Das Modbus Kommunikationsprotokoll zählt zu den Kommunikationsstandards in der Gebäudeautomation. Im Vergleich zu den anderen klassischen Kommunikationsprotokollen wie BACnet, KNX, DALI, M-Bus oder SMI ist Modbus einfach und kostengünstig in Geräte aller Art zu implementieren.
Was ist Modbus?
Modbus ist ein Kommunikationsprotokoll, das heute eine zentrale Rolle in der Gebäudeautomation spielt. Das Protokoll zählt zu den ältesten und weit verbreitesten 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.
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.
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
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