Standard RS-485 (EIA-485)
Jednym z najczęściej stosowanych obecnie standardów przesyłu danych pomiędzy urządzeniami jest RS-485 (EIA-485), dlatego też większość informacji zamieszczonych w niniejszym dziale będzie dotyczyć tego typu połączenia.
RS-485 jest wyjątkowo popularnym standardem wykorzystywanym w każdym dziale automatyki, szczególnie często wykorzystywany w wielopunktowych liniach transmisyjnych. Stanowi on warstwę fizyczna dla takich popularnych protokołów transmisji jak: Modbus czy Profibus.
Standard ten stał się następca standardu RS-232 który posiadał wiele wad, takich jak, wolny transfer danych, mała odporność na zakłócenia i przede wszystkim komunikacja jedynie pomiędzy dwoma urządzeniami.
Kolejną zaletą standardu RS-485 jest długość przewodu stosowanego do transmisji danych, który może osiągać nawet 1200 metrów.
Rozróżniamy dwa rodzaje topologii sieci RS-485. Jest to sieć typu Full-Duplex (wykorzystująca dwie pary przewodów do transmisji danych), oraz najczęściej stosowana sieć typu Half-Duplex (wykorzystująca jedną parę przewodów).
Standard RS-485 „Half-Duplex” sugeruje łączenie wszystkich urządzeń w topologię magistrali (szyny).
Mimo iż maksymalna długość kabla wynosi 1200 metrów, należy pamiętać, że szybkość transmisji jest silnie uzależniona m.in. od długości magistrali.
Dlatego ważny jest dobór odpowiedniej prędkości względem długości magistrali. Poniżej przedstawiamy wykres który przedstawia kompromis pomiędzy szybkością transferu danych, a długością okablowania:
Ponadto wydajność systemu będzie się zmieniać w zależności od: typu kabla, topologii sieci, szumu elektrycznego w otoczeniu, oraz wydajności prądowej nadajników i obciążenia linii.
Przy korzystaniu z interfejsu RS-485 należy pamiętać o kilku podstawowych zasadach które pomogą nam uniknąć błędów przy montażu, co mogłoby skutkować nieprawidłową pracą urządzeń:
- należy pamiętać o poprawnym łączeniu zacisków we wszystkich urządzeniach posiadających interfejsy RS-485 (A+ do A+ i B+ do B+)
- przewody zasilające powinny być możliwie najkrótsze i dobrej jakości
- zasilanie interfejsu doprowadzić ze źródła napięcia z małym współczynnikiem tętnień
- unikać przecinania się przewodów sygnałowych, lub przecinać wiązki pod katem 90 stopni
- zawsze stosować topologie magistrali, unikać stosowania topologii gwiazdy
- jako przewód transmisyjny polecamy stosować jednoparową skrętkę (UTP) lub popularną skrętkę wieloparową, lecz wykorzystując jedną tylko parę przewodów
- ze względu na efekty falowe przy dużych odległościach, zaleca się stosowanie rezystorów terminujących (terminatorów) na końcach linii o wartości Rt = 120 Ω. Przy silnych zakłóceniach można zastosować układ dwóch rezystorów z kondensatorem (filtr dolnoprzepustowy)
- należy pamiętać o wyborze rodzaju okablowania odpowiadającego danym warunkom:
- przy występowaniu dużego poziomu zakłóceń elektromagnetycznych stosować kable ekranowane: F/FTP, S/FTP, SF/UTP, SF/FTP
- w warunkach dużego nasłonecznienia stosować okablowanie z izolacją polietylenową (PE) odporną na promieniowanie UV
- kable narażone na dużą wilgoć powinny być z żelem ochronnym, ma to na celu zabezpieczenie przed wnikaniem wilgoci, w przypadku uszkodzeniu powłoki zewnętrznej
- w przypadku wymogów zastosowania kabli uniepalnionych, bezhalogenowych, stosujemy przewody typu: LSZH (Low Smoke Zero Halogen), LSHF (Low Smoke Halogen Free), itp.
Generalnie zaleca się stosowanie ekranowanych kabli transmisyjnych, ponieważ należy pamiętać o tym że zakłócenia, oraz uszkodzenia urządzeń mogą powstać w wyniku wyładowań atmosferycznych. Duże znaczenie ma to zwłaszcza przy długich odcinkach kabli.
Bardzo często popełnianym błędem jest łączenie ze sobą dwóch, lub większej ilości par przewodów, w celu zwiększenia przekroju kabla. Jednak połączenie w ten sposób par przewodów nie zapewnia nam prawidłowej symetrii sygnału, co może skutkować zakłóceniami w transmisji danych. Szczególnie narażone są długie odcinki przewodów. W przypadku stosowania popularnego przewodu wieloparowego, należy wykorzystać tylko jedną parę przewodów:
Protokół Modbus
Modbus RTU (Remote Terminal Unit) to jeden z trybów transmisji danych w protokole Modbus, który jest szeroko stosowany w automatyce przemysłowej. Modbus RTU wykorzystuje transmisję szeregową do komunikacji między urządzeniami takimi jak: inwertery, sterowniki PLC, czujniki, mierniki, itp.
Podstawowe cechy protokołu Modbus:
Architektura Master-Slave: Protokół Modbus działa w architekturze typu Master-Slave, gdzie urządzenie nadrzędne (Master) komunikuje się z jednym lub kilkoma urządzeniami typu Slave.
Format Ramki: Protokół definiuje strukturę wiadomości (ramki) w celu wymiany danych między urządzeniami. Wiadomości zawierają adres urządzenia, kod funkcji, dane, oraz sumę kontrolną (CRC).
Tryby Komunikacji:
Modbus RTU (Remote Terminal Unit): Używa transmisji szeregowej (RS-485 lub RS-232). Wiadomości są przesyłane w formacie binarnym.
Modbus ASCII: Również używa transmisji szeregowej, lecz wiadomości są kodowane w formacie ASCII.
Modbus TCP/IP: Używa sieci Ethernet do komunikacji, wiadomości są przesyłane w formacie binarnym poprzez protokół TCP/IP.
Zastosowania protokołu Modbus:
Automatyka przemysłowa: Do komunikacji między: inwerterami, analizatorami, sterownikami PLC, czujnikami i innymi urządzeniami.
Zarządzanie energią: Monitorowanie i kontrola systemów zarządzania energią.
Zdalny monitoring i kontrola: Wykorzystywany w systemach SCADA do zdalnego monitorowania i kontrolowania procesów przemysłowych.
Modbus jest ceniony za swoją prostotę i niezawodność, co czyni go idealnym rozwiązaniem w wielu aplikacjach przemysłowych.
Protokół SunSpec Modbus
Modbus SunSpec to specjalna implementacja protokołu Modbus stworzona przez SunSpec Alliance w celu standaryzacji komunikacji w systemach energii odnawialnej, w szczególności w systemach fotowoltaicznych (PV). Celem jest ułatwienie interoperacyjności między różnymi urządzeniami i systemami od różnych producentów.
Podstawowe informacje o Modbus SunSpec:
Interoperacyjność:
Modbus SunSpec definiuje zestaw standardowych modeli danych, które pozwalają różnym urządzeniom w systemie PV (takim jak falowniki, liczniki energii, systemy magazynowania energii) na komunikację w spójny sposób. Dzięki temu producenci mogą tworzyć urządzenia, które łatwo integrują się z innymi komponentami systemu, niezależnie od producenta.
Modele Danych:
SunSpec definiuje modele danych, które opisują różne typy urządzeń i ich właściwości. Każdy model zawiera określone rejestry Modbus, które przechowują dane dotyczące danego urządzenia.
Na przykład, model dla falownika PV może zawierać rejestry dla napięcia, prądu, mocy wyjściowej, stanu pracy, błędów itp.
Format Komunikacji:
Modbus SunSpec korzysta z protokołu Modbus RTU lub Modbus TCP/IP do przesyłania danych. Dane są organizowane w standardowe struktury (modele danych SunSpec), co umożliwia łatwe odczytywanie i interpretację przez różne urządzenia i systemy.
Zastosowania:
- Monitorowanie systemów PV: Modbus SunSpec umożliwia zdalne monitorowanie i zarządzanie systemami PV, co pozwala na lepszą kontrolę wydajności i szybkie reagowanie na problemy.
- Integracja z systemami zarządzania energią: Standaryzacja komunikacji umożliwia łatwiejszą integrację systemów PV z systemami zarządzania energią (EMS) i systemami SCADA.
- Raportowanie i analizy: Dzięki jednolitym danym, operatorzy mogą łatwo generować raporty i analizy dotyczące wydajności systemu PV.
Przykłady implementacji:
Falowniki, liczniki energii, kontrolery ładowania, systemy magazynowania energii i inne urządzenia w systemach PV mogą korzystać z Modbus SunSpec do komunikacji i wymiany danych.
Korzyści z Modbus SunSpec:
Standaryzacja: Ułatwia interoperacyjność między urządzeniami od różnych producentów.
Skalowalność: Możliwość łatwej rozbudowy systemów o nowe komponenty.
Przejrzystość: Ujednolicona struktura danych ułatwia analizę i monitorowanie systemów.
Niezawodność: Korzystanie z uznanego protokołu Modbus zwiększa niezawodność komunikacji.
Modbus SunSpec jest kluczowym elementem w nowoczesnych systemach energii odnawialnej, wspierając rozwój inteligentnych sieci energetycznych i poprawiając efektywność zarządzania zasobami energetycznymi.