Hvað er Modbus og hvernig virkar það

1. Umsóknarsviðsmyndir af Modbus

Modbus er opin samskiptaregla, sem þýðir að framleiðendur geta fellt hana inn í tæki sín án þess að greiða einkaleyfisgjöld. Hún hefur orðið staðlað samskiptaregla í iðnaði og er nú algengasta leiðin til að tengja iðnaðarrafeindabúnað, mikið notuð í ýmsum atvinnugreinum hjá mörgum framleiðendum.

Modbus er venjulega notað til að senda merki frá mælitækjum og stjórnbúnaði til aðalstýringa eða gagnasöfnunarkerfa. Til dæmis kerfi sem mælir hitastig og rakastig og sendir mælinganiðurstöðurnar til tölvu.

Modbus er einnig almennt notað til að tengja eftirlitstölvur við fjartengdar tengieiningar (RTU), sem er notað í eftirlitskerfum með stýringu og gagnaöflun (SCADA).

Modbus samskiptareglur eru til með útgáfum sem keyra á raðlínum (Modbus RTU og Modbus ASCII) og Ethernet (Modbus TCP).

1.1 Vinnuregla Modbus

Modbus sendir gögn milli tækja í gegnum raðtengingar. Einfaldasta stillingin er ein raðtengingarsnúra sem tengir raðtengi tveggja tækja: biðlara og netþjóns.

Gögn eru send sem röð af bitum (0s og 1s) og hver biti er sendur með spennu: núll er sent með jákvæðri spennu en einn með neikvæðri spennu. Þessir bitar eru sendir á mjög miklum hraða og dæmigerður sendingarhraði er 9600 baud (bitar á sekúndu).

2. Mismunandi útgáfur af Modbus-samskiptareglur

2.1 Modbus RTU

Modbus RTU (Remote Terminal Unit) er tvíundaútfærsla Modbus samskiptareglnanna. Hún er almennt notuð fyrir raðsamskipti og er vel þekkt fyrir samþjappaða gagnaframsetningu, sem gerir hana skilvirka og hraða. Slík mikil skilvirkni einföldar mjög útfærslu hennar í vélbúnaði. Samskipti samkvæmt þessari samskiptareglu nota efnisleg tengi eins og RS-485 eða RS-232.

Modbus RTU yfir TCP er blendingur af Modbus RTU og Modbus TCP samskiptareglum. Þó að Ethernet sé efnislegi miðillinn fylgir gagnaflutningur RTU sniðinu. Augljós kostur þessarar samsvörunarhamar er að hægt er að flytja upprunalegu RTU-byggðu kerfin yfir á Ethernet með lágmarks uppfærslum á vélbúnaði. Þess vegna velja hönnuðir oft þessa aðferð þegar þeir stækka stjórnunarsviðið til að endurnýta eins mikinn búnað og mannvirki á staðnum og mögulegt er.

2.2 Modbus ASCII

Modbus ASCII (American Standard Code for Information Interchange) er ASCII útfærsla á Modbus samskiptareglunum. Skilvirkni hennar er minni en Modbus RTU, en hún notar lesanlega stafi, þannig að hún er auðveldari í notkun og villuleit.

2.3 Modbus TCP/IP

Modbus TCP/IP er útgáfa af Modbus samskiptareglunum sem keyrir á TCP/IP netum og styður langlínusamskipti milli mismunandi neta.

2.4 Modbus UDP

Modbus UDP (User Datagram Protocol) er útgáfa af Modbus samskiptareglum sem eru send með UDP flutningssamskiptareglum. Hún er óáreiðanlegri en Modbus TCP/IP þar sem hún getur ekki ábyrgst pakkaafhendingu eða rétta sendingaröð, en hún er hraðari og notar minni bandvídd.

2.5 Modbus Plus

Modbus Plus (MB+ eða Modbus+) er einkaleyfisvernduð útgáfa af Modbus samskiptareglunum frá Schneider Electric. Þetta er punkt-til-punkts samskiptareglu sem getur veitt meiri hraða og nákvæmari gagnaflutning samanborið við hefðbundinn Modbus.

3. Samskiptamiðlar sem Modbus notar

3.1RS-232

3.2RS-422

3.3Ethernet

4. Master og Slave í Modbus

4.1 Skilgreining á meistara

Master-einingin er tækið sem hefst við Modbus samskipti. Hún stýrir öllu samskiptaferlinu, sendir beiðnir til þræla og vinnur úr svörunargögnum sem þrælar skila. Einn master-eining getur tengt marga þræla og hver þræll verður að hafa einstakt vistfang.

4.2 Skilgreining á þræli

Þrællinn tekur við beiðnum frá aðalstýringunni og svarar þeim. Þrællinn getur ekki hafið samskipti virkt; hann svarar aðeins þegar aðalstýringin sendir beiðni. Heimilisfang þrælsins er notað til að bera kennsl á staðsetningu hans í samskiptanetinu.

4.3 Eiginleikamunur á milli aðal- og þrælakerfis

Aðalstýringin hefur yfirleitt sterka tölvu- og stjórnunargetu og getur hafið og stjórnað samskiptum við marga þræla samtímis. Þrællinn hefur einfaldari aðgerðir, sem bregst aðeins við beiðnum aðalstýringar og sendir gögn til baka.

4.4 Skipta um hlutverk aðal- og undirkerfis

Hægt er að skipta um hlutverk aðal- og þrælastýringar. Til dæmis getur tæki gegnt hlutverki aðalstýringar til að senda beiðnir til margra þrælastýringa í einu samskiptaferli; í öðru samskiptaferli getur sama tæki gegnt hlutverki þræls til að taka á móti beiðnum frá öðrum aðalstýringum.

5. Hvað er Baud-hraði?

5.1 Skilgreining á Baud-hraða

Baud-hraði, einnig þekktur sem bitahraði, vísar til fjölda bita sem sendir eru á sekúndu í raðsamskiptum. Hann táknar gagnamagn sem sent er á tímaeiningu og einingin er „Baud“ eða bps (bitar á sekúndu).

Staðlaðar baud-tíðni sem Modbus styður:

300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400, 19200, 28800, 38400, 57600, 115200 bps

5.2 Virkni Baud-hraða
Baud-hraði er kjarnaþáttur í raðsamskiptum sem ákvarðar gagnaflutningshraða og skilvirkni samskipta. Nánar tiltekið, því hærri sem baud-hraðinn er, því hraðari er gagnaflutningshraðinn og því meiri skilvirkni samskipta. Hins vegar er val á baud-hraða ekki fast og þarf að aðlaga það að sérstökum notkunaraðstæðum og vélbúnaði.

5.3 Reglur um val á viðeigandi baudhraða
1. Staðfestu samskiptakröfur
Skýrið hvort þörf sé á háhraða fjöldagagnaflutningi eða lághraða smágagnaflutningi og ákvarðið svið baudhraða í samræmi við raunverulegar þarfir.
2. Hafðu í huga takmarkanir vélbúnaðar
Mismunandi vélbúnaðartæki hafa hámarks baudhraða; valinn baudhraði má ekki fara yfir efri mörkin sem vélbúnaðurinn styður.
3. Hafðu í huga sendingarfjarlægð
Lengri flutningssnúrur þurfa lægri baudhraða til að tryggja áreiðanlega gagnaflutning.
4. Hafðu í huga bitavillutíðni
Hár baud-hraði eykur líkur á sendingarvillum vegna mikils sendingarhraða, svo veldu miðlungs baud-hraða til að draga úr villutíðni.
5. Prófaðu og staðfestu
Eftir að hafa þrengt valfrjálsa baud-hraðabilið skal framkvæma raunverulegar samskiptaprófanir, bera saman samskiptaáhrif og sendingarhraða mismunandi baud-hraða og velja bestu færibreytuna.

5.4Yfirlit

Baud-hraði er grundvallaratriði og mikilvægasti þátturinn í raðsamskiptum og ákvarðar sendingarhraða og áreiðanleika samskipta. Við skynsamlega val á baud-hraða þarf að taka tillit til samskiptaþarfar, vélbúnaðartakmarkana, sendingarfjarlægðarinnar og bitavillutíðni og staðfesta kjörgildið með raunverulegum prófunum til að ná stöðugum og skilvirkum raðsamskiptum.

6. Hámarksfjöldi þræla tengdra við einn Modbus Master
Hámarksfjöldi þræla sem hægt er að tengja við aðalstýrikerfi er breytilegur eftir mismunandi samskiptamiðlum, eins og sýnt er í töflunni hér að neðan:

7. Flokkun Modbus-skráa og úthlutun vistfanga
Skráningarhugbúnaður er kjarnahugtak í Modbus samskiptareglunum og öll gögn eru geymd í skrám. Hugtakið skráningarhugbúnaður kemur upphaflega frá PLC og með útbreiddri notkun Modbus hefur það verið alhæft — það vísar ekki aðeins til raunverulegra vélbúnaðarskráa heldur getur það einnig táknað hluta af minnisrými.
Modbus-skrár eru skipt í fjóra flokka eftir gagnategund og les- og skrifeiginleikum. Vistfangsrýmið í þessum fjórum flokkum getur verið samfellt eða ósamfellt, sem er skilgreint af tækjaframleiðendum.
Athugasemd um úthlutun heimilisfangs
Aðgengilegt vistfangssvið er mismunandi eftir tækjum; taflan hér að ofan sýnir aðeins staðlaða skilgreiningu á hverri skráartegund.

8. Munurinn á Modbus ASCII og Modbus RTU
1. Kóðun og eftirlitshamur
Modbus RTU: Notið tvíundakóðun, notið CRC villugreiningu.
Modbus ASCII: Lágt flutningshagkvæmni, notaðu LRC villugreiningu með veikari afköstum.
2. Rammastilling
ASCII-stilling notar sérstök ASCII-tákn sem upphafs- og lokamerki skilaboða; RTU notar þögul bil upp á 3,5 stafi til að greina á milli skilaboðaramma.
3. Gagnkvæm samhæfni
Þessir tveir stillingar eru ósamhæfðir. Tæki sem eru stillt á ASCII-stillingu geta ekki átt samskipti við tæki sem keyra RTU-stillingu.
4. Kostnaður vegna gagnamagns
Modbus ASCII skilaboð þurfa tvöfalt fleiri bæti til að senda sama gagnainnihald og Modbus RTU skilaboð, með minni flutningsnýtni.