Modbus RTU vs Modbus TCP: wybór między RS-485 a Ethernet I/O

Większość projektów zdalnych modułów I/O zaczyna się od tej samej decyzji: umieścić moduły na magistrali RS-485 i odpytywać je protokołem Modbus RTU, czy podłączyć je do Ethernetu i użyć Modbus TCP. Ten artykuł porównuje Modbus RTU i Modbus TCP z perspektywy instalatora: okablowania, topologii, czasu skanowania i adresacji oraz sposobu łączenia obu rozwiązań za pomocą bramki. Na końcu znajdują się serie ICP DAS pasujące do każdej z opcji.

Ten sam protokół w dwóch różnych sieciach

Obie odmiany korzystają z tego samego modelu danych: cewki i wejścia dyskretne dla bitów oraz rejestry wejściowe i rejestry podtrzymywane dla 16-bitowych wartości. Mapa rejestrów działa tak samo w obu sieciach; zmienia się tylko warstwa transportowa.

Modbus RTU działa na łączu szeregowym, zazwyczaj dwuprzewodowym RS-485. Jeden master odpytuje podległe urządzenia pojedynczo, a każde urządzenie ma adres jednostki na magistrali. Modbus TCP przenosi te same żądania przez TCP/IP, zazwyczaj na porcie 502. Każde urządzenie ma własny adres IP i zwykle może obsłużyć więcej niż jednego klienta, na przykład sterownik PLC i serwer SCADA.

Modbus RTU vs Modbus TCP w skrócie

Okablowanie i topologia w praktyce

RS-485 to magistrala. Prowadź kabel od modułu do modułu z krótkimi odgałęzieniami, zakończ oba końce rezystorem 120 omów i zachowaj wspólne odniesienie sygnałowe. Przy umiarkowanych prędkościach transmisji segment obejmuje 1200 m, co dobrze nadaje się do długich tras przez zakład z kilkoma sygnałami w każdym punkcie. Powyżej 32 obciążeń jednostkowych lub 1200 m dodaj wzmacniacz, taki jak I-7510, izolowany wzmacniacz RS-485 z automatycznym sterowaniem kierunkiem.

Ethernet jest zazwyczaj gwiazdą z jednym portem przełącznika na moduł. Serie ET-7200 i ET-2200 mają wbudowany dwuportowy przełącznik, dzięki czemu moduły można łączyć łańcuchowo wzdłuż maszyny, podobnie jak na magistrali RS-485. Obie posiadają funkcję LAN bypass, która w urządzeniach ICP DAS utrzymuje komunikację reszty łańcucha, gdy jedno urządzenie traci zasilanie. Wersje PET mogą być zasilane z przełącznika PoE zgodnego z IEEE 802.3af.

Prędkość: przykład obliczeniowy

Szeregowe magistrale z odpytywaniem bywają wolniejsze, niż się spodziewamy. Weźmy 20 modułów analogowych, z których każdy jest odczytywany jednym żądaniem na 8 rejestrów podtrzymywanych:

• Żądanie ma 8 bajtów, a odpowiedź 5 bajtów plus 16 bajtów danych, więc jedno odpytanie przesyła 29 bajtów.
• Przy 8 bitach danych, bez parzystości i z 1 bitem stopu każdy bajt to 10 bitów na łączu: 290 bitów na odpytanie.
• Przy 9600 bps to około 30 ms, plus dwa przerwy ciszy po 3,5 znaku, około 7 ms. Łącznie około 38 ms na moduł, czyli około 0,75 s dla magistrali.
• Przy 115200 bps transfer trwa około 2,5 ms, a specyfikacja Modbus zaleca stałą przerwę ciszy 1,75 ms powyżej 19200 bps. Około 6 ms na moduł, czyli około 0,12 s dla magistrali.

Do tego dochodzi czas odpowiedzi modułu i ponowienia. Dla temperatur, poziomów i wartości energii wolniejszy wynik zwykle wystarcza. Dla szybkich sygnałów cyfrowych Ethernet usuwa wąskie gardło, ponieważ czas transferu przy 100 Mbit/s jest pomijalny, a moduły można odpytywać równolegle. Zsynchronizowane I/O z cyklami milisekundowymi to zadanie dla EtherCAT.

Systemy mieszane: bramki i koncentratory danych

Wiele zakładów ma działające magistrale RS-485 oraz nowszą sieć Ethernet dla SCADA. Bramka Modbus TCP na RTU łączy oba światy bez wymiany modułów szeregowych. Klient TCP wysyła żądania na adres IP bramki, a identyfikator jednostki w każdym żądaniu wybiera podległe urządzenie szeregowe.

• Seria tGW-700: kompaktowe bramki Modbus TCP na RTU/ASCII z jednym do trzech portów szeregowych, w większości z PoE. Do 32 masterów TCP może współdzielić port szeregowy, a pamięć podręczna odczytów odpowiada na powtarzające się żądania z pamięci, zmniejszając obciążenie magistrali.
• Seria GW-2500iM: ta sama konwersja z dwuportowym przełącznikiem Ethernet, izolowanymi portami RS-422/485 i funkcjami bezpieczeństwa, takimi jak Modbus TCP/TLS, HTTPS, SNMPv3 i filtr IP.
• Seria MDC-700: koncentratory danych, które same odpytują urządzenia szeregowe, z maksymalnie 250 definicjami poleceń, zbierają wartości w puli danych po 9600 rejestrów na typ danych i obsługują do 8 hostów Modbus TCP.

Bramka przekazuje żądania dalej, więc o czasie odpowiedzi nadal decyduje magistrala szeregowa. Koncentrator rozdziela obie strony, co pomaga, gdy kilku klientów SCADA odczytuje jedną magistralę.

Które serie ICP DAS będą pasować

RS-485 i Modbus RTU

• M-7000: Modbus RTU i DCON, 1200 do 115200 bps. Wiele modeli współdzieli sprzęt z modułem I-7000, na przykład M-7017R i I-7017R.
• Seria tM: kompaktowe moduły z DCON, Modbus RTU i Modbus ASCII.
• I-7000: wyłącznie protokół DCON firmy ICP DAS. Nadaje się do rozbudowy istniejących systemów DCON; dla mastera Modbus wybierz odpowiednik z serii M-7000.

Ethernet i Modbus TCP

• ET-7000: jeden port Ethernet, Modbus TCP i Modbus UDP, wbudowany serwer WWW.
• ET-7200: Modbus TCP i UDP z dwuportowym przełącznikiem i LAN bypass.
• ET-2200: dwuportowy przełącznik z LAN bypass, a także MQTT i SNMP V2c, przydatne, gdy te same I/O zasilają również platformę IIoT.
• Wersje PET: moduły ET-7000, ET-7200 i ET-2200 zasilane przez PoE.

Prześlij naszemu zespołowi sprzedaży technicznej listę sygnałów, odległości kablowe i urządzenie master, a zaproponujemy pasujący zestaw modułów i bramek.