Das Kommunikationsprotokoll 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 zeichnet sich Modbus durch eine besonders einfache und kostengünstige Implementierung aus – ein Vorteil, der zu einer breiten Verbreitung in der Praxis geführt hat.
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Was ist Modbus?
Modbus ist ein Kommunikationsprotokoll, das heute eine zentrale Rolle in der Gebäudeautomation spielt. Es nutzt eine Client/Server-Struktur (bei serieller Übertragung auch als Master/Slave bezeichnet), bei der ein Client die Kommunikation mit mehreren Servern gleichzeitig aufnehmen kann.
Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Modbus RTU (serielle Datenübertragung) und Modbus TCP (Datenübertragung über IP). Modbus RTU wurde bereits 1979 entwickelt; 2007 folgte die Erweiterung um den IP-basierten Standard Modbus TCP.
Über die Modbus-Organisation wird der Modbus-Kommunikationsstandard weiterentwickelt und in einzelnen Marktsegmenten vorangetrieben. 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.
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Welche Modbus-Arten gibt es?
Es gibt drei verschiedene Modbus Arten:
Modbus RTU (Remote Terminal Unit)
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- binäre, kompakte serielle Übertragung
- am weitesten verbreitet in der Gebäudeautomation
Modbus TCP
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- Übertragung über Ethernet/IP-Netzwerke
- ermöglicht höhere Datenraten und Fernzugriff
Modbus ASCII
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- zeichenbasierte serielle Übertragung
- lesbarerer Datenstrom, jedoch geringere Effizienz als RTU
- heute kaum noch eingesetzt
Modbus in der Gebäudeautomation
Modbus ist ein etabliertes Verfahren in der Gebäudeautomation zur Vernetzung von Feldgeräten mit der Automationsebene. Es ermöglicht die schnelle und einfache Anbindung einer großen Anzahl von Geräten und eignet sich besonders für Projekte mit hoher Gerätedichte dank seiner Kosteneffizienz.
Einsatzbereiche: Integration technischer Anlagen
Ein zentrales Anwendungsgebiet von Modbus ist die Integration autarker technischer Systeme in eine übergeordnete Gebäudeleittechnik (GLT).
Hersteller liefern große Anlagen wie Heizungs-, Lüftungs- und Klimasysteme (HLK) oft mit einem eigenen, optimal abgestimmten Steuerungs- und Regelsystem aus. Diese Subsysteme arbeiten somit als autarke Automatisierungseinheiten. Aufgrund der einfachen und kostengünstigen Implementierung des Protokolls nutzen viele dieser unabhängigen HLK-Systeme Modbus als Schnittstelle, um ihre Daten und Steuermöglichkeiten der zentralen Gebäudeautomation zur Verfügung zu stellen.
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Vorteile von Modbus
Das Kommunikationsprotokoll Modbus bietet Ihnen zahlreiche Vorteile. Entdecken Sie diese jetzt.
Wie funktioniert Modbus?
Die Datenübertragung bei Modbus ist grundsätzlich über den seriellen Weg oder über das Internet Protokoll (IP) möglich.
Modbus RTU (seriell)
Die serielle Übertragung erfolgt über die Standards RS232 oder RS485. In der Gebäudeautomation hat sich RS485 mit einer Baudrate von 19.200 Bit/s als Standard etabliert. Die möglichen Baudraten reichen von 1.200 Bit/s bis 115.200 Bit/s.
Wichtig: Bei Verwendung von RS485 müssen an beiden Enden der Kommunikationslinie Busabschlusswiderstände (120 Ohm) installiert werden, da es sonst zu Signalreflexionen und Kommunikationsstörungen kommt.
Ein RS485-Netzwerk besteht aus einem Master und mindestens einem Slave. Der Master steuert die Kommunikation durch kontinuierliche Lese- und Schreibanfragen (Polling) an alle teilnehmenden Geräte. Jedes Gerät erhält eine eindeutige Adresse (1 bis 247).
Modbus TCP (Ethernet)
Bei Modbus TCP erfolgt die Übertragung über Ethernet mit Datenraten von 10/100/1.000 Mbit/s. Alle gängigen IP-Netzwerktopologien sind nutzbar. Das kommunizationsführende Gerät wird hier als Client bezeichnet, alle anderen als Server. Im Gegensatz zu Modbus RTU kann ein TCP-Netzwerk mehrere Clients enthalten. Die eindeutige Adressierung erfolgt über IP-Adressen. Eine Wireless-Übertragung ist ebenfalls möglich.
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 |
Was ist der Unterschied zwischen Modbus und RS485?
Modbus und RS485 sind zwei unterschiedliche Konzepte, die auf verschiedenen Ebenen der Kommunikationstechnologie angesiedelt sind und daher nicht direkt vergleichbar sind.
RS485 (auch EIA-485) ist ein Standard für die physikalische Übertragungsschicht: Er definiert die elektrischen Eigenschaften der Signalübertragung – also Spannungspegel, Leitungsimpedanz, maximale Kabellänge und Anzahl der Busteilnehmer. RS485 ist besonders für industrielle Umgebungen geeignet, da es Übertragungen über große Distanzen (bis zu 1.200 m) und den Anschluss von bis zu 32 Geräten an einem Bus ermöglicht.
Modbus hingegen ist ein Kommunikationsprotokoll und beschreibt, wie Daten strukturiert, adressiert und interpretiert werden – also die logische Kommunikationsebene. Modbus kann über RS485 übertragen werden (dann: Modbus RTU über RS485), aber auch über RS232, RS422 oder Ethernet (Modbus TCP).
Kurz gesagt: RS485 ist der Transportweg – Modbus ist die Sprache, die darüber gesprochen wird. Beide ergänzen sich, sind aber unabhängig voneinander nutzbar.
Modbus im Vergleich zu anderen Gebäudeautomationsprotokollen
Um Modbus besser einordnen zu können, lohnt sich ein kurzer Blick auf die wichtigsten Alternativen:
|
Protokoll |
Stärken |
Einschränkungen |
|---|---|---|
|
Modbus |
Einfach, günstig, weit verbreitet |
Kein Sicherheitskonzept, kein Geräteprofil |
|
BACnet |
Standardisierte Geräteobjekte, skalierbar, für GLT optimiert |
Komplexere Implementierung, höhere Gerätekosten |
|
KNX |
Stark in Wohngebäuden, dezentrale Intelligenz |
Höhere Installationskosten, eher für kleinere Netze |
|
M-Bus |
Spezialisiert auf Zählerauslesung (Strom, Wasser, Gas) |
Kein allgemeines Steuerungsprotokoll |
|
DALI |
Standard für Lichtsteuerung |
Auf Beleuchtung beschränkt |
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