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Scopri la differenza tra modbus e profibus

I cavi bus ottimizzano la trasmissione dei segnali nei moderni sistemi di automazione industriale. Scopri quali sono e come scegliere quelli più adatti per la tua azienda.

modbus vs profibus

Differenza tra Modbus e Profibus

I moderni sistemi di automazione industriale necessitano di trasmettere una sempre maggior quantità di segnali e di dati nel minor tempo possibile. A tal scopo i cavi bus si sono evoluti per consentire una velocità di trasmissione adeguata. Vediamo più nel dettaglio le loro caratteristiche.

Facciamo una piccola premessa

Nell'industria, la trasmissione convenzionale dei segnali tra sensori/attuatori in campo e i moduli di acquisizione del sistema di controllo è realizzata tramite collegamenti punto a punto paralleli con cavi con conduttori in rame. I segnali vengono di norma trasmessi in modalità analogica con un livello di 4 ... 20mA, 0-10V oppure con modalità ON-OFF.

I moderni sistemi di automazione industriale, resi sempre più efficaci e precisi da numerosi sensori e attuatori intelligenti, non hanno solo bisogno di trasmettere dati, ma anche una serie di informazioni per il controllo e la supervisione della macchina stessa.

Questa trasmissione è caratterizzata dall'invio ciclico dei dati di processo oltre che dall'inoltro aciclico di allarmi/interrupt, parametri e dati diagnostici.

Tali informazioni devono essere disponibili in tempi brevissimi e in grado di viaggiare in entrambe le direzioni.

Risulta evidente che la tecnologia analogica tradizionale è insufficiente, tanto più che già con sistemi di medie dimensioni il problema del cablaggio rappresenta uno scoglio non indifferente, che ne fa lievitare i costi.

I sistemi di bus di campo

Un’alternativa più efficace è costituita dai sistemi di bus di campo che consentono la comunicazione digitale tra il controllore del sistema e le apparecchiature nel campo tramite un unico cavo bus di tipo seriale.

Esistono molteplici modi per collegare i vari nodi della rete e, a seconda dell'applicazione, è consigliabile scegliere una tipologia piuttosto che un'altra: le più comuni sono quelle ad anello, a Stella, a bus o un misto delle tre.

Mentre una comunicazione punto a punto è limitata a due dispositivi collegati ai due estremi del cavo, nel caso di un bus la flessibilità di estensione viene aumentata.

Tuttavia, va detto che a livello di comunicazione, il modo di scambiare dati attraverso un bus di campo prevede regole più severe, ad esempio: bisogna prevedere l'accesso contemporaneo al mezzo di trasmissione da parte di più elementi e regolamentare il tutto in modo rigoroso, affinché la trasmissione dei dati sia rapida ed affidabile.

Tali regole vengono comunemente chiamate protocollo.

Il protocollo

Spesso vanno previsti più meccanismi che agiscono contemporaneamente, specialmente negli ambienti più critici, tale aspetto diventa un fattore discriminante nella scelta del protocollo da utilizzare.

Brevemente, i vantaggi introdotti dall'uso del bus di campo possono essere riassunti in:

  • Riduzione dei cavi e relativo costo;
  • Comunicazione bidirezionale;
  • Più facile messa in servizio;
  • Possibilità di collegamento di prodotti di diversi costruttori;
  • Distanze coperte dal bus superiori a quelle raggiunte mediante cablaggio tradizionale;
  • Riduzione dei costi di engineering;
  • Informazioni diagnostiche complete.

Cavo Modbus

Sezione di un cavo modbus

Sezione di un cavo modbus

Modbus è un protocollo aperto progettato da Modicon, ora Schneider Electric; forse il protocollo di comunicazione industriale più antico e popolare introdotto sul finire degli anni '70, come mezzo di comunicazione tra i PLC.

Modbus può essere utilizzato su RS232, RS422 e RS485.

Il limite massimo per RS232 e RS422 è la comunicazione punto a punto: 1 master, solitamente un PLC/DCS e 1 slave, periferica/sensore o attuatore, che rispondono alle interrogazioni del master.

Il limite massimo per modbus RS485 è un master e 31 slave che può essere ampliato con incrementi di 32 nodi mediante l'inserimento di ripetitori fino al limite massimo di 249 slave.

Come mezzo trasmissivo si utilizza una coppia/ due coppie, di conduttori attorcigliati e schermati, a seconda se la modalità di comunicazione è Half-Duplex o Full-Duplex. Si tratta quindi di una modalità di trasmissione molto economica e adatta a operare anche in ambienti gravosi.

La trasmissione del segnale avviene in maniera differenziale, con segnali a 5V.

Il bus presenta all’inizio ed alla fine di ogni segmento da terminazioni attive, con valore tipico di 120 Ohm. A questo bisogna abbinare la scelta di un cavo con impedenza caratteristica di pari valore.

Per quanto riguarda la connessione, solitamente si utilizzano i morsetti dei dispositivi sul campo, che normalmente presentano al loro interno, la possibilità di attivare o disattivare la terminazione di linea, oppure la scelta ricade sui connettori D-SUB 9 Poli.

Come “comunica” un cavo Modbus

Il protocollo Modbus consente inoltre di scegliere tra due “modi” di comunicazione, ASCII e RTU (Remote Terminal Unit). Modbus RTU è l'implementazione più comune, che utilizza la codifica binaria e il controllo degli errori CRC. Modbus ASCII, invece, risulta “più leggibile” perché utilizza caratteri ASCII, ma meno efficiente a causa del controllo errori LRC, che è sicuramente meno efficace. Inoltre, i messaggi Modbus ASCII richiedono il doppio dei byte per trasmettere lo stesso contenuto di un messaggio Modbus RTU.

Per poter comunicare tra due dispositivi, il messaggio lascia lo slave (Trasmettitore) attraverso una “porta” ed è “trasportato” lungo la tratta di cavo fino ad una analoga “porta” posta sul Master (Ricevitore). Modbus stabilisce il formato di questo messaggio.

Caratterizzato da:

  • L’indirizzo dello slave con cui il master ha stabilito la connessione;
  • Il codice della funzione a registri che deve essere eseguita;
  • I dati di processo;
  • Il controllo d’errore secondo l’algoritmo CRC16.

Se uno slave individua un errore nel messaggio, lo stesso viene considerato non valido e scartato. Va da sé che uno slave che rileva un errore nel messaggio non eseguirà l’azione e non risponderà all’interrogazione del master, come se l’indirizzo non corrispondesse ad uno slave in linea.

Grazie alla sua semplicità, il cavo Modbus può funzionare su "Ethernet" incapsulando il “messaggio” in un pacchetto TCP. Utilizzando un cavo Modbus Ethernet, possiamo avere una topologia multi-master che dà ulteriore vantaggio. Modbus può anche utilizzare altri livelli fisici come per esempio il wireless.

Il cavo Profibus

Sezione di un cavo profibus

Sezione di un cavo profibus

Tra gli antagonisti del cavo Modbus, c’è sicuramente il cavo Profibus.

PROcess FIeld BUS è stato promosso sul finire degli anni 90, da BMBF (Dipartimento tedesco di istruzione e ricerca) ed è conforme agli standard internazionali EN 50170 e EN50254.

Fortemente promosso da Siemens, al momento lo sviluppo e l’amministrazione è affidata al consorzio PI (Profibus International), composto da membri provenienti dal settore costruttivo, da istituti di ricerca e dall’utenza finale.

Può funzionare con più dispositivi Master per rete, utilizzando una procedura basata su token passing. Garantisce che il permesso d’accesso al bus, concesso al master che possiede il token, sia definito per un intervallo di tempo preciso e costante. Il token viene passato da un master all’altro secondo un ordine prefissato (anello logico).

La procedura master/slave consente alla stazione attiva, che in un preciso momento possiede il token, di accedere alle stazioni passive a lui assegnate.

Per quanto riguarda la comunicazione, il Profibus sfrutta il modello standard dei telegrammi mittente-destinatario. Una prima differenza rispetto al Modbus scaturisce dalla possibilità di utilizzare differenti topologie di rete: Linea, anello e stella.

Il sistema di comunicazione è esclusivamente su RS485, supportando fino a 32 nodi ed è ampliabile fino a 124 con l’uso di ripetitori. Il mezzo fisico trasmissivo è un cavo con due conduttori intrecciati e schermati. Le linee guida rilasciate dal consorzio PI, identificano i cavi con il colore rosso e verde, oltre che indicare come valore di terminazione del segmento i caratteristici 150 Ohm nominali.

Innovativa rispetto al Modbus, è la possibilità di utilizzare come mezzo di trasmissione il cavo in fibra ottica. Utile in ambienti ad alta interferenza elettromagnetica oppure per aumentare la distanza massima raggiungibile o la velocità massima impiegabile. È anche più compatto e leggero rispetto ad un cavo con conduttori in rame.

Diversi tipi di Profibus

Molti costruttori realizzano connettori speciali in grado di convertire la fibra ottica in RS485 e viceversa, semplificando l’impiego di questa tecnologia.

Come nel caso del cavo Modbus, anche il Profibus ha diverse “declinazioni”.

Nello specifico 3:

1. Profibus FMS (Fieldbus Messaging System) 

È ottimizzato per la comunicazione ad oggetti, per lo scambio dati tra dispositivi master intelligenti (tra le CPU di PLC, PC, ecc.) Le connessioni di comunicazione possono essere temporanee o permanenti e definite in un elenco di relazioni di comunicazione.

2. Profibus DP (Decentralized Perifery)

Progettato per efficienti scambi di dati a livello campo, economici e dalle alte prestazioni. Questa versione Profibus, che è la più utilizzata, è rivolta soprattutto alla comunicazione tra sistemi di controllo e dispositivi distribuiti di I/O.

Utilizza lo scambio ciclico per i valori di processo. Sono presenti anche servizi aciclici quali monitoraggi, gestione allarmi, ecc.

3. Profibus PA (Process Automation)

Progettato principalmente per l’automazione di processo, permette di collegare sensori ed attuatori in aree a sicurezza intrinseca. Con il protocollo PA è possibile trasmettere dati e alimentazione su un solo cavo a due conduttori in accordo con lo standard internazionale IEC 61158-2, che consente ai dispositivi di essere alimentati direttamente sul bus.

Adesso conosci la differenza tra Modbus e Profibus.

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