Modbus RTU vs Modbus TCP: scegliere tra I/O RS-485 ed Ethernet

La maggior parte dei progetti di I/O remoti inizia dalla stessa decisione: collegare i moduli a un bus RS-485 e interrogarli con Modbus RTU, oppure collegarli a Ethernet e usare Modbus TCP. Questo articolo confronta Modbus RTU e Modbus TCP dal punto di vista dell'installatore: cablaggio, topologia, tempo di scansione e indirizzamento, e come combinare entrambi con un gateway. Si conclude con le serie ICP DAS adatte a ciascuna opzione.

Lo stesso protocollo su due reti diverse

Entrambe le varianti usano lo stesso modello dati: bobine e ingressi discreti per i bit, registri di ingresso e di mantenimento per i valori a 16 bit. Una mappa dei registri funziona allo stesso modo su entrambe le reti; cambia solo il trasporto.

Modbus RTU funziona su una linea seriale, normalmente RS-485 a due fili. Un master interroga gli slave uno alla volta, e ogni slave ha un indirizzo di unità sul bus. Modbus TCP trasporta le stesse richieste su TCP/IP, normalmente sulla porta 502. Ogni dispositivo ha un proprio indirizzo IP e di solito può rispondere a più client, ad esempio un PLC e un server SCADA.

Modbus RTU vs Modbus TCP in sintesi

Cablaggio e topologia in pratica

RS-485 è un bus. Posare il cavo da modulo a modulo con brevi derivazioni, terminare entrambe le estremità con 120 ohm e mantenere un riferimento di segnale comune. A velocità di trasmissione moderate un segmento copre 1200 m, adatti a percorsi lunghi in uno stabilimento con pochi segnali in ogni punto. Oltre 32 unit load o 1200 m, aggiungere un ripetitore come l'I-7510, un ripetitore RS-485 isolato con controllo automatico della direzione.

Ethernet è normalmente a stella, con una porta dello switch per modulo. Le serie ET-7200 e ET-2200 hanno uno switch integrato a due porte, quindi i moduli possono essere collegati in catena lungo una macchina come un bus RS-485. Entrambe elencano una funzione di LAN bypass che, sui dispositivi ICP DAS, mantiene comunicante il resto della catena se un'unità perde alimentazione. Le versioni PET possono essere alimentate da uno switch PoE IEEE 802.3af.

Velocità: un esempio di calcolo

I bus seriali interrogati sono spesso più lenti del previsto. Consideriamo 20 moduli analogici, ognuno letto con una richiesta di 8 registri di mantenimento:

• La richiesta è di 8 byte e la risposta di 5 byte più 16 byte di dati, quindi una interrogazione sposta 29 byte.
• Con 8 bit di dati, nessuna parità e 1 bit di stop, ogni byte occupa 10 bit sul cavo: 290 bit per interrogazione.
• A 9600 bps ciò richiede circa 30 ms, più due intervalli di silenzio di 3,5 caratteri, circa 7 ms. Circa 38 ms per modulo, ovvero circa 0,75 s per il bus.
• A 115200 bps il trasferimento richiede circa 2,5 ms, e la specifica Modbus raccomanda un intervallo di silenzio fisso di 1,75 ms sopra 19200 bps. Circa 6 ms per modulo, ovvero circa 0,12 s per il bus.

A ciò si aggiungono il tempo di risposta del modulo e i tentativi di ritrasmissione. Per temperature, livelli e valori energetici il valore più lento è di solito accettabile. Per segnali digitali veloci Ethernet elimina il collo di bottiglia, poiché il tempo di trasferimento a 100 Mbit/s è trascurabile e i moduli possono essere interrogati in parallelo. L'I/O sincronizzato con tempi di ciclo al millisecondo è compito di EtherCAT.

Sistemi misti: gateway e concentratori di dati

Molti impianti dispongono di bus RS-485 funzionanti e di una rete Ethernet più recente per il SCADA. Un gateway da Modbus TCP a RTU collega le due parti senza sostituire i moduli seriali. Il client TCP invia le richieste all'indirizzo IP del gateway, e l'ID unità di ciascuna richiesta seleziona lo slave seriale.

• Serie tGW-700: gateway compatti da Modbus TCP a RTU/ASCII con una a tre porte seriali, la maggior parte con PoE. Fino a 32 master TCP possono condividere una porta seriale, e una cache di lettura risponde alle richieste ripetute dalla memoria, riducendo il carico sul bus.
• Serie GW-2500iM: la stessa conversione con uno switch Ethernet a due porte, porte RS-422/485 isolate e funzioni di sicurezza come Modbus TCP/TLS, HTTPS, SNMPv3 e un filtro IP.
• Serie MDC-700: concentratori di dati che interrogano essi stessi i dispositivi seriali con fino a 250 definizioni di comando, raccolgono i valori in un data pool di 9600 registri per tipo di dato e servono fino a 8 host Modbus TCP.

Un gateway inoltra le richieste, quindi è il bus seriale a determinare il tempo di risposta. Un concentratore disaccoppia i due lati, utile quando più client SCADA leggono un unico bus.

Quali serie ICP DAS scegliere

RS-485 e Modbus RTU

• M-7000: Modbus RTU e DCON, da 1200 a 115200 bps. Molti modelli condividono l'hardware con un modulo I-7000, ad esempio M-7017R e I-7017R.
• Serie tM: moduli compatti con DCON, Modbus RTU e Modbus ASCII.
• I-7000: solo protocollo DCON di ICP DAS. Adatto per estensioni di sistemi DCON esistenti; per un master Modbus, scegliere l'equivalente M-7000.

Ethernet e Modbus TCP

• ET-7000: una porta Ethernet, Modbus TCP e Modbus UDP, web server integrato.
• ET-7200: Modbus TCP e UDP con switch a due porte e LAN bypass.
• ET-2200: switch a due porte con LAN bypass, più MQTT e SNMP V2c, utile quando lo stesso I/O alimenta anche una piattaforma IIoT.
• Versioni PET: versioni alimentate tramite PoE dei moduli ET-7000, ET-7200 ed ET-2200.

Inviate al nostro team di vendita tecnica l'elenco dei segnali, le distanze dei cavi e il dispositivo master, e vi proporremo un insieme di moduli e gateway adeguato.