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Blog Modbus: Einfach erklärt
Wissen

Modbus: Einfach erklärt

17. Januar 2023
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Logo Modbus

Das Kommunikationsprotokoll Modbus zählt zu den Kommunikationsstandards in der Gebäudeautomation. Im Vergleich zu anderen klassischen Kommunikationsprotokollen wie BACnet, KNX, DALI, M-Bus oder SMI ist Modbus einfach und kostengünstig in Geräte aller Art zu implementieren. Jetzt mehr über Modbus erfahren!

Was ist Modbus?

Modbus ist ein Kommunikationsprotokoll, das heute eine zentrale Rolle in der Gebäudeautomation spielt. Das Protokoll zählt zu den ältesten und weit verbreitetsten Protokollen in der Gebäudeautomation. Grundsätzlich kann zwischen Modbus RTU, der seriellen Übertragungsweise von Daten, und Modbus TCP, der Datenübertragung über IP unterschieden werden . Modbus RTU wurde bereits 1979 entwickelt und 2007 um den Standard über IP ergänzt.

Über die Modbus-Organisation wird der Modbus-Kommunikationsstandard weiterentwickelt und in einzelnen Marktsegmenten vorangetrieben. Die Modbus-Organisation besteht aus einer Gruppe unabhängiger Anwender und Anbieter von Automatisierungsgeräten. Das Modbus-Kommunikationsprotokoll zeichnet sich darin aus, dass es einfach und kostengünstig in Automatisierungsgeräten zu implementieren ist. Aus diesem Grund sind Modbus-fähige Geräte preiswerter zu erwerben als vergleichbare Geräte, die einen anderen Kommunikationsstandard unterstützen. Dies führte dazu, dass sich ein großes Angebot an Modbus-fähigen Geräten entwickelt hat.

Welche Modbus-Arten gibt es?

Modbus RTU (Remote Terminal Unit):

Modbus RTU ist eine weit verbreitete Variante des Modbus-Protokolls für die serielle Kommunikation. Es verwendet eine binäre Datenübertragung über RS-232 oder RS-485 Verbindungen. RS-485 ermöglicht dabei die Kommunikation mit mehreren Geräten in einem Netzwerk. Das RTU-Format umfasst Datenfelder für die Adressierung von Geräten, das Senden von Befehlen und das Empfangen von Daten. Aufgrund seiner Effizienz und weit verbreiteten Unterstützung ist Modbus RTU besonders in industriellen Automatisierungssystemen beliebt, wo Echtzeit-Kommunikation und Zuverlässigkeit erforderlich sind.

Modbus ASCII:

Modbus ASCII ist eine ältere Variante des Modbus-Protokolls, die ebenfalls für die serielle Kommunikation verwendet wird. Im Gegensatz zu Modbus RTU verwendet ASCII jedoch ein textbasiertes Format für die Datenübertragung. Dies macht es leichter zu interpretieren und zu debuggen, aber auch langsamer als RTU, da es mehr Bandbreite benötigt. Modbus ASCII wird heutzutage seltener verwendet und ist oft in Anwendungen zu finden, die eine langsamere serielle Kommunikation erfordern oder spezielle ASCII-basierte Legacy-Systeme unterstützen müssen.

Modbus TCP/IP:

Modbus TCP/IP ist eine moderne Erweiterung des Modbus-Protokolls für die Kommunikation über Ethernet-Netzwerke. Es nutzt das TCP-Protokoll für die Übertragung der Datenpakete über IP-Netzwerke, einschließlich LANs, WANs und sogar das Internet. Diese Variante ermöglicht eine einfachere Integration in IT-Netzwerke und bietet eine größere Reichweite und Flexibilität als die seriellen Varianten. Modbus TCP/IP wird in modernen industriellen Automatisierungs- und Steuerungssystemen weit verbreitet eingesetzt, wo eine schnelle und zuverlässige Kommunikation über Ethernet erforderlich ist.

Wie funktioniert Modbus?

Die Datenübertragung bei Modbus ist grundsätzlich über den seriellen Weg oder über das Internet Protokoll (IP) möglich. Die Übertragungsweise über die seriellen Standards RS232 und RS485 wird Modbus Remote Terminal Unit (RTU) genannt. Die möglichen Baudraten liegen im Bereich von 1.200 kBit/s bis 115.200 kBit/s. In der Gebäudeautomation hat sich die Verwendung des seriellen Standards RS 485 und die Baudrate von 19.200 kBit/s als besonders praxistauglich herausgestellt. Wird der serielle Standard RS485 verwendet ist ergänzend darauf zu achten, dass Bus-Abschlusswiderstände (120 Ohm) am Anfang und am Ende der Kommunikationslinie verwendet werden. Andernfalls kommt es zu Störungen bei der Kommunikation. Die Übertragungsweise über den IP Standard Ethernet wird Modbus Transmission Control Protocol (TCP) genannt. Die Datenübertragungsraten liegen hier bei 10/100/1000 Mbit/s. Eine Wireless-Übertragung ist ebenfalls möglich.

Wie ist Modbus aufgebaut?

Abhängig von der Übertragungsweise sind verschiedene Topologien zu berücksichtigen. Eine Verbindung über den seriellen Standard RS 232 stellt eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung dar. Im Fall von einer Verbindung über den seriellen Standard RS 485 wird in Linienstruktur kommuniziert. Eine Netzwerklinie besteht in diesem Fall aus einem „Master“ und mindestens einem „Slave“. Der Master übernimmt das Management des Netzwerks, indem er stetige Lese- und Schreibanfragen (polling) in das Netzwerk und an alle teilnehmenden Geräte kommuniziert. Damit jedes Gerät und dessen Aufgaben eindeutig in einem Netzwerk identifiziert werden können, werden individuelle Geräteadressen verwendet. Der gültige Bereich liegt hier im Bereich von 1 bis 247.

Wird über Modbus TCP kommuniziert, sind alle üblichen IP-Netzwerktopologien nutzbar. Das Management der Kommunikation bei Modbus TCP findet auf der gleichen Weise wie bei der Kommunikation über Modbus RTU statt. Das Gerät, das in einem Netzwerk das Management der Kommunikation übernimmt, wird jedoch abweichend Client genannt. Alle anderen Geräte im Netzwerk werden als Server bezeichnet.

Ein zentraler Unterschied liegt darin, dass es in einem Modbus-TCP-Netzwerk im Gegensatz zu einem Modbus RTU Netzwerk mehrere Clients (Master) geben kann. Die eindeutige Adressierung von Geräten in einem Modbus-TCP-Netzwerk erfolgt über die IP-Adresse.

Wie wird Modbus verkabelt?

Die Verkabelung variiert je nach verwendetem Modbus-Protokoll. Die beiden gängigsten Varianten sind Modbus RTU und Modbus TCP, die jeweils unterschiedliche Anforderungen an die Verkabelung stellen.

Modbus-RTU Verkabelung

Modbus RTU basiert auf serieller Kommunikation und wird häufig über RS-485 übertragen, obwohl auch RS-232 und RS-422 verwendet werden können. Bei der RS-485-Verkabelung empfiehlt es sich, verdrillte Paarleitungen zu nutzen, um Störungen zu minimieren. Hierbei werden die Hauptsignalleitungen parallel geschaltet. Um Reflexionen zu vermeiden, sollten an den beiden Enden des RS-485-Busses Abschlusswiderstände von typischerweise 120 Ohm angebracht werden. Diese Art der Verkabelung folgt einer Bus-Topologie, bei der alle Geräte in einer sogenannten Daisy-Chain-Konfiguration parallel geschaltet sind.

Modbus TCP Verkabelung

Im Gegensatz zu Modbus RTU verwendet Modbus TCP Ethernet als physikalisches Medium, was die Verkabelung wesentlich vereinfacht. Hier werden standardmäßige CAT5e- oder CAT6-Ethernet-Kabel eingesetzt. Die Geräte können entweder über einen Ethernet-Switch oder direkt miteinander verbunden werden. Dabei folgt das Netzwerk einer Stern-Topologie, bei der alle Geräte zentral über einen Switch oder Router verbunden sind. Die maximale Kabellänge zwischen zwei aktiven Netzwerkgeräten beträgt hierbei 100 Meter.

 

Modbus Datentypen

Bei der Datenübertragung definiert das Modbus Kommunikationsprotokoll folgende Datentypen. In dem Datenblatt eines Modbus-fähigen Geräts ist definiert, welche Register (Datenpunkte) welchem Datentyp entsprechen und somit nur lesbar/schreibbar oder lesbar und schreibbar sind.

 

Discrete Input Eingangs-Bit nur lesbar
Coil Ausgangs-Bit lesbar und schreibbar
Input Register Eingangs-Register (16 Bit) nur lesbar
Holding Register Ausgangs-Register (16 Bit) lesbar und schreibbar

Modbus Function-Codes

Aufbauend auf den Datentypen standardisieren Function-Codes den Austausch von Informationen zwischen zwei Modbus Geräten. Welchen Funktionsumfang ein Modbus Gerät unterstützt ist herstellerabhängig und wird ebenfalls dem Datenblatt entnommen. Zentrale Function-Codes sind:

 

FC 01 Read Coils Lesen ein oder mehrerer Bit-Ausgänge
FC 02 Read Discrete Inputs Lesen von ein oder mehreren Bit-Eingängen
FC 03 Read Holding Register Lesen von Ausgangs-Registern
FC 04 Read Input Register Lesen von Eingangs-Registern
FC 05 Write Single Coil Schreiben eines Bit-Ausgangs
FC 06 Write Single Register Schreiben eines Register Ausgangs
FC 15 Write Multiple Coils Schreiben von mehreren Bit-Werten
FC 16 Write Multiple Registers Schreiben von mehreren Registern
FC 23 Read/Write Multiple Registers Schreiben und Lesen mehrerer Register

    Modbus in der Gebäudeautomation und Einsatzbereiche

    Das Modbus Kommunikationsprotokoll wird in der Gebäudeautomation vorwiegend für die Vernetzung von Geräten aus der Feldebene mit der Automationsebene verwendet. Eine schnelle und einfache Vernetzung einer großen Anzahl von Geräten. Weiterhin sind Modbus-fähige Geräte sehr preiswert zu erwerben. Diese preislichen Vorteile kommen besonders zum Tragen, wenn eine große Anzahl an Geräten miteinander vernetzt wird.

    Ein weiteres Einsatzgebiet von Modbus ist die Integration von Heizungs-, Lüftungs- oder Kältesystemen in eine zentrale Gebäudeautomation. Die Hersteller etwaiger Systeme liefern die Heizungs-, Lüftungs- oder Kälteanlage oftmals zusammen mit einem auf die Anlage abgestimmten Steuer- und Regelsystem inkl. Automatisierungseinrichtung aus. Das Heizungs- Lüftungs- oder Kältesystem stellt damit ein autark regelndes Automatisierungssystem dar. Da Modbus als Kommunikationsprotokoll einfach und kostengünstig zu implementieren ist, kommunizieren viele der autark agierenden Heizungs- Lüftungs- oder Kältesysteme über Modbus.

    Vorteile von Modbus

    • Einfache und kostengünstige Implementierung des Kommunikationsprotokolls für Hersteller
    • Preiswerte Modbus-fähige Geräte erhältlich
    • Standardisierung der Kommunikation und des Datenaustauschs über Datentypen und Function-Codes
    • Kommunikation serielle oder über IP
    • RS 485: Bus-Abschlusswiderstände sind notwendig

    Was ist der Unterschied zwischen Modbus und RS485?

    Modbus und RS485 sind zwei verschiedene Konzepte, die in der industriellen Kommunikation verwendet werden, aber sie sind nicht direkt vergleichbar, da sie auf unterschiedlichen Ebenen der Kommunikationstechnologie operieren.

    RS485, auch bekannt als EIA-485, ist ein Standard für die physikalische Schicht der seriellen Kommunikation. Er beschreibt die elektrischen Eigenschaften und die Signalübertragung für serielle Verbindungen. RS485 ist besonders in industriellen Umgebungen nützlich, da es die Kommunikation über große Entfernungen und den Anschluss mehrerer Geräte an einen einzigen Bus ermöglicht.

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