakta slavenheter som mätinstrument med seriell kommunikation, även om kabeldragningen är likadan för alla Modbus-enheter. 9 huvudregler som måste följas vid kabeldragning i den här typen av nätverk:
1. Anslutningsport
Varje enhet har en kommunikationsport med 2 signaler som betecknas med A och /B. Dessa två signaler ansluter kommunikationskabeln så att alla enheter som deltar i kommunikationen är parallellkopplade. Alla ”A”-terminaler måste anslutas till varandra och alla ”/B”-terminaler måste anslutas till varandra. För att undvika fel när många enheter är anslutna bör kablar med samma färg användas för att ansluta A-terminalerna och kablar med samma färg bör användas för alla anslutningar till terminalerna /B på de olika enheterna (t.ex. blå(/grön-vit) för A och grön(/blå-vit) för /B). Obs: Om du inverterar anslutningarna ”A” och ”/B” på en enhet förhindras inte bara kommunikationen utan hela kommunikationssystemet kan också sluta fungera på grund av felaktig likspänning (polarisation) på anslutningarna på den felaktigt anslutna enheten. Detta gör det lättare att identifiera kabeldragningsfel.
Varje enhet har en kommunikationsport med 2 signaler som betecknas med A och /B. Dessa två signaler ansluter kommunikationskabeln så att alla enheter som deltar i kommunikationen är parallellkopplade. Alla ”A”-terminaler måste anslutas till varandra och alla ”/B”-terminaler måste anslutas till varandra. För att undvika fel när många enheter är anslutna bör kablar med samma färg användas för att ansluta A-terminalerna och kablar med samma färg bör användas för alla anslutningar till terminalerna /B på de olika enheterna (t.ex. blå(/grön-vit) för A och grön(/blå-vit) för /B). Obs: Om du inverterar anslutningarna ”A” och ”/B” på en enhet förhindras inte bara kommunikationen utan hela kommunikationssystemet kan också sluta fungera på grund av felaktig likspänning (polarisation) på anslutningarna på den felaktigt anslutna enheten. Detta gör det lättare att identifiera kabeldragningsfel.
2. Anslutning mellan enheter
Till skillnad från vad som är fallet i många energidistributionssystem är det viktigt hur enheterna parallellkopplas. RS485-systemet som används för Modbus-kommunikation har en huvudkabel (buss eller backbone) som alla enheter måste anslutas till med så korta förgreningar som möjligt. Observera: den totala längden får inte vara längre än 1200 m! Längre kommunikationslinjer i nätverket kan orsaka signalreflektioner och generera störningar och därmed fel i mottagningen av data.
Till skillnad från vad som är fallet i många energidistributionssystem är det viktigt hur enheterna parallellkopplas. RS485-systemet som används för Modbus-kommunikation har en huvudkabel (buss eller backbone) som alla enheter måste anslutas till med så korta förgreningar som möjligt. Observera: den totala längden får inte vara längre än 1200 m! Längre kommunikationslinjer i nätverket kan orsaka signalreflektioner och generera störningar och därmed fel i mottagningen av data.
3. Maximalt avstånd och maximalt antal enheter
Huvudkabeln får inte vara längre än 700 m! I detta avstånd ingår inte förgreningarna (som dock måste vara korta). Det maximala antalet enheter som kan anslutas till en huvudkabel är 247, inklusive Master. Observera: Tänk på den maximala strömförbrukningen och antalet enheter när PoM (Power over Modbus) används vid kabeldragningen. Läs alltid databladsinformationen för de artiklar som används i nätverket.
Huvudkabeln får inte vara längre än 700 m! I detta avstånd ingår inte förgreningarna (som dock måste vara korta). Det maximala antalet enheter som kan anslutas till en huvudkabel är 247, inklusive Master. Observera: Tänk på den maximala strömförbrukningen och antalet enheter när PoM (Power over Modbus) används vid kabeldragningen. Läs alltid databladsinformationen för de artiklar som används i nätverket.
4. Användning av repeaters
För att öka omfattningen av Modbus-nätverket kan repeatrar användas med signalförstärkande och regenererande enheter som är försedda med två kommunikationsportar som överför till vardera vad de får från den andra. Med hjälp av en repeater delas huvudkabeln upp i olika segment och ansluter 32 enheter (detta antal inkluderar repeaters). Det maximala antalet repeatrar som ska seriekopplas är 3. Ett högre antal ger för stora fördröjningar i kommunikationssystemet.
För att öka omfattningen av Modbus-nätverket kan repeatrar användas med signalförstärkande och regenererande enheter som är försedda med två kommunikationsportar som överför till vardera vad de får från den andra. Med hjälp av en repeater delas huvudkabeln upp i olika segment och ansluter 32 enheter (detta antal inkluderar repeaters). Det maximala antalet repeatrar som ska seriekopplas är 3. Ett högre antal ger för stora fördröjningar i kommunikationssystemet.
5. Typ av kabel som ska användas
Den kabel som ska användas är skärmad partvinnad kabel typ UTP cat 5e eller cat6, men olika typer av kabel med likvärdiga egenskaper kan användas. Tvillingparet består av två ledare som är tvinnade tillsammans. Skärmen kan vara flätad (bildas av ett nät av tunna ledande trådar) eller vara en folie (består av en metallplåt som lindas runt ledarna). Anm: Detta arrangemang förbättrar immuniteten mot elektromagnetiska störningar eftersom kabeln bildar en serie på varandra följande spolar, där var och en är vänd i motsatt riktning mot nästa. På detta sätt passerar alla magnetfält i omgivningen varje spolpar i motsatt riktning och dess effekt reduceras därmed kraftigt (teoretiskt sett är effekten på varje spole exakt motsatsen till effekten på nästa spole, vilket innebär att effekten upphävs).
Den kabel som ska användas är skärmad partvinnad kabel typ UTP cat 5e eller cat6, men olika typer av kabel med likvärdiga egenskaper kan användas. Tvillingparet består av två ledare som är tvinnade tillsammans. Skärmen kan vara flätad (bildas av ett nät av tunna ledande trådar) eller vara en folie (består av en metallplåt som lindas runt ledarna). Anm: Detta arrangemang förbättrar immuniteten mot elektromagnetiska störningar eftersom kabeln bildar en serie på varandra följande spolar, där var och en är vänd i motsatt riktning mot nästa. På detta sätt passerar alla magnetfält i omgivningen varje spolpar i motsatt riktning och dess effekt reduceras därmed kraftigt (teoretiskt sett är effekten på varje spole exakt motsatsen till effekten på nästa spole, vilket innebär att effekten upphävs).
6. Anslutningsanordningar
I vissa länder är det tillåtet att sätta in två kablar i samma skruvplint. I detta fall är det möjligt att ansluta huvudterminalen för inlopp och utlopp direkt till terminalerna på en artikel utan att skapa en förgrening. Om varje plint däremot bara kan ta emot en enda kabel måste en korrekt förgrening skapas med hjälp av tre extra plintar för varje artikel som ska anslutas. Rådgör med våra säljare om vilken adapterartikel som ska användas (t.ex. ADPT-3RJ-TB). Vid anslutning av enheter med skärmad partvinnad kabel och RJ45-kontakter är det inget sådant problem.
I vissa länder är det tillåtet att sätta in två kablar i samma skruvplint. I detta fall är det möjligt att ansluta huvudterminalen för inlopp och utlopp direkt till terminalerna på en artikel utan att skapa en förgrening. Om varje plint däremot bara kan ta emot en enda kabel måste en korrekt förgrening skapas med hjälp av tre extra plintar för varje artikel som ska anslutas. Rådgör med våra säljare om vilken adapterartikel som ska användas (t.ex. ADPT-3RJ-TB). Vid anslutning av enheter med skärmad partvinnad kabel och RJ45-kontakter är det inget sådant problem.
7. Jordanslutning av skärmen
Kabelskärmen får endast jordas på en punkt. Normalt görs denna anslutning i ena änden av huvudkabeln.
8. Motstånd vid nätverksbussens avslutning
För att undvika signalreflexer måste ett 120 ohms avslutningsmotstånd monteras i varje ände av huvudkabeln. Avslutningsmotståndet får endast användas i huvudkabelns ändar. Om den totala längden på huvudkabeln är mindre än 50 m kan avslutningsmotstånd undvikas i huvudkabelns ändar.
Kabelskärmen får endast jordas på en punkt. Normalt görs denna anslutning i ena änden av huvudkabeln.
8. Motstånd vid nätverksbussens avslutning
För att undvika signalreflexer måste ett 120 ohms avslutningsmotstånd monteras i varje ände av huvudkabeln. Avslutningsmotståndet får endast användas i huvudkabelns ändar. Om den totala längden på huvudkabeln är mindre än 50 m kan avslutningsmotstånd undvikas i huvudkabelns ändar.
9. Anslutning till PC eller SenteraWeb
Om mastern som används är en persondator eller när nätverkskablaget måste verifieras före driftsättning, ger en USB till RS485 seriell omvandlare (CNVT-USB-RS485-V2) anslutning till bussen för att kontrollera korrekt kabeldragning och funktionalitet. Om anslutning till internet behövs kan en Internet Gateway-artikel sättas in i Modbus RTU-nätverket som en kommunikationsbrygga för att ansluta till SenteraWeb. Detta alternativ ger dig fullständig frihet att ansluta till installerade enheter från vilken plats som helst. Vänligen kontakta vår försäljningsavdelning för korrekta artikelkoder.
Om mastern som används är en persondator eller när nätverkskablaget måste verifieras före driftsättning, ger en USB till RS485 seriell omvandlare (CNVT-USB-RS485-V2) anslutning till bussen för att kontrollera korrekt kabeldragning och funktionalitet. Om anslutning till internet behövs kan en Internet Gateway-artikel sättas in i Modbus RTU-nätverket som en kommunikationsbrygga för att ansluta till SenteraWeb. Detta alternativ ger dig fullständig frihet att ansluta till installerade enheter från vilken plats som helst. Vänligen kontakta vår försäljningsavdelning för korrekta artikelkoder.