Truyền thông modbus là gì?

Truyền thông modbus là gì? Có bao nhiêu loại ModBUS? modbus rtu là gì? Còn modbus tcp là gì? modbus rtu khác modbus tcp ra sao? Cấu trúc gói tin dữ liệu modbus?
Trong bài viết hôm nay, hãy cùng mình tìm hiểu về những nội dung trên.
Giao thức truyền thông ModBUS  với những ưu điểm là khả năng tích hợp và mở rộng cao, tốc độ truyền ổn định và khoảng cách truyền đi rất xa (trung bình khoảng 1200 mét). Chính vì những ưu điểm này mà truyền thông modbus ngày nay đang được phát triển rộng rãi để thay thế các dạng truyền thống  như analog (4-20mA , 0-10V,…) hoặc digital.

Đặc biệt là khả năng tích hợp với môi trường internet của giao thức modbus tcp/ip. Chỉ cần có kết nối internet, ta có thể quan sát tất cả mọi thứ trong nhà máy từ cảm biến nhiệt độ pt100, cảm biến đo mức chất lỏng, cảm biến áp suất,…. cũng như điều khiển hoạt động của các thiết bị này.
Và tất nhiên, mọi thứ đều được hoạt động, chỉ cần các thiết bị này có hỗ trợ giao thức modbus.

Truyền thông Modbus là gì?

Để hiểu đơn giản nhất, modbus là một loại giao thức truyền dữ liệu dùng để giao tiếp giữa các thiết bị với nhau. Modbus sẽ bao gồm 1 thiết bị là master và 1 thiết bị là slave. Trong đó master thì chỉ có 1, còn slave thì có thể lên đến 252 thiết bị nối tiếp với nhau. Slave có thể là các thiết bị dùng trong nhà máy như cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến đo mức nước, ….. Khi Master cần thông tin của các slave thì nó sẽ phát đi 1 tín hiệu đến các slave. Các slave khi đó sẽ gửi 1 gói tin để trả lời cho master.

Modbus nó cũng giống như dạng tín hiệu analog 4-20mA hoặc 0-10V ngày xưa. Nếu trước đây, tín hiệu 0-10V thường được sử dụng và giảng dạy nhiều. Thì sau đó là tín hiệu 4-20mA thay thế dần loại tín hiệu 0-10V. Và hiện nay, modbus đang dần thay thế chuẩn 4-20mA để trở thành dạng truyền thông phổ biến nhất.

Lịch sử phát triển?

Modbus là một chuẩn truyền thông được ra đời vào năm 1979 bởi Công ty Modicon. Lúc này, chuẩn modbus được làm ra với mục đích là để sử dụng với PLC của hãng.
Và hiện nay, công ty Modicon thụộc sở hữu của hãng Chneider Electric.
Việc phát triển và cập nhật các giao thức modbus đều được quản lý bởi Modbus Organization.
Modbus Organization là một hiệp hội của người dùng và nhà cung cấp thiết bị có sử dụng chuẩn Modbus.

Vì sao Modbus ra đời?

Như ta đã biết, từng hãng sản xuất sẽ đều có các giao thức truyền thông và ngôn ngữ lập trình khác nhau và độc quyền của riêng họ. Đây sẽ là một khó khăn nếu như một bên thứ 3 muốn đọc và truyền thông dữ liệu đến thiết bị của hãng. Và chắc chắn rằng các hãng sản xuất họ cũng không muốn vậy.
Chính vì vậy nên chuẩn truyền thông ModBUS ra đời. Với ưu điểm là một dạng giao thức mở, nó chỉ cung cấp một nền tảng chung, tất cả các thông số đều được công bố. Và sau đó, các hãng sẽ trực tiếp tham gia vào chỉnh sửa và lập trình theo ý của họ trên nền tảng của modbus.

Một ví dụ đơn giản mà bạn có thể hình dung chính là hệ điều hàng Android của Google. Trong android, google họ sẽ chỉ cung cấp 1 nền tảng chính, và các hãng sản xuất điện thoại như Samsung, Oppo, Xiaomi, … sẽ trực tiếp chỉnh sửa android theo ý của họ.
Điều này cực kỳ quan trọng vì nó sẽ giúp cho các thiết bị giữa các hãng hoạt động hoàn toàn phù hợp và ổn định với nhau.
Và thêm nữa là khả năng tích hợp nhiều loại thiết bị trong cùng 1 ứng dụng.

Ưu điểm của truyền thông modbus:

• Được sự hỗ trợ của nhiều nhà sản xuất, nhà cung cấp phần mềm và các nhóm chuyên gia lập trình cùng phát triển.
• Khả năng tích hợp các thiết bị của nhiều hãng sản xuất trong cùng 1 ứng dụng cụ thể.
• Thời gian giao tiếp nhanh, khoảng cách truyền thông xa ( trung bình 1200 mét).
• Có khả năng tích hợp qua webserver, internet.
• Khả năng mở rộng nhiều thiết bị.
• Hiệu quả kinh tế cao, có thể kết nối vài trăm thiết bị mà chỉ tốn 2 dây dẫn.

Các loại truyền thông Modbus dùng trong công nghiệp:

Truyền thông modbus bao gồm 3 loại modbus là Modbus rtu, modbus tcp/ip và modbus ascii. Trong đó được dùng nhiều nhất là loại modbus rtu và modbus tcp/ip.
Với loại Modbus RTU, người ta sẽ dùng cỏng kết nối là cổng dạng serial RS232 hoặc RS485. Còn đối với modbus TCP/IP, cổng giao tiếp là cổng RJ-45, tức là cổng cáp mạng internet thông thường.
Sau đây ta sẽ cùng đi vào tìm hiểu từng loại modbus sau:

Modbus RTU là gì?

Giao thức Modbus RTU là một giao thức mở, sử dụng cổng giao tiếp vật lý RS-232 hoặc RS485 để truyền dữ liệu. Mô hình hoạt động của nó là dạng Master-Slave.
Đây là một giao thức được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực tự động hóa, công nghiệp…. vì những ưu điểm ổn định – đơn giản – dễ dùng.

ModBUS TCP là gì?

Đây là một loại modbus sử dụng cổng giao tiếp RJ45, tức là cổng internet thông thường. Việc truyền thông dữ liệu sẽ được thực hiện thông qua cá c web server.
Các web server này sẽ hiển thị thông số kỹ thuật cũng như có khả năng điều khiển các thiết bị trong nhà máy từ xa. Chi tiết về giao thức này, ta sẽ tìm hiểu trong một bài viết cụ thể khác.

ModBUS ASCII là gì?

Một loại modbus khác mà ta có thể ít thấy trong nhà máy là dạng modbus ASCII. Đây là một loại modbus mà trong đó, người dùng có thể đọc được trực tiếp các gói tin mà không cần thông qua các thiết bị master.
Chính vì vậy nên modbus ascii không thể giao tiếp được với modbus rtu và ngược lại.

Modbus Plus:

Đây là dạng modbus độc quyền của Schneider Electric và không giống như các biến thể khác. Nó hỗ trợ liên lạc ngang hàng giữa nhiều master.

Chuẩn truyền thông ModBUS RTU:

Đối với dạng truyền thông modbus rtu, ta sẽ có 2 cách giao tiếp là giao thức modbus rtu rs232 và modbus rtu rs485.
Đầu tiên, modbus được phát triển để dùng trên cổng giao tiếp RS232. Nhưng vì một vài nhược điểm của cổng giao tiếp này nên cổng giao tiếp RS485 được phát triển để khắc phục những nhược điểm cũng như phát triển thêm.

Giao thức ModBUS RS232:

Là một cổng giao tiếp được dùng đầu tiên khi người ta cho ra đời truyền thông modbus. Nên có thể xem nó như là một…khai quốc công thần đối với modbus.
Chuẩn giao thức này hoạt động dựa trên cổng serial mắc nối tiếp với nhau.
Tuy nhiên, cổng giao tiếp này lại có nhược điểm là chỉ có thể giao tiếp 1 thiết bị 1 lần. Và thực tế là khi truyền thông modbus, ta cần phải giao tiếp nhiều thiết bị cùng 1 lúc với nhau.

Ngoài ra, nhược điểm của rs232 là khả năng truyền thông trong khoảng cách tối đa là 50 feet (khoảng 15m) trở lại.
Vì lý do đó mà cổng giao tiếp modbus rs485 ra đời để khắc phục nhược điểm trên.

Giao thức ModBUS RS485:

Để khắc phục những nhược điểm của RS232, người ta đã cho ra đời chuẩn giao thức RS485.
Ưu điểm của nó là khả năng truyền thông với tốc độ cao hơn, khả năng chống nhiễu cao hơn và khoảng cách xa hơn ( tối đa 1200m).
Ngoài ra thì ưu điểm lớn nhất của RS485 là khả năng kết nối được 32 thiết bị cùng 1 lúc. Điều này cực kỳ có ích khi ta muốn kết nối nhiều thiết bị với nhau. Thực tế thì số lượng thiết bị có thể nhiều hơn nhiều. Bởi vì hiện nay có một số hãng có thể tích hợp 4-8 thiết bị vào 1 bộ như bộ chuyển đổi 4 tín hiệu analog Z-4AI và bộ chuyển đổi 8 tín hiệu analog Z-8AI của hãng Seneca đến từ Italy.
Vì thế nên nếu tính ra, ta có thể truyền thông giao tiếp 256 thiết bị với nhau mà chỉ cần dùng đến 2 dây dẫn.
Ví dụ như trong nhà máy, ta muốn giám sát cùng lúc các thiết bị như cảm biến nhiệt độ; cảm biến áp suất, cảm biến đo mức nước, đồng hồ đo lưu lượng nước,…. Tất cả đều sẽ được giám sát và điều khiển; chỉ cần các thiết bị này có hỗ trợ chuẩn truyền thông modbus.

Mô hình truyền thông ModBUS:

Truyền thông modbus hoạt động dựa trên mô hình master và slave. Trong đó các master sẽ làm nhiệm vụ nhận dữ liệu từ các slave và đưa dữ liệu cho người dùng.
Trong 1 hệ thống thì sẽ chỉ có 1 thiết bị đóng vai trò là master. Còn toàn bộ các thiết bị bên dưới đều là slave.
Để tìm hiểu sâu hơn, ta sẽ đi vào mô hình master/slave sau:

Mô hình Master / slave:

Để tìm hiểu về mô hình Master / slave, ta có thể tham khảo ở hình phía trên. Trong mô hình này, sẽ có 1 thiết bị đóng vai trò master và các slave bên dưới. Mỗi slave sẽ có 1 địa chỉ khác nhau từ 1 đến 254.
Khi có yêu cầu từ người dùng, master có nhiệm vụ sẽ yêu cầu (request) dữ liệu từ các slave bằng cách truyền 1 gói tin xuống các slave.
Trong gói tin này sẽ có chứa địa chỉ của slave cần lấy dữ liệu.
Khi slave được chỉ định nhận được gói tin này sẽ trả lời lại cho master. Master sẽ thu thập dữ liệu này và báo cáo lại cho người dùng.
Trên đây là những chia sẻ của mình về truyền thông modbus là gì ? Hy vọng bài viết có thể mang đến cho bạn những thông tin bổ ích.
Có thể tham khảo thêm về các bộ chuyển đổi tín hiệu analog sang modbus tại địa chỉ:

Bộ chuyển đổi tín hiệu analog ra modbus

Nếu có gì sai sót, hãy giúp mình chỉnh sửa bằng cách comment bên dưới.
Xin cảm ơn.