Vantaggi della comunicazione digitale Modbus rispetto alla trasmissione di segnali analogici

Il cavo USB Vaisala può essere utilizzato con Raspberry Pi.

Nonostante le sonde analogiche e la tecnologia di acquisizione dati offrano molto, comportano anche alcuni rischi. Modbus è un protocollo di comunicazione digitale che affronta molti di questi problemi. In questo primo di tre articoli del blog su Modbus, presentiamo questo protocollo di campo consolidato, discutiamo i suoi vantaggi e analizziamo come viene implementato nei dispositivi Vaisala.

Cos'è Modbus?

Modbus è stato sviluppato nel 1979 da Modicon. È uno dei protocolli di campo più antichi disponibili. L'intenzione originale era creare un protocollo aperto. Grazie al successo di questa strategia, Modbus è oggi considerato uno standard industriale. È supportato dalla maggior parte dei marchi di controllori logici programmabili (PLC), poiché non richiede licenze né hardware proprietario e un sistema di controllo può essere implementato liberamente. I prodotti Vaisala utilizzano sia Modbus RTU, basato sui protocolli RS-232 o RS-485, sia Modbus TCP/IP, che utilizza una rete Ethernet. Un potenziale svantaggio di Modbus, in particolare nelle comunicazioni seriali (RS-485), è che, in configurazioni con più fornitori e dispositivi di misura di diversi produttori sulla stessa rete, possono verificarsi problemi di compatibilità tra i vari marchi.

Misuratore di valori analogici Vaisala Indigo201

La piattaforma Vaisala Indigo viene ampiamente utilizzata in una vasta gamma di applicazioni industriali complesse. Il prodotto consiste in un misuratore di valori di dati analogici, collegato a una sonda intelligente intercambiabile che misura variabili come umidità relativa, temperatura, temperatura di rugiada, concentrazione di anidride carbonica o di perossido di idrogeno. Tutte le misurazioni e i calcoli vengono eseguiti digitalmente dalla sonda compatibile con Indigo, che può anche funzionare come dispositivo autonomo senza il misuratore di valori. La sonda trasmette i dati al misuratore di valori, che li invia poi in forma analogica a un PLC.

Problema nella trasmissione del segnale analogico

Tipicamente, una sonda di umidità digitale, in questo caso una Vaisala HMP3, è dotata di due sensori — uno per la misurazione della temperatura, ad esempio un sensore PT100, e uno per l'umidità relativa, ad esempio un sensore Vaisala HUMICAP®. In realtà, questi sensori misurano variazioni di resistenza o capacità. La sonda converte i segnali analogici in dati digitali, esegue i calcoli necessari per temperatura e umidità relativa e invia i dati digitali precisi al misuratore di valori Indigo201. Quest'ultimo converte nuovamente il segnale in forma analogica per trasmetterlo tramite cablaggio analogico a un PLC. Lì, i dati vengono nuovamente convertiti in digitale per l'elaborazione e l'archiviazione.

Come previsto, la conversione dei dati digitali in forma analogica nel misuratore di valori e poi di nuovo in digitale nel PLC o in un altro sistema di controllo introduce ulteriori fonti di errore. Garantire misurazioni accurate è importante sia dal punto di vista qualitativo che regolamentare. Una soluzione per ridurre gli errori è l'uso di comunicazioni digitali, ed è qui che entra in gioco Modbus.

Vantaggi di Modbus

Le stesse sonde utilizzate con Indigo201 sono compatibili anche con il protocollo di comunicazione digitale Modbus RTU. Poiché Modbus utilizza comunicazioni digitali, la sonda può essere impiegata non solo per umidità relativa e temperatura, ma anche per molte altre variabili, tra cui temperatura di rugiada e di brina, umidità assoluta, rapporto di miscelazione, temperatura di umidità e entalpia, oltre a informazioni aggiuntive come stato del dispositivo, numero di serie e hash di sicurezza. Se si permette al master Modbus di verificare lo stato dell'hash di sicurezza, si può garantire che il sensore non sia stato manomesso e che la configurazione della sonda non sia stata modificata. È anche possibile collegare più sonde alla stessa rete. In un sistema analogico, ciò richiederebbe un notevole sforzo di cablaggio e moduli di I/O nel sistema PLC. Modbus riduce anche il rischio di errori di dati minimizzando le conversioni tra analogico e digitale, rendendolo un'opzione eccellente per la trasmissione di dati digitali.

Il misuratore di valori non è solo un convertitore di protocollo analogico-digitale

Sebbene le sonde compatibili con Indigo possano essere utilizzate come dispositivi autonomi, la massima facilità d'uso si ottiene spesso con un misuratore di valori che offre un'interfaccia locale, visualizzazione, diverse opzioni di alimentazione e alcuni vantaggi della comunicazione digitale. Il misuratore Indigo202 utilizza la stessa comunicazione Modbus RTU delle sonde, mentre i misuratori della serie Indigo500 possono comunicare tramite il protocollo Modbus TCP/IP.

Configurazione con Modbus

Nel secondo articolo della nostra serie sul Modbus, mostreremo in un breve video introduttivo come iniziare. Discuteremo di test e configurazione, quindi di sviluppo di prototipi e messa in funzione.
Puoi vedere il breve video qui.

Sviluppo di prototipi

Dopo aver configurato la comunicazione tra il computer e le sonde, puoi collegarle ai tuoi sistemi. Il passo successivo è generalmente lo sviluppo di un prototipo. A tal fine, ad esempio, si può usare la piattaforma Raspberry Pi, dotata di porte USB per collegare cavi Vaisala per testare Modbus RTU e di una porta LAN per testare Modbus TCP/IP. Le lingue consigliate sono Python o Node-RED, entrambe con librerie open source gratuite (PyModbus o Node-red-contrib-modbus) per la comunicazione con Modbus.

La piattaforma Raspberry Pi è adatta per i test, ma non per ambienti industriali. Probabilmente avrai bisogno di qualcosa di più robusto, come un PLC. A seconda del modello, il PLC potrebbe aver bisogno anche di un modulo separato per l'accesso RS-485.

Impostazioni di comunicazione Modbus

Per evitare problemi di comunicazione, tutti i dispositivi sulla rete devono usare gli stessi parametri di comunicazione e avere indirizzi Modbus univoci, impostati manualmente. Il protocollo Modbus utilizza codici funzione per scambiare valori tra il master Modbus e gli slave. Ad esempio, il master può trasmettere alla sonda il valore di pressione del processo, che viene poi utilizzato per una misurazione più accurata dell'umidità. Poiché gli registri Modbus sono specifici del fornitore, i valori possono essere trovati a indirizzi diversi a seconda del produttore. Un altro problema potenziale è che, mentre Modbus numeri i registri a partire da uno, alcuni sistemi usano valori che partono da zero. Ciò può richiedere alcuni tentativi ed errori. I prodotti Vaisala supportano questa situazione con registri di prova per valori interi, numeri in virgola mobile e stringhe di testo.

Avvio del nuovo sistema

Ecco una checklist da seguire durante l'avvio:
– Le impostazioni di comunicazione devono essere corrette
– Il cablaggio deve essere collegato correttamente, con una massa di segnale che corre attraverso il suo filo dedicato, non attraverso la custodia del dispositivo
– Tutti gli indirizzi degli slave devono essere univoci in presenza di più dispositivi
Dopo aver completato queste verifiche, puoi testare se gli slave rispondono alle richieste Modbus. Se non ricevi risposta, prova a iniziare la comunicazione con un altro master Modbus, come il PC con cavo di servizio. Questo può aiutare a identificare la causa del problema. La domanda successiva è se hai ricevuto la risposta attesa. In caso contrario, puoi verificare i registri di prova per assicurarti di richiedere le informazioni dall'indirizzo corretto e, nel caso di valori in virgola mobile, che l'ordine dei byte sia corretto.

Comunicazione con un PLC

Ogni marca di PLC ha il proprio modo di implementare blocchi funzione e librerie per la comunicazione Modbus. Pertanto, non è possibile fornire istruzioni generali per creare la logica di comunicazione. Tuttavia, ecco due brevi descrizioni per configurare una comunicazione efficace con due PLC molto diffusi:
Guida Modbus RTU per Micro820 di Allen-Bradley
Guida Modbus RTU per Siemens S7-1200

Configurazione completata

Dopo aver eseguito tutte le correzioni necessarie, dovresti ricevere la risposta prevista, cioè il sistema risponde correttamente, senza errori di trasmissione. Se, tuttavia, persistono problemi anche dopo questi passaggi, probabilmente è il momento di contattare il produttore dello slave per approfondire il problema.

Introduzione a Vaisala viewLinc

Nel terzo e ultimo articolo di questa serie sul Modbus, daremo uno sguardo a Vaisala viewLinc, un sistema di monitoraggio digitale. Grazie alla possibilità di utilizzare il protocollo di comunicazione, è ideale per Modbus. Poiché la conversione analogico-digitale avviene solo sul punto di misura, l'uso di viewLinc con Modbus permette una raccolta e un'archiviazione dei dati estremamente precise.

Applicazioni tipiche di viewLinc

Il sistema di monitoraggio continuo Vaisala viewLinc viene spesso utilizzato in ambienti regolamentati, ad esempio per prodotti farmaceutici e dispositivi medici. La conformità alle normative che richiedono l'uso di sistemi di monitoraggio ridondanti separati permette agli utenti di dimostrare che le procedure, come la conservazione dei farmaci, sono state eseguite secondo le specifiche richieste. A differenza delle piattaforme di controllo logico programmabile (PLC), viewLinc non è un sistema di controllo — viene utilizzato per monitorare l'acquisizione e l'archiviazione dei dati, inviare allarmi quando i valori sono fuori dalle specifiche e fornire dati storici dettagliati per dimostrare che i valori di processo sono stati mantenuti entro i limiti richiesti.

In tali ambienti regolamentati, viewLinc viene generalmente impiegato per monitorare temperatura e umidità in aree di produzione e stoccaggio, dove sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento (HVAC) sono tipicamente usati come sistemi di controllo. Poiché questi sistemi spesso non dispongono di sensori sufficienti per fornire dettagliate informazioni di monitoraggio, viewLinc assume questo ruolo. Essendo un sistema completamente digitale, viewLinc non elabora dati analogici. La conversione analogico-digitale avviene esclusivamente nei sensori posizionati sul punto di misura o nelle sue vicinanze, garantendo che i dati digitali siano trasmessi e processati con precisione. Poiché la comunicazione digitale si è affermata come standard nei sistemi di monitoraggio in ambienti biotecnologici, i lunghi cavi e le reti di termocoppie sono ormai un ricordo.

Utilizzo di viewLinc per applicazioni non digitali

Sebbene i dati digitali siano preferibili in ambienti altamente regolamentati, viewLinc dispone anche di un registratore di dati universale che accetta ingressi analogici. In questo modo, si possono impiegare apparecchi di misura più vecchi o dispositivi analogici che forniscono solo valori analogici per parametri che altrimenti non sono disponibili tramite i data logger Vaisala. Questa possibilità di accettare quasi ogni tipo di misura è vantaggiosa anche nei casi in cui i parametri misurati riducono i rischi di errore associati a calibrazioni di loop o calibrazioni in loco. Un esempio sono le misurazioni di pressione differenziale in viewLinc, spesso utilizzate in camere bianche. In questi ambienti, si utilizza alta pressione per mantenere un flusso d'aria costante nelle parti più sporche dell'impianto, mantenendo l'ambiente pulito e impedendo che particelle fluiscano verso aree più pulite.

Le misurazioni di pressione differenziale vengono effettuate in un pannello vicino al data logger. Ciò consente di usare cavi corti, riducendo l'impatto del cablaggio sul segnale analogico e minimizzando gli errori. Strumenti di calibrazione stabili e affidabili possono essere facilmente integrati nel sistema di pressione differenziale, rendendo questa soluzione più un'eccezione che la regola. Per le misurazioni in ambienti sterili, la comunicazione digitale è più utile, specialmente quando la calibrazione di loop è complicata da cavi lunghi o problemi con lo standard di riferimento di calibrazione, o quando il segnale del dispositivo è troppo complesso da convertire in un segnale analogico. Un esempio sono gli strumenti di conteggio delle particelle, fondamentali per determinare la pulizia di un ambiente.

Connessione di viewLinc con Modbus

I conteggi delle particelle forniscono dati di processo complessi che non sono facilmente trasmissibili tramite un segnale analogico e sono quindi molto più adatti a un segnale digitale. Questi dati digitali possono essere trasmessi immediatamente, senza bisogno di convertirli in segnali analogici e viceversa — basta un percorso digitale diretto verso il sistema viewLinc, e il percorso che utilizziamo è Modbus. Per semplificare la conversione di un dispositivo Modbus in viewLinc, abbiamo creato una libreria di modelli all’interno del sistema. Dispositivi complessi come i conteggi delle particelle possono essere facilmente aggiunti selezionando il modello appropriato. È anche possibile creare e salvare nuovi modelli da riutilizzare.

La comunicazione digitale mantiene alta la precisione anche su lunghe distanze. Riduce il numero di calibrazioni necessarie, aumenta la precisione delle calibrazioni e permette di inviare facilmente il data logger a un laboratorio di taratura, sostituendolo con un dispositivo pre-calibrato per il vostro processo specifico. Il sistema viewLinc include anche una funzione di sensore analogico, utile solo nei casi in cui non ci siano altre opzioni disponibili. Per questo motivo, viewLinc utilizza preferibilmente il protocollo di comunicazione Modbus.