Brána pro bezdrátový Modbus
Při rekonstrukcích, ale i nových realizacích můžeme narazit na situaci, kdy potřebujeme do rozvaděče s PLC přivést sběrnici s I/O moduly nebo elektroměrem ze vzdáleného místa, ale není možné vybudovat klasickou kabelovou nebo optickou trasu. Typicky se jedná o trafostanici s patním elektroměrem areálu, která je vzdálená až několik stovek metrů od hlavního objektu, a není s ním jakkoli propojena.
Pokud je mezi oběma místy přímá viditelnost, můžeme použít bezdrátové pojítko. Dnes se obvykle využívá bezlicenční pásmo 2.4 GHz (tzv. ISM – Industry, Science, Medical). Existují obecné převodníky (nezávislé na protokolu), ale i speciální zařízení, která pracují s konkrétním komunikačním protokolem, např. Modbusem. Ty mají tu výhodu, že řada parametrů je nastavená napevno a optimalizovaná pro určitý typ sériové komunikace, což významně zjednodušuje konfiguraci a uvádění do provozu. Tam, kde tedy potřebujeme propojit dvě nebo více míst se zařízeními s komunikací Modbus RTU/RS485, můžeme využít řadu zařízení Kymasgard od firmy S+S Regeltechnik.
Brána W-Modbus – Modbus RTU/RS485
V sortimentu jsou jak přímo čidla teploty, vlhkosti a tlaku s bezdrátovým protokolem Modbus, tak tzv. gatewaye, které převádějí běžný Modbus RTU server – například elektroměr nebo fotovoltaický střídač – na bezdrátový Modbus. Všechny komponenty využívají řešení firmy LumenRadio - OEM moduly W-Modbus (pro připojení jednoho Modbus serveru) a W-Modbus PRO (pro připojení až 16 Modbus serverů). Tyto moduly jsou založeny na standardech MiraOS a MiraMesh, které řeší bezdrátový přenos po linkové vrstvě a obsahují funkce pro přiřazování zařízení, adresaci a zabezpečení přenosu pomocí 128 bit AES.
Jestliže neřešíme pouze spojení bod-bod, ale síť více bezdrátových zařízení, je dobré vědět, že bezdrátové prvky využívají topologii mesh – znamená to, že mezi klientem a každým serverem nemusí být přímá viditelnost. Stačí, aby mezi dvěma vzájemně komunikujícími prvky existovala bezdrátová cesta o délce max. 8 „hopů“, tedy tras od jednoho zařízení k druhému. Pakety jsou pak automaticky routovány a celá síť se tváří jako jeden logický celek.
Díky frequency hoppingu je přenos výrazně spolehlivý a odolný proti rušení i v průmyslovém prostředí. Zařízení mají krytí IP65, takže je lze instalovat i do venkovního prostředí. Dosah signálu je asi 500 m při přímé viditelnosti a 50–70 m v budovách. Je ovšem nutné dbát na materiál stěn a jejich efektivní tloušťku – například při umístění dvou zařízení šikmo pod sebou v různých patrech může být v cestě signálu vrstva železobetonu až několik metrů silná, což prakticky znamená rozpad komunikace. Čím je ale v systému více čidel nebo gatewayí, tím více se uplatní technologie mesh a je pravděpodobné, že „některé“ uzly sítě na sebe vždy navzájem uvidí a tak se vytvoří přenosová cesta.
U bezdrátových čidel se nastavuje pouze linková (Modbusová) adresa. Gateway je pro protokol Modbus zcela transparentní, je nutné jen nastavit fyzické přenosové parametry rozhraní RS485 (rychlost, počet datových bitů, paritu, počet stop bitů) a v případě potřeby aktivovat odpor, který ukončuje sběrnici. Na straně bezdrátu se musí všechna zařízení logicky propojit – spárovat. Tento termín budeme používat i v případě, že v bezdrátové síti je větší počet zařízení než dvě. Párování je velmi jednoduché a není k němu potřeba žádných dalších nástrojů, jako jsou převodníky, počítač, software atd. V principu probíhá tak, že jedno ze zařízení se nastaví jako hlavní (Gateway, Master) a přepne se do režimu párování. Ostatní zařízení (Node), pokud jsou následně také přepnuta do režimu párování, automaticky vyhledají gateway a připojí se na ni. Tento proces trvá 1 až 2 minuty. Po spárování se node uzamkne přepnutím DIP přepínače a tím je vazba trvale fixována. Stavy zařízení a průběhy procesu jsou indikovány barevnými LED diodami na zařízeních. Po připojení napájecího napětí vždy počítejme s několika minutami pro inicializaci sítě, kdy se zařízení navzájem hledají a samy si konfigurují optimální signálové trasy – během této doby je modbusová komunikace nefunkční.
Pro pokročilé nastavení a další diagnostické funkce je k dispozici mobilní aplikace Lumenradio W-Modbus, která se k zařízení připojí přes rozhraní Bluetooth. Komunikaci Bluetooth je nutné na zařízení aktivovat třísekundovým stiskem párovacího tlačítka. Po připojení je možné přes aplikaci provádět tyto funkce:
- update firmwaru bezdrátové části
- detekce chyb (duplicitní adresy na Modbusu, chyby komunikace atd.)
- individuální pojmenování jednotlivých zařízení
- kontrola nastavení sítě
- dokumentace nastavení sítě jako soubor .pdf.
Příklad topologie:
Smíšená topologie W-Modbus
Modbus Master: PLC, vizualizační systém atd. s funkcí Modbus RTU/RS485 master
W-Modbus Gateway: rozhraní mezi Modbus/RS485 a W-Modbus na straně master
Modbus Slave: elektroměr, termostat, FV střídač, I/O modul atd. s rozhraním Modbus RTU/RS485
W-Modbus Gateway (Node): rozhraní mezi W-Modbus a RS485 na straně slave, pro 1 zařízení slave
W-Modbus Gateway (Node Pro): rozhraní mezi W-Modbus a RS485 na straně slave, pro max. 16 slave
W-Modbus Slave: čidlo s rozhraním W-Modbus, lze je zaintegrovat přímo do sítě.
Kromě čidel jsou tedy v sortimentu dva typy bran: W-Modbus Gateway a W-Modbus Gateway Pro. Každá brána může být nastavena přepínačem buď jako „gateway“ (připojena k RS485 Modbus masteru) nebo jako „node“, neboli adaptér na straně Modbus slave zařízení. Všechna zařízení tvoří jednu logickou modbusovou linku, linkové adresy na ní musí být unikátní. W-Modbus Gateway (v režimu Node) slouží k připojení jediného Modbus slave zařízení, zatímco W-Modbus Gateway Pro (v režimu Node) jich zvládne až 16. Na straně Modbus master zařízení stačí použít W-Modbus Gateway, bez ohledu na to, kolik přístrojů RS485 slave je na stejné lince nebo kolik dalších bran v režimu Node (nebo čidel W-Modbus Slave) je v systému.
Zařízení W-Modbus Slave již fungují jako samostatné bezdrátové senzory teploty, vlhkosti či tlaku, připojení dalších zařízení po RS485 k nim není možné.
Nejjednodušší topologie – připojení jednoho vzdáleného Modbus RTU slave – vypadá takto:
Bezdrátové připojení jednoho zařízení Modbus slave
Potřebujeme k tomu tedy jen dvě zařízení typu W-Modbus Gateway, jedno z nich v režimu Node.
Pokud bychom na vzdálené straně měli více přístrojů Modbus slave, musíme již nasadit Gateway Pro:
Bezdrátové připojení segmentu max. 16 zařízení Modbus slave
Je nutné počítat s tím, že vložení bezdrátové cesty mezi RS485 Modbus master a slave znamená zpoždění telegramu o délce asi 60–70 ms. Zcela jasně nám to ukáže výpis sériové komunikace – port monitor:
Spojení pouze metalické – odezva 31 ms (dáno vlastnostmi zařízení slave)
11:50:14:142 => 01 03 00 00 00 01 84 0A
11:50:14:173 <= 01 03 02 03 28 B8 AA
11:50:14:690 => 01 03 00 0A 00 01 A4 08
11:50:14:722 <= 01 03 02 0F 28 BD AA
Spojení s vloženou bezdrátovou cestou (1 hop) – odezva 95 ms
11:45:46:340 => 01 03 00 14 00 01 C4 0E
11:45:46:435 <= 01 03 02 09 B9 7F A6
11:45:46:951 => 01 03 00 00 00 01 84 0A
11:45:47:046 <= 01 03 02 03 28 B8 AA
Pokud by komunikace měla tendenci vypadávat nebo dokonce byla zcela nefunkční, v nastavení Modbus mastera bude nutné zadat delší dobu timeoutu.
Na závěr srovnáme výhody a nevýhody řešení W-Modbus „bod-bod“ s typickým konvenčním řešením pomocí bezdrátového WiFi spoje a Modbus routeru RTU/TCP:
| Kymasgard W-Modbus | WiFi spoj + Modbus TCP router | |
|---|---|---|
| Náklady | od 12 000 Kč | od 15 000 Kč |
| Možnost přenosu dalších protokolů stejným spojem | Ne | Ano (spojení s PLC, kamery…) |
| Zabezpečení | Na linkové vrstvě, 128 bit AES | I vyšší, podle použité technologie |
| Uvedení do provozu | Snadné – bez nástrojů | Nutno nakonfigurovat jako síťové zařízení |
| Topologie | Flexibilní, viz výše | V podstatě bod-bod, složitější nutno řešit již v aplikaci (více Modbus TCP serverů) |
| Instalace | Snadná i ve venkovním prostředí, IP65 | Nutno použít instalační box, příp. externí anténu atd. |
| Dosah (přímá viditelnost) | Až 500 m | Při směrových anténách i vyšší, do 1 km |
Vidíme, že řešení se systémem W-Modbus se vyplatí tam, kde chceme dodržet jednoduchou topologii či kde potřebujeme vyřešit připojení několika vzdálených zařízení či malých skupin zařízení, u nichž se nevyplatí instalovat systém WiFi spojů a Modbus TCP/RTU routerů. Ve srovnání s podobnými pojítky na trhu se Kymasgard W-Modbus vyznačuje snadným nastavením a uvedením do provozu, topologií mesh (která usnadňuje nasazení v situacích bez přímé viditelnosti mezi všemi uzly navzájem) a dostupností čidel s již integrovaným W-Modbus rozhraním. Dá se tedy říci, že tam, kde potřebujeme připojit jediné vzdálené místo, které obsahuje větší množství zařízení Modbus RS485 (rozvodna s elektroměry) a kde bychom mohli potřebovat i jiné síťové služby, jako jsou například IP kamery, můžeme zvážit samostatný konvenční bezdrátový spoj na technologii WiFi. Naopak
- pro jednoduchá spojení bod-bod s jedním zařízením, ale i
- pro rozlehlejší sítě s více vzdálenými čidly (kde by se u každého senzoru nebo elektroměru muselo instalovat samostatné bezdrátové pojítko), případně
- u systémů, kde Modbus master nemá jinou možnost než Modbus RTU/RS485 (tedy nelze použít Modbus TCP)
je Kymasgard W-Modbus optimální volbou.
Kompletní přehled všech zařízení W-Modbus je zde: https://www.spluss.de/en/modbus-wmodbus/wmodbus/
Domat Control System s.r.o. patří k evropské špičce dodavatelů řídicích systémů a regulací pro inteligentní budovy, průmysl a energetiku. Cílem této ryze české společnosti je vyvíjet, vyrábět a dodávat řídící systémy v mezinárodním měřítku.
