Modbus ist ein serielles Kommunikationsprotokoll. Modbus hat sich zu einem de facto-Standard-Kommunikationsprotokoll entwickelt und ist heute eine allgemein verfügbare Methode zur Verbindung industrieller elektronischer Geräte. Die Hauptgründe für den Einsatz von Modbus in der industriellen Umgebung sind:

• mit Blick auf industrielle Anwendungen entwickelt,

• offen veröffentlicht und lizenzgebührenfrei,

• einfach zu implementieren und zu warten,

• überträgt Rohbits oder -wörter, ohne viele Einschränkungen für Hersteller festzulegen.

Modbus ermöglicht die Kommunikation zwischen vielen Geräten, die mit demselben Netzwerk verbunden sind, zum Beispiel ein System, das Temperatur und Luftfeuchtigkeit misst und die Ergebnisse an eine Steuerungs-/Überwachungseinheit übermittelt.

Protokollversionen

Derzeit unterstützt Didactum die folgenden Modbus-Versionen:

Modbus RTU - Dieses wird in der seriellen Kommunikation verwendet und nutzt eine kompakte, binäre Darstellung der Daten für die Protokollkommunikation. Das RTU-Format ergänzt Befehle/Daten mit einer zyklischen Redundanzprüfung (CRC) als Fehlerprüfmechanismus, um die Zuverlässigkeit der Daten sicherzustellen. Modbus RTU ist die am häufigsten verwendete Implementierung von Modbus. Eine Modbus-RTU-Nachricht muss kontinuierlich ohne Unterbrechungen zwischen den Zeichen übertragen werden. Modbus-Nachrichten werden durch Leerlauf- (stille) Zeiten eingerahmt (getrennt).

Kommunikation und Geräte

Jedes Gerät, das über Modbus kommunizieren soll, erhält eine eindeutige Adresse. In seriellen und MB+-Netzwerken darf nur der als Master zugewiesene Knoten einen Befehl initiieren. In Ethernet-Netzwerken kann jedes Gerät einen Modbus-Befehl senden, obwohl in der Regel nur ein Master-Gerät dies tut (Modbus TCP/IP wird von Didactum in naher Zukunft unterstützt). 

Ein Modbus-Befehl enthält die Modbus-Adresse des Zielgeräts (1 bis 247). Nur das adressierte Gerät reagiert auf den Befehl, auch wenn andere Geräte ihn empfangen können (eine Ausnahme bilden spezielle Broadcast-Befehle an Knoten 0, die ausgeführt, aber nicht quittiert werden). Alle Modbus-Befehle enthalten Prüfsummeninformationen, damit der Empfänger Übertragungsfehler erkennen kann. Die grundlegenden Modbus-Befehle können eine RTU anweisen, den Wert in einem ihrer Register zu ändern, einen I/O-Port zu steuern oder auszulesen und das Gerät anweisen, einen oder mehrere in seinen Registern enthaltene Werte zurückzusenden.

RS-485

RS-485 wird als physikalische Schicht verwendet, die vielen Standard- und proprietären Automatisierungsprotokollen zugrunde liegt, die zur Implementierung industrieller Steuerungssysteme eingesetzt werden, einschließlich der gängigsten Modbus-Versionen.

RS-485, auch bekannt als TIA-485(-A), EIA-485, ist ein Standard, der die elektrischen Eigenschaften von Treibern und Empfängern für den Einsatz in seriellen Kommunikationssystemen definiert. Die elektrische Signalübertragung ist symmetrisch, und Mehrpunkt-Systeme werden unterstützt. Der Standard wird gemeinsam von der Telecommunications Industry Association und der Electronic Industries Alliance (TIA/EIA) veröffentlicht. Digitale Kommunikationsnetzwerke, die diesen Standard implementieren, können effektiv über große Entfernungen und in elektrisch störbehafteten Umgebungen eingesetzt werden. Mehrere Empfänger können in einem linearen Mehrpunkt-Bus an ein solches Netzwerk angeschlossen werden. Diese Eigenschaften machen RS-485 nützlich für industrielle Steuerungssysteme und ähnliche Anwendungen.

RS-485 überträgt digitale Informationen zwischen vielen Objekten. RS-485 ist dafür ausgelegt, diese Informationen über beträchtliche Entfernungen zu übertragen, und 1000 Meter liegen gut innerhalb seiner Möglichkeiten. Die Entfernung und die Datenübertragungsrate, mit der RS-485 erfolgreich eingesetzt werden kann, hängen von vielen Faktoren bei der Entwicklung der Systemverkabelung ab.

Die RS-485-Differenzleitung besteht aus drei Pins:

• Data A , welches bei logischer 1 niedrig und bei logischer 0 hoch ist.

• Data B, welches bei logischer 1 hoch und bei logischer 0 niedrig ist.

• Signalmasse auch bekannt als GND auch bekannt als COM auch bekannt als Referenz-Pin.

Was sind die Datenleitungen?

RS-485 ist ein differentielles Signalverfahren. Das bedeutet, dass dieselben Daten auf beiden Leitungen übertragen werden, jedoch mit exakt entgegengesetzter Polarität. Wenn auf einer Leitung logisch 1 anliegt, liegt auf der anderen logisch 0 an, und dies geschieht mit hoher Geschwindigkeit (der Baudrate). Durch das Führen dieser beiden entgegengesetzten Signale über ein verdrilltes Adernpaar können hohe Datenraten über große Entfernungen erreicht werden, da eingekoppeltes Rauschen in beide entgegengesetzt gepolten Signale gleichermaßen einwirkt und sich dadurch aufhebt.

Warum benötige ich eine Signalmasse?

Sie benötigen eine Signalmasse oder Referenz, da Daten elektrisch übertragen werden (durch sehr schnelles Schalten), und Elektrizität immer einen Rückstrompfad benötigt, um zu funktionieren. Die Datenübertragung benötigt wie alles andere, das mit Elektrizität betrieben wird, einen Rückstrompfad. Deshalb hat die Batterie in Ihrem Auto oder Lkw zwei Pole. Sie wissen bereits, wie schnell Ihr Auto oder Lkw startet, wenn nur ein Batteriepol angeschlossen ist. Ihre Datenübertragung wird ohne einen vollständigen Stromkreis ebenfalls nicht funktionieren. 

Aber mein Kabel ist geschirmt und an einem Ende geerdet…

Eine Kabelabschirmung stellt keine Signalmasse dar! Wenn Sie die Abschirmung nur an einem Punkt angeschlossen haben, haben Sie zwar eine saubere Verdrahtung, aber keine Signalmasse, wenn kein dritter Leiter an beiden Enden angeschlossen ist. Wenn Sie die Abschirmung als Leiter zählen, benötigen Sie insgesamt vier Leiter.

Warum funktioniert es manchmal mit 2 Leitungen?

Es hat auf meinem Prüfstand funktioniert, aber im Feld überhaupt nicht. Warum? Nur weil Sie die Signalmasse nicht sehen, bedeutet das nicht, dass sie nicht vorhanden ist. Wenn die Geräte über nahegelegene Netzteile eine gemeinsame Masse haben, funktionieren 2 Leitungen bei RS-485 oft. Ohne jegliche Masse funktioniert RS-485 manchmal über kurze Entfernungen, jedoch meist unzuverlässig (oder gerade so zuverlässig, dass es täuscht). In diesem Fall erzeugt der RS-485-Transceiver-Chip seinen eigenen „virtuellen“ Massepfad durch Ströme innerhalb der Halbleiter, aus denen der Transceiver besteht.

Der RS-485-Transceiver funktioniert mit dieser „virtuellen Masse“, solange nur wenige Volt Gleichtaktspannung anliegen. Bei mehr als einigen Volt werden die Grenzen dieser Fähigkeit überschritten. Die tatsächlich zulässige Gleichtaktspannung ist in den Datenblättern der Hersteller angegeben. Für praktische Zwecke sollte man sie im Interesse der Zuverlässigkeit jedoch als nahe null betrachten.

Was ist mit Erdschleifen beim Anschluss der Signalmasse?

Erdschleifen sind definitiv ein Problem. Ist das Gleichtaktpotenzial groß, wird auch der Erdschleifenstrom groß. Und wenn dieser groß ist, wird etwas wie eine Sicherung durchbrennen. Ist es nicht die Leitung, dann eine Leiterbahn auf einer Platine (die meist schneller durchbrennt).

Um den Erdschleifenstrom zu begrenzen, empfiehlt die TIA/EIA-485-Spezifikation einen 100-Ohm-Widerstand in Serie zwischen jeder Signalmasseverbindung. Dadurch wird eine ausreichende Signalmasse bereitgestellt, um Gleichtaktpotenzialunterschiede auszugleichen, während der Strom begrenzt wird. Bei hohen Gleichtaktpotenzialen wird dieser Widerstand jedoch selbst zur „Sicherung“.

Wie löst man das Problem bei hohen Gleichtaktpotenzialen?

Es gibt nur eine Lösung: optisch isolierte RS-485-Repeater. Diese besitzen auf jeder Seite zwei Datenleitungen und jeweils eine eigene Signalmasse. Intern sind zwei galvanisch getrennte Spannungsversorgungen erforderlich, häufig wird eine davon über einen Transformator erzeugt. Die Datenübertragung erfolgt über Optokoppler. Typische Isolationswerte liegen zwischen 500 und 2000 Volt, sodass große Potenzialunterschiede toleriert werden.

Wie sieht eine korrekte RS-485-Verdrahtung aus?

Die wichtigsten Fehler entstehen durch fehlende Signalmasse. Eine korrekte RS-485-Installation folgt einer klaren Busstruktur.

Welche Art von Kabel benötige ich?

Entscheidend ist ein verdrilltes Adernpaar für die Datenleitungen. Ohne dieses wird die Störunterdrückung nicht erreicht. Da ein einzelnes Paar mit zusätzlichem Leiter unüblich ist, werden meist zwei verdrillte Paare verwendet.

Geschirmte Kabel werden empfohlen, da sie vor Störungen schützen. Der Nutzen steigt mit zunehmender Störbelastung.

Typisch ist ein Leiterquerschnitt von etwa 22 AWG. Wichtiger als der genaue Wert sind niedrige Widerstands- und Kapazitätswerte. Für größere Entfernungen ist hochwertige Leitung entscheidend.

Wie verbinde ich mehrere Geräte?

Geräte dürfen nur in einer durchgehenden Daisy-Chain-Struktur verbunden werden. Abzweigungen („Stubs“) müssen möglichst kurz sein oder vermieden werden.

Was ist Terminierung und brauche ich sie?

Ja. An beiden Enden der Leitung muss jeweils ein 120-Ohm-Widerstand zwischen den Datenleitungen installiert werden, um Reflexionen zu vermeiden.

Leitungs-Bias.

Ohne Bias können UARTs Fehlstarts erkennen. Die Modbus-Erweiterungsplatine besitzt einen integrierten Line-Bias, der dauerhaft aktiv ist.

Was kann noch schiefgehen? Polarität prüfen.

Die Bezeichnungen A und B sind nicht einheitlich. Daher kann eine Vertauschung vorliegen. Falls keine Kommunikation stattfindet, sollten die Leitungen testweise getauscht werden.

Es darf nur einen Modbus-RTU-Master geben.

Modbus RTU ist ein Master/Slave-System mit genau einem Master. Alle anderen Geräte sind Slaves und benötigen eindeutige Adressen.

Einige Geräte simulieren mehrere Master, dies ist jedoch nicht standardkonform.

Wie viele Geräte sind möglich?

Maximal 32 Geräte, empfohlen werden jedoch höchstens 16.