Benvenuto su questo sito dedicato all’automazione industriale, oggi parliamo del Modbus, il protocollo di comunicazione più diffuso e longevo al mondo. Scopriremo come funziona questo bus di campo e quali sono le varianti dello stesso.
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Ecco gli argomenti di questa lezione:
Reti e bus di campo industriali.
Il protocollo Modbus.
I diversi protocolli Modbus e i mezzi di comunicazione fisici.
Il Modbus TCP.
Come funziona il protocollo Modbus.
Il messaggio nel protocollo Modbus.
Reti e bus di campo industriali.
Le reti e i bus di campo nell’automazione industriale rappresentano oggetti cardine, dato che senza di queste le apparecchiature, i plc e i sistemi di supervisione non potrebbero colloquiare.
Con l’evoluzione dell’elettronica e dei sistemi informatici, anche le reti impiegate nell’automazione dei processi sono cambiate e sono migliorate, soprattutto oggi che andiamo in contro all’industria 4.0.
La tecnologia Ethernet permette scambi dati veloci e integrazione delle varie arie della fabbrica, compresa quella a più basso livello dove le apparecchiature e i controllori risiedono.
Il Modbus è uno dei sistemi di comunicazione impiegati nell’industria automatizzata, e rappresenta oggi uno standard di fatto riconosciuto ovunque.
Il protocollo Modbus.
Come accennato in testa a questo articolo, il Modbus è il protocollo di comunicazione più “vecchio” e popolare all’interno dell’automazione e non solo. Questo protocollo permette ad apparecchi di natura diversa di scambiare dati su diversi mezzi di trasporto fisici come le reti seriali e quella ethernet.
Nel corso degli anni, il Modbus è stato sviluppato e supportato da grossi produttori di hardware, gruppi di appassionati, e ambienti di supporto privato; il fatto che questo sia un protocollo aperto (open protocol) gli ha consentito di diffondersi ed essere così apprezzato.
Modbus nasce nel 1979, prodotto della Modicon, azienda che oggi sappiamo essere di proprietà della Schneider Electric, la casa costruttrice di apparecchiature elettriche e PLC conosciuta in tutto il mondo; in tutti questi anni lo sviluppo del protocollo è stato gestito dall’organizzazione Modbus chiamata “Modbus organization”.
I diversi protocolli Modbus e i mezzi di comunicazione fisici.
Ci sono oggi diversi protocolli modbus, partendo dal più vecchio abbiamo l’ RTU, poi l’ASCII, il Modbus TCP e il Modbus Plus; quest’ultimo sfrutta alcune tecnologie proprietarie.
Dal punto di vista dei mezzi di comunicazione, Modbus si avvale di reti seriali RS-232, RS-422, e RS-485; naturalmente oggi può essere trasportato anche su rete Ethernet, con tutti i vantaggi che possiamo immaginare.
Nella prossima immagine vediamo una rete formata da un segmento Modbus TCP, un segmento Modbus su RS232 e uno su RS485. Notiamo che la seriale RS232 è utilizzata soprattutto per apparecchiature (per esempio una bilancia), mentre le versioni 485, ethernet e plus vengono impiegate per apparecchiature anche intelligenti e di livello superiore come i PLC, i sistemi di monitoraggio industriale, i drives, i moduli I/O ecc.
A seconda del mezzo fisico scelto per la comunicazione Modbus ci sono delle limitazioni e delle caratteristiche che vediamo nella seguente tabella. Come possiamo notare, i cavi di segmento seriale RS-232 non possono superare una lunghezza di 50 piedi per una velocità di trasmissione di 19.2 kbps; mentre con le seriali RS422 e 485 si arriva a 4000 piedi con velocità molto più alte: 100 kbs.
Il seriale RS-485 è preferibile poiché permette di avere sul bus fino a 32 apparecchi che possono essere master o slave.
Il Modbus TCP.
Il protocollo di trasporto TCP permette di creare reti modbus eterogenee con apparecchi di diversa natura.
Questo tipo di protocollo viaggia su rete Ethernet, e sulla stessa rete possono coesistere segmenti di tipo differente; ormai il modbus TCP si sta diffondendo molto data la versatilità che le reti più evolute offrono.
Come funziona il protocollo Modbus.
La comunicazione Modbus si basa sul principio “master / slave”, in pratica l’apparecchio master invia le richieste agli slave, i quali rispondono con i dati richiesti dal master, oppure eseguendo i comandi impartiti.
Vediamo come avviene questa comunicazione nella prossima immagine.
Come si vede nella figura sopra, il master invia il messaggio (richiesta). Il messaggio è composto di diverse parti: l’indirizzo del destinatario, il codice della funzione da eseguire e i dati richiesti; l’ultima parte del messaggio è destinata a un codice di controllo errori.
Lo slave destinatario riceve il messaggio e risponde eseguendo i comandi oppure fornendo nel campo “dati” i dati richiesti dal master; lo slave utilizza il campo di controllo errori per confermare la ricezione del messaggio al master stesso.
In questo tipo di comunicazione, il master può inviare messaggi a uno slave specifico, oppure dei messaggi “broadcast”, che vengono letti da tutti gli slave. Gli slave rispondono solamente ai messaggi destinati specificatamente a loro, non rispondono invece ai messaggi broadcast.
Il messaggio nel protocollo Modbus.
Nella prossima figura vediamo nel dettaglio com’è strutturato il messaggio Modbus e come viene incapsulato nel protocollo di trasporto TCP.
Notiamo che nel Modbus TCP viene tolto il campo di controllo, inoltre viene sostituito lo “slave ID” con lo “Unit ID”; il protocollo TCP ha già il suo header per gestire la comunicazione.
Accoppiamento e interfaccia tra reti Modbus, Profinet e Profibus.
Come avviene ormai per tutti i bus di campo e le reti odierne, anche una rete Modbus può essere accoppiata a reti di diversa natura, per mezzo di appositi apparecchi chiamati “Gateway”. Nella prossima immagine vediamo una complessa rete che include segmenti Modbus, Profinet e Profibus.
Come vediamo nell’immagine sopra, sulla rete PROFINET abbiamo un plc e un sistema di monitoraggio industriale scada. La rete PROFINET è accoppiata al mondo Modbus TCP per mezzo di un gateway chiamato GW-7663, mentre per quanto riguarda il segmento PROFIBUS, questo viene accoppiato alla rete Profinet per mezzo di un Proxy.
Nella prossima figura possiamo vedere un gateway in grado di convertire da Modbus o da ETHERNET/IP a Profinet, il modello si chiama MGate 5103 ed è distribuito dalla MOXA.
