Vorteile der digitalen Modbus-Kommunikation im Vergleich zur analogen Signalübertragung

Vaisala USB cable can be used with Raspberry Pi.

Obwohl analoge Sonden und Datenerfassungstechnologie viel zu bieten haben, bergen sie auch einige Risiken. Modbus ist ein digitales Kommunikationsprotokoll, das viele dieser Probleme bewältigt. In diesem ersten von drei Blogbeiträgen über Modbus stellen wir dieses etablierte Feldbusprotokoll vor, besprechen seine Vorteile und untersuchen, wie es in Vaisala Geräten implementiert wird.

Was ist Modbus?

Modbus wurde 1979 von Modicon entwickelt. Es ist eines der ältesten verfügbaren Feldbusprotokolle. Die ursprüngliche Absicht war, ein offenes Protokoll zu erstellen. Dank des Erfolgs dieser Strategie wird Modbus heute als Industriestandardprotokoll angesehen. Es wird von den meisten speicherprogrammierbaren Steuerungsmarken (SPS) unterstützt, da keine Lizenzen und keine betriebseigene Hardware erforderlich sind und ein Steuerungssystem frei implementiert werden kann. Vaisala Produkte nutzen entweder Modbus RTU, das auf dem RS-232- oder RS-485-Protokoll basiert, oder Modbus TCP/IP, das ein Ethernet-Netzwerk verwendet. Ein potenzieller Nachteil von Modbus, insbesondere bei der Kommunikation über serielle Datenverbindungen (RS-485), besteht darin, dass bei einer Konfiguration mit mehreren Anbietern, die Messgeräte verschiedener Hersteller im selben Netzwerk verwendet, Kompatibilitätsprobleme zwischen den verschiedenen Marken auftreten können.

Vaisala Indigo201 Analogmesswertgeber

Die Vaisala Indigo Plattform wird in einer Vielzahl von anspruchsvollen Industrieanwendungen umfassend eingesetzt. Das Produkt besteht aus einem analogen Datenmesswertgeber, der an eine intelligente austauschbare Sonde angeschlossen wird, die Variablen wie relative Feuchte, Temperatur, Taupunkttemperatur, Kohlendioxid oder Wasserstoffperoxidkonzentration misst. Alle Messungen und Berechnungen werden digital von der Indigo kompatiblen Sonde durchgeführt, die auch als eigenständiges Gerät ohne Messwertgeber betrieben werden kann. Die Sonde gibt die Daten an den Messwertgeber weiter, der sie dann in analoger Form an eine SPS sendet.

Problem bei analoger Signalübertragung

Typischerweise ist eine digitale Feuchtesonde, in diesem Fall eine Vaisala HMP3, mit zwei Sensoren ausgestattet – einen für die Temperaturmessung, z. B. PT100 Sensor, und einen für die relative Feuchte, z. B. Vaisala HUMICAP® Sensor. In Wirklichkeit messen diese Sensoren Beständigkeits- bzw. Kapazitätsänderungen. Die Sonde wandelt die analogen Signale in digitale Daten um, führt die notwendigen Berechnungen für Temperatur und relative Feuchte durch und sendet die genauen digitalen Daten an den analogen Messwertgeber Indigo201. Der Messwertgeber wandelt dieses Signal dann wieder in analoge Form um, um es über eine analoge Verkabelung an die SPS zu übertragen. Dort wird es erneut in digitale Daten zur Verarbeitung und Speicherung umgewandelt.

Wie zu erwarten ist, führt die Umwandlung der digitalen Daten in eine analoge Form im Datenmesswertgeber und dann zurück in eine digitale Form in der SPS oder einem anderen Steuerungssystem zu zusätzlichen Fehlerquellen. Die Sicherstellung genauer Messungen ist sowohl aus qualitativer als auch aus regulatorischer Sicht wichtig. Eine Möglichkeit zur Minimierung von Fehlern besteht in der Verwendung digitaler Kommunikation. Hier kommt Modbus ins Spiel.

Vorteile von Modbus

Die gleichen Sonden, die mit dem Indigo201 verwendet werden können, sind auch mit dem digitalen Kommunikationsprotokoll Modbus RTU kompatibel. Da bei Modbus digitale Kommunikation zum Einsatz kommt, kann die Sonde zusätzlich zur relativen Feuchte und Temperatur auch zur Messung vieler anderer Parameter verwendet werden, darunter Taupunkt-/Frostpunkttemperatur, absolute Feuchte, Mischungsverhältnis, Feuchttemperatur und Enthalpie sowie weitere Informationen wie Gerätestatus, Seriennummer und Sicherheits-Hash. Wenn Sie dem Modbus-Master erlauben, den Sicherheits-Hash-Status zu überprüfen, können Sie sicherstellen, dass der Sensor nicht manipuliert und die Sondenkonfiguration nicht geändert wurden. Es ist auch möglich, mehrere Sonden mit demselben Netzwerk zu verbinden. Bei einem analogen System würde dies einen erheblichen Aufwand an zusätzlicher Verkabelung und E/A-Modulen im SPS-System erfordern. Modbus reduziert auch das Risiko von Datenfehlern, indem es Umwandlungen zwischen analog und digital minimiert. Dadurch ist es eine fantastische Option für die digitale Datenübertragung.

Messwertgeber ist nicht nur ein Analog-Digital-Protokollwandler

Obwohl die Indigo kompatiblen Sonden als eigenständige Messgeräte eingesetzt werden können, wird die beste Benutzungsfreundlichkeit oft zusammen mit einem Messwertgeber erreicht, der eine lokale Nutzungsoberfläche, Anzeige, verschiedene Stromversorgungsoptionen und einige davon mit den Vorteilen der digitalen Kommunikation bietet. Der Messwertgeber Indigo202 nutzt dieselbe Modbus RTU-Kommunikation wie die Sonde, und die Messwertgeber der Indigo500 Serie können über das Modbus TCP/IP-Protokoll kommunizieren.

Einrichtung mit Modbus

Im zweiten Beitrag unserer Blog-Reihe zu Modbus zeigen wir Ihnen in einem kurzen Einführungsvideo, wie Sie loslegen können. Wir besprechen die Themen Tests und Konfiguration und dann Prototypenentwicklung und  Inbetriebnahme.
Das kurze Video können Sie sich hier ansehen.

Prototypenentwicklung

Nachdem Sie die Kommunikation zwischen Ihrem Computer und den Sonden eingerichtet haben, können Sie diese mit Ihren Systemen verbinden. Der nächste Schritt besteht in der Regel darin, einen Prototyp zu entwickeln. Dazu dient z. B. die Raspberry Pi-Plattform, die über USB-Anschlüsse zum Anschließen von Vaisala USB-Kabeln zum Testen von Modbus RTU und einen LAN-Anschluss zum Testen von Modbus TCP/IP verfügt. Die empfohlenen Sprachen sind Python oder Node-RED, die beide kostenlose offene Bibliotheken (PyModbus bzw. Node-red-contrib-modbus) für die Kommunikation mit Modbus bieten.

Die Raspberry Pi-Plattform eignet sich zwar zum Testen, jedoch nicht für eine industrielle Umgebung. Sie brauchen daher wahrscheinlich etwas Robusteres wie eine SPS. Je nach Modell benötigt die SPS möglicherweise auch ein separates Modul, um den RS-485-Zugriff bereitzustellen.

Modbus-Kommunikationseinstellungen

Um Kommunikationsprobleme zu vermeiden, sollten alle Geräte in einem Netzwerk dieselben Kommunikationsparameter verwenden und über eindeutige Modbus-Geräteadressen verfügen, die manuell eingestellt werden müssen. Das Modbus-Protokoll nutzt Funktionscodes, um Werte zwischen dem Modbus-Master-Gerät und den Slave-Geräten auszutauschen. Das Master-Gerät kann z. B. den Prozessdruckwert an die Sonde übermitteln, die diese Daten dann verwendet, um eine genauere Feuchtemessung durchzuführen. Da Modbus-Register anbieterspezifisch sind, können die Werte je nach Hersteller an unterschiedlichen Adressen gefunden werden. Ein weiteres potenzielles Problem, auf das Sie achten sollten: Während Modbus die Register beginnend bei eins nummeriert, nutzen einige Modbus-Systeme Werte, die bei null beginnen. Das bedeutet, dass einige Versuche und Irrtümer nötig sein können. Vaisala Produkte unterstützen Sie hier mit Testregistern für Ganzzahlwerte, Gleitkommazahlen und Textzeichenfolgen.

Inbetriebnahme des neuen Systems

Im Folgenden finden Sie eine Checkliste, die Sie bei der Inbetriebnahme beachten sollten:
– Kommunikationseinstellungen müssen korrekt sein
– Verkabelung muss ordnungsgemäß angeschlossen sein, mit einer Signalmasse, die durch ihre eigene Ader im Kabel verläuft, nicht durch das Gehäuse des Geräts
– Alle Slave-Geräteadressen müssen bei Verwendung mehrerer Geräte eindeutig sein
Nach Abschluss dieser ersten Prüfungen können Sie testen, ob die Slave-Geräte eine Antwort auf die Modbus-Anfrage liefern. Wenn keine Antwort erfolgt, versuchen Sie, die Kommunikation mit einem anderen Modbus-Master-Gerät wie Ihrem PC und Servicekabel zu beginnen. Dies kann helfen, die Ursache des Problems zu ermitteln. Die nächste zu prüfende Frage ist, ob Sie die erwartete Antwort erhalten haben. Wenn nicht, können Sie die Testregister überprüfen, um sicherzustellen, dass Sie Informationen von der richtigen Adresse anfordern und im Fall von Gleitkommawerten, dass die Byte-Reihenfolge  korrekt ist.

Kommunikation mit einer SPS

Jede SPS-Marke hat ihre eigene Art, Funktionsblöcke und Bibliotheken für die Modbus-Kommunikation zu implementieren. Daher ist es nicht möglich, allgemeine Anweisungen zur Erstellung der Kommunikationslogik zu geben. Hier finden Sie jedoch zwei Kurzdarstellungen für den Aufbau einer erfolgreichen Kommunikation mit zwei weit verbreiteten SPS:
Allen-Bradley Micro820 Modbus RTU-Anleitung
Siemens S7-1200 Modbus RTU-Anleitung

Einrichtung abgeschlossen

Nachdem Sie alle erforderlichen Korrekturmaßnahmen durchgeführt haben, sollten Sie die erwartete Antwort erhalten, d. h. das System reagiert von nun an ordnungsgemäß, ohne Signalübertragungsfehler. Wenn jedoch nach diesen ersten Schritten immer noch Probleme auftreten, ist es wahrscheinlich an der Zeit, den Hersteller des Slave-Geräts zu kontaktieren, um das Problem zu untersuchen.

Einführung in Vaisala viewLinc

Im dritten und letzten Blogbeitrag dieser Serie über Modbus werfen wir einen Blick auf Vaisala viewLinc, ein digitales Überwachungssystem. Es eignet sich aufgrund der Möglichkeit des Kommunikationsprotokolls, Daten digital zu übertragen, hervorragend für Modbus. Da die Analog-Digital-Umwandlung nur am Messpunkt erfolgt, ermöglicht die Verwendung von viewLinc mit Modbus eine äußerst genaue Erfassung und Speicherung von Daten.

Typische viewLinc Anwendungen

Das kontinuierliche Überwachungssystem Vaisala viewLinc wird häufig in regulierten Umgebungen eingesetzt, z. B. bei pharmazeutischen Produkten und Medizinprodukten. Die Einhaltung der behördlichen Anforderung, ein separates redundantes System zur Überwachung zu verwenden, ermöglicht es Benutzer*innen, nachzuweisen, dass Vorgänge wie die Medikamentenlagerung innerhalb der erforderlichen Spezifikationen durchgeführt wurden. Im Gegensatz zu speicherprogrammierbaren Steuerungsplattformen (SPS) ist viewLinc kein Steuerungssystem – es wird verwendet, um die Datenerfassung und -speicherung zu überwachen, Alarme zu senden, wenn Messwerte außerhalb der Spezifikation liegen, und fundierte historische Daten bereitzustellen, um zu zeigen, dass Prozesswerte innerhalb der geforderten Grenzen gehalten wurden.

In solchen regulierten Umgebungen kommt viewLinc im Allgemeinen zum Einsatz, um Temperatur und Feuchte in Produktions- und Lagerbereichen zu überwachen, in denen Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK) typischerweise als Steuerungssysteme verwendet werden. Da diese Systeme nicht über ausreichend Sensoren verfügen, um die für die Überwachung erforderlichen detaillierten Informationen bereitzustellen, übernimmt viewLinc diese Rolle. Als vollständig digitales System verarbeitet viewLinc keine analogen Daten. Die gesamte Analog-Digital-Umwandlung wird von den Sensoren am oder in der Nähe des Messpunkts durchgeführt, von dem aus die digitalen Daten genau übertragen und verarbeitet werden können. Da sich digitale Kommunikation zum Standard für Überwachungssysteme in biowissenschaftlichen Umgebungen etabliert hat, gehören lange Kabel und zahlreiche Thermoelementnetzwerke weitgehend der Vergangenheit an.

Verwendung von viewLinc für nicht-digitale Anwendungen

Obwohl digitale Daten in stark regulierten Umgebungen generell vorzuziehen sind, verfügt viewLinc auch über einen universellen Datenlogger, der Analogeingänge akzeptiert. So können in Einrichtungen spezialisierte ältere Messgeräte oder ältere Geräte eingesetzt werden, die nur Analogwerte für Parameter ausgeben, die sonst von Vaisala Datenloggern nicht angeboten werden. Diese Möglichkeit, fast jede Messung zu akzeptieren, ist auch dort von Vorteil, wo die gemessenen Parameter die Fehlerrisiken minimieren, die mit Schleifenkalibrierungen oder Kalibrierungen vor Ort verbunden sind. Ein gutes Beispiel hierfür sind in viewLinc Differenzdruckmessungen, die häufig in Reinräumen verwendet werden. In diesen Bereichen wird Hochdruck genutzt, um einen konstanten Luftstrom in die schmutzigeren Teile der Anlage zu gewährleisten und so den Bereich sauber zu halten, indem verhindert wird, dass Partikel stromaufwärts strömen.

Differenzdruckmessungen werden in einem Panel in der Nähe des Datenloggers durchgeführt. Dadurch sind kurze Kabel einsetzbar, die die Auswirkungen der Verkabelung auf das Analogsignal reduzieren und somit Fehler minimieren. Stabile und zuverlässige Kalibriergeräte lassen sich leicht in den Differenzdruckbereich integrieren und sind in diesem Sinne eher die Ausnahme als die Regel. Für Reinraummessungen ist digital hilfreicher, und zwar dort, wo die Durchführung einer Schleifenkalibrierung aufgrund von längeren Kabeln oder Problemen mit dem Kalibrierreferenzstandard umständlich ist oder wo das Gerätesignal für ein analoges Signal zu kompliziert ist. Ein Beispiel dafür sind Partikelzähler. Diese sind wichtig, um zu bestimmen, wie sauber der Raum ist.

Verbindung von viewLinc mit Modbus

Partikelzähler liefern komplizierte Prozessdaten, die mit einem analogen Signal nicht einfach zu übertragen und daher für ein digitales Signal viel besser geeignet sind. Diese digitalen Daten können umgehend übermittelt werden. Sie müssen daher nicht in analoge Signale und wieder zurück umgewandelt werden – sie benötigen lediglich einen direkten digitalen Pfad zum viewLinc System, und der von uns verwendete Pfad ist Modbus. Um die Konvertierung eines Modbus-Geräts in viewLinc zu vereinfachen, haben wir innerhalb des Systems eine Vorlagenbibliothek erstellt. Komplizierte Geräte wie Partikelzähler können z. B. einfach durch Auswahl der richtigen Vorlage hinzugefügt werden. Es ist auch möglich, neue Vorlagen zu erstellen und zu speichern, die Sie dann immer wieder verwenden können.

Digitale Kommunikation bleibt über große Entfernungen genau. So verringert sie die Anzahl der erforderlichen Kalibrierungen, erhöht die Kalibriergenauigkeit und ermöglicht es Ihnen, den Datenlogger einfach an ein Kalibrierlabor zu schicken und ihn durch ein für Ihren spezifischen Prozess vorkalibriertes Gerät ersetzen zu lassen. Das viewLinc System verfügt über eine analoge Sensorfunktion, die jedoch nur in Fällen nützlich ist, in denen es keine andere Option gibt. Aus diesem Grund nutzt viewLinc nach Möglichkeit das Modbus-Kommunikationsprotokoll.