Jeden z najstarszych cyfrowych protokołów komunikacyjnych i z wielu powodów jeden z najbardziej popularnych. Warto dobrze poznać Modbus.
Szczególnym wyzwaniem dla inżynierów mniej nowoczesnych procesów jest znalezienie niedrogiej i pewnej metody na wykorzystanie możliwości inteligentnych urządzeń zgodnych z HART. HART jest cyfrowym protokołem, który został opracowany, aby umożliwić jednoczesną transmisję sygnałów analogowych i cyfrowych za pomocą tradycyjnej pary skręconych przewodów. Wiele lub nawet większość urządzeń zgodnych z 4-20 mA ma taką funkcjonalność. Użytkownicy mogą konfigurować, odpytywać i diagnozować urządzenia lokalnie lub zdalnie, za pomocą pary przewodów. Podrzędne jednostki HART mogą być podłączone bezpośrednio albo równolegle. W najbardziej popularnej konfiguracji połączenia bezpośredniego transmiter HART zmienia wartość prądu pętli analogowej, kodując w ten sposób wartość zmiennej procesowej. Chociaż można monitorować wyłącznie cyfrowe dane HART, przy tym połączeniu jest to rzadko stosowane. Ponieważ transmiter kontroluje prąd, ma zatem możliwość przesyłania wielu cyfrowych porcji informacji za pomocą strumienia danych HART. Zarówno wartość zmiennej procesowej, jak i dane cyfrowe mogą być przysyłane przez komponent slave HART lub transmiter. Dane te można wykorzystać do monitorowania stanu urządzenia lub optymalizacji procesu, za który odpowiedzialny jest system zarządzania aktywami. Niektóre procesy wyposażone są w setki urządzeń zgodnych z HART. Niestety z różnych powodów, wiele przedsiębiorstw nigdy nie skorzystało z funkcjonalności HART.
W dzisiejszym świecie zarządzania aktywami, zdalnej diagnostyki i zaawansowanego sterowania wiele przedsiębiorstw chciałoby uzyskać dodatkowe cyfrowe dane, ale istniejące okablowanie i systemy sterowania na to nie pozwalają. System sterowania może nie mieć funkcji dekodowania danych HART z pętli analogowej. Urządzenie HART może zakodować maksymalnie cztery zmienne procesowe w sygnale HART: PV (główna zmienna), SV (zmienna pomocnicza), TV (zmienna trzecia), FV (czwarta zmienna). Dodatkowo mogą być przesyłane różne bity i bajty statusu. Jeśli system sterowania nie potrafi odczytać zmiennych diagnostycznych i procesowych, wszystkie cyfrowe dane HART się marnują.
Klienci mają szeroki wachlarz możliwości odczytania tych danych, nawet w nieco starszych i ?pełnoletnich? systemach. Niektórzy producenci systemów DCS oferują zmodernizowane analogowe karty I/O, posiadające dekoder HART. Kosztują one jednak zwykle 35 razy drożej niż tradycyjne analogowe karty I/O. Dostępne są również multipleksery HART, które po podłączeniu do istniejących pętli analogowych zbierają dane HART i przekazują je do systemu zarządzania aktywami za pomocą wyjścia RS422 lub RS485. Ich ceny mogą być również zaporowe. Inną opcją jest zastosowanie konwerterów HART do Modbus, które bywają atrakcyjne cenowo, a ich elastyczność pozwala na monitorowanie od kilku do wielu pętli przy rozsądnych kosztach.
Moduł interfejsu HART, który wspiera Modbus RTU, umożliwia proste i ekonomiczne przekazanie do systemu sterowania wszystkich danych HART. Moduł ten, jest inteligentnym urządzeniem, które z jednej strony jest masterem HART, a z drugiej podrzędną jednostką Modbus RTU. Dekoduje wszystkie cyfrowe dane HART z sygnału 4-20 mA bez zakłócania pracy pętli. Jest wyposażony w wyświetlacz i różnedodatkowe wyjścia. Po wybraniu Modbus jako wyjścia dane HART są mapowane do przestrzeni pamięci Modbus, z której mogą być odczytywane przez nadrzędną jednostkę Modbus RTU, taką jak PLC lub DCS. Wykorzystując dodatkowe wyjście RS485 modułu, można stworzyć ekonomiczny system zarządzania aktywami.
Bezprzewodowy Modbus
Sieć Modbus może być łatwo przystosowana do pracy bezprzewodowej. W zasadzie każdy fragment sieci może być zastąpiony parą konwerterów sygnału. Wielu producentów oferuje bezprzewodowe urządzenia wspierające protokół Modbus. Szyfrowanie danych i opóźnienia wprowadzane przez radionadajniki mogą zakłócać transmisję, dlatego upewnij się u dostawcy, że dane urządzenie rzeczywiście może przesyłać dane Modbus.
Oczywiście największą zaletą bezprzewodowej wersji Modbus jest oszczędność na infrastrukturze. Zbieranie sygnałów ze zbiorników, wież ciśnień i innych zdalnych lokalizacji było od zawsze kosztowne.
Na szczęście bezprzewodowy Modbus jest przezroczysty dla systemu sterowania oraz urządzeń master i slave. System nadrzędny nie wie o istnieniu pośrednika w postaci protokołu Modbus, ponieważ nie musi go w żaden sposób obsługiwać. Kiedy master wysyła zapytanie do urządzenia slave, trafia ono do radiomodemu, który szereguje pakiety i szyfruje je. Kiedy odbiornik otrzyma dane, dekoduje je i ponownie szereguje pakiety tak, aby odtworzyć ramkę Modbus. Zakładając, że pakiety nie zostały uszkodzone, zostają przesłane do odpowiedniego urządzenia slave. Slave odpowiada do mastera i cały proces się powtarza.
Czasami należy zwrócić szczególną uwagę na jeden z parametrów komunikacji Modbus ? limit czasu odpowiedzi. Limit czasu odpowiedzi to czas, w jakim master będzie czekał na odpowiedź od slave, zanim ponowi transmisję. Zależnie od jakości połączenia bezprzewodowego pakiety mogą być przesyłane z opóźnieniem, powodując niepotrzebne ponowne próby transmisji. Nowoczesne radiomodemy wyposażone w mechanizm rozpraszania widma (FHSS) można skonfigurować tak, aby efektywnie przesyłały pakiety danych. Analiza siły sygnału i spektrum szumów pomaga przezwyciężyć najczęściej spotykane problemy.
Modbus przez Ethernet
Modbus TCP jest często nazywany Modbusem przez Ethernet, ponieważ ze względów praktycznych są to pakiety Modbus zamknięte w standardowym pakiecie TCP/IP. Dzięki temu urządzenia Modbus TCP mogą komunikować się za pośrednictwem istniejących sieci Ethernet i sieci światłowodowych, oferujących znacznie większe możliwości niż RS485 ? jednoczesną pracę wielu masterów i gigabitową prędkość. Liczba urządzeń w sieci Modbus RTU jest ograniczona do 247, w Modbus TCP ograniczeniem jest wyłącznie ograniczenie warstwy fizycznej sieci ? zwykle wynosi ono około 1024 urządzenia. Szybkie zaakceptowanie Ethernetu w sterowaniu procesami i innych gałęziach automatyki uczyniło Modbus TCP jednym z najbardziej popularnych przemysłowych protokołów ethernetowych.
Mimo że większość producentów o rożnym udziale w rynku opracowała własne protokoły ethernetowe, wciąż oferują wsparcie dla Modbus TCP. Dla sterowników pozostałych firm opracowano specjalne konwertery pasujące w miejsca oryginalnych modułów oraz całkowicie niezależne urządzenia wzbogacające możliwości komunikacyjne PLC o Modbus.
W przeciwieństwie do Modbus RTU i Modbus ASCII, Modbus TCP przewiduje możliwość jednoczesnego odpytywania urządzenia slave przez kilka masterów ? nie ma potrzeby przekazywania tokena i sterowania magistralą. W razie potrzeby dane są buforowane i dostarczane na miejsce w odpowiednim momencie.
Sieć polowa
Do tej pory omawialiśmy prosty system zbierania danych wykorzystujący protokół Modbus. Nie ma przeszkód, aby nie stosować Modbus do komunikacji systemu nadrzędnego z warstwą polową. Niektóre z multiplekserów opisanych wcześniej mają CPU i jądro czasu rzeczywistego, które można zaprogramować do realizacji funkcji, takich jak PID, sterowanie dwustawne, diagnostyka i alarmowanie.
Ponieważ mają one logikę podobną do PLC, możliwość implementacji algorytmu PID oraz zawansowane funkcje matematyczne, mogą z powodzeniem zastąpić PLC, przemysłowy komputer lub mały DCS to zaledwie ułamek ich ceny. Chociaż Modbus nie jest tak wydajny jak Foundation Fieldbus, Profibus, to wykorzystany z odpowiednimi urządzeniami może spełnić wymagania wielu aplikacji sterowania lokalnego.
Regulatory PID były początkowo niezależnymi, całkowicie zamkniętymi urządzeniami. Z czasem, podobnie jak sterowniki PLC i systemy DCS, stały się bardziej inteligentne. Dzisiaj wielu użytkowników końcowych nadal preferuje bezpośredni odczyt i proste regulatory jednopętlowe. Cyfrowe protokoły komunikacji takie jak Modbus mogą dodać nieco życia do tych samodzielnych urządzeń ? umieszczenie ich w sieci pozwoli stworzyć mały system rozproszonego układu sterowania.
Uniwersalny interfejs
W czasie gdy nowy świat sterowania siłuje się z zaawansowanymi koncepcjami takimi jak sieci polowe i kratowe, prostota Modbus i łatwość transmisji za pomocą różnych mediów czynią go najbardziej popularnym i najczęściej stosowanym przemysłowym protokołem komunikacyjnym. Kiedy użytkownicy starszych systemów sterowania odkrywają potrzebę zwiększenia zasięgu systemu i konieczności zastosowania dodatkowych zdalnych sterowników, bardzo często wykorzystują Modbus jako proste rozwiązanie trudnych problemów. Co więcej, jeśli istnieje potrzeba podłączenia egzotycznego urządzenia do systemu sterowania, interfejs Modbus jest zwykle najprostszym rozwiązaniem. Chociaż jest jednym z najstarszych protokołów komunikacyjnych, jest także najbardziej popularny ? z wielu powodów. Jest łatwy w wykorzystaniu, pewny, niedrogi i jest w stanie połączyć prawie każde urządzenie stosowane w przemyśle.
Jim McConahay jest starszym inżynierem aplikacji polowych w Moore Industries-International.
CE