Modbus RTU vs. Modbus TCP/IP: Umfassender Vergleichsleitfaden

Einführung

Modbus ist ein Kommunikationsprotokoll, das in industriellen Automatisierungs- und Steuerungssystemen weit verbreitet ist. Es bietet Client/Server-Kommunikation zwischen Industriegeräten wie SPS, E/A-Modulen, Motorantrieben, Sensoren, industriellen Mobilfunkroutern und Aktoren.

Es gibt zwei beliebte Modbus-Varianten, die in industriellen Netzwerken verwendet werden: Modbus RTU und Modbus TCP/IP. Beide Protokolle werden zum Aufbau der Master-Slave-Kommunikation zwischen Industriegeräten verwendet.

Modbus RTU nutzt serielle Kommunikation über RS-485- oder RS-232-Schnittstellen. Es überträgt Daten in einem Binärformat. Modbus TCP/IP nutzt Ethernet-Netzwerke und den TCP/IP-Protokollstapel für die Client/Server-Kommunikation. Es kodiert Daten im ASCII-Format.

In diesem umfassenden Leitfaden werden wir uns eingehend mit den Protokollen Modbus RTU und Modbus TCP/IP sowie deren Funktionalität, Vorteilen, Einschränkungen und Anwendungen befassen. Wir werden auch eine vergleichende Analyse beider Protokolle durchführen, um zu verstehen, wann Modbus RTU verwendet werden sollte und wann Modbus TCP/IP eingeführt werden sollte.

Modbus RTU vs. Modbus TCP/IP: Netzwerktopologien

Modbus RTU

Modbus RTU (Remote Terminal Unit) nutzt den seriellen RS-485-Kommunikationsstandard für die Master-Slave-Kommunikation. Binärdaten werden seriell zwischen Modbus-Geräten in einem Netzwerk übertragen.

Wie es funktioniert

  • Modbus RTU verwendet eine Master-Slave-Architektur, bei der ein Gerät als Master fungiert und die anderen als Slaves fungieren.
  • Das Master-Gerät initiiert und steuert die gesamte Kommunikation, indem es Befehlsnachrichten sendet und Antwortnachrichten empfängt.
  • Slave-Geräte reagieren einfach, indem sie angeforderte Daten bereitstellen oder Maßnahmen gemäß den Befehlen des Masters ergreifen.
  • Die serielle RS-485-Schnittstelle wird für die Datenübertragung zwischen Modbus-RTU-Geräten verwendet. RS-485 ermöglicht die Verbindung mehrerer Slave-Geräte mit einem einzigen Master im selben Netzwerk.
  • Die Datenübertragung zwischen Modbus-Geräten erfolgt im Binärformat. Jedes Byte enthält zwei hexadezimale Zeichen mit den Werten 0-9 und A-F.
  • Modbus-RTU-Nachrichten verfügen über definierte Datenstrukturen, denen sowohl Master als auch Slave folgen müssen.
  • Die Fehlerprüfung Cyclic Redundancy Check (CRC) dient zur Erkennung von Kommunikationsfehlern.

Funktionen und Vorteile

Zu den wichtigsten Merkmalen und Vorteilen des Modbus-RTU-Protokolls gehören:

  • Master-Slave-Architektur – Ermöglicht eine zentrale Steuerung durch das Master-Gerät. Slave-Geräte können nicht direkt kommunizieren.
  • Serielle RS-485-Kommunikation – Ermöglicht die Verbindung mehrerer Slave-Geräte mit einem einzigen Master in Multi-Drop-Konfiguration über große Entfernungen.
  • Binäre Datenübertragung – Kleinere Nachrichtengröße als ASCII, schnelle Datenübertragung mit hohem Durchsatz.
  • Vordefinierte Datenstrukturen – Einfache Implementierung und Dekodierung auf Slave-Geräten mithilfe einfacher Firmware-Logik.
  • CRC-Fehlerprüfung – Gewährleistet die Integrität der Datenübertragung zwischen Master und Slave.
  • Breite Branchenakzeptanz – Wird in Branchen wie Fertigung, Versorgung, Gebäudeautomation usw. eingesetzt. Zuverlässiger Betrieb.

Einschränkungen

Trotz seiner Vorteile weist Modbus RTU auch die folgenden Einschränkungen auf:

  • Single Master – Es kann nur ein Master-Gerät im Netzwerk vorhanden sein. Redundanz erfordert eine komplexe Programmierung.
  • Begrenzte Kabellänge – RS-485-Kabel sind auf etwa 1000 Meter begrenzt. Darüber hinaus kommt es zu einer Signalverschlechterung.
  • Keine IP-Netzwerkunterstützung – Modbus RTU unterstützt TCP/IP-Netzwerke und Internetkonnektivität nicht nativ.
  • Festes Datenmodell – Begrenzte PDU-Größe und Anzahl der unterstützten Datentypen gemäß Modbus-Spezifikation.
  • Manuelle Adressierung – Slave-Adressen müssen auf jedem Modbus-RTU-Slave-Gerät manuell eingestellt werden.
Modbus RTU vs. Modbus TCP/IP: Kommunikationshardware

Modbus TCP/IP

Modbus TCP/IP nutzt Ethernet- und TCP/IP-Netzwerke für die Implementierung des Modbus-Protokolls über ein IP-Netzwerk. Die Daten werden im ASCII-Format kodiert und über TCP/IP übertragen.

Wie es funktioniert

  • Modbus TCP/IP nutzt Standard-TCP/IP- und Ethernet-Netzwerke für die Master-Slave-Kommunikation.
  • Das Master-Gerät verwendet TCP/IP-Client-Software und Slaves verfügen über TCP/IP-Server-Software.
  • Anstelle von RS-485 verbinden Ethernet-Adapter oder Switches Modbus TCP/IP-Geräte.
  • Modbus-Anforderungs-/Antwortnachrichten werden mithilfe eines Modbus-Anwendungsprotokoll-Headers gekapselt.
  • Die Daten werden im ASCII-Format kodiert und über Standard-TCP/IP-Protokolle übertragen.
  • TCP/IP-Mechanismen wie Ports ermöglichen eine Fehlerprüfung und Zustellungsbestätigung.
  • Durch die IP-Adressierung wird jedes Modbus-Gerät im Netzwerk eindeutig identifiziert.

Funktionen und Vorteile

Zu den wichtigsten Vorteilen von Modbus TCP/IP gehören:

  • Standard-Ethernet-kompatibel – Ermöglicht die Integration in bestehende Ethernet-Netzwerke.
  • TCP/IP-Protokollstapel – Ermöglicht internetähnliche Konnektivität und Webfunktionen.
  • Fernkommunikation – Ethernet-Verkabelung ermöglicht Modbus-Netzwerke über große Entfernungen über LAN und WAN.
  • IP-adressbasierte Identifizierung – Jedes Modbus-Gerät verfügt über eine eindeutige IP-Adresse zur Adressierung.
  • ASCII-Datenkodierung – ASCII ist selbstbeschreibend und für Menschen lesbar. Das Debuggen ist einfacher.
  • Webbasierter Zugriff und Kontrolle – TCP/IP ermöglicht die webbasierte Fernüberwachung von Modbus-Netzwerken.
  • Firewall-freundlich – Der von Modbus TCP verwendete TCP-Port 502 ist bei industriellen Firewalls normalerweise geöffnet.

Einschränkungen

Einige Nachteile der Verwendung von Modbus TCP/IP sind:

  • TCP/IP-Overhead – Die Implementierung eines vollständigen TCP/IP-Stacks erfordert mehr Ressourcen auf Slave-Geräten.
  • Erhöhter Frame-Overhead – ASCII-Kodierung erhöht die Größe der Nachrichten und verringert den Durchsatz.
  • TCP-Neuübertragungen – TCP versucht erneut, die Zustellung sicherzustellen, kann jedoch zu Verzögerungen bei der Modbus-Antwort führen.
  • Überlastung ausgelasteter Netzwerke – Industrial Ethernet-Engpässe können die Modbus TCP-Leistung beeinträchtigen.
  • Sicherheitsrisiken – TCP/IP setzt das Modbus-System Cyberangriffen aus, da Ethernet über WAN zugänglich ist.

Vergleich von Modbus RTU und Modbus TCP/IP

Wir werden nun eine vergleichende Analyse zwischen Modbus RTU und Modbus TCP/IP anhand verschiedener Parameter durchführen:

Charakteristisch Modbus RTU Modbus TCP/IP
Netzwerktopologie Linearer Bus/Daisy-Chain Stern, Baum oder Netz
Physische Medien Serielle RS-485-Verkabelung Ethernet CAT5e/CAT6-Verkabelung
Datentransfer Binär ASCII
Adressierung 8-Bit-Slave-Adressierung 32-Bit-IP-Adressierung
Fehlerbehandlung CRC-Prüfsumme TCP-Fehlerprüfung und Zustellungsbestätigung
Sicherheit Isoliert mit minimalen Risiken Anfällig für Netzwerkangriffe

Zusätzliche Bemerkungen

  • Modbus RTU ist einfacher zu implementieren und kostengünstiger als Modbus TCP/IP.
  • Modbus TCP/IP ist flexibler und skalierbarer und kann über bestehende Ethernet-Netzwerke verwendet werden.
  • Modbus TCP/IP ist schneller als Modbus RTU, weist jedoch aufgrund des TCP/IP-Overheads eine höhere Latenz auf.
  • Modbus TCP/IP erfordert mehr Sicherheitsüberlegungen als Modbus RTU.
Modbus RTU vs. Modbus TCP/IP: Datenkodierung

Wann sollte Modbus RTU verwendet werden?

Modbus RTU eignet sich für folgende Anwendungsarten:

  • Kleinere Modbus-Netzwerke mit bis zu 32 Slave-Geräten
  • Kommunikation über kurze Distanzen innerhalb eines Werks oder Fabrikgeländes
  • Modbus-Konnektivität für ältere serielle Geräte und Anwendungen
  • Steuern Sie Netzwerke, die eine Hochgeschwindigkeits-Binärdatenübertragung erfordern
  • Aus Sicherheitsgründen ist eine logische Netzwerkisolierung erforderlich
  • Eng gekoppelte Modbus-Systeme ohne Fernzugriffsanforderungen
  • Budgetsensitive Anwendungen aufgrund der geringeren Kosten der seriellen Infrastruktur

Wann sollte Modbus TCP/IP verwendet werden?

Modbus TCP/IP ist die bevorzugte Lösung, wenn:

  • Eine Integration in bestehende Ethernet-Netzwerke ist erforderlich
  • Modbus-Konnektivität über lokale und globale Entfernungen
  • Es ist eine webbasierte Fernüberwachungs- und Steuerungsfunktion erforderlich
  • Zusammenarbeit mit vielen Modbus-Mastern und -Slaves
  • Eine zukünftige Erweiterbarkeit für eine größere Anzahl von Geräten ist geplant
  • Echtzeit-Datenhistoriker und -Software erfordern IP-Konnektivität
  • Zentralisierte Überwachungskontroll- und Datenerfassungssysteme (SCADA).
  • Die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften erfordert Cybersicherheitsmaßnahmen wie VPNs

Die beste Wahl für Ihre Anwendung hängt von Ihren spezifischen Anforderungen ab. Wenn Sie eine einfache, kostengünstige Lösung für ein kleines Netzwerk benötigen, ist Modbus RTU möglicherweise eine gute Wahl. Wenn Sie eine flexiblere und skalierbarere Lösung für ein größeres Netzwerk benötigen, ist Modbus TCP/IP möglicherweise die bessere Wahl.

Fallstudien

Produktionsanlage migriert von Modbus RTU auf Modbus TCP

Ein großer Autoteilehersteller verfügte über ein bestehendes Produktionssystem, das SPS und Motorantriebe nutzte, die über ein Modbus-RTU-Netzwerk miteinander verbunden waren. Da ihre Produktion zunahm, mussten sie das System durch das Hinzufügen neuer SPS, HMI-Stationen und Antriebe erweitern. Allerdings wurde die Verlegung langer RS-485-Kabel von der Werkstatt zum Kontrollraum immer komplexer und fehleranfälliger.

Sie beschlossen, auf Modbus TCP/IP umzusteigen, damit die neuen Abschnitte über Ethernet-CAT6-Kabel vernetzt werden können. Das bestehende RS-485-Netzwerk wurde aus Gründen der Legacy-Kompatibilität beibehalten. Zur Weiterleitung von Daten zwischen den alten RS-485-SPS und dem neuen TCP/IP-Netzwerk wurde ein Modbus-Gateway-Gerät installiert. Dadurch wurde eine skalierbare Upgrade-Lösung bereitgestellt, ohne den laufenden Betrieb zu unterbrechen.

Energieversorger implementiert gehärtetes Modbus TCP/IP SCADA

Ein Energieversorger wollte sein altes Modbus RTU SCADA-System für sein Mittelspannungsnetz modernisieren. Sie benötigten eine sichere und zuverlässige Lösung für die Verwaltung ihrer Feldanlagen wie Umspannwerke, Einspeisestationen und Verteilungsautomatisierungsgeräte. Als Kommunikationsprotokoll wurde Modbus TCP/IP über ein privates Ethernet-Netzwerk ausgewählt.

Cybersicherheit war eine wichtige Anforderung an das neue SCADA-System. Das Versorgungsunternehmen arbeitete mit dem Systemintegrator zusammen, um Sicherheitsmaßnahmen wie VPN-Tunnel zwischen Umspannwerken, verwaltete Ethernet-Switches, Firewalls und rollenbasierte Zugriffskontrolle bereitzustellen. Das gehärtete Modbus TCP/IP-Netzwerk ermöglichte eine hochverfügbare Überwachung und Steuerung mit Schutz vor Remote-Cyber-Eingriffen.

FAQs

Was ist der Unterschied zwischen Modbus RTU und Modbus TCP/IP?

Die Hauptunterschiede sind:

  • Modbus RTU verwendet serielle RS-485-Kommunikation, während Modbus TCP Ethernet TCP/IP-Netzwerke verwendet
  • Modbus RTU verfügt über eine Master-Slave-Architektur, während Modbus TCP mehrere gleichzeitige Master und Slaves ermöglicht
  • Modbus RTU überträgt Binärdaten, während Modbus TCP ASCII-Kodierung verwendet
  • Modbus RTU nutzt die CRC-Fehlerprüfung und Modbus TCP verlässt sich bei der Zustellungsbestätigung auf TCP

Welches Protokoll ist besser, Modbus RTU oder Modbus TCP/IP?

Es gibt keinen eindeutigen Sieger. Modbus RTU eignet sich besser für kurze serielle Verbindungen ohne Fernzugriff. Modbus TCP/IP eignet sich besser für Verbindungen über lokale und globale Entfernungen und für webbasierte Überwachung. Die Auswahl hängt von den Anwendungsanforderungen ab.

Wie wähle ich zwischen Modbus RTU und Modbus TCP/IP?

Berücksichtigen Sie Faktoren wie erforderliche Netzwerkentfernung, Anzahl der Geräte, Kommunikationsgeschwindigkeit, Cybersicherheitsanforderungen, Legacy-Kompatibilität, Kostenbeschränkungen und zukünftige Erweiterbarkeit. Für ein neues kleines, eigenständiges Netzwerk kann Modbus RTU ausreichen. Für große Implementierungen mit mehreren Standorten ist Modbus TCP/IP vorzuziehen.

Kann ich Modbus RTU und Modbus TCP/IP im selben Netzwerk verwenden?

Ja, es ist möglich, Modbus-Gateways zu verwenden, die zwischen den Protokollen Modbus RTU und Modbus TCP übersetzen. Dies ermöglicht eine schrittweise Migration von seriellen zu Ethernet-basierten Netzwerken.

Schlussfolgerung

Modbus RTU und Modbus TCP/IP sind beide praktikable industrielle Kommunikationsprotokolle mit komplementären Stärken und Schwächen. Modbus RTU bietet binäre Hochgeschwindigkeits-Modbus-Konnektivität über kostengünstige serielle Netzwerke. Modbus TCP/IP ermöglicht die Integration in Unternehmens-IT-Systeme und internetbasierte Fernzugriffsfunktionen.

Das Verständnis der wichtigsten Unterschiede in Implementierung, Leistung und Sicherheit hilft bei der Auswahl des geeigneten Protokolls. Für bestehende serielle Netzwerke kann Modbus RTU ausreichend sein. Bei neuen groß angelegten Implementierungen wird die Flexibilität und Erweiterbarkeit von Modbus TCP von Vorteil sein. Hybride Netzwerke mit Modbus-Gateways bieten einen Migrationspfad, der die Vorteile beider Technologien nutzt.