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Modbus Basiswissen

Modbus Basiswissen

Der Timberwolf Server unterstützt ab Firmware V 2.0 die beiden Protokolle Modbus RTU und Modbus TCP in der Rolle als der steuernde Client (“Master”).

Inhalt

 


Einsatzbereich

Die Protokollsammlung Modbus wird seit 40 Jahren in der Industrie und der Gebäudeautomatisierung für Sensornetze, Messwertaufbereitung und zur Anlagensteuerung verwendet.

Modbus ist der De-Facto Standard für den Datenaustausch mit Wärmepumpen, vielen Systemen der HKL-Technik, zur Steuerung von Wechselrichtern an Photovoltaikanlagen, Hausbatteriesystemen und Ladestationen für Elektrofahrzeuge. Darüber hinaus existiert ein umfangreiches Angebot für Modbus Sensoren und Modbus Smartmeter.

Haupteinsatzbereiche für Modbus ist:

  • Smartmeter: Für Modbus stehen teils äußerst preisgünstige Smartmeter und Zähler zur Verfügung

  • E-Mobility: Die meisten Wandladestationen sind Modbus fähig

  • Photovoltaik: Praktisch alle PV-Wechselrichter können den Status per Modbus ausgeben

  • Hausbatterien: Eine Vielzahl von Batterie-Steuerungen lassen sich per Modbus einbinden

  • Heizungssteuerungen: Viele Heizungs- und Wärmepumpensteuerungen sind ebenfalls per Modbus ansteuerbar

  • Sensoren: Für Modbus existiert sowohl ein breites Angebot an sehr günstigen Sensoren als auch für den professionellen Einsatz in der Industrie

  • Industrie: Sammeln, Umrechnen und Zusammenfassen von Messwerten inkl. Langzeitaufzeichnung und grafischer Auswertung sowie , Umrechnung von Modbus Systemen für übergeordnete SCADA Systeme

Übersicht

Historisches: Modbus wurde 1979 von dem Unternehmen Modicon als serielles Kommunikationsprotokoll zur Verwendung mit seinen speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) veröffentlicht. Die Protokollsammlung Modbus dient der Übertragung von Informationen zwischen elektronischen Geräten. Modicon wurde 1988 zunächst durch die Daimler AG (AEG) und schließlich 1994 von der Schneider Electric SE übernommen. Der Modbus Standard wird von der “Modbus Organization, Inc”, einer in den USA registrierten unabhängigen, nur von den Mitgliedern getragenen non-profit Organisation, verwaltet.

Weiterentwicklung: Zunächst wurde Modbus für die Kommunikation über serielle Schnittstellen implementiert, später wurde das Protokoll um die Kommunikation über IP-Netzwerke ("Modbus TCP") erweitert. Seit Oktober 2018 steht hierfür auch die Erweiterung um eine TLS Verschlüsselung und Absicherung über digitale Zertifikate zur Verfügung.

Client / Server: Dasjenige Gerät, das die Informationen anfordert oder schreibt, wird als Modbus Client (früher der „Master“) bezeichnet, während die Geräte, deren Informationen abgefragt werden als "Modbus Server" (früher „Slave“) bezeichnet werden. Die Kommunikation wird jeweils vom Client (früher der „Master“) gesteuert.

Weltweite Nutzung: Der Standard ist ausgereift und wird neben der Gebäudesystemsteuerung vor allem in der Industrie genutzt und verfügt über eine der umfangreichsten installierten Basis für Automatisierung weltweit. Es stehen weit mehr als 100.000 Geräte zur Verfügung, die teils äußerst preiswert sind. Modbus ist der De-facto Standard für die Steuerung von Solaranlagen, Wechselrichter und Wandladestationen für Elektrofahrzeuge.

Neue Rollenbezeichnungen: Im Juli 2020 hat die Modbus Organisation – angeregt durch die Rassismus-Debatte – entschieden, die früheren technischen Rollenbezeichnungen „Master“ und „Slave“ durch „Client“ und „Server“ zu ersetzen. Wobei die bisher als „Master“ bezeichnete Rolle künftig als der steuernde „Client“ bezeichnet wird und das gesteuerte Gerät als „Server“. Wir begrüßen die neuen sensitiven Bezeichnungen und werden diese in Beschreibungen und in der Benutzeroberfläche sukzessive umsetzen.

Implementierung im Timberwolf Server: Der Timberwolf Server ist ab Firmware 2.0 mit einer umfassenden Modbus Implementierung ausgestattet. Die von jedem Browser auf jedem Endgerät nutzbare Benutzeroberfläche (“Web-APP”) ermöglicht eine besonders einfache und flexible Konfiguration der Leistungsmerkmale. Diese grafische Webschnittstelle ermöglicht eine interaktive Konfiguration, so dass die Parametrisierung nicht „blind“ vorgenommen werden muss. Alle Daten von Modbus Geräten können in Intervallen ab 10 ms abgefragt werden. Zusätzlich lassen sich alle Werte automatisch auf Plausibilität prüfen, mit freien Formeln umrechnen und in die Datentypen des Objekt-Systems konvertieren. Diese Objekte können anschließend dauerhaft aufgezeichnet und / oder (fast) beliebig mit allen anderen unterstützten Bussystemen n:m verknüpft werden.

Protokolle: Modbus RTU vs. Modbus TCP

Das Modbus Protokoll steht für zwei Übertragungsmedien zur Verfügung: Über serielle RS-485 Bussysteme sowie über TCP/IP Netzwerke. Die Verwendung von Modbus über RS-485 Bussysteme wird als „Modbus RTU“ bezeichnet. Die Protokollvariante, welche über TCP/IP Netze kommuniziert, wird als „Modbus TCP“ bezeichnet.

Der Timberwolf Server unterstützt ab Firmware Version 2.0 beide Protokolle in der Rolle als steuernder Client (früher als “Master” bezeichnet).

Modbus RTU (über RS-485 Bussystem)

Modbus RTU basiert elektrisch auf dem sehr robusten RS-485 Bussystem.

Bussysteme RS-485

RS-485 wurde 1983 von der Electronic Industrie Alliance ("EIA") entwickelt um die - erheblichen - Limitationen der seriellen RS-232 Schnittstelle zu überwinden. Der Standard wurde später von der Telecommunications Industry Association ("TIA") übernommen, die EIA löste sich 2010 auf.

Deswegen wird RS-485 auch als EIA-485 bzw. als TIA-485-A, selten auch als TIA/EIA-485-A bezeichnet. Wir verwenden in unseren Dokumentationen und Beschreibungen die übliche Bezeichnung RS-485. Die Buchstabenfolge "RS" stand für "Radio Selector", nach manchen Quellen auch als "Recommended Standard".

Der Standard beschreibt nur die elektrischen Schnittstellenbedingungen, es werden darin weder Stecker, Kabel oder die Übertragungsprotokolle definiert. RS-485 ist damit ein Industriestandard für eine physikalische Schnittstelle für die asynchrone Datenübertragung mit differenzieller Übertragung.

Die wesentlichen Merkmale von RS-485 

  • Multipoint Bussystem: RS-485 erlaubt zwischen 32 bis 320 Teilnehmer (abhängig von der Buslast)

  • Leitung: Eine einfache Leitung mit zwei verdrillten Adern ist ausreichend, Schirm üblicherweise nicht auflegen, für optimale Reichweite wird die Verwendung einer Leitung mit einem Wellenwiderstand von ca. 120 Ohm empfohlen.

  • Topologie: Nur als streng linearer Bus, keine Abzweigungen, auf keinen Fall Sterne

  • Entfernung: Leitungslängen bis 1220 Meter (4000 ft), der Bus ist sehr störfest.

  • Terminierung: Der Bus ist an beiden Enden mit jeweils einem 120 Ohm Widerstand (zwischen den beiden Daten-Adern) abzuschließen.


Unterstützte Schnittstellen: Der Timberwolf Server benötigt für die Nutzung von Modbus RTU entweder eine im Server enthaltene Modbus Schnittstelle (Modelle 950Q / 960Q / 3500) oder die “Dual Isolated Modbus Extension”, die mit allen Modellen und Varianten des Timberwolf Servers genutzt werden kann. Es können Dutzende dieser Extensions gleichzeitig am Timberwolf Server genutzt werden.

Sowohl mit der internen Schnittstelle als auch der Extension werden jeweils bis zu 248 Modbus RTU Geräte über eine Länge von 1200 Metern unterstützt. Pro angeschlossenem RS-485 Bus.

Die “Dual Isolated Modbus Extension” wird ab Firmware 2.0 des Timberwolf Servers erkannt, automatisch per Plug´n´Play eingebunden und vollständig unterstützt. Fremde RS-485 Schnittstellen werden vom Timberwolf Server nicht erkannt und können nicht genutzt werden.

Für jeden Modbus RTU Bus richten Sie eine Modbus Schnittstelle ein und weisen ein Modbus Subsystem zu.

Terminierung: Beachten Sie die Angaben zur Terminierung beim eingesetzten Timberwolf Server bzw. der Modbus Extension sowie bei ALLEN angeschlossenen Geräten. Eine Terminierung muss und darf nur an den jeweiligen Enden des Busses vorgenommen werden, nicht in der Mitte des Busses.

Adressierung Modbus RTU: Die am RS-485 Bus angeschlossenen Modbus RTU Geräte können über die Adressen 1 bis 247 angesprochen werden. Diese Adressen sind individuell bei der Einrichtung eines jeden Modbus Gerätes (gemäß der jeweiligen Herstellerangaben) zu vergeben.

Anzahl Modbus Geräte am Bus: Auch wenn 248 verschiedene Geräte per Adressierung angesprochen werden könnten, ist die tatsächliche Anzahl der elektrisch anschließbaren Modbus RTU Geräte geringer und wird von der Buslast bestimmt, die vom jeweiligen Gerät verursacht wird. Jeder Sender in einem RS-485 Bussystem kann 32 Buslasten ansteuern. Eine Buslast ist eine imaginäre Einheit und steht eigentlich für eine Strommenge, die beim Design des Systems von einem Empfänger aufgenommen wurde. Damals konnte man daher nur 32 Geräte an einem RS-485 Bus betreiben, da der Sender eines Gerätes nur die Strombelastung von 32 Emfängern treiben konnte.
Moderne Modbus RTU Geräte belasten den Bus mit einer sehr viel geringeren Last, die zwischen ¼ bis 1/12 Buslast-Einheit liegt. Üblicherweise können Sie bei modernen Modbus RTU Geräten davon ausgehen, dass wenigstens 128 gleichzeitig angeschlossene Geräte an einem Bussegment möglich sind. Ja nach Datenübertragungsrate kann es jedoch dauern, bis alle Geräte der Reihe nach vom steuernden Client anangesprochen wurden, so dass eine so hohe Anzahl von gleichzeitig angeschlossenen Geräten nur bei entsprechender Nutzung (hohe Datenrate, wenig abzufragende Register, geringer Anspruch an Aktualität) sinnhaft ist.

Repeater: Ein RS-485 Bus kann mit Repeater in mehrere Segmente getrennt werden. Damit kann die maximale Leitungslänge über 1200 Meter hinaus verlängert und der volle Adressraum von 248 Geräten auch elektrisch genutzt werden. Auch hier gilt: Ja na