Modbus là gì? Modbus hoạt động như thế nào?

Nếu bạn là một kỹ thuật viên, và bạn đang tìm một giao thức dễ sử dụng; một giao thức nối tiếp để thực hiện với các thiết bị của mình. Chắc hẳn bạn đã từng sử dụng qua giao thức Modbus ít nhất một lần rồi đúng không? Nếu chưa từng sử dụng Modbus; bạn có tò mò về nó và những lợi ích mà nó mang lại cho bạn và công ty của bạn. Chúng ta hãy cùng xem Modbus là gì? và làm thế nào bạn có thể hưởng lợi ích từ Modbus. Modbus có giống với các giao thức khác hay không?

Modbus là gì?

• Modbus là một giao thức truyền thông được phát triển vào năm 1979, bởi Modicon ( nay là Schneider Electric); và đang được tổ chức Modbus duy trì. Về mặt công nghệ, nó là một giao thức truyền thông nối tiếp.
• Nói cách khác, Modbus là một cách để các thiết bị công nghiệp điện tử giao tiếp với nhau. Nó cho phép thông tin được truyền qua các đường nối tiếp giữa các thiết bị điện tử. Các thiết bị có thể yêu cầu thông tin, cũng như cung cấp nó.
• Các thiết bị yêu cầu thông tin sử dụng Modbus được gọi là Modbus Master; các thiết bị cung cấp thông tin Modbus được gọi là Modbus Slaves. Cần lưu ý rằng, có thể có 1 Master trên mỗi mạng Modbus, nhưng có 247 Slaves. Mỗi Slave có một địa chỉ duy nhất của riêng chúng.

Modbus trở thành một chuẩn truyền thông công nghiệp tiêu chuẩn bởi nó: ổn định – đơn giản – dễ sử dụng và miễn phí. Điều này có nghĩa rằng các nhà sản xuất có thể tự tích hợp chuẩn Modbus vào sản phẩm của họ mà không cần trả tiền bản quyền.

Chỉ cẩn các thiết bị cùng chung một chuẩn với nhau thì có thể giao tiếp với nhau mà không cần quan tâm nó là thiết bị gì của hãng nào sản xuất. Đây chính là ưu điểm vượt trội so với các chuẩn truyền thông khác như : Profibus , Canopen , Manchester

Modbus được sử dụng để kết nối với máy tính với các thiết bị đầu cuối ( RTU ) hay hệ thống SCADA ). Có nhiều loại Modbus : Modbus RTU , Modbus ASCII , Modbus TCP/IP

Modbus hoạt động như thế nào

Modbus RTU hoạt động dựa trên nguyên tắc Master – Slave tức là một bên nhận ( Master ) và một bên truyền tín hiệu ( Slave ) thông qua địa chỉ thanh ghi. Phương thức truyền của Modbus RTU bằng đường truyền vật lý RS232 hoặc RS485, Modbus TCP/IP thì truyền trên địa chỉ IT thông qua Internet.

Bộ chuyển đổi Z-8AI nhận 8 tín hiệu analog dạng 4-20mA hoặc 0-10V chuyển sang Modbus RTU 2 dây trên nên tảng RS485 thông qua hệ Hexadecimal.

Hệ số Hexadecimal là gì?

Chúng ta đã quá quen thuộc với việc sử dụng hệ số thập phân từ 0….9 tuy nhiên trong lập trình lại tồn tại nhiều hệ số khác nhau như : hệ nhị phân ( binary ) , hệ 8 ( octal ) ngoài ra còn có hệ 16 ( Hex ) hay còn gọi là thập lục phân

Modbus RTU sử dụng hệ Hexa nên chúng ta chỉ quan tâm tới hệ 16 này thôi nhé .

Hệ thập lục phân được quy định từ 0…F tương ứng với 0…15 trong hệ thập phân chúng ta thường hay sử dụng. Mỗi 4 bit được biểu thị trong 16 ký tự từ 0…F tương ứng 0000….1111 trong hệ nhị phân.

Dữ liệu truyền trên Modbus như thế nào?

Dữ liệu được lưu trữ trong Slave trong 4 bảng khác nhau với hai bảng lưu trữ On/OFF các giá trị Coil và hai thanh ghi lưu trữ. Các thanh ghi này đều có khả năng đọc và ghi. Mỗi thanh ghi có 1 Word = 16 bit = 2 bytes có địa chỉ từ 0000 đến 260E.

Coil được xem như là địa chỉ của thanh ghi Ví dụ 40001 có địa chỉ dữ liệu là 0000 các giá trị này có thể lệch nhau 1 , 10001 , 30001 , 40001.

Ứng dụng của Modbus RTU

Sử dụng chuẩn truyền thông Modbus RTU giúp kết nối tất cả các thiết bị ( max 128 địa chỉ ) trên 2 dây tín hiệu RS485 .

Với mỗi modbus Slave tương ứng với một từ 4-8 tín hiệu Analog đầu vào hoặc nhiều hơn với 10 Digital. Các tín hiệu mắc song song nhau truyền vào Gateway để truyền lên internet thông qua Modul R-Key hoặc Z-key.

Như vậy tất cả các tín hiệu chỉ truyền đi trên 2 dây cho rất nhiều loại tín hiệu khác nhau thông qua các Modul Modbus RTU. PLC hay các thiết bị có chuẩn Moddbus có thể giao tiếp với các thiết bị đo tại bất kỳ nơi nào thông qua Modbus TCP hay còn gọi là Modbus IP.

Phân biệt RS232 và RS485

1. RS232 là gì?

RS232 còn được gọi là cổng COM thường được thấy trong các máy tính bàn & tất cả đều có công truyền thông theo chuẩn RS232 để giao tiếp các thiết bị khác như máy in , máy fax ….

RS-232 sử dụng 3 dây Tx ( truyền ) , Rx ( nhận tín hiệu ) và GND ( đất ). RS 232 hoạt động dựa trên sự chênh lệch áp giữa TX , Rx và GND

– Nhược điểm của chuẩn truyền RS232 là tín hiệu không thể truyền đi xa, do việc mất mát tín hiệu không thể phục hồi được , và việc kết nối theo chuẩn RS232 chỉ được thực hiện giao tiếp giữa 2 thiết bị (point – to – point) nên hạn chế số lượng thiết bị có trong mạng .
– Một số đặc điểm của chuẩn truyền RS232 là : khoảng cách truyền tối đa là 15m, tốc độ truyền là 20Kbps, hỗ trợ kết nối điểm – điểm trên một mạng

2 . RS485

Chuẩn RS 485 chỉ truyền trên 2 dây và B sử dụng sự chênh lệch áp giữa A và B theo logic 0 hoặc 1 chứ không hề so sánh với đất. Điều này đảm bảo tín hiệu truyền đi xa bởi khi nếu có trường hợp sụt áp thì đồng thời hai dây đều sụt áp nên tín hiệu vẫn đảm bảo logic 1 hoặc 0.

Giả sử A = 1, B= 0 thì thì dữ liệu nhận biết data = 1 và khi A=0 , B=1 thì dữ liệu nhận biết là data = 0. Do cách so sánh trên thì khi bị suy giảm thì sữ chênh lệch điện áp vẫn không đổi chính vì thế mà tín hiệu truyền trên RS 485 đi rất xa mà vẩn đảm bảo chính xác.

+ Khi sự chênh lệch điện áp giữa A và B nằm trong khoảng -1,6V đến -6V thì dữ liệu được nhận tương ứng với mức 1 .
+ Khi sự chênh lệch điện áp giữa A và B nằm trong khoảng +1,5 đến +6V thì dữ liệu được nhận tương ứng với mức 0 .

Ưu điểm lớn nhất của chuẩn RS 485 chính là truyền đi xa tới 1200m và có thể kết nối nhiều thiết bị trên cùng một mạng chuẩn RS 485 và kết nối tối đa 32 thiết bị cùng lúc.

Sự khác nhau giữa RS 232 và RS 485

• RS 232 chỉ cho phép truyền theo phương thức điểm ( point ) – điểm ( point ) trong khi RS 485 truyền theo phương thức đa điểm. Tức là có thể truyền nhiều tín hiệu khác nhau trong cùng một mạng ( max 32 thiết bị )
• Tốc độ truyền của RS232 ( 20 Kbits/s ) nhanh nhưng khoảng cách truyền ngắn ( max 15m ). Ngược lại, RS485 ( 10Mbit/s ) có thể truyền đi xa ( max 1200m ) nhưng với tốc độ chậm hơn RS232

Sử dụng Modbus RTU

Sự phát triển của công nghệ PLC hay Scada chỉ cần có chuẩn truyền thông Modbus RTU là có thể nhận hết tất cả các thiết bị Digital hoặc Analog thông qua các bộ chuyển đổi tín hiệu Modbus.

Tuy nhiên phần lớn các tín hiệu truyền về PLC hay Scada đều dạng Digital , Analog , nhiệt độ …Để giải quyết vấn đề này chúng ta cần sử dụng các bộ chuyển đổi tín hiệu chuyên dụng sang Modbus.

Cách kết nối Master – Slave Modbus RTU

Hiểu được bản chất truyền tín hiệu của Modbus RTU giúp kết nối các tín hiệu chuẩn Modbus RTU một cách chính xác nhất. Tất cả các tín hiệu chuẩn Modbus RTU được mắc song song nhau trên hai dây truyền về Master qua chuẩn RS485.

Trong công nghiệp – tự động hoá có 03 loại Modbbus thông dụng Modbus RTU , Modbus ASCII , Modbus TCP/IP . Sự khác nhau giữa các loại Modbus :

• Modbus RTU : mã hoá dạng nhị phân với 1 byte dữ liệu và một byte truyền thông có tốc độ truyền 9600 – 57600 baud .
• Modbus ASC II : đươc mã hoá dạng hexadecimal – 4 bit , cần 2 byte truyền thông cho một byte thông tin .
• Còn Modbus TCP/IP : Modbus TCP là modbus RTU qua internet hay còn gọi là Modbbus IP tương ứng với một địa chỉ là một IP .

Với các loại Modbus trên thì Modbus IP đang dần được nhiều nhà lấp trình sử dụng do sự tiện lợi và truy cập mọi nơi có internet .

Bộ chuyển đổi tín hiệu Digital sang Modbus

Bạn hãy thử tưởng tượng xem 10 tín hiệu Digital sẽ được bộ chuyển đổi Z-10-D-IN chuyển đổi sang Modbus RTU. Với các dự án lớn có 100 tín hiệu Digital thì chúng ta chỉ cần dùng 10 bộ Z-10-D-IN mắc song song nhau đưa về 2 dây tín hiệu Modbus RTU để giải quyết vấn đề kết nối dây tín hiệu.

Sử dụng Z-10-D-IN tiết kiệm chi phí và không gian lắp đặt cho tủ điện

Điều đặc biệt là Modul chuyển đổi Digital sang Modbus này có thể nhận các loại tín hiệu Digital khác nhau : relay , PNP , NPN , Namur và cả tần số.

Bộ chuyển đổi nhiệt độ Pt100 sang Modbus

Bộ chuyển đổi Z-4RTD2 nhận cùng lúc 4 tín hiệu RTD loại Pt100 sang Modbus RTU RS485 2 dây. Thang đo của 4 cảm biến nhiệt độ pt100 được đọc trong thanh ghi của Z-4RTD2.

Các loại tín hiệu RTD mà Z-4RTD2 có thể nhận loại 2 dây, 3 dây, 4 dây

• Pt100 : -200 … 650oC
• NI100 : -60… 250oC
• Pt500 : -200 … 750oC
• Pt1000 : -200…210oc

Bộ chuyển đổi tín hiệu Thermocouple sang Modbus

Bộ chuyển đổi Z-4TC nhận 4 tín hiệu nhiệt độ dạng Thermocouple cho ra Modbus RTU

Tương tự bộ chuyển đổi Z-4RTD2 thì bộ chuyển đổi Z-4TC nhận được 4 tín hiệu riêng biệt nhưng dạng Thermocouple. Các loại tín hiệu Thermocouple ( can nhiệt ) mà Z-4TC nhận được :

• Thermocouple loại K với thang đo từ -210….1372oC
• Thermocouple loại J thang đo nhiệt độ từ -210…1200oC
• Can nhiệt loại E : -200…1000oC
• Can nhiệt loại N : -210…1300oC
• Cảm biến nhiệt độ loại S
• Cảm biến nhiệt độ loại R
• Thermocouple loại T
• Thermocouple loại B
• Tín hiệu milivoltage

Bộ chuyển đổi tín hiệu Z-4AI

Bộ chuyển đổi Z-4AI nhận cùng lúc 4 tín hiệu analog dạng 4-20mA hoặc 0-10V độc lập nhau chuyển đổi thành tín hiệu Modbus RTU đưa về Scada.

Các giá trị 4-20mA / 0-10V có thể xem kẽ lẫn nhau tức là bộ Z-4AI có thể nhận 3 tín hiệu 4-20mA và 1 tín hiệu 0-10V cho từng kênh độc lập.

Sai số 0.1% trên toàn Input đầu vào đảm bảo tín hiệu truyền đi không bị biến đổi so với đầu vào. Thời gian đáp ứng nhanh nhỏ hơn 10ms đáp ứng nhanh cho các yêu cầu cần độ chính xác cao.

Bộ chuyển đổi tín hiệu Z-8AI

Nếu chúng ta có nhiều hơn 4 tín hiệu analog đầu vào thì bộ chuyển đổi tín hiệu Z-8AI chính là giải pháp hoàn hảo với 8 tín hiệu analog đầu vào. Tín hiệu ngõ ra dạng Modbus RTU cũng với sai số 0.1% và thơi gian đáp ứng nhỏ hơn 10ms.

Tất cả các tín hiệu sau khi được xử lý truyền qua chuẩn Modbus để truyền các dữ liệu này lên Internet chúng ta chỉ cần thêm một bộ Modbus Gateway Z-Key. Truyền tín hiệu từ Modbus RTU sang Internet qua cổng RJ45.

Với một bộ gateway Z-key chúng ta có thể truyền thông về PLC và cả PC cùng một lúc . Hai thiết bị này làm Master cho các thiết bị Slave như Z-8AI .

Với cách truyền như vậy chúng ta sẽ kết nối được rất nhiều Modul Analog vào internet với chi phí cực thấp so với việc dùng Modul Analog kết nối với PLC hoặc DCS.

Ưu nhược điểm của việc sử dụng Modbus RTU

1. Ưu điểm của Modbus là gì?

• Tất cả các tín hiệu truyền trên 2 dây tín hiệu RS 485 với khoảng cách truyền xa 1200m
• Giảm tối thiểu dây kết nối vào PLC
• Tiết kiệm một lượng lớn Modul mở rộng PLC
• Giảm không gian lắp đặt do bộ chuyển đổi có thiết kế mỏng nhỏ gọn so với Modul mở rộng của PLC
• Độ ổn định và ít nhiễu so với tín hiệu analog 4-20mA
• Các Modul độc lập nhau nên quản lý dể dàng
• Có thể dùng chung các hãng khác nhau có chuẩn Modbus RTU

2. Nhược điểm của Modbus RTU

• Tín hiệu không nhanh bằng việc dùng trực tiếp như analog hoặc Digital
• Chỉ phù hợp cho điều khiển có thời gian đáp ứng 1s trở xuống
• Cần PLC hay Scada có cấu hình mạnh đủ để đọc tất cả các thanh ghi khi dùng nhiều bộ chuyển đổi Modbus RTU

Cần tư vấn thêm về bộ chuyển đổi Modbus RTU hãy liên hệ với chúng tôi để được hướng dẫn cách chọn bộ chuyển đổi sang Modbus.