Výhody digitální komunikace Modbus ve srovnání s analogovým přenosem signálu

Vaisala USB kabel lze použít s Raspberry Pi.

Ačkoliv analogové sondy a technologie sběru dat mají co nabídnout, nesou s sebou také určitá rizika. Modbus je digitální komunikační protokol, který řeší mnoho z těchto problémů. V tomto prvním ze tří blogových příspěvků o Modbus představujeme tento zavedený průmyslový komunikační protokol, diskutujeme jeho výhody a zkoumáme, jak je implementován v zařízeních Vaisala.

Co je Modbus?

Modbus byl vyvinut v roce 1979 společností Modicon. Je to jeden z nejstarších dostupných průmyslových sběrnicových protokolů. Původním záměrem bylo vytvořit otevřený protokol. Díky úspěchu této strategie je dnes Modbus považován za průmyslový standardní protokol. Je podporován většinou značek PLC (programovatelných logických automatů), protože nevyžaduje žádné licence ani speciální hardware a řídicí systém může být implementován volně. Produkty Vaisala používají buď Modbus RTU, založený na protokolech RS-232 nebo RS-485, nebo Modbus TCP/IP, který využívá Ethernetové sítě. Potenciální nevýhodou Modbus, zejména při komunikaci přes sériové spojení (RS-485), je, že při konfiguraci s více zařízeními od různých výrobců v jednom síťovém prostředí mohou nastat kompatibilitní problémy mezi různými značkami.

Analogový měřič hodnot Vaisala Indigo201

Platforma Vaisala Indigo je široce používána v různých náročných průmyslových aplikacích. Produkt sestává z analogového měřiče hodnot, který je připojen k inteligentní vyměnitelné sondě, jež měří proměnné jako relativní vlhkost, teplota, teplota rosného bodu, koncentrace oxidu uhličitého nebo peroxidu vodíku. Všechna měření a výpočty jsou digitálně prováděny kompatibilní sondou Indigo, která může fungovat i jako samostatné zařízení bez měřiče hodnot. Sonda předává data měřiči hodnot, který je následně přenáší v analogové podobě do PLC.

Problém při přenosu analogového signálu

Typicky je digitální vlhkoměr, v tomto případě Vaisala HMP3, vybaven dvěma senzory – jedním pro měření teploty, například PT100, a druhým pro relativní vlhkost, například senzor Vaisala HUMICAP®. Ve skutečnosti tyto senzory měří změny odporu nebo kapacity. Sonda převádí analogové signály na digitální data, provádí potřebné výpočty pro teplotu a relativní vlhkost a odesílá přesné digitální údaje měřiči Indigo201. Ten tyto signály opět převádí zpět do analogové podoby, aby je mohl přenést přes analogové kabely do PLC. Tam jsou opět převedeny na digitální data pro zpracování a archivaci.

Jak se dá očekávat, převod digitálních dat do analogové podoby v měřiči a zpět do digitální formy v PLC nebo jiném řídicím systému přináší další možnosti vzniku chyb. Zajištění přesných měření je důležité jak z hlediska kvality, tak z regulačního hlediska. Jednou z možností minimalizace chyb je použití digitální komunikace. A zde přichází na scénu Modbus.

Výhody Modbus

Stejné sondy, které lze používat s Indigo201, jsou také kompatibilní s digitálním komunikačním protokolem Modbus RTU. Díky digitální komunikaci lze sondou měřit kromě relativní vlhkosti a teploty i mnoho dalších parametrů, včetně rosného/frostového bodu, absolutní vlhkosti, poměru směsi, teploty vlhkosti a entalpie, stejně jako další informace, například stav zařízení, sériové číslo a bezpečnostní hash. Pokud umožníte hlavnímu zařízení Modbus (master) ověřit stav bezpečnostního hashe, můžete zajistit, že senzor nebyl manipulován a konfigurace sond nebyla změněna. Je také možné připojit více sond do stejné sítě. U analogového systému by to vyžadovalo značné dodatečné kabelové vedení a E/A moduly v PLC. Modbus také snižuje riziko chyb při přenosu dat tím, že minimalizuje převody mezi analogovým a digitálním signálem. Proto je to skvělá volba pro digitální přenos dat.

Měřič hodnot není jen převodník analog-digital protokolu

Ačkoliv sondy kompatibilní s Indigo mohou být použity jako samostatná měřicí zařízení, nejlepší uživatelská přívětivost je často dosažena ve spojení s měřičem hodnot, který nabízí místní uživatelské rozhraní, displej, různé možnosti napájení a některé z nich s výhodami digitální komunikace. Měřič Indigo202 využívá stejnou komunikaci Modbus RTU jako sonda, a měřiče řady Indigo500 mohou komunikovat přes Modbus TCP/IP.

Nastavení s Modbus

Ve druhém příspěvku naší série o Modbus vám ukážeme v krátkém úvodním videu, jak začít. Budeme diskutovat o testech a konfiguraci a poté o vývoji prototypů a uvedení do provozu.
Toto krátké video si můžete prohlédnout zde.

Vývoj prototypů

Po nastavení komunikace mezi vaším počítačem a sondami je možné je připojit k vašim systémům. Dalším krokem je obvykle vývoj prototypu. K tomu může posloužit například platforma Raspberry Pi, která má USB porty pro připojení Vaisala USB kabelů pro testování Modbus RTU a LAN port pro testování Modbus TCP/IP. Doporučené jazyky jsou Python nebo Node-RED, které oba nabízejí bezplatné otevřené knihovny (PyModbus nebo node-red-contrib-modbus) pro komunikaci s Modbus.

Platforma Raspberry Pi je vhodná pro testování, ale nikoliv pro průmyslové prostředí. Proto pravděpodobně budete potřebovat něco odolnějšího, například PLC. Podle modelu může PLC vyžadovat samostatný modul pro přístup k RS-485.

Nastavení komunikace Modbus

Aby se předešlo problémům s komunikací, měla by všechna zařízení v síti používat stejné komunikační parametry a mít jednoznačné adresy Modbus zařízení, které je nutné ručně nastavit. Protokol Modbus používá funkční kódy k výměně hodnot mezi hlavním zařízením (master) a slave zařízeními. Například hlavní zařízení může předat sondě hodnotu procesního tlaku, kterou sonda využije k přesnějšímu měření vlhkosti. Protože jsou Modbus registry specifické pro výrobce, mohou být hodnoty u různých výrobců na různých adresách. Dalším možným problémem je, že zatímco Modbus čísluje registry od jedné, některé systémy používají hodnoty začínající od nuly. To může vyžadovat několik pokusů a omylů. Produkty Vaisala vám zde pomohou testovacími registry pro celá čísla, desetinná čísla a textové řetězce.

Uvedení nového systému do provozu

Zde je kontrolní seznam, na který byste měli při uvádění do provozu myslet:
– Nastavení komunikace musí být správné
– Kabeláž musí být správně připojena, s signální zemí, která vede přes vlastní vodič v kabelu, nikoliv přes kryt zařízení
– Všechna slave zařízení musí mít při použití více zařízení jednoznačné adresy
Po dokončení těchto prvotních kontrol můžete otestovat, zda slave zařízení odpovídají na Modbus požadavek. Pokud nedostanete žádnou odpověď, zkuste začít komunikaci s jiným hlavním zařízením Modbus, například s počítačem a servisním kabelem. To může pomoci určit příčinu problému. Další otázkou je, zda jste obdrželi očekávanou odpověď. Pokud ne, zkontrolujte testovací registry, abyste se ujistili, že požadujete informace z správné adresy, a u desetinných hodnot také správné pořadí bytů.

Komunikace s PLC

Každá značka PLC má svůj vlastní způsob implementace funkčních bloků a knihoven pro komunikaci Modbus. Proto nelze poskytnout univerzální pokyny pro tvorbu komunikační logiky. Nicméně zde uvádíme dvě stručné ukázky pro úspěšné navázání komunikace s dvěma běžně používanými PLC:
Micro820 od Allen-Bradley – návod na Modbus RTU
Siemens S7-1200 – návod na Modbus RTU

Dokončení nastavení

Po provedení všech potřebných korekčních kroků byste měli obdržet očekávanou odpověď, tj. systém od té doby funguje správně, bez chyb přenosu signálu. Pokud však po těchto prvních krocích stále přetrvávají problémy, je pravděpodobně čas kontaktovat výrobce slave zařízení a problém prozkoumat.

Úvod do Vaisala viewLinc

Ve třetím a posledním příspěvku této série o Modbus se podíváme na Vaisala viewLinc, digitální systém sledování. Díky možnosti komunikačního protokolu je ideální pro Modbus. Protože převod analogového signálu na digitální se provádí přímo na měřicím místě, použití viewLinc s Modbusem umožňuje extrémně přesné zaznamenávání a ukládání dat.

Typické použití viewLinc

Systém kontinuálního sledování Vaisala viewLinc je často používán v regulovaných prostředích, například u farmaceutických výrobků a zdravotnických zařízení. Dodržení požadavků úřadů na použití samostatného redundantního systému pro sledování umožňuje uživatelům dokázat, že procesy jako skladování léků probíhají v souladu s požadovanými specifikacemi. Na rozdíl od programovatelných logických automatů (PLC) není viewLinc řídicím systémem – slouží k monitorování sběru a ukládání dat, odesílání alarmů při překročení limitů měřených hodnot a poskytování podrobných historických dat, která dokazují, že hodnoty procesu byly udržovány v požadovaných mezích.

V takových regulovaných prostředích se viewLinc obvykle používá k monitorování teploty a vlhkosti v výrobních a skladovacích prostorách, kde jsou jako řídicí systémy běžně používány systémy HVAC. Jelikož tyto systémy nemají dostatek senzorů pro poskytnutí detailních informací potřebných pro sledování, přebírá tuto roli právě viewLinc. Jako plně digitální systém nezpracovává analogová data. Veškerá analogová převod je prováděna senzory přímo na nebo v blízkosti měřicího bodu, odkud jsou digitální data přesně přenášena a zpracovávána. Protože se digitální komunikace stala standardem pro sledovací systémy v biovědních prostředích, jsou dlouhá kabelová vedení a rozsáhlé sítě termočlánků téměř minulostí.

Použití viewLinc i v nenumerických aplikacích

Ačkoliv je digitální přenos dat v přísně regulovaných prostředích obecně preferován, má viewLinc také univerzální datalogger, který akceptuje analogové vstupy. Díky tomu lze v zařízeních používat specializované starší měřicí přístroje nebo starší zařízení, která poskytují pouze analogové hodnoty parametrů, jež jinak nejsou nabízeny datalogery Vaisala. Tato možnost přijímat téměř jakékoli měření je výhodná i tam, kde měřené parametry minimalizují riziko chyb, například u kalibrací nebo kalibrací na místě. Dobrou ukázkou jsou například měření diferenčního tlaku ve viewLinc, často používaná v čistých prostorách. V těchto oblastech se využívá vysokotlaký proud vzduchu k udržení stálého průtoku vzduchu do méně čistých částí zařízení, čímž se udržuje čistota prostoru a zabrání se proudění částic směrem vzhůru.

Diferenciální tlakové měření se provádí v panelu poblíž dataloggeru. To umožňuje použití krátkých kabelů, které snižují vliv kabeláže na analogový signál a tím minimalizují chyby. Stabilní a spolehlivé kalibrační přístroje lze snadno integrovat do oblasti diferenčního tlaku, a v tomto smyslu jsou spíše výjimkou než pravidlem. Pro měření v čistých prostorách je digitální přenos výhodnější, například tam, kde je složité provádět kalibrace na místě kvůli dlouhým kabelům nebo problémům s kalibračním standardem, nebo kde je signál zařízení příliš složitý pro analogové zpracování. Příkladem jsou například částicové analyzátory. Ty jsou důležité pro určení, jak je prostor čistý.

Propojení viewLinc s Modbus

Částicové analyzátory poskytují složitá procesní data, která není snadné přenést analogovým signálem, a proto jsou pro digitální přenos mnohem vhodnější. Tato digitální data lze okamžitě přenést. Není třeba je převádět zpět na analogové signály – stačí přímá digitální cesta do systému viewLinc a tou je právě Modbus. Abychom usnadnili konverzi zařízení Modbus do systému viewLinc, vytvořili jsme v rámci systému knihovnu šablon. Složitá zařízení, jako jsou částicové analyzátory, lze například jednoduše přidat výběrem správné šablony. Je také možné vytvářet a ukládat nové šablony, které pak lze opakovaně používat.

Digitální komunikace zůstává přesná i na velké vzdálenosti. Snižuje počet nutných kalibrací, zvyšuje přesnost kalibrace a umožňuje vám jednoduše poslat datalogger do kalibračního laboratoře a nahradit jej předkalibrovaným zařízením vhodným pro váš specifický proces. Systém viewLinc má také analogovou funkci senzoru, která je však užitečná pouze v případech, kdy neexistuje jiná možnost. Z tohoto důvodu systém viewLinc co nejvíce využívá komunikační protokol Modbus.