Vorteile der digitalen Modbus-Kommunikation im Vergleich zur analogen Signalübertragung

Obwohl analoge Sonden und Datenerfassungstechnologie viel zu bieten haben, bergen sie auch einige Risiken. Modbus ist ein digitales Kommunikationsprotokoll, das viele dieser Probleme bewältigt. In diesem ersten von drei Blogbeiträgen über Modbus stellen wir dieses etablierte Feldbusprotokoll vor, besprechen seine Vorteile und untersuchen, wie es in Vaisala Geräten implementiert wird.

Was ist Modbus?
Modbus wurde 1979 von Modicon entwickelt. Es ist eines der ältesten verfügbaren Feldbusprotokolle. Die ursprüngliche Absicht war, ein offenes Protokoll zu erstellen. Dank des Erfolgs dieser Strategie wird Modbus heute als Industriestandardprotokoll angesehen. Es wird von den meisten speicherprogrammierbaren Steuerungsmarken (SPS) unterstützt, da keine Lizenzen und keine betriebseigene Hardware erforderlich sind und ein Steuerungssystem frei implementiert werden kann. Vaisala Produkte nutzen entweder Modbus RTU, das auf dem RS-232- oder RS-485-Protokoll basiert, oder Modbus TCP/IP, das ein Ethernet-Netzwerk verwendet. Ein potenzieller Nachteil von Modbus, insbesondere bei der Kommunikation über serielle Datenverbindungen (RS-485), besteht darin, dass bei einer Konfiguration mit mehreren Anbietern, die Messgeräte verschiedener Hersteller im selben Netzwerk verwendet, Kompatibilitätsprobleme zwischen den verschiedenen Marken auftreten können.

Vaisala Indigo201 Analogmesswertgeber
Die Vaisala Indigo Plattform wird in einer Vielzahl von anspruchsvollen Industrieanwendungen umfassend eingesetzt. Das Produkt besteht aus einem analogen Datenmesswertgeber, der an eine intelligente austauschbare Sonde angeschlossen wird, die Variablen wie relative Feuchte, Temperatur, Taupunkttemperatur, Kohlendioxid oder Wasserstoffperoxidkonzentration misst. Alle Messungen und Berechnungen werden digital von der Indigo kompatiblen Sonde durchgeführt, die auch als eigenständiges Gerät ohne Messwertgeber betrieben werden kann. Die Sonde gibt die Daten an den Messwertgeber weiter, der sie dann in analoger Form an eine SPS sendet.

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Problem bei analoger Signalübertragung
Typischerweise ist eine digitale Feuchtesonde, in diesem Fall eine Vaisala HMP3, mit zwei Sensoren ausgestattet – einen für die Temperaturmessung, z. B. PT100 Sensor, und einen für die relative Feuchte, z. B. Vaisala HUMICAP^® Sensor. In Wirklichkeit messen diese Sensoren Beständigkeits- bzw. Kapazitätsänderungen. Die Sonde wandelt die analogen Signale in digitale Daten um, führt die notwendigen Berechnungen für Temperatur und relative Feuchte durch und sendet die genauen digitalen Daten an den analogen Messwertgeber Indigo201. Der Messwertgeber wandelt dieses Signal dann wieder in analoge Form um, um es über eine analoge Verkabelung an die SPS zu übertragen. Dort wird es erneut in digitale Daten zur Verarbeitung und Speicherung umgewandelt.

Wie zu erwarten ist, führt die Umwandlung der digitalen Daten in eine analoge Form im Datenmesswertgeber und dann zurück in eine digitale Form in der SPS oder einem anderen Steuerungssystem zu zusätzlichen Fehlerquellen. Die Sicherstellung genauer Messungen ist sowohl aus qualitativer als auch aus regulatorischer Sicht wichtig. Eine Möglichkeit zur Minimierung von Fehlern besteht in der Verwendung digitaler Kommunikation. Hier kommt Modbus ins Spiel.

Vorteile von Modbus
Die gleichen Sonden, die mit dem Indigo201 verwendet werden können, sind auch mit dem digitalen Kommunikationsprotokoll Modbus RTU kompatibel. Da bei Modbus digitale Kommunikation zum Einsatz kommt, kann die Sonde zusätzlich zur relativen Feuchte und Temperatur auch zur Messung vieler anderer Parameter verwendet werden, darunter Taupunkt-/Frostpunkttemperatur, absolute Feuchte, Mischungsverhältnis, Feuchttemperatur und Enthalpie sowie weitere Informationen wie Gerätestatus, Seriennummer und Sicherheits-Hash. Wenn Sie dem Modbus-Master erlauben, den Sicherheits-Hash-Status zu überprüfen, können Sie sicherstellen, dass der Sensor nicht manipuliert und die Sondenkonfiguration nicht geändert wurden. Es ist auch möglich, mehrere Sonden mit demselben Netzwerk zu verbinden. Bei einem analogen System würde dies einen erheblichen Aufwand an zusätzlicher Verkabelung und E/A-Modulen im SPS-System erfordern. Modbus reduziert auch das Risiko von Datenfehlern, indem es Umwandlungen zwischen analog und digital minimiert. Dadurch ist es eine fantastische Option für die digitale Datenübertragung.

Messwertgeber ist nicht nur ein Analog-Digital-Protokollwandler 
Obwohl die Indigo kompatiblen Sonden als eigenständige Messgeräte eingesetzt werden können, wird die beste Benutzungsfreundlichkeit oft zusammen mit einem Messwertgeber erreicht, der eine lokale Nutzungsoberfläche, Anzeige, verschiedene Stromversorgungsoptionen und einige davon mit den Vorteilen der digitalen Kommunikation bietet. Der Messwertgeber Indigo202 nutzt dieselbe Modbus RTU-Kommunikation wie die Sonde, und die Messwertgeber der Indigo500 Serie können über das Modbus TCP/IP-Protokoll kommunizieren.

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