Bramy Modbus: łączenie urządzeń Modbus TCP i RTU

Bramy Modbus to idealne rozwiązanie IoT do zdalnego dostępu i zarządzania danymi Modbus za pośrednictwem chmury.

Firmy na całym świecie zdają sobie z tego sprawę, iż transformacja cyfrowa jest kluczem do szybszego, zautomatyzowanego i wydajniejszego działania. Ponieważ Modbus jest szeroko stosowanym protokołem komunikacyjnym w urządzeniach i środowiskach przemysłowych, firmy, które chcą zintegrować swoje procesy z najnowszymi technologiami, wyciągać dane ze swoich maszyn, sprzętu i systemów, szukają bram Modbus, aby to osiągnąć.

Co to jest Modbus?

Modbus to popularny protokół komunikacyjny lub struktura przesyłania komunikatów, szeroko stosowana w automatyce przemysłowej i systemach sterowania do przesyłania danych między urządzeniami. Protokół Modbus umożliwia urządzeniom w sieci przemysłowej, wymianę informacji między sobą w znormalizowanym formacie. Należy również zauważyć, że protokół Modbus jest niezależny od podstawowej warstwy fizycznej.

Dlaczego Modbus jest tak popularny?

Popularność Modbusa można podsumować w kilku słowach: prosty, otwarty, solidny i elastyczny,

  • Prosty:Protokół ma bardzo dobrze zdefiniowaną strukturę pod względem zasad dotyczących modelu “żądanie-odpowiedź”. Oznacza to, że istnieje pewien sposób na złożenie wniosku o informacje i spójny sposób, w jaki można uzyskać odpowiedź z żądanymi danymi. W takim sensie, że gdy go wdrożysz i będziesz przestrzegać zasad, urządzenie zawsze będzie łatwo rozwiązywać problemy i wiedzieć, jaki był Twój błąd,

  • Otwarty: Od momentu powstania, Modbus był szeroko dostępny jako otwarty standard, co oznacza, że producenci mogli go wbudowywać w swoje urządzenia bez konieczności płacenia opłat licencyjnych. Możliwość włączenia go do wielu typów urządzeń pochodzących od różnych producentów i sprzedawców przyczyniła się do jego szerokiej akceptacji i przyjęcia, dzięki czemu jest on dziś niezawodnym i dobrze znanym protokołem transmisji danych,

  • Solidny: Pomimo swojej prostoty, protokół Modbus oferuje szereg zaawansowanych funkcji, dzięki którym doskonale nadaje się do wykorzystania w instalacjach z zakresu automatyki przemysłowej i sterowania. Modbus wykorzystuje cykliczną kontrolę nadmiarową (CRC) jako część mechanizmu sprawdzania błędów, aby zapewnić dokładną i niezawodną transmisję danych,

  • Elastyczny:Modbus może być używany na różnych nośnikach fizycznych lub warstwach, takich jak RS-232, RS-485 i Ethernet. Dzięki temu nadaje się do stosowania w wielu środowiskach przemysłowych, od małych sieci lokalnych po duże systemy rozproszone. Różne typy danych Modbus są używane do reprezentowania różnych typów informacji w systemie, takich jak cewki, wejścia dyskretne, rejestry wejściowe i rejestry przechowujące

    • Przykłady urządzeń Modbus

    Ze względu na ich popularność na rynku, dostępnych jest obecnie setki tysięcy urządzeń Modbus. Mogą to być proste rzeczy, takie jak sterowniki silników, które sterują bramą garażową, czujniki lub komponenty i maszyny przemysłowe, takie jak:

  • Programowalne sterowniki logiczne (PLC),

  • Zdalne terminale (RTU),

  • Mierniki mocy,

  • Przepływomierze,

  • Napędy silnikowe,

  • Zawory i Siłowniki,

  • Falowniki fotowoltaiczne,

  • Obwody ładowania akumulatorów,

  • Jednostki kondycjonowania mocy,

  • Systemy magazynowania energii,

  • Czujniki środowiskowe, do monitorowania np. temperatury, wilgotności i ciśnienia
    • brama Modbus 3onedata

    Czy Modbus RTU to to samo co Modbus TCP?

    Prosta odpowiedź na to częste pytanie brzmi: Nie. Chociaż są one powiązane i mają pewne podobieństwa, warstwa fizyczna lub interfejs jest niezależny od protokołu i dlatego mogą być różne. W tym przypadku jeden to RTU (Remote Terminal Unit), a drugi to TCP (Transmission Control Protocol).

    W Modbus RTU warstwa fizyczna to protokół komunikacji szeregowej, który wykorzystuje binarną reprezentację danych. Chociaż istnieje kilka standardowych transportów, najczęściej spotykane to RS232 i RS485. RS232 jest poprzednikiem RS485, który powstał, aby umożliwić większe odległości, wyższe prędkości i możliwość sygnalizowania wielu urządzeń. Modbus RTU wykorzystuje architekturę client-serwer, gdzie pojedyncze urządzenie clinet wysyła polecenia do jednego lub więcej urządzeń serwerowych, które odpowiadają danymi. Modbus RTU jest powszechnie obsługiwany przez starsze urządzenia i używany w automatyce przemysłowej, systemach sterowania budynkami i innych aplikacjach wymagających komunikacji na duże odległości.

    Modbus TCP(znany również jako Modbus IP i Modbus TCP/IP) wykorzystuje sieć TCP/IP do komunikacji pomiędzy urządzeniami Modbus. Jest to rozszerzenie Modbus RTU, które jest używane przez Ethernet lub inne sieci oparte na IP. Modbus TCP jest często używany do łączenia urządzeń Modbus na większe odległości lub do integracji sieci Modbus z innymi typami sieci. W przeciwieństwie do Modbus RTU, nowocześniejszy Modbus TCP pozwala na obsługę wielu clientów (urządzeń inicjujących i kontrolujących komunikację z serwerami) i ma możliwość wysyłania parametrów, takich jak nazwa punktu, rozdzielczość, jednostki itp. Modbus TCP jest bardziej powszechny na poziomie przedsiębiorstwa, aplikacji IoT lub aplikacji w skali użytkowania, gdzie istnieją stosunkowo nowsze urządzenia, które mogą łączyć się z siecią.

    Ze względu na szerokie zastosowanie i różnorodność zastosowań Modbus jest obecny w bardzo różnych konfiguracjach sprzętowych i programowych, które mogą nawet nie być ze sobą kompatybilne. Bramy Modbus są szczególnie przydatne w tych scenariuszach do integracji różnych systemów.

    Co to są bramki Modbus i jak działają?

    Bramy Modbus to urządzenia, które działają jak most do pobierania danych z poszczególnych urządzeń Modbus w środowisku, zbierają dane i - używając modemu GSM - wysyłają je do aplikacji w chmurze i bazy danych przez Internet. Innymi słowy, brama przechowuje wzór Modbus i umożliwia płynne przesyłanie danych w celu wyjaśnienia sytuacji w środowisku poprzez pobieranie danych z poszczególnych urządzeń i publikowanie wiadomości do chmury, aby ludzie mogli później wykorzystać te dane jako informacje.

    W środowisku bramy Modbus działają zasadniczo jako client, który instruuje urządzenia Modbus w sieci do wysyłania żądanych danych, tak aby użytkownik mógł je zobaczyć. Komunikacja jest dwukierunkowa, co pozwala również na zdalne zarządzanie urządzeniem przez Internet. Ponieważ większość urządzeń Modbus nie ma bezpośredniego dostępu do Internetu, potrzebna jest Brama Modbus, która łączy urządzenia Modbus z chmurą.

    Brama Modbus działa poprzez odbieranie danych z urządzeń w sieci Modbus, konwertowanie ich do formatu zrozumiałego dla aplikacji w chmurze i przesyłanie ich do platformy IoT. Brama może również wykonywać inne zadania, takie jak filtrowanie danych, konwersja protokołów lub buforowanie sygnału, aby zapewnić dokładną i niezawodną transmisję danych.

    Może to być sprzeczne z intuicją, ale nawet w przypadku urządzenia Modbus TCP nadal będzie potrzebna Brama Modbus, aby nawiązać komunikację i uzyskać dane do chmury, ponieważ protokół komunikacyjny jest inny, mimo że warstwa fizyczna jest na Ethernet. Aby nawiązać połączenie z tymi urządzeniami Modbus, brama będzie "mówić w Modbusie", ale następnie, aby wysłać dane do chmury, użyje innej warstwy aplikacji (np. HTTPS, MQTT itp.).

    Czy istnieją różne formy i konfiguracje bram Modbus?

    Przy wyborze i konfiguracji bramy Modbus należy wziąć pod uwagę, że są one dostępne w różnych formach i mogą być skonfigurowane tak, aby spełnić określone wymagania użytkownika. Pierwszą decyzją, jaką należy podjąć na podstawie urządzeń w środowisku, jest to, czy potrzebna jest bramka Modbus RTU czy Modbus TCP.

    Następnie - z uwagi na to, że brama może być używana w różnych konfiguracjach, w tym w konfiguracjach jedno-, wielo- i sieciowych - dla każdej bramy Modbus należy ustawić właściwą konfigurację, aby mogła ona pomyślnie komunikować się z urządzeniami w terenie. Właściwa konfiguracja zależy od konkretnych wymagań systemu i urządzeń w środowisku.

    Kilka ważnych parametrów komunikacji Modbus

  • Model danych: Oba urządzenia wykorzystują te same cztery typy informacji: cewki, wejścia dyskretne, rejestry wejściowe i rejestry przetrzymujące,

  • Cewki: Cewki są rejestrami binarnymi, które mogą przechowywać wartość 1 lub 0. Służą do reprezentowania stanu on/off i są zwykle używane do sygnałów sterujących,

  • Wejścia dyskretne: Wejścia dyskretne to rejestry binarne reprezentujące status wejścia, takie jak stan czujnika,

  • Rejestry wejściowe: Rejestry wejściowe to 16-bitowe rejestry przechowujące dane tylko do odczytu, takie jak odczyty czujników lub inne wartości wejściowe,

  • Rejestry przechowujące: Rejestry przechowujące to 16-bitowe rejestry, które przechowują dane do odczytu i zapisu, takie jak ustawienia sterownika lub inne wartości wyjściowe,

  • Adresowanie: Oba protokoły wykorzystują ten sam schemat adresowania w celu uzyskania dostępu do danych. Obejmuje on adres urządzenia, kod funkcji i adres początkowy dla danych, do których ma być uzyskany dostęp (znany również jako rejestr),

  • Polecenia odczytu i zapisu: Oba protokoły obsługują polecenia odczytu i zapisu w celu uzyskania dostępu do danych. Na przykład polecenie "read holding registers" może być używane zarówno przez Modbus RTU jak i Modbus TCP do odczytu danych z rejestrów urządzenia,

  • Format danych: Oba protokoły używają 16- i 32-bitowych formatów danych do reprezentowania danych. Modbus TCP obsługuje także formaty danych 8- i 64-bitowych,

    • W przypadku Modbus RTU istnieje kilka parametrów komunikacji:

  • Szybkość transmisji: Modbus jest zaprojektowany do pracy w zakresie 1200 - 115 200 Kbps. Baud rate to inaczej "prędkość" przesyłania danych w sieci RS-485,

  • Bity danych: Dane przesyłane w ramkach w sieci Modbus. Modbus RTU zazwyczaj używa 8 bitów danych (7 jest rzadko używane),

  • Bity stopu: Bity stopu określają liczbę bitów używanych do sygnalizowania końca znaku danych. Modbus RTU typowo używa 1 bitu stopu, może to być również 2,

  • Parzystość: Ustawienie kontroli błędów. Ten parametr może być ustawiony na brak, parzysty lub nieparzysty. Większość urządzeń zazwyczaj nie używa parzystości,

  • Adres urządzeń: Służy do określenia adresu urządzenia Modbus w sieci. Jest on również znany jako ID serwera. Modbus RTU wspiera adresy urządzeń w zakresie 1-254,

  • Limit czasu (Timeout): określa długość czasu, przez jaki urządzenie będzie czekać na odpowiedź od innego urządzenia, zanim przyjmie, że komunikacja nie powiodła się,

  • Opóźnienie odpowiedzi: określa długość czasu, jaki urządzenie czeka przed odpowiedzią na polecenie Modbus

    • Typowe parametry komunikacyjne dla bram Modbus TCP:

  • Adres IP: jest unikalnym identyfikatorem przypisanym do każdego urządzenia w sieci i jest używany do określenia adresu urządzenia Modbus TCP,

  • Unit ID: jest nadrzędnym typem adresowania w protokole Modbus i powszechnie stosowany jest w urządzeniach połączonych z wieloma urządzeniami Modbus. Na przykład w niektórych inwerterach solarnych, Unit ID: 1 jest używany dla informacji o urządzeniu i Unit ID: 2 dla parametrów i pomiarów systemu.

    • Te parametry konfigurujące są ważne z perspektywy ustawiania i konfigurowania urządzeń Modbus RTU, dzięki czemu można je dostosować do optymalizacji komunikacji między urządzeniami. Jeśli urządzenia w tej samej sieci Modbus RTU lub TCP mają parametry ustawione na odmienne wartości, nie mogą się ze sobą komunikować.

    Jakie są korzyści z używania bramki Modbus?

    Bramy Modbus IoT zapewniają możliwość podłączenia zdalnych urządzeń do aplikacji mobilnej lub internetowej w celu monitorowania i kontrolowania. Dzięki informacjom zebranym z podłączonych urządzeń interesariusze mogą na przykład zoptymalizować urządzenie, efektywnie je wykorzystać, zmniejszyć koszty, szybciej odpowiadać clientom i zapewnić lepsze doświadczenia clientów.

    Dodatkowo Bramy Modbus są zazwyczaj mniej kosztowne niż inne rozwiązania komunikacji przemysłowej i mogą być ekonomicznym sposobem na poprawę łączności i kompatybilności systemu.

    Co więcej, bramy IoT zapewniają niezawodną komunikację i mogą obsługiwać dużą ilość danych, dzięki czemu nadają się do różnorodnych zastosowań automatyki w kilku branżach.

    Wreszcie, Brama Modbus pozwala na większą elastyczność w projektowaniu systemu. Na przykład, jeśli istnieje potrzeba podłączenia wielu urządzeń Modbus RTU do centralnego systemu sterowania lub aplikacji, można użyć pojedynczej bramki, aby to osiągnąć.

    W tym sensie Brama Modbus jest wszechstronnym i wydajnym rozwiązaniem umożliwiającym podłączenie zdalnych urządzeń do centralnego systemu sterowania. Jeśli chcesz zmodernizować swoją firmę lub podłączyć istniejący system, brama Modbus jest doskonałym wyborem.

    Jakich ważnych funkcji należy szukać w bramkach Modbus?

    Kluczowe funkcje, których należy szukać w bramce Modbus obejmują:

  • Łatwość: Konfiguracja i zarządzanie w celu dodania nowych urządzeń, rejestrów i parametrów bezpieczeństwa powinno być łatwe dzięki przyjaznemu dla użytkownika interfejsowi. Pobrane informacje i wszelkie błędy powinny być łatwo widoczne dla użytkownika w celu rozwiązywania problemów,

  • Reagowanie: Podczas fazy odkrywania - zwłaszcza podczas podłączania nowego urządzenia Modbus - użytkownik bramy powinien być w stanie natychmiast zobaczyć wynik swojego działania i mieć możliwość iteracji, aby szybko upewnić się, że ma do czynienia z właściwymi informacjami. Szybkie uzyskanie informacji w formie wizualnego wskazania pomoże użytkownikowi w rozwiązaniu każdego problemu,

  • Skalowalność: Gdy zostanie podjęta decyzja o zwiększeniu skali lub usunięciu urządzeń z sieci, bramka powinna umożliwiać wykonanie tego bez złożoności, przy zachowaniu tego samego przepływu i doświadczenia oraz bez wpływu na inne urządzenia w sieci,

  • Elastyczność: Brama powinna być w stanie obsługiwać i wspierać różne prędkości transmisji, ustawienia dotyczące parzystości i inne parametry, aby umożliwić większą kompatybilność z szerszym zakresem urządzeń i zastosowań,

  • Niezawodność: Bramka powinna zapewniać niezawodne działanie, umożliwiające aktualizację bezprzewodową (OTA) i monitorowanie 24/7

    • Jakie są potencjalne zastosowania i przypadki użycia bramek Modbus?

    Bramki Modbus mają wiele potencjalnych zastosowań i przypadków użycia w różnych branżach. Najlepsze przypadki użycia dla klientów zawsze obejmują szczególnie istotne sprzęty lub urządzenia, które są kluczowe dla ich działalności, a zatem powinny być monitorowane w sposób ciągły i w czasie rzeczywistym, aby otrzymywać powiadomienia i podejmować natychmiastowe działania w przypadku problemów lub nieprawidłowości.

    Poniżej przedstawiono dwa przykłady potencjalnych przypadków użycia:

  • Monitorowanie i kontrolowanie systemów energii słonecznej:

    • Bramy Modbus mogą być używane do monitorowania wydajności paneli słonecznych (fotowoltaika), falowników, systemów baterii i systemów pomiarowych podłączonych do tej samej sieci słonecznej. Za pośrednictwem bramki użytkownicy mogą gromadzić kluczowe dane wejściowe dotyczące wszystkich urządzeń w sieci słonecznej, optymalizować ich moc wyjściową i wykorzystywać nadwyżki energii we własnym systemie. Na przykład dodatkową energię można wykorzystać do uruchomienia bojlerów, grzejników lub ustawienia niższej temperatury w lodówce, gdy nie ma sensu sprzedawać energii z powrotem do sieci,

  • Śledzenie przychodów ze sprzedaży i jakości produktów za pomocą przepływomierzy:

    • Bramki Modbus mogą być używane w branży napojów oraz przemysłu chemicznego, w którym istnieją przepływomierze i pompy, wymagające monitorowania w czasie rzeczywistym, aby gromadzić i analizować kluczowe dane.