Modbus RTU oder Modbus TCP: I/O über RS-485 oder Ethernet wählen

Die meisten Remote-I/O-Projekte beginnen mit derselben Entscheidung: die Module an einen Bus nach RS-485 hängen und per Modbus RTU abfragen oder sie ans Ethernet anschließen und Modbus TCP verwenden. Dieser Artikel vergleicht Modbus RTU und Modbus TCP aus Sicht des Errichters: Verkabelung, Topologie, Zykluszeit und Adressierung sowie die Kopplung beider über ein Gateway. Zum Schluss folgen die Serien von ICP DAS, die zu jeder Variante passen.

Dasselbe Protokoll auf zwei verschiedenen Netzen

Beide Varianten nutzen dasselbe Datenmodell: Coils und Discrete Inputs für Bits, Input und Holding Register für 16-Bit-Werte. Eine Registertabelle funktioniert in beiden Netzen gleich; nur der Transport ändert sich.

Modbus RTU läuft über eine serielle Leitung, in der Regel zweiadriges RS-485. Ein Master fragt die Slaves nacheinander ab, und jeder Slave hat eine Geräteadresse am Bus. Modbus TCP überträgt dieselben Anfragen über TCP/IP, normalerweise auf Port 502. Jedes Gerät hat eine eigene IP-Adresse und kann in der Regel mehreren Clients antworten, etwa einer SPS und einem SCADA-Server.

Modbus RTU und Modbus TCP im Überblick

Verkabelung und Topologie in der Praxis

RS-485 ist ein Bus. Führen Sie das Kabel mit kurzen Stichleitungen von Modul zu Modul, schließen Sie beide Enden mit 120 Ohm ab und sorgen Sie für ein gemeinsames Signalbezugspotenzial. Bei moderaten Baudraten erreicht ein Segment 1.200 m – passend für lange Strecken durch eine Anlage mit wenigen Signalen an jedem Standort. Bei mehr als 32 Unit Loads oder 1.200 m setzen Sie einen Repeater ein, etwa den I-7510, einen isolierten Repeater für RS-485 mit automatischer Richtungsumschaltung.

Ethernet ist normalerweise sternförmig aufgebaut, mit einem Switch-Port pro Modul. Die Serien ET-7200 und ET-2200 haben einen integrierten Zwei-Port-Switch, sodass sich die Module wie bei einem Bus nach RS-485 entlang einer Maschine in Reihe schalten lassen. Für beide ist eine LAN-Bypass-Funktion angegeben, die bei Geräten von ICP DAS dafür sorgt, dass der Rest der Kette weiter kommuniziert, wenn ein Gerät die Versorgung verliert. PET-Versionen lassen sich über einen PoE-Switch nach IEEE 802.3af versorgen.

Geschwindigkeit: ein Rechenbeispiel

Abgefragte serielle Busse sind oft langsamer als erwartet. Nehmen wir 20 Analogmodule, die jeweils mit einer Anfrage über 8 Holding Register gelesen werden:

• Die Anfrage umfasst 8 Byte, die Antwort 5 Byte plus 16 Datenbyte; pro Abfrage werden also 29 Byte übertragen.
• Bei 8 Datenbits, ohne Parität und mit 1 Stoppbit belegt jedes Byte 10 Bit auf der Leitung: 290 Bit pro Abfrage.
• Bei 9.600 bps dauert das etwa 30 ms, dazu kommen zwei Pausen von 3,5 Zeichen, etwa 7 ms. Das ergibt rund 38 ms pro Modul oder etwa 0,75 s für den Bus.
• Bei 115.200 bps dauert die Übertragung etwa 2,5 ms, und die Modbus-Spezifikation empfiehlt oberhalb von 19.200 bps eine feste Pause von 1,75 ms. Das ergibt rund 6 ms pro Modul oder etwa 0,12 s für den Bus.

Antwortzeit der Module und Wiederholungen kommen noch hinzu. Für Temperaturen, Füllstände und Energiewerte reicht der langsamere Wert meist aus. Bei schnellen Digitalsignalen beseitigt Ethernet den Engpass, da die Übertragungszeit bei 100 Mbit/s vernachlässigbar ist und Module parallel abgefragt werden können. Synchronisierte I/O mit Zykluszeiten im Millisekundenbereich sind ein Fall für EtherCAT.

Gemischte Systeme: Gateways und Datenkonzentratoren

Viele Anlagen haben funktionierende Busse nach RS-485 und ein neueres Ethernet-Netz für SCADA. Ein Gateway von Modbus TCP auf RTU verbindet beide, ohne dass die seriellen Module ersetzt werden müssen. Der TCP-Client schickt seine Anfragen an die IP-Adresse des Gateways, und die Unit ID in jeder Anfrage wählt den seriellen Slave aus.

• Serie tGW-700: kompakte Gateways von Modbus TCP auf RTU/ASCII mit einem bis drei seriellen Ports, die meisten mit PoE. Bis zu 32 TCP-Master können sich einen seriellen Port teilen, und ein Lese-Cache beantwortet wiederholte Anfragen aus dem Speicher, um den Bus zu entlasten.
• Serie GW-2500iM: dieselbe Umsetzung mit Zwei-Port-Ethernet-Switch, isolierten Ports für RS-422/485 und Sicherheitsfunktionen wie Modbus TCP/TLS, HTTPS, SNMPv3 und IP-Filter.
• Serie MDC-700: Datenkonzentratoren, die die seriellen Geräte selbst mit bis zu 250 Befehlsdefinitionen abfragen, die Werte in einem Datenpool mit 9.600 Registern pro Datentyp sammeln und bis zu 8 Modbus-TCP-Hosts bedienen.

Ein Gateway reicht Anfragen durch, die Antwortzeit wird also weiterhin vom seriellen Bus bestimmt. Ein Datenkonzentrator entkoppelt beide Seiten; das hilft, wenn mehrere SCADA-Clients einen Bus lesen.

Welche Serien von ICP DAS passen

RS-485 und Modbus RTU

• M-7000: Modbus RTU und DCON, 1.200 bis 115.200 bps. Viele Modelle teilen sich die Hardware mit einem I-7000-Modul, zum Beispiel M-7017R und I-7017R.
• tM-Serie: kompakte Module mit DCON, Modbus RTU und Modbus ASCII.
• I-7000: ausschließlich das DCON-Protokoll von ICP DAS. Geeignet für Erweiterungen bestehender DCON-Systeme; für einen Modbus-Master wählen Sie das entsprechende M-7000-Modell.

Ethernet und Modbus TCP

• ET-7000: ein Ethernet-Port, Modbus TCP und Modbus UDP, integrierter Webserver.
• ET-7200: Modbus TCP und UDP mit Zwei-Port-Switch und LAN-Bypass.
• ET-2200: Zwei-Port-Switch mit LAN-Bypass, dazu MQTT und SNMP V2c – nützlich, wenn dieselben I/O auch eine IIoT-Plattform speisen.
• PET-Versionen: per PoE versorgte Versionen der Module ET-7000, ET-7200 und ET-2200.

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