Grundlagen der digitalen Kommunikation in der Mess-, Gebäude- und Automatisierungstechnik
Modbus zählt zu den am weitesten verbreiteten Kommunikationsprotokollen in der Industrie. Besonders die Kombination aus RS485 und Modbus RTU ermöglicht eine zuverlässige und kostengünstige Übertragung von Messwerten und Geräteinformationen.
Dieser Artikel erklärt die wichtigsten Grundlagen und unterstützt bei der Auswahl geeigneter Messgeräte und Kommunikationslösungen.
Was ist Modbus?
Modbus ist ein weit verbreitetes Kommunikationsprotokoll für den Datenaustausch zwischen Messgeräten, Steuerungen und Automatisierungssystemen. Es legt fest, wie Messwerte, Gerätezustände und Konfigurationsparameter übertragen, gelesen oder geschrieben werden.
In der Mess-, Gebäude- und Automatisierungstechnik wird besonders häufig Modbus RTU über die serielle RS485-Schnittstelle eingesetzt. Daneben steht mit Modbus TCP eine Variante für die Kommunikation über IP-Netzwerke zur Verfügung.
Modbus RTU
Serielle Datenübertragung, häufig über RS485. Die kompakte und robuste Kommunikation eignet sich besonders für Sensoren, Messgeräte und dezentrale Automatisierungssysteme.
Modbus TCP
Datenübertragung über Ethernet und IP-Netzwerke. Die Geräte werden dabei über ihre Netzwerkadressen identifiziert und können in bestehende IT-Infrastrukturen eingebunden werden.
Vorteile von Modbus
- einfache und kostengünstige Implementierung
- große Auswahl kompatibler Geräte
- breite Verbreitung in Industrie und Gebäudeautomation
- zuverlässige Übertragung mehrerer Mess- und Gerätedaten
RS485-Hardware und Verkabelung
Modbus RTU nutzt für die physikalische Datenübertragung häufig die serielle RS485-Schnittstelle. Durch die differentielle Signalübertragung eignet sich RS485 besonders für industrielle Umgebungen sowie für die Verbindung mehrerer Geräte über größere Entfernungen.Als Steckverbindungen kommen unter anderem 9-polige Sub-D-Stecker und M12-Industriesteckverbinder zum Einsatz. Da die tatsächliche Pinbelegung herstellerabhängig sein kann, sollte sie immer anhand des jeweiligen Datenblatts überprüft werden.
Neben RS485 können auch RS232 oder RS422 als physikalische Schnittstelle verwendet werden. In der Mess-, Gebäude- und Automatisierungstechnik ist RS485 jedoch besonders weit verbreitet.
Die Geräte werden üblicherweise in einer Linienstruktur miteinander verbunden. Abhängig von Übertragungsrate, Leitungsqualität und Umgebungsbedingungen sind Leitungslängen von bis zu 1.200 Metern möglich. Ein Abschlusswiderstand von 120 Ohm reduziert Signalreflexionen und unterstützt eine zuverlässige Kommunikation.
Als Steckverbindungen kommen unter anderem 9-polige Sub-D-Stecker und M12-Industriesteckverbinder zum Einsatz. Da die tatsächliche Pinbelegung herstellerabhängig sein kann, sollte sie immer anhand des jeweiligen Datenblatts überprüft werden.
Pin-Nummer | Adernfarbe | SUB-D | M12 |
|---|---|---|---|
1 | Braun | n/c oder +5V DC | +5V DC |
2 | Weiß | n/c oder TxD- (Voll Duplex) | TxD/RxD+ (B) |
3 | Blau | TxD-/RxD- (A) | GND |
4 | Schwarz | n/c | TxD/RxD- (A) |
5 | Grau | GND | Shield |
6 | Pink | n/c oder +5V DC | - |
7 | Grün | n/c oder RxD+ (VollDuplex) | - |
8 | Rot | TxD+/TxD+ (B) | - |
9 | Gelb | n/c | - |
Tabelle1 - Pinbelegung von SUB-D und M12
Aufbau eines Modbus-Netzwerks
Der Aufbau eines Modbus-Netzwerks hängt von der verwendeten Übertragungsart ab.
Bei Modbus über RS232 handelt es sich um eine einfache Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Zwei Geräte kommunizieren dabei direkt miteinander.
Bei Modbus RTU über RS485 wird typischerweise eine Linienstruktur verwendet. Ein zentrales Gerät steuert die Kommunikation und sendet Lese- oder Schreibanfragen an die angeschlossenen Teilnehmer. Jedes Gerät erhält dafür eine eindeutige Adresse innerhalb des Netzwerks.
Die einzelnen Teilnehmer reagieren auf die Anfragen des zentralen Geräts und stellen Messwerte, Statusinformationen oder konfigurierbare Parameter zur Verfügung. Durch diese Struktur können mehrere Geräte über dieselbe Busleitung miteinander verbunden werden.
Bei Modbus TCP erfolgt die Kommunikation über ein IP-Netzwerk. Hier können mehrere Clients auf verschiedene Server zugreifen. Die eindeutige Identifikation der Geräte erfolgt über deren IP-Adressen. Dadurch ist eine flexiblere Einbindung in bestehende Netzwerkstrukturen möglich.
Register und Datentypen
Modbus organisiert die übertragenen Informationen in unterschiedlichen Register- und Datentypen. Im Datenblatt eines Modbus-fähigen Geräts ist festgelegt, welche Datenpunkte vorhanden sind und ob diese nur gelesen oder auch geschrieben werden können.
Die grundlegenden Datentypen sind:
| Registertyp | Beschreibung |
|---|---|
| Discrete Input | 1 Bit, nur lesen |
| Coil | 1 Bit, lesen und schreiben |
| Input Register | 16 Bit, nur lesen |
| Holding Register | 16 Bit, lesen und schreiben |
Tabelle 2 - Datentypen
Damit lassen sich sowohl einfache digitale Zustände als auch Messwerte und Geräteeinstellungen übertragen. Welche Register tatsächlich verwendet werden, hängt vom jeweiligen Gerät und dessen Funktionsumfang ab.
Modbus Funktionscodes
Modbus-Funktionscodes legen fest, welche Aktion ein Gerät ausführen soll. Sie bestimmen beispielsweise, ob Register gelesen, einzelne Werte geschrieben oder mehrere Register gleichzeitig übertragen werden.
Welche Funktionscodes ein Gerät unterstützt, ist hersteller- und geräteabhängig und wird üblicherweise im jeweiligen Datenblatt dokumentiert.
Zu den wichtigsten Funktionscodes gehören:
| Function Code | Hex | Funktion |
|---|---|---|
| FC 01 | 0x01 | Coils lesen |
| FC 02 | 0x02 | Discrete Inputs lesen |
| FC 03 | 0x03 | Holding Register lesen |
| FC 04 | 0x04 | Input Register lesen |
| FC 05 | 0x05 | Einzelne Coil schreiben |
| FC 06 | 0x06 | Einzelnes Register schreiben |
| FC 15 | 0x0F | Mehrere Coils schreiben |
| FC 16 | 0x10 | Mehrere Register schreiben |
| FC 23 | 0x17 | Mehrere Register lesen und schreiben |
Tabelle 3 - Function - Codes
Diese Standardisierung ermöglicht den Austausch von Daten zwischen Modbus-Geräten unterschiedlicher Hersteller, sofern die jeweiligen Register und Funktionscodes korrekt dokumentiert und unterstützt werden.
Fazit
Modbus hat sich über viele Jahre als robustes und praxisnahes Kommunikationsprotokoll etabliert. Besonders in Kombination mit RS485 wird es weiterhin häufig in der Mess-, Gebäude- und Automatisierungstechnik eingesetzt.
Die einfache Implementierung, die große Geräteauswahl und die herstellerübergreifende Nutzung machen Modbus zu einer attraktiven Lösung für viele Anwendungen. Auch wenn heute zahlreiche modernere Kommunikationsprotokolle verfügbar sind, bleibt Modbus aufgrund seiner Einfachheit, Zuverlässigkeit und weiten Verbreitung relevant.
MW technologies setzt Modbus gezielt dort ein, wo mehrere Messwerte oder Geräteinformationen zuverlässig übertragen werden sollen. Dabei steht nicht die Technologie selbst im Vordergrund, sondern eine einfache, robuste und passende Lösung für die jeweilige Anwendung.
Auch herstellerübergreifende Modbus-Lösungen können in Kundenanwendungen integriert werden. Bei Fragen zur Auswahl geeigneter Sensoren oder zur Umsetzung einer Modbus-Kommunikation unterstützen wir gerne bei der technischen Auslegung.