Tutto su Unità terminale remota (RTU) e protocollo Modbus RTU

Un RTU (Remote terminal unit), in italiano unità terminale remota, è un sistema chiave nel controllo remoto di impianti industriali e, dunque, nell’automazione industriale.

L’apparato di controllo si presenta dotato di un microprocessore per l’ispezione di diversi tipi di dispositivi, analogici e digitali, attraverso un’interfaccia esterna su cui troviamo le seguenti porte per la comunicazione dei dati:

• Seriali (RS232; RS485)
• Digitali (Ethernet; USB)

Le versioni di RTU di ultima generazione, in aggiunta, sono dotate di sistemi di comunicazione dei dati senza filo (wireless). Un Remote terminal unit può essere collegato a un qualsiasi sistema di controllo distribuito presente in fabbrica, oppure a un’architettura SCADA.

In ogni caso, lo scopo di un RTU è smistare i dati raccolti dai dispositivi e dei macchinari a esso collegati e inviarli alle stazioni di controllo per la successiva raccolta, catalogazione, registrazione e analisi.

Un RTU di ultima generazione è, quindi, indispensabile in un impianto produttivo o di controllo dove è in corso un aggiornamento per cogliere le opportunità di automazione ed efficientamento tipiche dell’Industria 4.0.

Un’unità terminale remota, inoltre, comunica con gli altri sistemi presenti nell’impianto industriale grazie a protocolli di comunicazione, tra cui il Modbus di cui descriveremo le caratteristiche più avanti.

Il Modbus è un protocollo di comunicazione ideato nel 1979 dalla Modicon per permettere ai suoi PLC di comunicare utilizzando un protocollo semplice. Successivamente, il protocollo Modbus è stato rilasciato gratuitamente per un utilizzo più esteso in ambito industriale.

Ancora oggi il protocollo di comunicazione industriale viene aggiornato grazie alla Modbus Organization nata nel 2004, a cui aderiscono i maggiori produttori di apparati di comunicazione e controllo industriale.

Addentrandoci nelle specifiche tecniche del protocollo Modbus operiamo una prima classificazione della comunicazione, che può avvenire utilizzando diversi canali fisici:

• Seriale RS485 e RS232
• Rete Ethernet

Per la comunicazione dei dati è possibile utilizzare due diversi tipi di formato: l’esadecimale o ASCII. In base al formato di trasmissione scelto abbiamo una suddivisione del protocollo Modbus di questo tipo:

• Modbus RTU (trasmissione esadecimale), dove il controllo degli errori viene affidato alla tecnica di controllo di ridondanza ciclico (CRC).
• Modbus ASCII (trasmissione ASCII), dove la verifica degli errori viene affidata alla tecnica di controllo di ridondanza orizzontale (LRC).
• Modbus TCP/IP (trasmissione esadecimale), con i pacchetti di dati che viaggiano seguendo le regole del protocollo di rete TCP/IP.

Soffermandoci in particolare sul protocollo Modbus RTU ne analizziamo, in seguito, le caratteristiche specifiche e il funzionamento.

Il Modbus RTU è, quindi, una delle varianti del protocollo Modbus. Esso utilizza una trasmissione dei dati di tipo esadecimale e per questo si serve dei valori binari compresi tra 0 e 255 come caratteri.

Riassumendo in forma schematica, il funzionamento del protocollo Modbus RTU presenta le seguenti caratteristiche.

• Caratteri usati: valori binari tra 0 e 255.
• Inizio frame: silenzio di 3,5 volte.
• Fine frame: silenzio di 3,5 volte.
• Bit iniziale: 1.
• Bit dati: 8.
• Pausa nel messaggio: 1,5 volte la durata di un byte.
• Controllo degli errori: Cyclic redundancy check.

Tipicamente, il protocollo definisce in che modo debbano comunicare un apparato master e uno o più dispositivi slave. Dal punto di vista logico, il Modbus prevede la connessione al massimo di 247 slave sul bus comune, tuttavia, dal punto di vista fisico il limite dipende dallo standard hardware scelto.

Nel caso dello standard seriale RS485, ad esempio, si possono collegare soltanto 31 dispositivi slave, a meno che non si inseriscano dei ripetitori nel bus per estendere la capacità fino a 247 slave.

In pratica, quando inseriamo un dispositivo slave nel sistema gli viene assegnato un indirizzo identificativo da 1 a 247; mentre lo 0 (zero) viene utilizzato nei casi in cui il messaggio sia rivolto a tutti i dispositivi del sistema e, per questo, si definisce indirizzo di broadcast.

Quale tipo di collegamento seriale è previsto nel Modbus?

Come accennato, sono due i collegamenti seriali previsti dal protocollo Modbus. Nello specifico è la versione Modbus RTU a consentire la comunicazione dei dati attraverso gli standard seriali RS232 e RS485. Nel primo caso, la comunicazione è seriale asincrona tra due dispositivi, mentre il secondo standard prevede il passaggio delle informazioni su un bus di comunicazione di tipo differenziale.

Va da sé che una comunicazione via RS485 è più adatta nelle configurazioni in cui serve un collegamento tra più apparati industriali. Inoltre, la comunicazione dei dati è soggetta a un numero di disturbi di origine elettrica inferiore grazie al segnale differenziale che consente la modifica del valore di tensione su tutti i terminali.

Come leggere i dati Modbus?

Il protocollo Modbus ha una sua tabella di codici funzione di sola lettura o sola scrittura e di lettura/scrittura, con i principali che vanno da 01 a 24, a cui si aggiunge il codice funzione 43 per leggere le informazioni che identificano il dispositivo remoto.

Dal lato della programmazione, gli sviluppatori possono utilizzare il linguaggio di programmazione C, anche per estendere le funzioni del protocollo grazie alle possibilità di personalizzazione offerte dal protocollo Modbus.

Tuttavia, nella quotidianità della vita in ambiente produttivo, gli operatori addetti al controllo dei dati possono utilizzare un programma di lettura del protocollo Modbus dotato di un terminale per l’esecuzione di comandi di testo.

Il software di lettura permette di creare una nuova sessione di monitoraggio e di decidere quali eventi catturare, compresi gli errori.

In linea di principio, tutti gli applicativi specializzati nell’elaborazione dei dati inviati attraverso Modbus sono in grado di effettuare monitoraggi in tempo reale e di segnalare tempestivamente gli errori.

Il software si occuperà anche di registrare in ordine temporale tutti gli eventi, in modo tale che possano essere letti in un secondo momento da chi si occupa della manutenzione dei macchinari industriali monitorati.

Nonostante la sua longevità (Modbus ha oltre 40 anni di vita) il protocollo continua a essere utilizzato in ambito industriale per la sua semplicità e per le possibilità di personalizzazione che offre.

Nel corso del tempo è stato aggiornato, per renderlo compatibile con le moderne tecnologie informatiche e hardware presenti nelle industrie. Infatti, oggi la versione più efficiente è la Modbus TCP/IP.

Nei fatti, in un confronto tra Modbus RTU e Modbus TCP/IP è palese il vantaggio di quest’ultimo in termini di velocità delle comunicazioni e di affidabilità.

Per quanto riguarda le applicazioni industriali, il protocollo viene utilizzato anche nei PLC allo scopo di:

• Realizzare una comunicazione con un pannello HMI.
• Per gestire i moduli di ingresso e uscita digitali ed analogici nell’automazione industriale e anche nell’impiantistica.

Un esempio pratico di applicazione industriale del protocollo Modbus lo puoi riscontrare negli azionamenti per motori brushless e/o per motori passo passo, dove il protocollo favorisce le comunicazioni con gli altri sistemi di controllo.

Anche i gateway ethernet sono compatibili con il protocollo Modbus RTU, allo scopo di garantire la comunicazione tra un sistema Modbus seriale e un sistema basato su Ethernet, per trasmettere i dati al livello superiore o, viceversa, per ricevere dati. In questo modo viene garantita piena compatibilità tra comparti in cui i processi industriali sono affidati a sistemi “legacy” e i comparti dove la produzione viene effettuata su una configurazione più recente.

Passando, infine, ai sistemi RTU, essi sono indispensabili per il controllo e la trasmissione di dati in un’ampia gamma di processi industriali, compresi gli impianti in alta tensione come gli impianti di trasmissione di energia elettrica in corrente continua e gli impianti di autoconsumo dell’energia prodotta.

L’intero processo di produzione all’interno di una fabbrica si basa sugli apparati di controllo a microprocessore e su protocolli di comunicazione che facilitino il trasferimento dei dati tra i vari livelli di supervisione.

I sistemi di controllo Remote terminal unit e il protocollo Modbus assolvono appieno il compito loro affidato di controllare e trasmettere dati per assicurare il corretto funzionamento di ogni componente di un macchinario.

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