Modbus TCP/IP vs Modbus RTU: So Sánh Hai Biến Thể Giao Thức Modbus

Lần đầu tiên tôi được biết tới modbus TCP/IP thì đây là một thuật ngữ khá mơ hồ vì chỉ thấy nó toàn địa chỉ IP mạng như : 192.168.1.1 mà mạng Internet mình lại không rành lắm. Sau khi Siemens ra các dòng PLC mới S7-1200, S7-1500 với tất cả giao tiếp thông qua địa chỉ IP nhằm giải quyết vấn đề cáp kết nối nữa TIA PORTAL và PLC thì chuẩn Modbus TCP-IP gần như được phổ biến.

Bên cạnh đó các Modul IO Remote ra đời nhằm tối ưu việc kết nối giữa các PLC với Modul mở rộng của hãng với chi phí thấp hơn & giải quyết vấn đề thiếu linh kiện điện tử trong thời gian gần đây. Vậy modbus RTU là gì?

Sự ra đời của Modbus TCP/IP làm thay đổi phương thức truyền thông cũ bằng cách thức truyền thông hai chiều thông qua Ethernet một cách đơn giản, thời gian đáp ứng nhanh và chính xác.

Modbus TCI/IP là gì

Modbus TCP/IP là một giao thức truyền thông sử dụng trong hệ thống tự động hóa công nghiệp và điều khiển thiết bị. Nó là một biến thể của giao thức Modbus, được phát triển để hoạt động trên mạng LAN Ethernet hoặc Remote, là giao thức mạng phổ biến sử dụng trên Internet và trong nhiều ứng dụng mạng khác.

Modbus TCP/IP ngày càng được lựa chọn thay thế cho Modbus RTU bởi việc kết nối trở nên đơn giản, cài đặt dễ dàng và đặc biệt là tiết kiệm chi phí.

Dưới đây là một số điểm quan trọng về Modbus TCP/IP:

Giao thức Modbus: Modbus là một giao thức truyền thông ngang hàng (master/slave) được phát triển vào những năm 1970 bởi Modicon (nay là một phần của Schneider Electric). Giao thức này được sử dụng để truyền thông và điều khiển các thiết bị trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp.

Modbus RTU vs. Modbus TCP: Modbus có hai biến thể chính – Modbus RTU và Modbus TCP. Modbus RTU sử dụng truyền thông thông qua chuẩn RS-232 hoặc RS-485 và hoạt động dựa trên kết nối serial. Modbus TCP sử dụng mạng Ethernet và giao thức TCP/IP, cho phép truy cập dễ dàng từ xa thông qua mạng. Modbus TCP/IP vẫn khai báo và truyền thông tương tự Modbus RTU.

Giao thức Mạng: Modbus TCP/IP được xây dựng trên nền tảng giao thức TCP/IP, cho phép nó hoạt động trên mạng mà nhiều thiết bị khác sử dụng, bao gồm Internet. Điều này giúp nó trở thành lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng truyền thông và điều khiển trên khoảng cách.

Điều này có nghĩa rằng các thiết bị đo lường và điều khiển có thể cách xa nhau không giới hạn khoảng cách vật lý mà vẫn giao tiếp được với nhau.

Ứng dụng trong Công Nghiệp: Modbus TCP/IP được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển và tự động hóa công nghiệp. Nó cho phép giao tiếp giữa các thiết bị như PLC (Programmable Logic Controller), SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), và các cảm biến với máy tính điều khiển.

Cấu trúc thông điệp: Giao thức Modbus TCP/IP sử dụng cấu trúc thông điệp để trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị. Mỗi thông điệp bao gồm mã định danh thiết bị (node ID), mã chức năng (function code), dữ liệu, và mã kiểm tra lỗi (CRC – Cyclic Redundancy Check).

Bảo mật: Trong một số trường hợp, bảo mật có thể là một vấn đề quan trọng khi sử dụng Modbus TCP/IP, đặc biệt nếu kết nối được thiết lập trên Internet hoặc qua các mạng không an toàn. Vì vậy, việc triển khai các biện pháp bảo mật là quan trọng để đảm bảo an toàn hệ thống.

Modbus TCP/IP là một giao thức phổ biến trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp và điều khiển thiết bị, giúp kết nối và điều khiển các thiết bị từ xa trên mạng một cách hiệu quả.

Modbus TCP-IP Protocol

Giao thức Modbus TCP/IP sử dụng cấu trúc thông điệp để trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị. Mỗi thông điệp bao gồm mã định danh thiết bị (node ID), mã chức năng (function code), dữ liệu, và mã kiểm tra lỗi (CRC – Cyclic Redundancy Check).

Nói một cách dễ hiểu hơn một địa chỉ IP được định danh cho một thiết bị hay một nhóm thiết bị. Nếu một thiết bị có sẵn chuẩn truyền thông Modbus TCP-IP thì nó sẽ được gắn với một địa chỉ IP duy nhất như : 192.168.90.101.

Tuy nhiên, Một nhà xưởng có 100 thiết bị chuẩn Modbus RTU kết nối với một bộ Gateway TCP/IP thì cũng chỉ có một địa chỉ IP duy nhất : 192.168.1.2 ( IP này có thể thay đổi được ).

Tới đây thì có vẻ hơi lấn cấn một tí xíu ?

Thật ra khá đơn giản.

Bên dưới địa chỉ IP 192.168.1.2 thì sẽ có 100 thiết bị khác được định dạng theo địa chỉ Modbus RTU. Các Slave sẽ được định danh theo địa chỉ Modbus ID 1…100 với tốc độ Baud. Chúng ta chỉ cần khai báo địa chỉ IP 192.168.1.2 một lần duy nhất ngay từ lúc ban đầu.

Modbus TCP/IP có nhanh hơn Modbus RTU hay không?

Đây là câu hỏi mình gặp khá nhiều bởi Modbus TCP-IP đọc thông qua Ethernet thay cho kết nối vật lý của Modbus RTU. Theo lý thuyết thì nó nhanh hơn nhưng thực tế thì chưa chắc đúng.

Bởi vì,

Modbus RTU sử dụng giao tiếp nối tiếp để trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị, khiến nó trở nên lý tưởng cho các hệ thống yêu cầu giao tiếp đơn giản, mạnh mẽ và tiết kiệm chi phí. Modbus RTU thường được sử dụng trong các ứng dụng như tự động hóa tòa nhà, điều khiển quy trình công nghiệp và giám sát từ xa.

Mặt khác, Modbus TCP tận dụng mạng Ethernet và IP để liên lạc, mang lại tốc độ và khả năng mở rộng cao hơn trong các môi trường phức tạp và đòi hỏi khắt khe hơn. Modbus TCP thường được tìm thấy trong các ứng dụng yêu cầu giao tiếp tốc độ cao như sản xuất điện, dầu khí và quản lý trung tâm dữ liệu.

Bản chất đầu vào là modbus RTU trước khi chuyển thành Modbus TCP-IP. Nếu bạn có có ít thiết bị thì Modbus TCP-IP phát huy hết tác dụng tuy nhiên nếu bạn sử dụng vài trăm thiết bị cho một địa chỉ IP thì lúc này Modbus TCP-IP cũng sẽ chậm tương tự như Modbus RTU.

Vậy làm sao để giải quyết vấn đề này ?

Các hãng sản xuất Gateway đều đã có giải pháp của riêng mình để giải quyết vấn đề băng thông và tốc độ quét của modbus RTU và Modbus TCP-IP.

Như Seneca ra các dòng tích hợp Profinet cho PLC S7-1200 và S7-1500. Việc đọc các dữ liệu hai chiều thông qua Profinet nhanh hơn rất nhiều so với Modbus TCP-IP. Profinet có tốc độ quét tương đương các modul IO vật lý của Siemens.

So sánh Modbus RTU và Modbus TCP/IP

Nếu bạn đã quen với việc dùng các chuẩn DI-DO-AI-AO thì giờ đây bạn cần biết thêm chuẩn Modbus RTU và Modbus TCP-IP. Tại sao ư ?

Thế giới thay đổi, công nghệ cũng thay đổi theo. Nếu bạn không kịp thích ứng thì không thể tối ưu hết chi phí với sự phát triển của công nghệ. Tại thời điểm hiện tại Modbus RTU và Modbus TCP-IP là hai tiêu chuẩn truyền thông bạn cần phải biết.

Modbus RTU

Truyền thông modbus RTU đã được sử dụng từ lâu thông qua chuẩn kết nối RS485. Các tín hiệu sẽ được truyền dẫn trên 2 dây A-B duy nhất. Điều đó có nghĩa rằng tất cả các thiết bị cũng chỉ truyền trên 2 dây A-B.

Điều này giúp các hệ thống giảm một lượng dây dẫn khổng lồ. Bởi chỉ cần một dây 2 lỏi A-B thì đã giải quyết tất cả các vấn đề liên quan tới truyền dẫn.

Rủi ro,

Nếu dây này dứt thì tất cả các tín hiệu đều mất theo. Đây chính là rủi ro của truyền dẫn Modbus RTU chung với nhau. Tất nhiên, chúng ta chỉ cần đi thêm một dây dự phòng là có thể yên tâm thêm một phương án dự phòng.

Modbus TCP-IP

Modbus TCP IP hoạt động tương tự như Modbus RTU nhưng định danh từng Node là một địa chỉ IP trên đường dẫn Ethernet thay vì địa chỉ ID Slave trên RTU. Điều này mở ra một kỷ nguyên mới là các tín hiệu từ rất xa nhau có thể truyền không dây với nhau thông qua các Switch mạng.

Các thiết bị đo nằm ở nhà xưởng, trong khi trung tâm nằm tại khối văn phòng. Tất cả truyền thông với nhau bằng cổng mạng LAN nội bộ hoặc mạng Remote từ xa.

Một trong những ưu điểm nổi bật của chuẩn truyền thông Modbus TCP IP đó chính là một địa chỉ IP có thể chưa hàng trăm thiết bị có chuẩn Modbus RTU bên dưới. Điều này giúp tiết kiệm băng thông, địa chỉ và đơn giản hóa trong quá trình kết nối.

Như vậy, với chia sẽ của mình tôi hy vọng các bạn hiểu rõ về truyền thông Modbus RTU cũng như modbus TCP-IP. Với sự phát triển của công nghệ chuẩn modbus TCP/IP ngày càng được sử dụng thay thế cho các phương thức truyền thông cũ. Tôi hy vọng các bạn cũng tìm cho mình các giải pháp truyền thông hiệu quả và phù hợp.

Chúc các bạn thành công !

Kỹ Sư cơ – Điện Tử

Nguyễn Minh Hòa