Modbus là gì? | Truyền thông & Ứng dụng của Modbus

Modbus là gì ? Truyền thông modbus là gì? Công nghiệp hoá hiện đại hoá ngày nay của nước ta ngày càng phát triển. Đây là tiền đề cho sự cải tiến nâng cấp và chế tạo ra những thiết bị, máy móc thay thế cho con người. Trong đó lĩnh vực về truyền thông và tự động hoá luôn được các doanh nghiệp chú ý đến. Để các thiết bị máy móc hoạt động được tối ưu nhất thì việc lưu truyền dữ liệu là yếu tố đóng vai trò quan trọng.

Trong các tín hiệu truyền thông phổ biến nhất vẫn là tín hiệu Modbus. Chắc hẳn mọi người đã từng nghe qua rất nhiều về dạng tín hiệu này rồi. Nhưng không hẳn ai cũng lắm rõ và hiểu hết về chúng. Bài viết này sẽ hướng đến nội dung về Modbus, nguyên lý hoạt động cũng như ứng dụng của chúng trong công nghiệp. 

Modbus là gì? Tại sao Modbus trở lên phổ biến trong công nghiệp?

Modbus là gì ?

Modbus là một giao thức truyền thông tín hiệu nối tiếp. Chúng được ra đời và phát triển vào từ khoảng những năm 1979 bỏi Modicon (nay là Schneider Electric) và đnag được duy trì cho tới ngày nay. Truyền thông modbus dần trở lên phổ biến và phù hợp trong công nghiệp bới vì chúng đáp ứng được Tốc độ truyền dữ liệu nhanh, độ chính xác cao, dễ dàng kết nối được nhiều thiết bị lại với nhau. Với các ưu điểm này thì Modbus là tín hiệu có trong hầu hết các hệ thống SCADA.

Cái cốt lõi khiến Modbus được dùng nhiều đó chính là khả năng kết nối nhiều thiết bị cùng lúc lại với nhau. Nếu nhà máy của các bạn có 10 con cảm biến thì chúng sẽ có tới 10 tín hiệu đầu ra. Nếu cảm biến này tín hiệu đầu ra 4-20mA thì bộ đọc tín hiệu của các bạn phải cần tới 10 Input mới có thể kết nối được hết.

Vậy modbus sẽ giải quyết bài toán này. Chúng cho phép các thiết bị cảm biến nối tiếp lại với nhau và nối về bộ điều khiển. Các bộ điều khiển giờ đây chỉ cần một ngõ vào Input Modbus là có thể đọc được 10 tín hiệu cảu cảm biến.

Vậy Modbus hoạt động như thế nào? Làm cách nào để đọc được nhiều tín hiệu cảm biến cùng 1 lúc?

Modbus hoạt động như thế nào ?

Modbus hoạt động dựa trên nguyên tắc Master – Slave (hay còn gọi là quan hệ Chủ – Tớ).

• Master là các thiết bị: Module, PLC, Controler, …
• Slave là các thiết bị như: Cảm biến, dầu dò, bộ chuyển đổi, …

Mối quan hệ giữa Master – Slave đó là một Master có thể kết nối và truyền dữ liệu tới nhiều Slave khác nhau. Nhưng 1 slave thì chỉ có thể kết nối được với một Master. Các Master và Slave truyền thông với nhau dưới dạng tín hiệu điện mức cao (1) và mức thấp (0).

Tức là hai dây Rx và Tx cảu Modbus sẽ thay đổi mức liên tục giữu mức 0 và 1. Dữ liệu này sẽ được gi lại bằng các thanh dữ liệu theo byte 8 bit. Với mỗi một bit có tốc độ baud từ 1.200 bit đến 115.200 bit mỗi dây.

Thông thường chúng ta hay chọn tốc độ đó là 9.600 bit cho đến 34.400 bit. Với tôc sdodoj truyền này sẽ tỉ lệ nghịch với khoảng cách truyền. Tức là tốc độ truyền cnagf cao thì khoảng cách truyền tín hiệu càng ngắn và ngược lại. Khoảng cách truyền tối đa của Modbus là 1.200m mà không bị nhiễu.

Giải mã tín hiệu của Modbus

Để biết được chúng giải mã tín hiệu như thế nào thì phải dựa vài nguyên lý của chúng.

Các Slave chỉ phải phản hồi Master nếu gọi đúng địa chỉ và tốc độ truyền của chúng. Lúc Master gọi Slave thì chúng mất một khoảng thời gian thì Slave mới phản hồi lại được thời gian này gọi là “thời gian phản hồi” hoặc nó sẽ một lỗi “không phản hồi”

Mỗi một trao đổi dữ liệu bao gồm một yêu cầu từ Master sao đó là phản hồi từ Slave. Mỗi một gói dữ liệu cho dù là yêu cầu hay phản hồi đều bắt đầu bằng địa chỉ thiết bị và địa chỉ slave. Kế tiếp là các tham số xác định những gì đang được yêu cầu và phản hồi được ghi lại chi tiết trong giao thức modbus.

Thanh ghi Holding Register

Dữ liệu Modbus thường được đọc và ghi dưới dạng “thanh ghi” là các mẫu dữ liệu 16 bit. Thông thường, thanh ghi là số nguyên 16-bit có dấu hoặc không dấu. Nếu cần một số nguyên hoặc dấu phẩy động 32 bit. Các giá trị này thực sự được đọc dưới dạng một cặp thanh ghi. Thanh ghi được sử dụng phổ biến nhất được gọi là Holding Register và chúng có thể được đọc hoặc viết dữ liệu. Loại khác có thể là Input Register đầu vào, chỉ đọc.

Có một số ngoại lệ đối với thanh ghi 16 bit là COIL và đầu vào riêng biệt Coil có thể được đọc hoặc viết, trong khi đầu vào riêng biệt chỉ đọc. Coil ở đây thường là các Rơle, các tín hiệu Digital …

Loại thanh ghi được xử lý theo yêu cầu Modbus được xác định bởi mã chức năng. Các mã phổ biến nhất bao gồm 3 cho “thanh ghi giữ đọc” và có thể đọc 1 hoặc nhiều hơn. Mã chức năng 6 được sử dụng để viết một thanh ghi giữ. Mã chức năng 16 được sử dụng để viết một hoặc nhiều thanh ghi giữ.

Cấu trúc của modbus

Cấu trúc thông báo Modbus chính là Peer-to-Peer. Modbus có thể hoạt động trên cả mạng Point-to-Point và Multidrop.

Truy vấn của chủ (Master) sẽ bao gồm:

• Địa chỉ Slave (địa chỉ quảng bá).
• Mã chức năng với lệnh đọc hoặc ghi dữ liệu tới Slave.
• Lệnh ghi “Dữ liệu” nếu lệnh ghi do chủ khởi tạo.
• Trường kiểm tra lỗi.

Phản hồi của một tớ (Slave) bao gồm:

• Các trường xác nhận nó đã nhận được yêu cầu.
• Dữ liệu cần trả về.
• Lỗi kiểm tra dữ liệu.

Nếu không có lỗi xảy ra, phản hồi của nô lệ (Slave) chứa dữ liệu theo yêu cầu.

Các loại truyền thông Modbus

Modbus sẽ có nhiều cách truyền thông dữ liệu khác nhau như các cồng giao thức dữ liệu Ethernet hoặc cổng nối tiếp. Các dạng của Modbus đó là:

• Modbus RTU
• Modbus ASCII
• Modbus TCP/IP
• Modbus Plus

Chúng ta cùng tìm hiểu từng loại về modbus này nhé.

Modbus RTU

Modbus RTU sẽ được truyền thông và giải mã theo tín hiệu nhị phân (tín hiệu 0_1_1_0_…_1). Và truyển tải tín hiệu này dưới dạng các Byte dữ liệu với mỗi một Byte sẽ bao gồm nhiều Bit dữ liêu khác nhau. Đây là dạng truyền thông của RS232 và RS485 với tôc độ truyền có thể đạt được lên đến từ 1.200….115.000 baud.

Trong đó thì tốc độ khoảng từ 9.600 đến 19.400 baud được lựa chọn nhiều nhất. Loại modbus RTU này khá phổ biến. Chúng chiếm tới 70% lượng người dùng so với các loại Modbus RTU khác.

Modbus ASCII

Modbus ASCII về nguyên lý hoạt động thì chúng cũng khá giống như Modbus RTU. Chúng cũng dựa trên mã nhị phân để giao tiếp (nhưng không thể kết nối giữa RTU với ASCII được đâu nhé) nhưng dưới dạng văn bản.

Đây cũng là ưu điểm hơn so với Modbus RTU nhưng chúng lại không hiệu quả bởi vì các văn bản này có đồ dài gấp đôi so với RTU cho nên loại truyên thông này không được dùng nhiều trong công nghiệp.

Modbus TCP/IP

Sau modbus RTU thì modbus TCP/IP là loại được dùng phổ biến thứ hai. Modbus TCP/IP chỉ đơn giản là giao thức Modbus RTU với giao diện TCP chạy trên Ethernet.

Với Ethernet, bạn đang kết hợp mạng vật lý toàn cầu, linh hoạt, có thể mở rộng và (Ethernet) với tiêu chuẩn mạng phổ quát (TCP/IP) và biểu diễn dữ liệu trung lập với nhà cung cấp, Modbus. 

Giao thức này cung cấp một mạng thực sự mở, có thể truy cập, cho phép trao đổi các khối dữ liệu nhị phân giữa các thiết bị. 

Nó rất đơn giản để triển khai cho bất kỳ thiết bị nào hỗ trợ ổ cắm TCP/IP, với một công tắc và cáp có sẵn cho mỗi thiết bị. Nó vẫn hoàn toàn tương thích với cơ sở hạ tầng Ethernet đã được cài đặt mà bất kỳ khách hàng nào cũng có thể có.

Modbus Plus

Tính năng cơ sở dữ liệu toàn cầu giúp dễ dàng phát dữ liệu tới tất cả các nút mạng trong khi các cầu nối cho phép các mạng Modbus Plus riêng biệt kết nối với nhau, cho phép số lượng nút gần như không giới hạn.

Trong mạng Modbus Plus điển hình, các thông báo Modbus nhúng được gửi qua liên kết truyền thông RS485 trên một mạng ngang hàng, loại trao đổi mã thông báo. Mạng Modbus Plus có thể được sử dụng với PLC.

Ưu – Nhược điểm của Modbus

Mắc dù chúng được ứng dụng nhiều trong công nghiệp nhưng chúng sẽ đều tồn tại hai mặt ưu điểm và nhược điểm.

Ưu điểm của modbus

Về mặt ưu điểm của Modbus thì chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy như sau:

• Truyền tải tín hiệu vật lý đi xa lên đến 1.200m mà không bị nhiễu
• Có thể kết nối Ethernet bằng các cổng mạng LAN để truyền dữ liệu không dây

• Tiết kiệm được một số lượng lớn đầu vào Input cho PLC
• Các Module Master hoạt động độc lập cho lên dễ dàng xử lý và bảo trì khi gặp sự cố.
• Có thể kết nối nhiều thiết bị của nhiều hãng khác nhau (miễn cùng chung 1 chuẩn Modbus).

Với những ưu điểm này thì Modbus được khá nhiều các kỹ thuật viên tin dùng cho các dự án giáp sát đo lường từ xa. Nhưng chúng cũng tồn tại các mặt hạn chế.

Nhược điểm của modbus

Về mặt nhược điểm khi sử dụng truyền thông Modbus đó là:

• Cần kỹ thuật viên phải có trình độ hiểu biết về Modbus
• Tín hiệu sẽ không nhanh bằng tín hiệu Digital và Analog khi lắp trực tiếp.
• Chỉ phù hợp điều khiển thời giam đáp ứng 1s trở xuống.
• Cần các đầu đọc PLC hay Scada có cấu hình đủ mạnh thì mới có thể lưu trữ và đọc thanh ghi cuat tín hiệu Modbus.

Đó là những nhược điểm mà các bạn cần lưu ý khi sử dụng tín hiệu này làm truyền thông. Mặc dù tồn tại những khuyết điểm trên nhưng chúng vẫn được nhiều người tin dùng và sử dụng.

So sánh Modbus với Ethernet

Để làm rõ được những thế mạnh của Modbus thì hãy so sánh thử với tín hiệu Ethernet.

Trên đây là những điểm khác nhau giữa hai loại truyền thông. Hi vong ccas bạn có thể so sánh và lựa chọn hệ thống truyền thông cho phù hợp.

Ứng dụng của Modbus

Ứng dụng liên quan đến Modbus có rất rất nhiều. Chúng sẽ được truyền thông để kết nối các thiết bị đo lường với các bộ điều khiển hoặc hiển thị trong nhà máy. Để trả lời cho câu hỏi ứng dụng của Modbus là gì thì ta cùng tìm hiểu ứng dụng thường gặp của chúng như sau:

Giám sát hệ thống năng lượng mặt trời

Con người đã biết đến năng lượng mặt trời này từ khá lâu. Và đã sử dụng năng lượng này để phục vụ khá nhiều trong đời sống. Cục thể trong công nghiệp đó là dùng các tâm Pin năng lượng mặt trời để cung cấp điện cho nhà máy.

Nhưng các tấm pin năng lượng này không phải lúc nào chúng cũng ở cạnh nhà mà có thể ở nhiều khu vực khác nhau. Để giám sát và đo lường điện áp và dòng điện trên từng điểm đặt tấm pin mặt trời thì người ta thường dùng các loại biến dòng Modbus. Tín hiệu Modbus sẽ kết nối nhiều biến dòng lại với nhau và nối về trung tâm điều khiển để giám sát.

Đo lường nhiệt độ từ xa

Đo lương hay giám sát nhiệt độ, độ ẩm cũng là một trong những trường hợp thường gặp. Cả hai cảm biến nhiệt độ và độ ẩm này đều khác nhau và riêng biệt. Nhưng nếu chúng có đầu ra Modbus thì chúng có thể kết nối nối tiếp với nhau để cùng đưa về một hệ thống.

Hơn nữa tín hiệu Modbus sẽ kết nối được rất nhiều các cảm biến lại với nhau giúp tiết kiệm phần lớn dây dẫn tín hiệu cảm biến về bộ điều khiển. Không những tiết kiệm mà về mặt thẩm mỹ chúng cũng đệp hơn khá nhiểu.

Các bạn thử tưởng tượng nhà máy có 60 con cảm biến nhiệt độ nối về tủ điện thì it nhất cần tới 120 dây tín hiệu. Nhưng nếu như dùng tín hiệu Modbus thì chúng giảm xuống chỉ còn 1 dây. Vừa tiết kiệm vừa gòn gàng cho tủ điện.

Giám sát mực nước, chất lỏng

Ngoài ra thì các thiết bị đo mức chất lỏng ngày nay cũng được tích hợp tín hiệu Modbus. Như cảm biến Siêu âm, cảm biến laser, cảm biến thuỹ tĩnh, cảm biến chênh áp, đồng hồ lưu lượng,… chúng đều có ngõ ra Modbus.

Với nhiều bồn hay nhiều bể khác nhau cần giám sát cùng một lúc thì tín hiệu Modbus sẽ như một huyết mạch lưu thông tín hiệu. Bỏi gì chúng sẽ gộp tất cả các tín hiệu này trên một dây dẫn và nối về bộ điều khiển.

Kết luận

Trên đây là tất cả các nội dung liên quan đến tín hiệu Modbus là gì ? Truyền thông Modbus là gì? Cũng như vai trò của chúng trong việc truyền thông tín hiệu công nghiệp. Nói tóm lại khi sử Modbus các bạn sẽ nhận được những điều như sau:

• Gộp được nhiều tín hiệu lại với nhau (tiết kiệm dây dẫn)
• Độ chống nhiễu cao, chính xác cao
• Dễ dạng sử dụng và bảo trì
• Giám sát dược nhiều thiết bị cùng lúc

Đó là những lợi ích khi ccas bạn sử dụng Modbus. Nếu như các bạn còn thắc hay góp ý điều gì hay để lại ý kiến dưới phần bình luận bên dưới bài viết.

Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết Modbus là gì? của Trọng. Chúc các bạn thành công.

Bài Viết Tham Khảo: Modbus RTU là gì ?

Gateway Modbus là gì ?

Liên Hệ

Kỹ sư cơ điện tử – Mr. Trọng

Zalo/mobie: 0975 116 320

Mail: trongle@huphaco.vn