Voordelen van digitale Modbus-communicatie in vergelijking met analoge signaaloverdracht

Vaisala USB-kabel kan worden gebruikt met Raspberry Pi.

Hoewel analoge sondes en dataverwerkingstechnologie veel te bieden hebben, brengen ze ook enkele risico's met zich mee. Modbus is een digitaal communicatieprotocol dat veel van deze problemen aanpakt. In deze eerste van drie blogposts over Modbus introduceren we dit gevestigde veldbusprotocol, bespreken we de voordelen ervan en onderzoeken we hoe het wordt geïmplementeerd in Vaisala-apparaten.

Wat is Modbus?

Modbus werd in 1979 ontwikkeld door Modicon. Het is een van de oudste beschikbare veldbusprotocollen. Het oorspronkelijke doel was om een open protocol te creëren. Dankzij het succes van deze strategie wordt Modbus vandaag de dag beschouwd als een industriestandaardprotocol. Het wordt ondersteund door de meeste programmeerbare logische controllers (PLC's), omdat er geen licenties of eigen hardware nodig zijn en een controlesysteem vrij kan worden geïmplementeerd. Vaisala-producten gebruiken ofwel Modbus RTU, dat gebaseerd is op het RS-232- of RS-485-protocol, ofwel Modbus TCP/IP, dat een Ethernet-netwerk gebruikt. Een mogelijk nadeel van Modbus, vooral bij communicatie via seriële dataverbindingen (RS-485), is dat bij een configuratie met meerdere aanbieders, die meetinstrumenten van verschillende fabrikanten gebruiken, compatibiliteitsproblemen kunnen ontstaan tussen de verschillende merken.

Vaisala Indigo201 Analoge Meetwaardegever

Het Vaisala Indigo-platform wordt op grote schaal ingezet in diverse veeleisende industriële toepassingen. Het product bestaat uit een analoge data-meetwaardegever die is aangesloten op een intelligente verwisselbare sonde die variabelen meet zoals relatieve vochtigheid, temperatuur, dauwpunt, kooldioxide of waterstofperoxideconcentratie. Alle metingen en berekeningen worden digitaal uitgevoerd door de Indigo-compatibele sonde, die ook als zelfstandig apparaat zonder meetwaardegever kan worden gebruikt. De sonde geeft de gegevens door aan de meetwaardegever, die ze vervolgens in analoge vorm doorgeeft aan een PLC.

Probleem bij analoge signaaloverdracht

Typisch is een digitale vochtigheidssonde, in dit geval een Vaisala HMP3, uitgerust met twee sensoren – een voor temperatuurmeting, bijvoorbeeld een PT100-sensor, en een voor relatieve vochtigheid, bijvoorbeeld een Vaisala HUMICAP®-sensor. In werkelijkheid meten deze sensoren resistantie- of capaciteitsveranderingen. De sonde zet de analoge signalen om in digitale gegevens, voert de benodigde berekeningen uit voor temperatuur en relatieve vochtigheid en stuurt de exacte digitale gegevens door naar de Indigo201-analoge meetwaardegever. De meetwaardegever zet dit signaal vervolgens weer om in analoge vorm om via een analoge bekabeling naar de PLC te worden gestuurd. Daar wordt het opnieuw omgezet in digitale gegevens voor verwerking en opslag.

Zoals te verwachten is, leidt de omzetting van digitale gegevens in een analoge vorm in de meetwaardegever en vervolgens weer terug in een digitale vorm in de PLC of een ander controlesysteem tot extra foutenbronnen. Het waarborgen van nauwkeurige metingen is zowel vanuit kwalitatief als regulatorisch oogpunt belangrijk. Een manier om fouten te minimaliseren is het gebruik van digitale communicatie. Hier komt Modbus in beeld.

Voordelen van Modbus

Dezelfde sondes die met de Indigo201 kunnen worden gebruikt, zijn ook compatibel met het digitale communicatieprotocol Modbus RTU. Omdat bij Modbus digitale communicatie wordt gebruikt, kan de sonde naast relatieve vochtigheid en temperatuur ook vele andere parameters meten, waaronder dauwpunt-/vriespunttemperatuur, absolute vochtigheid, mengverhouding, vochttemperatuur en enthalpie, evenals aanvullende informatie zoals apparaatstatus, serienummer en beveiligingshash. Als u de Modbus-master toestaat om de beveiligingshash-status te controleren, kunt u garanderen dat de sensor niet is gemanipuleerd en dat de sondaconfiguratie niet is gewijzigd. Het is ook mogelijk om meerdere sondes op hetzelfde netwerk aan te sluiten. Bij een analoog systeem zou dit een aanzienlijke extra bekabeling en I/O-modules in de PLC vereisen. Modbus vermindert ook het risico op gegevensfouten door omzettingen tussen analoog en digitaal te minimaliseren. Hierdoor is het een uitstekende optie voor digitale gegevensoverdracht.

Meetwaardegever is niet alleen een analoog-digitaal protocolomzetter

Hoewel de Indigo-compatibele sondes zelfstandig kunnen worden ingezet als meetinstrumenten, wordt de beste gebruiksvriendelijkheid vaak bereikt in combinatie met een meetwaardegever die een lokale gebruikersinterface, display, verschillende stroomvoorzieningsopties en enkele van de voordelen van digitale communicatie biedt. De Indigo202-meetwaardegever gebruikt dezelfde Modbus RTU-communicatie als de sonde, en de meetwaardegevers van de Indigo500-serie kunnen communiceren via het Modbus TCP/IP-protocol.

Configuratie met Modbus

In de tweede bijdrage van onze blogreeks over Modbus laten we in een korte introductievideo zien hoe u kunt beginnen. We bespreken de onderwerpen testen en configuratie, gevolgd door prototyping en inbedrijfstelling.
De korte video kunt u hier bekijken.

Prototyping

Nadat u de communicatie tussen uw computer en de sondes hebt ingesteld, kunt u deze verbinden met uw systemen. De volgende stap is meestal het ontwikkelen van een prototype. Bijvoorbeeld met het Raspberry Pi-platform, dat via USB-poorten kan worden aangesloten op Vaisala USB-kabels voor het testen van Modbus RTU en via een LAN-aansluiting voor het testen van Modbus TCP/IP. De aanbevolen programmeertalen zijn Python of Node-RED, die beide gratis open bibliotheken bieden (PyModbus en Node-red-contrib-modbus) voor communicatie met Modbus.

Hoewel het Raspberry Pi-platform geschikt is voor testen, is het niet geschikt voor een industriële omgeving. U hebt daarom waarschijnlijk iets robuuster nodig, zoals een PLC. Afhankelijk van het model heeft de PLC mogelijk ook een apart module nodig om toegang tot RS-485 te bieden.

Instellingen voor Modbus-communicatie

Om communicatieproblemen te voorkomen, moeten alle apparaten in een netwerk dezelfde communicatieparameters gebruiken en beschikken over unieke Modbus-apparaatadressen die handmatig moeten worden ingesteld. Het Modbus-protocol gebruikt functiecodes om waarden uit te wisselen tussen de Modbus-master en de slaves. Bijvoorbeeld kan de master het procesdrukwaarde doorgeven aan de sonde, die deze gegevens gebruikt voor een nauwkeurigere vochtmeting. Omdat Modbus-registers aanbiedersspecifiek zijn, kunnen de waarden op verschillende adressen worden gevonden afhankelijk van de fabrikant. Een ander potentieel probleem om op te letten: terwijl Modbus de registers nummert vanaf één, gebruiken sommige systemen waarden die bij nul beginnen. Dit kan enige proef en error vereisen. Vaisala-producten ondersteunen u hierbij met testregisters voor gehele getallen, kommagetallen en tekststrings.

Inbedrijfstelling van het nieuwe systeem

Hieronder vindt u een checklist die u bij de inbedrijfstelling moet volgen:
– Communicatie-instellingen moeten correct zijn
– Bekabeling moet correct zijn aangesloten, met een signaalmassa die via een eigen draad in de kabel loopt, niet via de behuizing van het apparaat
– Alle slave-apparaatadressen moeten uniek zijn bij gebruik van meerdere apparaten
Na het voltooien van deze eerste controles kunt u testen of de slave-apparaten een antwoord geven op de Modbus-aanvraag. Als er geen antwoord komt, probeer dan de communicatie te starten met een ander Modbus-masterapparaat zoals uw PC en servickabel. Dit kan helpen om de oorzaak van het probleem te achterhalen. De volgende vraag die u moet controleren, is of u het verwachte antwoord hebt ontvangen. Zo niet, controleer dan de testregisters om zeker te zijn dat u informatie op het juiste adres opvraagt en dat bij kommagetallen de bytevolgorde correct is.

Communicatie met een PLC

Elke merk PLC heeft zijn eigen manier om functionele blokken en bibliotheken voor Modbus-communicatie te implementeren. Daarom is het niet mogelijk om algemene instructies te geven voor het opzetten van de communicatie-logica. Hier vindt u echter twee korte beschrijvingen voor het opzetten van een succesvolle communicatie met twee veelgebruikte PLC's:
Allen-Bradley Micro820 Modbus RTU handleiding
Siemens S7-1200 Modbus RTU handleiding

Voltooiing van de installatie

Nadat u alle noodzakelijke correcties hebt doorgevoerd, zou u het verwachte antwoord moeten ontvangen, dat wil zeggen dat het systeem vanaf dat moment correct reageert zonder signaalverwerkingsfouten. Als er echter na deze eerste stappen nog steeds problemen optreden, is het waarschijnlijk tijd om contact op te nemen met de fabrikant van het slave-apparaat om het probleem te onderzoeken.

Inleiding tot Vaisala viewLinc

In de derde en laatste blogpost van deze serie kijken we naar Vaisala viewLinc, een digitaal bewakingssysteem. Vanwege de mogelijkheid van het communicatieprotocol om gegevens digitaal over te dragen, is het uitstekend geschikt voor Modbus. Omdat de analoog-naar-digitaal-conversie alleen op het meetpunt plaatsvindt, maakt het gebruik van viewLinc met Modbus een uiterst nauwkeurige registratie en opslag van gegevens mogelijk.

Typische viewLinc-toepassingen

Het continue bewakingssysteem Vaisala viewLinc wordt vaak ingezet in gereguleerde omgevingen, bijvoorbeeld bij farmaceutische producten en medische hulpmiddelen. Het voldoen aan de overheidsvereiste om een apart redundantie-systeem voor bewaking te gebruiken, stelt gebruikers in staat om aan te tonen dat processen zoals medicijnopslag binnen de vereiste specificaties zijn uitgevoerd. In tegenstelling tot programmeerbare logische controllers (PLC's) is viewLinc geen controlesysteem – het wordt gebruikt om gegevensverzameling en -opslag te bewaken, alarmen te sturen wanneer meetwaarden buiten de specificaties liggen, en om gedetailleerde historische gegevens te bieden die aantonen dat proceswaarden binnen de gestelde grenzen zijn gehouden.

In dergelijke gereguleerde omgevingen wordt viewLinc doorgaans gebruikt om temperatuur en vochtigheid te bewaken in productie- en opslagruimten waar HVAC-systemen meestal als controlesystemen worden ingezet. Omdat deze systemen niet over voldoende sensoren beschikken om de benodigde gedetailleerde informatie te leveren voor bewaking, neemt viewLinc deze rol over. Als volledig digitaal systeem verwerkt viewLinc geen analoge gegevens. De volledige analoog-naar-digitaal-conversie wordt uitgevoerd door de sensoren op of nabij het meetpunt, zodat de digitale gegevens nauwkeurig kunnen worden overgedragen en verwerkt. Omdat digitale communicatie de standaard is geworden voor bewakingssysteem in biowetenschappelijke omgevingen, behoren lange kabels en talrijke thermokoppelnnetwerken grotendeels tot het verleden.

Gebruik van viewLinc voor niet-digitale toepassingen

Hoewel digitale gegevens in streng gereguleerde omgevingen over het algemeen de voorkeur genieten, beschikt viewLinc ook over een universele datalogger die analoge ingangen accepteert. Zo kunnen in faciliteiten gespecialiseerde oudere meetinstrumenten of oudere apparaten worden ingezet die alleen analoge waarden voor parameters afgeven die anders niet door Vaisala-dataloggers worden aangeboden. Deze mogelijkheid om bijna elke meting te accepteren, is ook voordelig waar de gemeten parameters het risico op fouten minimaliseren dat gepaard gaat met luskalibraties of lokale kalibraties. Een goed voorbeeld hiervan zijn differentiedrukmetingen in viewLinc, die vaak worden gebruikt in cleanrooms. In deze gebieden wordt hoge druk gebruikt om een constante luchtstroom naar de meer vervuilde delen van de installatie te garanderen en zo het gebied schoon te houden door te voorkomen dat deeltjes stroomopwaarts worden geblazen.

Differentiedrukmetingen worden uitgevoerd in een paneel in de buurt van de datalogger. Hierdoor kunnen korte kabels worden gebruikt die de invloed van bekabeling op het analoge signaal verminderen en fouten minimaliseren. Stabiele en betrouwbare kalibratie-apparaten kunnen gemakkelijk worden geïntegreerd in het differentiedrukbereik en zijn in dat opzicht eerder de uitzondering dan de regel. Voor cleanroommetingen is digitaal handiger, vooral wanneer het uitvoeren van luskalibraties vanwege langere kabels of problemen met de kalibratiereferentie lastig is, of wanneer het signaal voor een analoog signaal te complex is. Een voorbeeld hiervan zijn deeltjesanalysatoren. Deze zijn belangrijk om te bepalen hoe schoon de ruimte is.

Verbinding van viewLinc met Modbus

Deeltjesanalysatoren leveren complexe procesgegevens die niet eenvoudig kunnen worden overgedragen via een analoog signaal en daarom veel geschikter zijn voor een digitaal signaal. Deze digitale gegevens kunnen direct worden overgedragen. Ze hoeven dus niet te worden omgezet in analoge signalen en weer terug – ze vereisen slechts een directe digitale verbinding met het viewLinc-systeem, en de door ons gebruikte verbinding is Modbus. Om de conversie van een Modbus-apparaat in viewLinc te vergemakkelijken, hebben we binnen het systeem een sjabloonbibliotheek gemaakt. Complexe apparaten zoals deeltjesanalysatoren kunnen bijvoorbeeld eenvoudig worden toegevoegd door de juiste sjabloon te selecteren. Het is ook mogelijk om nieuwe sjablonen te maken en op te slaan, die u vervolgens telkens weer kunt gebruiken.

Digitale communicatie blijft over grote afstanden nauwkeurig. Zo vermindert het het aantal benodigde kalibraties, verhoogt het de kalibratienauwkeurigheid en stelt het u in staat om de datalogger eenvoudig naar een kalibratielaboratorium te sturen en te vervangen door een vooraf gekalibreerd apparaat dat geschikt is voor uw specifieke proces. Het viewLinc-systeem beschikt over een analoge sensorfunctie, die echter alleen nuttig is in gevallen waarin er geen andere optie is. Om die reden gebruikt viewLinc bij voorkeur het Modbus-communicatieprotocol.