Sistema di comunicazione MODBUS

L’idea della realizzazione di questo lavoro nasce dal concetto di domotica. Infatti,

secondo il parere degli esperti di domotica e anche secondo noi, sia in ambito

civile sia in quello industriale è importante che le cablature dei vari apparati

siano ridotte al minimo, sia per motivi di carattere realizzativo sia per la possibile

manodopera nel lungo periodo. Questo concetto è stato appreso con fervore dalla

ditta BTicino, la quale ha messo in produzione prodotti che permettono l’uso di

queste nuove tecnologie e che noi siamo andati a vedere di persona presso gli

stabilimenti di Varese e presso la scuola EUROSATELLITE di San Sepolcro.

2-PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE

Attraverso il cosiddetto bus circolano delle informazioni che vengono gestite dai

protocolli di comunicazione. Esistono vari tipi di protocolli in ambito civile e in

ambito industriale, e possiamo suddividerli in due principali sottoinsiemi:

I. PROTOCOLLI PROPRIETARISCS Bticino



II. PROTOCOLLI RILASCIATI ProfiBUS, ModBUS, CanBUS, …

I protocolli proprietari vengono concepiti e studiati da un’azienda a proprio uso e

consumo ed hanno lo scopo e la funzione di interagire solo tra i propri

dispositivi. La Bticino per esempio ha ideato il cosiddetto SCS il quale

interagisce solo con i prodotti della fabbrica varesina.

Proprio per questa caratteristica l’installatore è vincolato all’utilizzo dei soli

dispositivi Bticino. Come ben si può immaginare non è possibile ampliare

l’impianto con prodotti che magari la casa non produce perché i dispositivi non

potrebbero comunicare tra loro.

Nel corso degli anni sono nati dei protocolli di comunicazione rilasciati che

consentono ad apparati di diversi costruttori di comunicare tra loro in modo

efficace e senza errori di trasmissione.

3-SCELTA DEL PROTOCOLLO

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Grazie alla stretta collaborazione con la ditta Bticino e la nostra scuola abbiamo

deciso di sviluppare il protocollo di comunicazione ModBUS,perché è di facile

costruzione ed ha un’elevata affidabilità di trasmissione ricezione dei dati.

Per la trasmissione dei dati in ambito civile e industriale abbiamo bisogno di un

doppino twistato o di una piattina(con o senza schermatura).

Abbiamo inoltre bisogno di un convertitore RS232/RS485 per la comunicazione

con PC.

Ecco la schema esemplificativo:

PC CONVERTITORE M7TIC/CM

RS232/RS485

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4-PROTOCOLLO MODBUS

Il protocollo di comunicazione rilasciato ModBUS venne introdotto nel mercato

dalla Gould-Modicon nel 1979 per consentire l’interscambio di informazioni tra

dispositivi di controllo in ambiente industriale.

Ad oggi,questo tipo di protocollo è il più diffuso tra i dispositivi elettronici in

ambito industriale. Le ragioni di questa rapida diffusione e utilizzo sono:

 FACILITA’ D’USO;

 FLESSIBILITA’ DEL SISTEMA;

 ELEVATO NUMERO DI COSTRUTTORI COINVOLTI;

 E’ UN PROTOCOLLO PUBBLICO (Royalty-Free);

Un protocollo controlla il formato e la struttura dei dati trasmessi e/o ricevuti e

gli eventuali errori all’interno della rete di comunicazione.

Il protocollo ModBUS è spesso utilizzato per connettere un computer

supervisore,detto anche MASTER con una o più unità terminali remote

(RTU),dette anche SLAVE tramite una porta seriale o rete Ethernet.

Il protocollo è “attivo” e gestisce la domanda (query o answer) e la risposta

(reply) e determina:

 Quanti Slave mettere in comunicazione con il Master;

 Quanti mittenti e ricevitori sono identificati;

 Quanti messaggi sono scambiati in un pacchetto;

 Quanti eventuali errori sono contenuti in un pacchetto dati;

Alcune caratteristiche del ModBUS sono fisse:

 Formato della struttura;

 Sequenza della struttura;

 Controllo degli errori(CRC);

altre sono a scelta del progettista e non sono modificabili quando il sistema è in

funzione:

 Velocità di comunicazione BOUD RATE;

 Parità del carattere;

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 Tipo di trasmissione:ASCII o RTU;

4.1-TRASMISSIONE

La trasmissione dei dati avviene tramite la spedizione di pacchetti di dati

composti da una struttura predefinita scelta in base ai dispositivi connessi.

I modi per la trasmissione/ricezione che il protocollo ModBus accetta sono di due

tipi: ASCII e RTU con velocità ≤115,200bit/s.

La stringa di comunicazione e composta da una struttura ben definita:

 1 BIT DI STARTviene trasmesso per avvisare il dispositivo che il

messaggio sta per essere inviato;

 INDIRIZZOServe per identificare il dispositivo a cui è destinato il

messaggio;

 FUNZIONEIdentifica la funzione che deve essere svolta dal

dispositivo:stato,lettura valori(tensione ,corrente,fattore di potenza..);

 1 BYTE PER N DI DATIè il messaggio vero e proprio che si vuole

comunicare;

 2 BYTE PER CONTROLLO RIDONDANZA CICLOpermette

attraverso un particolare algoritmo(vedremo successivamente) di

determinare se il messaggio ricevuto è lo stesso di quello inviato;

 BIT DI STOPè un bit che viene trasmesso per avvisare che il messaggio

è concluso;

 PARITA’è uno dei sistemi di controllo degli errori basato su un algoritmo

il quale aggiunge un bit con valore 1 o 0 in base alla somma degli 1 o 0

presenti nella stringa del messaggio;

 VELOCITA’ detta anche BAUDN RATE,è la velocità di

comunicazione,la quantità di bit trasmessi ogni secondo.

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4.2-GESTIONE DEGLI ERRORI

La causa più frequente degli errori di comunicazione è dovuta al disturbo

elettrico,composto da impulsi elettrici che modificano il campo elettromagnetico

dei canali di comunicazione.

L’errore più frequente è nel cambiamento del valore dei bit in un messaggio.

CONTROLLO DI PARITA’:esistono tre tipi di parità:pari,dispari e non

presente;

Se si suppone di avere un controllo di parità PARIse il risultato della somma

degli 1 contenuti nel messaggio è pari sarà aggiunto un bit con valore 0 perché

non è necessario modificare il risultato del messaggio,se invece il risultato è

dispari bisogna aggiungere un 1 per rendere la somma pari.

CONTROLLO DI RIDONDANZA CICLICO: viene anche chiamato

CRC,acronimo di Cyclic Redoundancy Check.

Il CRC è un meccanismo di identificazione degli errori basato su un algoritmo

prefissato che calcola un valore numerico(checksum) in base al contenuto del

messaggio;al messaggio trasmesso viene allegato il checksum,che verrà poi

ricalcolato dal ricevitore e confrontato:solo se il checksum ricevuto e quello

ricalcolato coincidono il messaggio viene ritenuto valido altrimenti viene

automaticamente scartato.

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4.3-LIMITE INIDRIZZI

Secondo il limite logico del protocollo si possono connettere ad un master fino a

247 slave su una linea comune.

Frequentando il corso di studi di elettrotecnica ci è sembrato opportuno

monitorare i parametri elettrici di una linea trifase utilizzando un analizzatore di

rete e un PC per la gestione remota dei dati acquisiti.

5-ESEMPIO APPLICATIVO

5.1-SCHEMA FUNZIONALE

Lo schema sopra riportato è stato disegnato utilizzando il SW di progettazione

SPAC IMPIANTI il quale si basa su piattaforma AUTOCAD. E’ un SW molto in

uso a livello di progettazione quadri e impiantistica.

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5.1-COMPONENTI HARDWARE

5.2.1-CENTRALINA DI MISURA M7TIC/CM

Data la nostra stretta collaborazione con la ditta Bticino s.p.a abbiamo deciso di

utilizzare una centralina di misura del loro catalogo di produzione:

L’M7TIC/CM è una centralina che permette la misura di diverse grandezze

elettriche come:tensione(concatenata e di fase),corrente,potenza(attiva,reattiva ed

ᵩ

apparente) e fattore di potenza (cos ).

E’ provvista di attacco da barra DIN e di una porta seriale necessaria per

l’interfacciamento con il PC.

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5.2.2-TRASFORMATORE AMPEROMETRICO

Per l’utilizzo della centralina di misura abbiamo bisogno di tre trasformatori

amperometrici (TA) per poter acquisire le correnti di fase mantenendo il circuito

amperometrico isolato da quello volumetrico.

Schema:

Abbiamo deciso di utilizzare il seguente TA di marca IME mod. TAQ6:

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5.2.3-CONVERTITORE RS232/RS485

Per la conversione dalla seriale in uscita dal PC(RS-232) a quella richiesta dalla

seriale in uso in ambito industriale(RS-485) abbiamo fatto uso di un opportuno

convertitore come il mod.TRANSIO A53 della MOXA.

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5.2.3-MODULO DI SEGNALAZIONE E COMANDO M7TIC/IO

Abbiamo deciso di inserire questo SLAVE della Bticino s.p.a. perché è costituito

da 26 uscite digitali e 6 a relè nonché 4 uscite 4-20mA.

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5.3-SOFTWARE:AMBIENTE SVILUPPO E

APPLICATIVO

5.3.1-LabVIEW

L’ambiente di sviluppo dell’applicativo software è LabVIEW della National

Instruments,per la sua semplicità d’uso e l’interfaccia grafica altamente intuitiva.

5.3.2-IL PROGRAMMA REALIZZATO

Il programma che abbiamo realizzato con LabVIEW permette di comunicare

attraverso la porta seriale del PC RS-232 con la centralina di misura Bticino

M7TIC/CM e con l’M7TIC/IO e di visualizzare sul monitor del PC i valori

elettrici desiderati ed eventuali elaborazioni.Il programma è costituito da una VI

iniziale dove al suo interno è costruita una sub-VI chiamata CRC:

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La prima parte è la colonna portante del programma,dove vengono impostati tutti

i valori che permettono la lettura/scrittura dei dati ed è la seguente:

 VISA CONFIGURE SERIAL PORT:

1. Baud Rate9600;

2. Bit Dati8;

3. Bit di paritàNO;

4. Bit di stop1;

5. Tempo di lettura/scrittura1000ms;

6. Porta di uscitaCOM1;

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 VISA WRITE:scrive i dati dal write buffer al dispositivo in uscita alla porta

COM1 del PC;

 VISA READ:legge i dati dal dispositivo in uscita alla porta COM1 del PC e

li invia al read buffer;

La seconda parte è composta da una “build array” che ha il compito di comporre

la stringa per la trasmissione di richiesta e quindi scegliere una delle funzioni

disponibili.

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Le funzioni consentite dalla nostra centralina di misura sono le seguenti:

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