Modbus RTU (RS232 – RS485) là gì ? | Truyền thông Modbus RTU bằng cách nào ?

Modbus RTU là gì? Truyền thông Modbus RTU là gì? Trong truyền thông công nghiệp có rất nhiều các dạng tín hiệu khác nhau cả không dây lẫn có dây. Mỗi một phương thức truyền thông đều tồn tại những điểm mạnh và điểm yếu khác nhau. Việc kết nối các tím hiệu này lại tạo thành mộ hệ thống Scada không phải đơn giản. Việc lựa chọn chính xác các dạng tín hiệu và kết nối chúng với nhau là những điều mà truyền thông công nghiệp hiệu nay đang hướng đến.

Trong các hệ thống truyền thông công nghiệp thì tín hiệu Modbus là một trong những phương thức truyền thông phổ biến bậc nhất. Trong đó loại Modbus RTU là phổ biến bậc nhất. Chúng đáp ứng được về cả tốc độ, độ chính xác cũng như khả năng truyền tải tín hiệu đi xa mà không bị nhiễu.

 Vậy điều gì giúp Modbus RTU xầm chiếm thị trường truyền thông công nghiệp? Modbus RTU là gì? chúng hoạt động như thế nào? Cùng mình đi tìm hiểu nhé

Modbus RTU là gì ?

Giao thức Modbus được chia thành nhiều loại như Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP/IP. Mỗi loại sẽ thích hợp cho từng ứng dụng riêng. Điểm chung của các giao thức này đều dựa trên nguyên tắc Master – Slave, khi thiết bị Master gửi yêu cầu tới thiết bị Slave thì thiết bị đó mới phản hồi. Tất cả các thiết bị sẽ được kết nối chung với nhau trên một đường truyền.

Modbus RTU là một dạng phương thức truyền thông nối tiếp. Nói dễ hiểu đó là các thiết bị có cùng đầu ra Modbus RTU thì đều có thể mắc nối tiếp lại với nhau tao thành một chuỗi thiết bị.

Modbus RTU hoạt động giao thức mở sử dụng đường truyền vật lý bằng RS232 hoặc RS485 (phổ biến vẫn là RS485) và giao tiếp giữa chúng tuân thủ theo nguyên tắc Master và Slave (hay còn gọi là mối quan hệ Chủ – Tớ).

Chúng được sử dụng rộng rãi trong truyền thông công nghiệp tự động hoá, IOT là bởi vì chúng rất dễ dàng sử dụng, tín hiệu tương đối ổn định và kết nối được nhiều thiết bị khác nhau trên cùng một hệ thống.

Vậy Master là gì? Slave là gì?

Master là gì ?

Master (Hay còn gọi là chủ): Nghe đến từ chủ là các bạn cũng có thể hình dung phần nào về tính chất của Master trong Modbus RTU. Master sẽ đóng vai trò thu nạp các dữ liệu đến từ Slave thông qua các cổng RS485 hoặc RS232.

Mỗi một Maste sẽ quản lý và thu thập dữ liệu cảu nhiều Slave khác nhau. Điều này giúp Modbus tao lên một chuỗi thiết bị. Các Master thông thường sẽ là các bộ điều khiển PLC, HMI, Module mở rộng, …

Slave là gì ?

Trái lại với Master thì Slave là những thiết bị truyền dữ liệu thông tin cho Master. Các Slave thông thường chúng là các loại cảm biến, màn hình hiển thị, cơ cấu chấp hành, …

Slave sẽ chỉ truyền dữ liệu đi khi được Master gọi. Nếu không gọi thì chúng sẽ giữ nguyên giá trị ban đầu.

Modbus RTU hoạt động như thế nào?

Modbus RTU hoạt động bằng cách truyền truyền tín hiệu điện dưới dạng mã nhị phân giữa Master và Slave với nhau. Đoạn mã này sẽ đường truyền qua hai phương thức truyền đó là:

• Modbus RTU RS485
• Modbus RTU RS232

Trong đó loại RS485 là phơng thức được dùng nhiều nhất.

Modbus RS232 là gì ?

Trong quá khứ, nó là hình thức truyền dữ liệu được sử dụng nhiều nhất. Bạn có thể sẽ nhận ra cáp DB9 9 chân tiêu chuẩn hay còn gọi là cổng COM. Nói một cách đơn giản, RS232 truyền tín hiệu bằng điện áp dương cho nhị phân 0 và điện áp âm cho nhị phân 1.

RS232 được sử dụng để kết nối máy tính và các thiết bị ngoại vi để cho phép trao đổi dữ liệu nối tiếp giữa chúng. Như EIA định nghĩa, RS232 được sử dụng để kết nối Thiết bị truyền dữ liệu DTE và DCE.

Trong viễn thông, quá trình gửi dữ liệu tuần tự qua một bus máy tính được gọi là giao tiếp nối tiếp, có nghĩa là dữ liệu sẽ được truyền từng bit một.

Trong khi giao tiếp song song, dữ liệu được truyền theo byte (8 bit) hoặc ký tự hoặc bus tại một thời điểm. Giao tiếp nối tiếp chậm hơn so với giao tiếp song song nhưng được sử dụng để truyền dữ liệu dài do chi phí thấp hơn.

Modbus RS485 là gì ?

Có thể nói RS485 là một phiên bản nâng cấp của RS232.Giao thức RS485 truyền tải dữ liệu theo kiểu truyền tải cân bằng, Hệ thống truyền tải dữ liệu cân bằng bao gồm có 2 dây tín hiệu A, B và không có dây mass.

Sở dĩ được gọi là truyền tải cân bằng do tín hiệu trên dây A ngược với tín hiệu trên dây B. Tức là nếu dây A đang phát mức cao thì dây B phải đang phát mức thấp và ngược lại.

Cáp RS485 được cấu tạo rất đơn giản, chỉ từ các sợi dây được xoắn lại với nhau theo từng cặp. Tuy nhiên, chính cấu tạo này lại sinh ra một nhược điểm nghiêm trọng, khi hiện tượng nhiễu xuất hiện ở 1 cặp dây thì ngay lập tức cặp dây khác cũng sẽ bị.

Điều này dẫn đến điện áp hoạt động giữa 2 dây sẽ không có quá nhiều sự chênh lệch, bộ phận thu của RS485 vẫn có thể nhận được tín hiệu vì bộ thu đã loại bỏ hết được hiện tượng nhiễu.

Sự khác biệt giữa RS485 và RS232

Sự khác biệt giữa RS485 và RS232 thể hiện ở 4 điểm chính nhưu sau:

1. Số lượng nút điều khiển

• • RS485: Điều khiển và thu thập dữ liệu 32 thiết bị cùng lúc
  • RS232: Điều khiển 1 thiết bị và một bộ thu

2. Khoảng cách truyền tín hiệu

• • RS485: Khoảng cách giao tiếp tối đa đạt mức 1200m
  • RS232: Khoảng cách giao tiếp tối đa chỉ đạt mức 15m

Khoảng cách giao tiếp này phản ánh rằng RS232 không có khả năng chống nhiễu tại các đường truyền, tín hiệu thường xuyên bị nhiễu nên làm giới hạn khoảng cách liên lạc, giảm tốc độ liên lạc xuống rất nhiều. Chính vì vậy mà RS485 là chuẩn giao tiếp rất phù hợp để bạn vận hành được những thiết bị ở khoảng cách xa.

3. Tốc độ truyền tín hiệu

• • RS485: Tốc độ truyền đạt 10MBit/s. Tốc độ đạt đến đây là do cáp RS485 được xoắn vào để tăng khả năng chống nhiễu, cho phép từ trường đi qua và không làm gián đoạn giao tiếp, nên RS485 giao tiếp với tốc độ nhanh hơn.
  • RS232: Tốc độ truyền đạt 20KBit/s

4. Tốc độ xoay

• • RS485: Tốc độ xoay không được xác định để tránh sự phản xạ tín hiệu
  • RS232: Tốc độ xoay bị giới hạn là 30V, tốc độ xoay tối đa này bị giới hạn sẽ hạn chế tốc độ giao tiếp trên đường truyền của RS232.

Chuyển đổi các loại tín hiệu thành Modbus

Mặc dù tin hiệu tín hiệu modbus được sử dụng phổ biến nhiều là thế. Nhưng không hẳn thiết bị nào cũng có chuẩn kết nối Modbus. Các thiết bị có tín hiệu như RTD, Analog, mV, Xung…. Muốn kết nối tín hiệu với hệ thống modbus thì phải làm cách nào? Không lẽ phải mua thiết bị khác thay thế?

Để giải quyết được điều thì chỉ có thể dùng những module chuyển đổi tín hiệu. Sau đây là những bộ chuyên r đổi Modbus quen thuộc thường sài trong công nghiệp.

Chuyển đổi RS232 sang RS485

Nhưng mình đã đề cập ở phần bên trên sự khác nhau giữ RS232 và RS485 qua đó các bạn cũng có thể hình dung lợi ích của việc sử dụng tín hiệu RS485 vượt trội như thế nào. Nếu như các bạn đang dùng Slave có tín hiệu RS232 mà muốn Update lên RS485 thì đây là giải pháp cho các bạn.

Hãng Seneca có một bộ mang tên K107B. Bộ chuyển đổi này sẽ cho phép các bạn chuyển đổi qua lại giữa RS232 sang RS485 hoặcc ngược lại. Đây là bộ chuyển đổi mang tâm cách mạng cho công nghiệp bởi vì chúng sẽ biến đổi các thiết bị cũ đang dùng cổng RS232 thành cồng RS485 giúp tín hiệu và tốc độ truyền cũng nhanh hơn và xa hơn.

Chi tiết bộ chuyển đổi K107B

Chuyển đổi nhiệt độ thành Modbus RTU

Các bạn sẽ bắt gặp rất nhiều các thiết bị đo lường nhiệt độ ở trong nhà máy. Nhấy là những nhà máy cần giám sát nhiệt độ động cơ hay nhiệt đồ lò đốt thì chắc hẳn không thể nào thiếu được cảm biến đo nhiệt độ.

Cảm biến nhiệt độ trong công nghiệp hầu hết là những loại PT100 hoặc Can nhiệt (Thermocouple). Cả hai loại này đáp ứng đến 90% thiết bị đo nhiệt độ trong công nghiệp.

Dành cho bàn nào chưa biết thì cảm biến PT100 sẽ có tín hiệu đầu ra là RTD (tín hiệu điện trở) còn loại Thermocouple thì sẽ có tín hiệu dạng mV. Thường 2 tín hiệu này sẽ không thể nào truyền trực tiếp về về PLC mà chúng phải chuyển qua dạng Analog 4-20mA hoặc Modbus.

Nhưng nếu như có rất nhiều các điểm ở nhà cần giám sát nhiệt độ, đồng nghĩ với việc có rất nhiều tín hiệu RTD, mV nối với bộ điều khiển. Vậy bộ điều khiển phải PLC phải cần rất nhiều đầu vào mới có thể kết nối được hết.

Nhưng không đâu, sẽ không ai làm như vậy cả. Để giám sát được nhiều thiết bị nhiệt độ trên cùng một hệ thống thì người ra sẽ dùng một bộ chuyển đổi RTD, mV sang modbus RS485.

Bộ chuyên đổi này không những giúp cho tín hiệu ổn định, mà còn có thể truyền đi xa lên đến 1.200m mà không bị nhiễu.

Chuyển đổi tín hiệu analog (0-10V, 4-20mA) sang Modbus RTU

Trong tín hiệu truyền thông công nghiệp thì tín hiệu Analog cũng chiếm phần lớn. Hầu hết các thiết bị như cảm biến áp suất, cảm biến đo mức nước, các loại cảm biến đo chiều dài chũng hầu hết có tín hiệu dạng 4-20mA hoặc 0-10V.

Mắc dù tín hiệu analog dùng nhiều nhưng nhược điểm của chúng đó là tín hiệu giữa 4-20mA độc lâp với nhau, không thể nào kết nối chung. Tức là nếu như các bạn có 100 cảm biến đầu ra analog thì bộ điều khiển PLC cũng phải cần it nhất 100 đầu Input.

Để giảm thiểu chân Input của PLC thì thường chúng ta sẽ dùng mộ bộ chuyển đổi nhiều tín hiệu Analog sang Modbus như hình trên.

Chuyển đổi tín hiệu Dighital sang Modbus

Ngoài tín hiệu Analog ra thì dạng tín hiệu Digital cũng là một trong những tín hiệu phổ biến. Thông thường tín hiệu Digital sẽ có dạng như:

• Opto với Isolated REED
• Proximity
• PNP
• NPN
• Contact

Hầu hết chúng ta sẽ bắt gặp chúng ở trong những thiết bị cảm biến báo On/Off, Công tắc hành trình, Relay trung gian,… Các tín hiệu này cũng độc lập với nhau. Để kết nối chúng và truyền đi xa thì sẽ dùng những bộ chuyển đổi từ Digital sang Modbus.

Ưu nhược điểm của truyền thông Modbus RTU

Không phải dễ dàng gì mà tín Modbus lại được nhiều anh em kỹ thuật viên lựa chọn sử dụng cho các hệ thống của mình. Mọi thứ đều có lý do của nó hết.

Ưu điểm

Lợi ích mà bạn có thể dễ dàng thấy được khi sử dụng tín hiệu Modbus làm giao thức truyền thông như sau:

• Tín hiệu Modbus dễ dàng sử dụng
• Truyền tín hiệu đi xa 1.200m mà không bị nhiễu
• Kết nối được nhiều thiết bị khác nhau
• Giảm thiểu tối đa tín hiệu đầu vào cho PLC
• Tương thích với nhiều thiết bị khác nhau

Nhược điểm

Chúng có rất nhiều những ưu điểm khác nhau như song song với nó cũng có một số mặt hạn chế của Modbus.

• Yêu cầu kỹ thuật viên phải có kiến thức về truyền thông
• Các thiết bị Master như PLC yêu cầu phải có cầu hình cao mới đọc được Slave
• Càng nhiều thiết bị thì thời gian phản hồi tín hiệu càng lâu

Kết luận

Như vậy trong bài viết này Trọng đã chia sẻ; toàn bộ kiến thức về tín hiệu Modbus RTU là gì? Truyền thông Modbus RTU là gì? Cùng như cách hoạt độ của chúng như thế nào. Hi vọng bài viết của mình sẽ mang lại nhiều kiến thức mới mẻ đến với mọi người.

Cảm ơn các bạn đã theo dõ bài viết cảu Trọng. Chúc các bạn thành công.

Liên Hệ

Kỹ sư cơ điện tử – Mr. Trọng

Zalo/mobie: 0975 116 329

Mail: trongle@huphaco.vn