Modbus to uznany na całym świecie protokół komunikacyjny, który jest szeroko stosowany w technologii automatyzacji, w szczególności w przemysłowym oczyszczaniu wody i ścieków. Został on opracowany w 1979 roku przez firmę Modicon (obecnie Schneider Electric) i umożliwia komunikację między sterownikami, czujnikami, siłownikami i innymi urządzeniami w systemie automatyki. Dzięki prostej strukturze i wysokiej kompatybilności, Modbus jest uważany za standardowy protokół do łączenia w sieć komponentów systemu i odgrywa kluczową rolę w monitorowaniu i kontroli procesów uzdatniania wody.

Niniejszy artykuł szczegółowo opisuje podstawy techniczne, strukturę protokołu, różne warianty i praktyczne zastosowania protokołu Modbus w technologii wodno-ściekowej.

Co to jest Modbus?

Definicja:
Modbus to szeregowy protokół komunikacyjny opracowany specjalnie do kontroli i monitorowania procesów przemysłowych. Służy jako interfejs do wymiany danych między urządzeniami nadrzędnymi i podrzędnymi i jest używany w różnych zastosowaniach, w tym do monitorowania pomp, przepływomierzy, zaworów i systemów dozowania chemikaliów.

Funkcje specjalne:

• Otwarty standard: Modbus nie wymaga licencji i jest niezależny od producenta.
• Prostota: Łatwy do wdrożenia i użytkowania.
• Wszechstronność: Obsługuje różne fizyczne interfejsy komunikacyjne, takie jak RS-232, RS-485 i TCP/IP.

Warianty Modbus

Modbus istnieje w różnych wariantach, które zostały opracowane dla różnych wymagań komunikacyjnych:

1. modbus RTU (zdalny terminal)

• Transmisja: Komunikacja szeregowa przez RS-485 lub RS-232.
• Format danych: transmisja binarna, bardzo wydajna przy niskich przepustowościach.
• Zalety:
  • Wysoka niezawodność i integralność danych.
  • Idealny do zdecentralizowanych systemów z kilkoma urządzeniami.
• Zastosowanie:
  • Połączenia między czujnikami i systemami sterowania w oczyszczalniach ścieków.
  • Monitorowanie stacji dozowania chemikaliów.

2. modbus ASCII

• Transmisja: Komunikacja szeregowa z formatowaniem ASCII.
• Format danych: czytelny dla człowieka, ale mniej wydajny niż RTU.
• Zalety:
  • Łatwiejsze rozwiązywanie problemów i debugowanie dzięki czytelnym danym.
• Zastosowanie:
  • Proszę stosować w starszych systemach lub z mniejszą ilością danych.

3) Modbus TCP (protokół kontroli transmisji)

• Transmisja: Komunikacja oparta na sieci Ethernet za pośrednictwem sieci IP.
• Format danych: Transmisja pakietowa, umożliwia dużą szybkość i łatwą integrację z istniejącymi sieciami.
• Zalety:
  • Bezproblemowa integracja z nowoczesnymi systemami sterowania.
  • Umożliwia zdalny dostęp i scentralizowaną kontrolę.
• Zastosowanie:
  • Monitorowanie stacji uzdatniania wody w czasie rzeczywistym.
  • Integracja z systemami IoT i SCADA.

Podstawy techniczne

1. topologia komunikacji

Modbus opiera się na modelu master-slave, w którym urządzenie nadrzędne (np. sterownik PLC lub system sterowania) komunikuje się z kilkoma urządzeniami podrzędnymi (np. czujnikami, siłownikami). Urządzenie nadrzędne inicjuje wszystkie żądania, podczas gdy urządzenia podrzędne odpowiadają tylko na żądanie.

• Prosta magistrala: Wszystkie urządzenia są połączone wspólnym kablem.
• RS-485: Obsługuje do 32 urządzeń na jednej linii i umożliwia większe odległości.

2. struktura danych

Modbus wykorzystuje standardowy protokół do organizowania i przesyłania danych:

• Typy rejestrów:

  • Cewki (stany przełączania): Wartości binarne (0 lub 1) do sterowania i odpytywania urządzeń cyfrowych.
  • Wejścia dyskretne: Tylko możliwe do odczytania stany binarne.
  • Rejestry podtrzymujące: 16-bitowe rejestry parametrów lub wartości pomiarowych.
  • Rejestry wejściowe: 16-bitowe rejestry tylko do odczytu.

• Struktura wiadomości:

  • Adres: Identyfikuje urządzenie docelowe.
  • Funkcja: Określa, która akcja ma zostać wykonana (odczyt, zapis).
  • Dane: Przesyłane wartości lub polecenia.
  • Kontrola błędów: Zapewnienie integralności danych, np. poprzez CRC (Cyclic Redundancy Check).

Aplikacje Modbus w technologii wodno-ściekowej

1. monitorowanie i kontrola

• Pompy: Modbus umożliwia monitorowanie parametrów roboczych, takich jak ciśnienie, natężenie przepływu, prędkość i temperatura.
• Zawory: Monitorowanie stanu i położenia oraz sterowanie zaworami sterującymi i odcinającymi.
• Czujniki: Integracja czujników pH, przewodności i zmętnienia w systemach sterowania.