Modbus RTU e Modbus TCP/IP: guida comparativa completa

Introduzione

Modbus è un protocollo di comunicazione ampiamente utilizzato nei sistemi di automazione e controllo industriale. Fornisce la comunicazione client/server tra dispositivi industriali come PLC, moduli I/O, azionamenti di motori, sensori, router cellulari industriali e attuatori.

Esistono due varianti popolari di Modbus utilizzate nelle reti industriali: Modbus RTU e Modbus TCP/IP. Entrambi questi protocolli vengono utilizzati per stabilire la comunicazione master-slave tra dispositivi industriali.

Modbus RTU utilizza la comunicazione seriale su interfacce RS-485 o RS-232. Trasferisce i dati in formato binario. Modbus TCP/IP utilizza le reti Ethernet e lo stack di protocolli TCP/IP per la comunicazione client/server. Codifica i dati in formato ASCII.

In questa guida completa, approfondiremo i protocolli Modbus RTU e Modbus TCP/IP, le loro funzionalità, vantaggi, limitazioni e applicazioni. Faremo anche un’analisi comparativa di entrambi i protocolli per capire quando utilizzare Modbus RTU e quando adottare Modbus TCP/IP.

Modbus RTU vs Modbus TCP/IP: topologie di rete

Modbus RTU

Modbus RTU (Remote Terminal Unit) utilizza lo standard di comunicazione seriale RS-485 per la comunicazione Master-Slave. I dati binari vengono trasferiti in serie tra dispositivi Modbus su una rete.

Come funziona

  • Modbus RTU utilizza un’architettura master-slave in cui un dispositivo funziona come master e gli altri sono slave.
  • Il dispositivo master avvia e controlla tutte le comunicazioni inviando messaggi di comando e ricevendo messaggi di risposta.
  • I dispositivi slave rispondono semplicemente fornendo i dati richiesti o agendo come comandato dal master.
  • L’interfaccia seriale RS-485 viene utilizzata per trasferire dati tra dispositivi Modbus RTU. RS-485 consente a più dispositivi slave di connettersi a un singolo master sulla stessa rete.
  • I dati vengono trasferiti tra dispositivi Modbus in formato binario. Ogni byte contiene due caratteri esadecimali che utilizzano i valori 0-9 e A-F.
  • I messaggi Modbus RTU hanno strutture dati definite che sia il master che lo slave devono seguire.
  • Il controllo degli errori Cyclic Redundancy Check (CRC) viene utilizzato per rilevare errori di comunicazione.

Caratteristiche e vantaggi

Alcune delle principali caratteristiche e vantaggi del protocollo Modbus RTU sono:

  • Architettura Master-Slave: consente il controllo centralizzato da parte del dispositivo master. I dispositivi slave non possono comunicare direttamente.
  • Comunicazione seriale RS-485: consente a più dispositivi slave di connettersi a un singolo master in configurazione multi-drop su lunghe distanze.
  • Trasferimento dati binario: dimensioni del messaggio inferiori rispetto all’ASCII, trasferimento rapido dei dati con velocità effettiva elevata.
  • Strutture dati predefinite: facili da implementare e decodificare sui dispositivi slave utilizzando una semplice logica firmware.
  • Controllo errori CRC: garantisce l’integrità del trasferimento dati tra master e slave.
  • Ampia adozione nel settore: utilizzato in settori come quello manifatturiero, dei servizi pubblici, dell’automazione degli edifici, ecc. Funzionamento affidabile.

Limitazioni

Nonostante i suoi vantaggi, Modbus RTU presenta anche le seguenti limitazioni:

  • Master singolo: sulla rete può esistere un solo dispositivo master. La ridondanza richiede una programmazione complessa.
  • Lunghezza cavo limitata: i cavi RS-485 sono limitati a circa 1000 metri. Al di là di questo valore si verifica una degradazione del segnale.
  • Nessun supporto per reti IP: Modbus RTU non supporta le reti TCP/IP e la connettività Internet in modo nativo.
  • Modello dati fisso: dimensioni limitate della PDU e numero limitato di tipi di dati supportati secondo le specifiche Modbus.
  • Indirizzamento manuale: gli indirizzi slave devono essere impostati manualmente su ciascun dispositivo slave Modbus RTU.
Modbus RTU e Modbus TCP/IP: hardware di comunicazione

Modbus TCP/IP

Modbus TCP/IP utilizza le reti Ethernet e TCP/IP per l’implementazione del protocollo Modbus su una rete IP. I dati sono codificati in formato ASCII e trasmessi su TCP/IP.

Come funziona

  • Modbus TCP/IP utilizza reti TCP/IP ed Ethernet standard per la comunicazione Master-Slave.
  • Il dispositivo master utilizza il software client TCP/IP mentre gli slave dispongono del software server TCP/IP.
  • Invece di RS-485, gli adattatori o gli switch Ethernet collegano i dispositivi Modbus TCP/IP.
  • I messaggi di richiesta/risposta Modbus vengono incapsulati utilizzando un’intestazione del protocollo di applicazione Modbus.
  • I dati vengono codificati in formato ASCII e trasmessi utilizzando i protocolli TCP/IP standard.
  • I meccanismi TCP/IP come le porte forniscono il controllo degli errori e la conferma della consegna.
  • L’indirizzamento IP identifica in modo univoco ciascun dispositivo Modbus sulla rete.

Caratteristiche e vantaggi

I principali vantaggi offerti da Modbus TCP/IP includono:

  • Compatibile con Ethernet standard: consente l’integrazione con le reti Ethernet esistenti.
  • Stack di protocolli TCP/IP: consente connettività simile a Internet e funzionalità Web.
  • Comunicazione a lunga distanza: il cablaggio Ethernet consente reti Modbus a lunga distanza su LAN e WAN.
  • Identificazione basata sull’indirizzo IP: ciascun dispositivo Modbus dispone di un indirizzo IP univoco per l’indirizzamento.
  • Codifica dati ASCII: ASCII è autodescrittivo e leggibile dall’uomo. Il debug è più semplice.
  • Accesso e controllo basati sul Web: TCP/IP consente il monitoraggio remoto basato sul Web delle reti Modbus.
  • Adatto ai firewall: la porta TCP 502 utilizzata da Modbus TCP è solitamente aperta sui firewall industriali.

Limitazioni

Alcuni svantaggi dell’utilizzo di Modbus TCP/IP sono:

  • Overhead TCP/IP: l’implementazione di uno stack TCP/IP completo richiede più risorse sui dispositivi slave.
  • Aumento del sovraccarico del frame: la codifica ASCII aumenta la dimensione dei messaggi, riducendo la velocità effettiva.
  • Ritrasmissioni TCP: TCP tenta di garantire la consegna ma può causare ritardi nella risposta Modbus.
  • Congestione su reti occupate: i colli di bottiglia di Industrial Ethernet possono influire sulle prestazioni di Modbus TCP.
  • Rischi per la sicurezza: TCP/IP espone il sistema Modbus ad attacchi informatici poiché Ethernet è accessibile tramite WAN.

Confronto tra Modbus RTU e Modbus TCP/IP

Faremo ora un’analisi comparativa tra Modbus RTU e Modbus TCP/IP attraverso vari parametri:

Caratteristica Modbus RTU Modbus TCP/IP
Topologia di rete Bus lineare/catena a cascata Stella, albero o rete
Supporti fisici Cablaggio seriale RS-485 Cablaggio Ethernet CAT5e/CAT6
Trasferimento dati Binario ASCII
Indirizzamento Indirizzamento slave a 8 bit Indirizzamento IP a 32 bit
Gestione degli errori checksum CRC Controllo degli errori TCP e conferma di consegna
Sicurezza Isolato con rischi minimi Vulnerabile agli attacchi di rete

Note aggiuntive

  • Modbus RTU è più semplice da implementare e meno costoso di Modbus TCP/IP.
  • Modbus TCP/IP è più flessibile e scalabile e può essere utilizzato su reti Ethernet esistenti.
  • Modbus TCP/IP è più veloce di Modbus RTU, ma ha una latenza maggiore a causa del sovraccarico TCP/IP.
  • Modbus TCP/IP richiede maggiori considerazioni sulla sicurezza rispetto a Modbus RTU.
Modbus RTU vs Modbus TCP/IP: codifica dei dati

Quando utilizzare Modbus RTU

Modbus RTU è adatto per i seguenti tipi di applicazioni:

  • Reti Modbus più piccole con un massimo di 32 dispositivi slave
  • Comunicazione su brevi distanze all’interno di uno stabilimento o di una fabbrica
  • Connettività Modbus per dispositivi e applicazioni seriali legacy
  • Reti di controllo che richiedono il trasferimento di dati binari ad alta velocità
  • L’isolamento logico della rete è necessario per motivi di sicurezza
  • Sistemi Modbus strettamente accoppiati senza requisiti di accesso remoto
  • Applicazioni sensibili al budget a causa del costo inferiore dell’infrastruttura seriale

Quando utilizzare Modbus TCP/IP

Modbus TCP/IP è la soluzione preferita quando:

  • È necessaria l’integrazione con le reti Ethernet esistenti
  • Connettività Modbus su distanze locali e globali
  • È necessaria una funzionalità di monitoraggio e controllo remoto basata sul web
  • Interoperabilità con molti master e slave Modbus
  • È prevista l’espandibilità futura per un numero maggiore di dispositivi
  • Gli storici dei dati e il software in tempo reale richiedono la connettività IP
  • Sistemi centralizzati di controllo di supervisione e acquisizione dati (SCADA).
  • La conformità normativa richiede misure di sicurezza informatica come le VPN

La scelta migliore per la tua applicazione dipenderà dalle tue esigenze specifiche. Se hai bisogno di una soluzione semplice ed economica per una rete di piccole dimensioni, Modbus RTU può essere una buona scelta. Se hai bisogno di una soluzione più flessibile e scalabile per una rete più grande, Modbus TCP/IP potrebbe essere la scelta migliore.

Casi di studio

Lo stabilimento di produzione migra da Modbus RTU a Modbus TCP

Un importante produttore di ricambi per auto disponeva di un sistema di produzione esistente che utilizzava PLC e azionamenti di motori interconnessi tramite una rete Modbus RTU. Con l’aumento della produzione, avevano bisogno di espandere il sistema aggiungendo nuovi PLC, stazioni HMI e azionamenti. Tuttavia, il passaggio di lunghi cavi RS-485 dall’officina alla sala di controllo stava diventando complesso e soggetto a guasti.

Hanno deciso di migrare a Modbus TCP/IP in modo che le nuove sezioni potessero collegarsi in rete tramite cablaggio Ethernet CAT6. La rete RS-485 esistente è stata mantenuta per compatibilità legacy. È stato installato un dispositivo gateway Modbus per instradare i dati tra i vecchi PLC RS-485 e la nuova rete TCP/IP. Ciò ha fornito una soluzione di aggiornamento scalabile senza interrompere le operazioni correnti.

La società di alimentazione implementa SCADA Modbus TCP/IP rinforzato

Un’azienda elettrica desiderava modernizzare il proprio sistema SCADA Modbus RTU preesistente per la propria rete di media tensione. Avevano bisogno di una soluzione sicura e affidabile per gestire le proprie risorse sul campo come sottostazioni, stazioni di alimentazione e dispositivi di automazione della distribuzione. Come protocollo di comunicazione è stato selezionato Modbus TCP/IP su una rete Ethernet privata.

La sicurezza informatica era un requisito fondamentale per il nuovo sistema SCADA. L’utility ha collaborato con l’integratore di sistema per implementare misure di sicurezza come tunnel VPN tra sottostazioni, switch Ethernet gestiti, firewall e controllo degli accessi basato sui ruoli. La rete Modbus TCP/IP rafforzata ha fornito monitoraggio e controllo ad alta disponibilità con protezione contro le intrusioni informatiche remote.

FAQs

Qual è la differenza tra Modbus RTU e Modbus TCP/IP?

Le principali differenze sono:

  • Modbus RTU utilizza la comunicazione seriale RS-485 mentre Modbus TCP utilizza reti Ethernet TCP/IP
  • Modbus RTU ha un’architettura master-slave mentre Modbus TCP consente più master e slave simultanei
  • Modbus RTU trasferisce dati binari mentre Modbus TCP utilizza la codifica ASCII
  • Modbus RTU utilizza il controllo degli errori CRC e Modbus TCP si basa su TCP per la conferma della consegna

Quale protocollo è migliore, Modbus RTU o Modbus TCP/IP?

Non c’è un chiaro vincitore. Modbus RTU è più adatto per connessioni seriali brevi senza accesso remoto. Modbus TCP/IP è migliore per la connessione su distanze locali e globali e per il monitoraggio basato sul web. La scelta dipende dai requisiti dell’applicazione.

Come faccio a scegliere tra Modbus RTU e Modbus TCP/IP?

Considera fattori come la distanza di rete richiesta, il numero di dispositivi, la velocità di comunicazione, le esigenze di sicurezza informatica, la compatibilità legacy, i vincoli di costo e l’espandibilità futura. Per una nuova piccola rete autonoma, Modbus RTU può essere sufficiente. Per implementazioni di grandi dimensioni con più sedi, è preferibile Modbus TCP/IP.

Posso utilizzare Modbus RTU e Modbus TCP/IP sulla stessa rete?

Sì, è possibile utilizzare gateway Modbus che traducono tra i protocolli Modbus RTU e Modbus TCP. Ciò consente la migrazione graduale dalle reti seriali a quelle basate su Ethernet.

Conclusione

Modbus RTU e Modbus TCP/IP sono entrambi protocolli di comunicazione industriale praticabili con punti di forza e di debolezza complementari. Modbus RTU fornisce connettività Modbus binaria ad alta velocità su reti seriali convenienti. Modbus TCP/IP consente l’integrazione con i sistemi IT aziendali e funzionalità di accesso remoto basate su Internet.

Comprendere le principali differenze nell’implementazione, nelle prestazioni e nella sicurezza aiuta nella selezione del protocollo appropriato. Per le reti seriali esistenti, Modbus RTU può essere adeguato. Per le nuove implementazioni su larga scala, la flessibilità e l’espandibilità di Modbus TCP saranno vantaggiose. Le reti ibride che utilizzano gateway Modbus forniscono un percorso di migrazione che sfrutta i vantaggi di entrambe le tecnologie.