Modbus RTU vs Modbus TCP/IP: Omfattende sammenligningsvejledning

Introduktion

Modbus er en kommunikationsprotokol, der er meget udbredt i industriel automation og kontrolsystemer. Det giver klient/server-kommunikation mellem industrielle enheder såsom PLC’er, I/O-moduler, motordrev, sensorer, industrielle cellulære routere og aktuatorer.

Der er to populære varianter af Modbus, der bruges i industrielle netværk – Modbus RTU og Modbus TCP/IP. Begge disse protokoller bruges til at etablere master-slave-kommunikation mellem industrielle enheder.

Modbus RTU bruger seriel kommunikation over RS-485- eller RS-232-grænseflader. Det overfører data i et binært format. Modbus TCP/IP bruger Ethernet-netværk og TCP/IP-protokolstakken til klient/server-kommunikation. Den koder data i ASCII-format.

I denne omfattende guide vil vi tage et dybt dyk ned i Modbus RTU- og Modbus TCP/IP-protokoller, deres funktionalitet, fordele, begrænsninger og applikationer. Vi vil også lave en komparativ analyse af begge protokoller for at forstå, hvornår vi skal bruge Modbus RTU, og hvornår vi skal bruge Modbus TCP/IP.

Modbus RTU vs Modbus TCP/IP: Netværkstopologier

Modbus RTU

Modbus RTU (Remote Terminal Unit) bruger den serielle RS-485-kommunikationsstandard til Master-Slave-kommunikation. Binære data overføres serielt mellem Modbus-enheder på et netværk.

Hvordan det virker

  • Modbus RTU bruger en master-slave-arkitektur, hvor én enhed fungerer som master, og de andre er slaver.
  • Masterenheden initierer og styrer al kommunikation ved at sende kommandobeskeder og modtage svarbeskeder.
  • Slave-enheder reagerer ganske enkelt ved at levere anmodede data eller foretage handling som befalet af masteren.
  • Seriel RS-485-interface bruges til at overføre data mellem Modbus RTU-enheder. Seriel RS-485-interface bruges til at overføre data mellem Modbus RTU-enheder.
  • Data overføres mellem Modbus-enheder i et binært format. Hver byte indeholder to hexadecimale tegn ved hjælp af værdierne 0-9 og A-F.
  • Modbus RTU-meddelelser har definerede datastrukturer, som både master og slave skal følge.
  • Cyclic Redundancy Check (CRC) fejlkontrol bruges til at opdage kommunikationsfejl.

funktioner og fordele

Nogle af de vigtigste funktioner og fordele ved Modbus RTU-protokollen er:

  • Master-Slave Architecture – Tillader centraliseret kontrol af masterenheden. Slave-enheder kan ikke kommunikere direkte.
  • Seriel RS-485-kommunikation – Tillader flere slave-enheder at oprette forbindelse til en enkelt master i multi-drop-konfiguration over lange afstande.
  • Binær dataoverførsel – Mindre beskedstørrelse end ASCII, hurtig overførsel af data med høj gennemstrømning.
  • Foruddefinerede datastrukturer – Let at implementere og afkode på slaveenheder ved hjælp af simpel firmwarelogik.
  • CRC Error Checking – Sikrer integriteten af dataoverførsel mellem master og slave.
  • Bred industriadoption – Bruges på tværs af industrier som fremstilling, forsyningsvirksomheder, bygningsautomatisering osv. Pålidelig drift.

Begrænsninger

På trods af sine fordele kommer Modbus RTU også med følgende begrænsninger:

  • Single Master – Kun én masterenhed kan eksistere på netværket. Redundans kræver kompleks programmering.
  • Begrænset kabellængde – RS-485 kabler er begrænset til omkring 1000 meter. Ud over dette sker signalforringelse.
  • Ingen IP-netværkssupport – Modbus RTU understøtter ikke TCP/IP-netværk og internetforbindelse.
  • Fast datamodel – Begrænset PDU-størrelse og antal datatyper understøttet i henhold til Modbus-specifikationen.
  • Manuel adressering – Slaveadresser skal indstilles manuelt på hver Modbus RTU slaveenhed.
Modbus RTU vs Modbus TCP/IP: Kommunikationshardware

Modbus TCP/IP

Modbus TCP/IP bruger Ethernet- og TCP/IP-netværk til implementering af Modbus-protokollen over et IP-netværk. Data er kodet i ASCII-format og transmitteret over TCP/IP.

Hvordan det virker

  • Modbus TCP/IP bruger standard TCP/IP- og Ethernet-netværk til Master-Slave-kommunikation.
  • Master-enheden bruger TCP/IP-klientsoftware, og slaver har TCP/IP-serversoftware.
  • I stedet for RS-485 forbinder Ethernet-adaptere eller switche Modbus TCP/IP-enheder.
  • Modbus Request/Response-meddelelser er indkapslet ved hjælp af en Modbus Application Protocol-header.
  • Data er kodet i ASCII-format og transmitteret ved hjælp af standard TCP/IP-protokoller.
  • TCP/IP-mekanismer som porte giver fejlkontrol og leveringsbekræftelse.
  • IP-adressering identificerer entydigt hver Modbus-enhed på netværket.

funktioner og fordele

De største fordele, som Modbus TCP/IP tilbyder, omfatter:

  • Standard Ethernet-kompatibel – Tillader integration med eksisterende Ethernet-netværk.
  • TCP/IP Protocol Stack – Muliggør internetlignende forbindelse og webfunktioner.
  • Langdistancekommunikation – Ethernet-kabler muliggør langdistance-Modbus-netværk over LAN og WAN.
  • IP-adressebaseret identifikation – Hver Modbus-enhed har en unik IP-adresse til adressering.
  • ASCII-datakodning – ASCII er selvbeskrivende og læsbar af mennesker. Debugging er nemmere.
  • Web-baseret adgang og kontrol – TCP/IP muliggør webbaseret overvågning af Modbus-netværk eksternt.
  • Firewall-venlig – TCP-port 502, der bruges af Modbus TCP, er normalt åben på industrielle firewalls.

Begrænsninger

Nogle ulemper ved at bruge Modbus TCP/IP er:

  • TCP/IP-overhead – Implementering af en fuld TCP/IP-stak kræver flere ressourcer på slave-enheder.
  • Øget rammeoverhead – ASCII-kodning øger størrelsen af meddelelser, hvilket reducerer gennemløbet.
  • TCP-gentransmissioner – TCP forsøger igen for at sikre levering, men kan forårsage forsinkelser i Modbus-svar.
  • Overbelastning på travle netværk – Industrielle Ethernet-flaskehalse kan påvirke Modbus TCP-ydelse.
  • Sikkerhedsrisici – TCP/IP udsætter Modbus-systemet for cyberangreb, da Ethernet er tilgængeligt via WAN.

Sammenligning af Modbus RTU og Modbus TCP/IP

Vi vil nu lave en sammenlignende analyse mellem Modbus RTU og Modbus TCP/IP på tværs af forskellige parametre:

Egenskab Modbus RTU Modbus TCP/IP
Netværkstopologi Lineær bus/daisy-kæde Stjerne, træ eller mesh
Fysiske medier RS-485 seriel kabling Ethernet CAT5e/CAT6 kabler
Dataoverførsel Binær ASCII
Adressering 8-bit slaveadressering 32-bit IP-adressering
Fejlhåndtering CRC kontrolsum TCP fejlkontrol og leveringsbekræftelse
Sikkerhed Isoleret med minimale risici Sårbar over for netværksangreb

Ekstra Noter

  • Modbus RTU er enklere at implementere og billigere end Modbus TCP/IP.
  • Modbus TCP/IP er mere fleksibel og skalerbar og kan bruges over eksisterende Ethernet-netværk.
  • Modbus TCP/IP er hurtigere end Modbus RTU, men har højere latenstid på grund af TCP/IP-overhead.
  • Modbus TCP/IP kræver flere sikkerhedsovervejelser end Modbus RTU.
Modbus RTU vs Modbus TCP/IP: Datakodning

Hvornår skal Modbus RTU bruges

Modbus RTU er velegnet til følgende typer applikationer:

  • Mindre Modbus-netværk med op til 32 slave-enheder
  • Kommunikation over korte afstande inden for et anlæg eller fabrikslokaler
  • Modbus-forbindelse til ældre serielle enheder og applikationer
  • Styr netværk, der kræver højhastigheds binær dataoverførsel
  • Logisk netværksisolering er nødvendig af sikkerhedsmæssige årsager
  • Tæt koblede Modbus-systemer uden krav til fjernadgang
  • Budgetfølsomme applikationer på grund af de lavere omkostninger til seriel infrastruktur

Hvornår skal Modbus TCP/IP bruges

Modbus TCP/IP er den foretrukne løsning, når:

  • Integration med eksisterende Ethernet-netværk er påkrævet
  • Modbus-forbindelse over lokale og globale afstande
  • Web-baseret fjernovervågning og kontrolfunktion er nødvendig
  • Samvirke med mange Modbus mastere og slaver
  • Fremtidig udvidelsesmuligheder for et større antal enheder er planlagt
  • Realtidsdatahistorikere og software kræver IP-forbindelse
  • Centraliserede Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) systemer
  • Reguleringsoverholdelse kræver cybersikkerhedsforanstaltninger som VPN’er

Det bedste valg til din applikation vil afhænge af dine specifikke behov. Har du brug for en enkel, omkostningseffektiv løsning til et lille netværk, kan Modbus RTU være et godt valg. Hvis du har brug for en mere fleksibel og skalerbar løsning til et større netværk, kan Modbus TCP/IP være et bedre valg.

Casestudier

Fabrikationsanlæg migrerer fra Modbus RTU til Modbus TCP

En større producent af autodele havde et eksisterende produktionssystem, der brugte PLC’er og motordrev forbundet over et Modbus RTU-netværk. Efterhånden som deres produktion steg, var de nødt til at udvide systemet ved at tilføje nye PLC’er, HMI-stationer og drev. Men at føre lange RS-485-kabler fra butiksgulvet til kontrolrummet var ved at blive komplekst og udsat for fejl.

De besluttede at migrere til Modbus TCP/IP, så de nye sektioner kunne netværke over Ethernet CAT6-kabler. Det eksisterende RS-485-netværk blev bibeholdt for legacy-kompatibilitet. En Modbus-gateway-enhed blev installeret til at dirigere data mellem de gamle RS-485 PLC’er og det nye TCP/IP-netværk. Dette gav en skalerbar opgraderingsløsning uden at forstyrre den nuværende drift.

Power Utility implementerer hærdet Modbus TCP/IP SCADA

Et elselskab ønskede at modernisere deres gamle Modbus RTU SCADA-system til deres mellemspændingsnet. De havde brug for en sikker og pålidelig løsning til at administrere deres feltaktiver som understationer, fødestationer og distributionsautomatiseringsenheder. Modbus TCP/IP over et privat Ethernet-netværk blev valgt som kommunikationsprotokol.

Cybersikkerhed var et stort krav til det nye SCADA-system. Værktøjet arbejdede sammen med systemintegratoren for at implementere sikkerhedsforanstaltninger som VPN-tunneler mellem understationer, administrerede Ethernet-switche, firewalls og rollebaseret adgangskontrol. Det hærdede Modbus TCP/IP-netværk gav overvågning og kontrol med høj tilgængelighed med beskyttelse mod eksterne cyberindtrængen.

FAQs

Hvad er forskellen mellem Modbus RTU og Modbus TCP/IP?

De vigtigste forskelle er:

  • Modbus RTU bruger seriel RS-485 kommunikation, mens Modbus TCP bruger Ethernet TCP/IP-netværk
  • Modbus RTU har en master-slave-arkitektur, mens Modbus TCP tillader flere samtidige mastere og slaver
  • Modbus RTU overfører binære data, mens Modbus TCP bruger ASCII-kodning
  • Modbus RTU bruger CRC fejlkontrol, og Modbus TCP er afhængig af TCP for leveringsbekræftelse

Hvilken protokol er bedre, Modbus RTU eller Modbus TCP/IP?

Der er ingen klar vinder. Modbus RTU er bedre til korte serielle forbindelser uden fjernadgang. Modbus TCP/IP er bedre til at forbinde over lokale og globale afstande og til webbaseret overvågning. Valget afhænger af ansøgningskravene.

Hvordan vælger jeg mellem Modbus RTU og Modbus TCP/IP?

Overvej faktorer som nødvendig netværksafstand, antal enheder, kommunikationshastighed, cybersikkerhedsbehov, ældre kompatibilitet, omkostningsbegrænsninger og fremtidig udvidelsesmuligheder. For et nyt lille selvstændigt netværk kan Modbus RTU være tilstrækkeligt. Til store implementeringer med flere lokationer er Modbus TCP/IP at foretrække.

Kan jeg bruge Modbus RTU og Modbus TCP/IP på det samme netværk?

Ja, det er muligt at bruge Modbus-gateways, der oversætter mellem Modbus RTU- og Modbus TCP-protokollerne. Dette muliggør gradvis migrering fra serielle til Ethernet-baserede netværk.

Konklusion

Modbus RTU og Modbus TCP/IP er begge levedygtige industrielle kommunikationsprotokoller med komplementære styrker og svagheder. Modbus RTU leverer højhastigheds binær Modbus-forbindelse over omkostningseffektive serielle netværk. Modbus TCP/IP muliggør integration med virksomhedens IT-systemer og internetbaserede fjernadgangsfunktioner.

At forstå de vigtigste forskelle i implementering, ydeevne og sikkerhed hjælper med at vælge den passende protokol. For eksisterende serielle netværk kan Modbus RTU være passende. For nye implementeringer i stor skala vil Modbus TCPs fleksibilitet og udvidelsesmuligheder være gavnlig. Hybride netværk, der bruger Modbus-gateways, giver en migrationssti, der udnytter fordelene ved begge teknologier.