Wireless-Modbus-Geräte kommunizieren über eine drahtlose Funkverbindung – unabhängig vom hauseigenen Wi-Fi und ohne die Modbus-Protokollstandards zu verlassen. Wegen des zuverlässigen und störungsresistenten Funknetzes ist es möglich, ganze Gebäude zu vernetzen. Durch die Mesh-Topologie können einem W-Modbus-Gateway bis zu 100 Geräte zugeordnet werden. Die Signale werden zuverlässig und mit geringer Latenz übertragen. Innerhalb des drahtlosen Modbus / RTU-Netzwerks können kabelgebundene Produkte einfach durch drahtlose Geräte ersetzt werden.
Universelles Modbus-Protokoll als Basis
Das Modbus-Protokoll ist ein weit verbreitetes Kommunikationsprotokoll in der Automatisierung und Prozesssteuerung, das auf einer Client/Server-Architektur basiert. Statt aufwändiger, sternförmiger Verdrahtung, ermöglicht das Modbus-Protokoll eine einfachere und ressourcenschonendere Installation. Es existiert seit 1979 und gilt als De-facto-Standard, da es sich um ein offenes Protokoll handelt. Es unterstützt den Austausch von Daten zwischen elektronischen Geräten und Systemen. Seit 2007 ist die Version Modbus / TCP Teil der Norm IEC 61158.
Die Datenübertragung bei Modbus ist grundsätzlich über den seriellen Weg oder über das Internet Protokoll (IP) möglich. Die Übertragungsweise über die seriellen Standards RS 232 und RS 485 wird Modbus Remote Terminal Unit (RTU) genannt.
Mittels Modbus können ein Client, z. B. ein PC, und mehrere Server, z. B. Mess- und Regelsysteme, miteinander verbunden werden. Es gibt zwei Versionen, nämlich eine für die serielle Schnittstelle (EIA-232 und EIA-485) und eine für Ethernet. Bei der Datenübertragung werden die drei Betriebsarten Modbus / RTU, Modbus / ASCII und Modbus / TCP verwendet.
Jeder Busteilnehmer muss eine eindeutige Adresse besitzen. Die Adresse 0 ist dabei für einen Broadcast reserviert. Jeder Teilnehmer darf Nachrichten über den Bus senden. In der Regel wird dies jedoch durch den Client initiiert und ein adressierter Server antwortet.
Modbus / RTU (RTU: Remote Terminal Unit, Fernbedienungsterminal) überträgt die Daten in binärer Form. Dies sorgt für einen guten Datendurchsatz, allerdings können die Daten nicht direkt ausgewertet, sondern müssen zuvor in ein lesbares Format gebracht werden.
Im Gegensatz zu Modbus / RTU kann es in einem Modbus / TCP-Netzwerk mehrere Clients (Master) geben und ein Server (Slave) kann auch mehrere Clients bedienen (Die Anzahl der Verbindungen ist individuell nach Gerät). Die Adressierung erfolgt über die IP-Adresse.
W-Modbus ist eine funkbasierte Weiterentwicklung des Modbus-Standards. Innerhalb des drahtlosen Modbus / RTU-Netzwerks können kabelgebundene Produkte einfach durch drahtlose Geräte ausgetauscht werden. Das standardisierte Modbus-Protokoll bleibt erhalten, die Signale werden mit geringer Latenz übertragen.
Bild: S+S
W-Modbus: Intelligente Gebäudeautomation einfacher aufbauen
W-Modbus erleichtert den Aufbau einer intelligenten Gebäudeautomation durch zuverlässige drahtlose Verbindungen. Damit wird das Verlegen von z. B. RTU-Steuerkabeln vermieden. Das Wireless-Modbus-Mesh besteht aus bis zu 100 Geräten. Jedes einzelne davon arbeitet als Repeater und ermöglicht so hohe Reichweiten innerhalb des Gebäudes. Selbst kritische Elemente können überwunden werden. Dabei ist das Netz selbstoptimierend, d. h. es findet immer den besten Weg, um Daten zwischen den Geräten zu übertragen.
Die Kommunikation im Netzwerk ist mit 128 bit (AES) verschlüsselt und kann von unbefugten Personen weder gelesen noch beeinflusst werden. Das W-Modbus-Protokoll basiert auf dem 2,4 GHz ISM-Funkband und nutzt ein spezielles Frequenzhopping, um eine hohe Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Störungen zu erzielen.
Durch die Installation eines W-Modbus-Gateways ist die Kombination eines drahtlosen Netzwerks mit einem bestehenden drahtgebundenen Netz möglich. Auf diese Weise lässt sich schnell und einfach ein neues und zukunftssicheres Netzwerk aufbauen, das mehr Flexibilität und deutliche Kosteneinsparungen bei Installation und Betrieb eröffnen soll.
Einfach überwachen und analysieren lässt sich das Netzwerk z. B. über die W-Modbus-App. Zur besseren Auswertung der Netzwerkaktivitäten ermöglicht sie den Export des Schaltplans als PDF. Demnächst soll es auch möglich sein, alle Sensorwerte auszulesen. Außerdem lässt sich das W-Modbus-Gateway mit einem Knopfdruck in den "App-Modus" versetzen. Die Konfiguration des Geräts ist dann ausschließlich autorisierten Personen möglich.
Dies sind die wesentlichen Merkmale von W-Modbus:
So ist ein W-Modbus-Netzwerk aufgebaut
Ein W-Modbus-Netzwerk besteht aus einem W-Modbus-Gateway, das über ein RS 485-Kabel mit dem Modbus-Client und drahtlos mit bis zu 100 W-Modbus-Geräten verbunden ist. Mithilfe der drahtlosen Verbindung können einzelne Elemente innerhalb weniger Minuten einfach ausgetauscht, hinzugefügt oder entfernt werden. Dies macht Wireless Modbus zu einem kosten- und zeitsparenden Kommunikationsprotokoll.
Bestehendes Netzwerk mit W-Modbus kombinierbar
Die Umstellung von kabelgebundenen Verbindungen auf drahtlose Kommunikation eröffnet Vorteile. Es ist möglich, bestehende Netze mit neuen, drahtlosen Netzen zu kombinieren, ohne die bestehende Infrastruktur zu beeinträchtigen. Auch ältere kabelgebundene Geräte wie Sensoren können in ein drahtloses Netzwerk integriert werden.
Dazu ist lediglich die Installation eines zusätzlichen W-Modbus-Gateways erforderlich, das die drahtgebundene Kommunikation per Funk an das drahtlose Netzwerk weiterleitet. Je nach Umgebungsbedingungen eignet sich das Basis-Gateway für den Anschluss eines Modbus-Sensors bzw. das Pro-Gateway für den Anschluss von bis zu 16 Sensoren.
Auf diese Weise lässt sich schnell und einfach ein neues zukunftssicheres Netzwerk aufbauen, das mehr Flexibilität und Kosteneinsparungen bei Installation und Betrieb ermöglicht. Manuell konfiguriert wird nur die Slave-Adresse, die Übertragungsparameter (Baudrate und Parity) stellen sich automatisch ein. Ein Abschlusswiderstand ist nicht notwendig. Anschließend wird der Sensor an ein Gateway gekoppelt. Ein W-Modbus-Gateway dient als Übergang zwischen einem kabelgebundenen Modbus-Netz und funkbasierten W-Modbus-Geräten.
Auch Mischformen von verdrahteten und funkbasierten Modbus-Geräten können über das W-Modbus-Gateway in bestehende Netztopologien eingebunden werden.
Störungen im Netzwerk einfach beseitigen
Wegen der drahtlosen Verbindungen ist eine eventuelle Fehlersuche einfach möglich. Anstatt wie bisher nach fehlerhaften Kabeln und Geräten im System zu suchen, beschränkt sich die Fehleranalyse lediglich auf die Überprüfung der Geräte. Besonders nutzerfreundlich sind hierbei Gerätevarianten mit Display, denn im Störungsfall (z. B. Kommunikation unterbrochen) zeigt das Display eine Klartext-Diagnosenachricht. So kann der aktuelle Status des Gerätes unmittelbar in Erfahrung gebracht werden.
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Verschlüssele Kommunikation, kabelgebundene Stromversorgung
Die gesamte Kommunikation im W-Modbus-Netzwerk ist mit AES 128 verschlüsselt. Um ein Wireless Modbus-Gerät in Betrieb zu nehmen, muss es an eine Stromversorgung angeschlossen werden. Ein Batteriebetrieb ist nicht vorgesehen, da die Geräte zuverlässig und dauerhaft mit Strom versorgt werden müssen, um einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten.
Wirtschaftliche Integration von W-Modbus
W-Modbus-Geräte von S+S Regeltechnik haben einen Aufpreis von lediglich etwa 40 Euro für das W-Modbus-Modul. Außerdem muss die Installation nicht unbedingt von Fachpersonal durchgeführt werden, da nur die Stromversorgung sichergestellt werden muss. Die Konfiguration erfolgt dann über die drahtlose Verbindung des W-Modbus.
Bei S+S liegen mittlerweile nahezu alle Modbus-Geräte als Wireless Modbus-Version vor. Die Messgeräte liefern zuverlässige und genaue Messdaten für eine präzise Steuerung und Optimierung. Die W-Modbus-Produkte des Herstellers sind mit Produkten anderer Unternehmen kompatibel. Bestehende Netze können somit problemlos erweitert oder Geräte ersetzt werden.
Welche W-Modbus-Geräte gibt es?
Im Programm von S+S gibt es für den W-Modbus-Betrieb diverse Temperatur-, Druck- und Feuchtesensoren sowie Gateways. Luftgütesensoren und Strömungswächter folgen zeitnah.
Im Gateway-Betrieb ist der Anschluss an eine bestehende Modbus-Topologie oder direkt an eine DDC möglich. Damit dient das Gateway als Basisstation für bis zu 100 W-Modbus-Sensoren. Der Node-Betrieb ermöglicht die funkbasierte Anbindung eines einzigen kabelgebundenen Modbus-Sensors an ein W-Modbus-Netzwerk, während im Node Pro-Betrieb (erweiterter Node-Betrieb) bis zu 16 kabelgebundene Teilnehmer in das Netzwerk aufgenommen werden können.
Bild: S+S / Schulze
