โปรโตคอล Modbus และ HART: หลักการ ความแตกต่าง และแนวทางการเลือก

Modbus และ HART เป็นเทคโนโลยีการสื่อสารที่ได้รับการประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลายในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมและอุปกรณ์วัดกระบวนการ แต่ทั้งสองเทคโนโลยีนี้ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อรองรับสถาปัตยกรรมระบบที่แตกต่างกัน โดย Modbus มักใช้สำหรับการแลกเปลี่ยนข้อมูลดิจิทัลระหว่าง PLC, เซ็นเซอร์, เครื่องมือวัด, RTU, อุปกรณ์บันทึกข้อมูล และเกตเวย์อุตสาหกรรม ในขณะที่ HART มักใช้ร่วมกับตัวส่งสัญญาณกระบวนการอัจฉริยะที่ทำงานในระบบควบคุมแบบดั้งเดิมที่ใช้กระแสไฟฟ้า 4-20mA

ดังนั้น โปรโตคอลทั้งสองประเภทนี้จึงไม่ควรถูกนำมาใช้เป็นทางเลือกโดยตรงในทุกโครงการ โดยทั่วไป มักเลือกใช้ Modbus เมื่อมีอุปกรณ์ดิจิทัลหลายตัวที่ต้องแลกเปลี่ยนข้อมูลกระบวนการทำงาน ในขณะที่ HART มีประโยชน์อย่างยิ่งในกรณีที่โรงงานต้องคงไว้ซึ่งสัญญาณ 4-20mA ที่มีอยู่เดิม พร้อมทั้งสามารถเข้าถึงข้อมูลการตั้งค่าแบบดิจิทัล สถานะการทำงาน และข้อมูลการตรวจสอบสภาพของระบบได้

1. โปรโตคอล Modbus คืออะไร?

Modbus ถูกนำเสนอครั้งแรกโดยบริษัท Modicon ในปี ค.ศ. 1979 เพื่อใช้ในการสื่อสารระหว่างอุปกรณ์ควบคุมในอุตสาหกรรม ตั้งแต่นั้นมา Modbus ได้กลายเป็นหนึ่งในโปรโตคอลแบบเปิดที่ถูกนำไปประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลายที่สุดในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม แม้ว่า Modbus จะกำหนดแนวทางที่อุปกรณ์ต่าง ๆ ใช้ในการจัดระเบียบ การร้องขอ การอ่าน และการเขียนข้อมูล แต่โปรโตคอลนี้ไม่ได้กำหนดให้ต้องใช้อินเทอร์เฟซทางกายภาพเฉพาะรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง

การใช้งานทั่วไปได้แก่Modbus RTU เกิน RS485RS485, Modbus RTU ผ่าน RS232และModbus TCP ผ่านอีเธอร์เน็ต.ในเครื่องมือวัดภาคสนาม RS485 Modbus RTU เป็นเรื่องธรรมดาโดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากอุปกรณ์หลายเครื่องสามารถแชร์บัสสื่อสารหนึ่งเครื่องและอุปกรณ์แต่ละเครื่องสามารถระบุได้ด้วยที่อยู่ของตัวเอง

ไคลเอนต์ Modbus เช่น PLC หรือ RTU จะส่งคำขอไปยังอุปกรณ์เซิร์ฟเวอร์ ซึ่งเซิร์ฟเวอร์จะส่งค่าที่ถูกขอกลับมา หรือดำเนินการเขียนข้อมูลที่รองรับได้ ทั้งนี้ ขึ้นอยู่กับชนิดของอุปกรณ์ บันทึกข้อมูล Modbus อาจประกอบด้วยข้อมูลด้านอุณหภูมิ ความดัน ระดับของของเหลวหรือก๊าซ การไหล ค่าการนำไฟฟ้า สถานะของอุปกรณ์ ระบบแจ้งเตือน หรือพารามิเตอร์การตั้งค่า

2.โปรโตคอล HART คืออะไร?

HART ย่อมาจากHighway Addressable Remote Transducer () ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการสื่อสารดิจิทัลแบบสองทิศทาง ที่ออกแบบมาเพื่อใช้กับเครื่องมือวัดในสนามที่มีความชาญฉลาดเป็นหลัก เช่น เครื่องส่งสัญญาณแรงดัน เครื่องส่งสัญญาณแรงดันต่าง เครื่องส่งสัญญาณอุณหภูมิ เครื่องส่งสัญญาณอัตราการไหล และเครื่องส่งสัญญาณระดับของของเหลว เป็นต้น

ลักษณะสำคัญของระบบ HART แบบดั้งเดิมคือ สัญญาณการสื่อสารดิจิทัลจะถูกซ้อนทับอยู่บนวงจรกระแสอนาล็อก 4-20mA ที่มีอยู่เดิมสัญญาณ 4-20mA โดยทั่วไปยังคงแสดงตัวแปรกระบวนการหลักอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่การสื่อสารผ่าน HART ช่วยให้สามารถเข้าถึงข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการกำหนดค่าของอุปกรณ์ สถานะของอุปกรณ์ การตรวจสอบสภาพของอุปกรณ์ และข้อมูลกระบวนการรองได้

ระบบ HART แบบคลาสสิกใช้เทคนิคการเปลี่ยนความถี่ (frequency-shift keying) หรือที่เรียกว่า FSK สำหรับการสื่อสารแบบดิจิทัล โดยมีอัตราการส่งข้อมูลดิจิทัลอยู่ที่ 1200 บิตต่อวินาที โครงสร้างนี้ช่วยให้ระบบควบคุมสามารถคงไว้ซึ่งระบบสายสัญญาณอนาล็อกแบบดั้งเดิมได้ ในขณะที่เพิ่มความสามารถในการสื่อสารแบบดิจิทัล โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนวงจรการวัดพื้นฐานที่ใช้กระแส 4-20mA ทั้งนี้

3ข้อแตกต่างหลักระหว่าง Modbus และ HART: รายการเปรียบเทียบ

4.ทำไม Modbus จึงถูกนำมาใช้งานร่วมกับ RS485 อย่างแพร่หลาย?

Modbus และ RS485 ไม่ใช่เทคโนโลยีเดียวกัน RS485RS485 เป็นมาตรฐานการสื่อสารทางไฟฟ้าที่กำหนดว่าสัญญาณดิจิตอลจะถูกส่งผ่านบัสอนุกรมอย่างไรในขณะที่Modbus เป็นโปรโตคอลการสื่อสารที่กำหนดที่อยู่รหัสฟังก์ชันโครงสร้างการลงทะเบียนและพฤติกรรมคำขอ/การตอบสนอง

ด้วยเหตุผลนี้คำว่าRS485 Modbus RTUModbus RTU ที่ RS485 หมายความว่า RS485 ใช้เป็นอินเทอร์เฟซการสื่อสารทางกายภาพและ Modbus RTU ใช้เป็นโปรโตคอลข้อมูลเซ็นเซอร์อุตสาหกรรมจำนวนมากจึงใช้สี่สาย: V , GND, RS485-A และ RS485-B

บัส RS485 ตัวเดียวสามารถรองรับอุปกรณ์ Modbus หลายตัวที่มีที่อยู่แตกต่างกันได้ ซึ่งทำให้สถาปัตยกรรมนี้เหมาะสมสำหรับระบบตรวจสอบแบบกระจายที่ต้องการให้เซนเซอร์หลายตัวสามารถสื่อสารกับ PLC, RTU หรือเกตเวย์อุตสาหกรรมตัวเดียว

5. ทำไม HART จึงถูกนำมาใช้ร่วมกับกระแสไฟฟ้า 4-20mA อย่างแพร่หลาย?

อุตสาหกรรมกระบวนการแบบดั้งเดิมได้ใช้วงจรกระแสไฟฟ้า 4-20mA มาเป็นเวลาหลายทศวรรษ เนื่องจากเป็นวิธีการที่เรียบง่ายและมีความทนทานในการส่งผ่านค่ากระบวนการหลัก HART ได้ขยายโครงสร้างนี้โดยการเพิ่มการสื่อสารแบบดิจิทัล โดยไม่ต้องถอดสัญญาณแอนะล็อกออก

ตัวอย่างเช่น เครื่องส่งสัญญาณความดันแบบ HART ยังคงสามารถส่งค่าความดันแบบเรียลไทม์ผ่านสัญญาณ 4-20mA ได้ ในขณะที่อุปกรณ์เครื่องเดียวกันนี้ยังให้ข้อมูลเกี่ยวกับช่วงที่กำหนดไว้ หน่วยวัดเชิงวิศวกรรม สถานะของอุปกรณ์ และข้อมูลการวินิจฉัย ผ่านช่องทางดิจิทัล HART ได้อีกด้วย

วิธีการนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับโรงงานที่มีระบบสายสัญญาณ 4-20mA และโครงสร้างพื้นฐาน DCS ที่ครอบคลุมอยู่แล้ว แต่ยังต้องการข้อมูลเพิ่มเติมจากอุปกรณ์สนามที่มีความชาญฉลาด

6. Modbus ถูกจำกัดอยู่เพียง RS485 เท่านั้นหรือไม่?

ไม่ใช่ Modbus ไม่ได้ถูกจำกัดอยู่เพียง RS485 เท่านั้น โดย Modbus RTU มักถูกใช้งานผ่าน RS485 เนื่องจากอินเทอร์เฟซนี้มีความเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับเครือข่ายอนุกรมในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม Modbus ยังสามารถทำงานผ่าน RS232 ได้อีกด้วย ส่วน Modbus TCP สามารถทำงานผ่านเครือข่าย Ethernet และเครือข่าย TCP/IP ซึ่งมักถูกนำมาใช้งานร่วมกับ PLC, ระบบ SCADA, คอมพิวเตอร์อุตสาหกรรม และเกตเวย์การสื่อสาร

ดังนั้นจึงมีความแม่นยำมากขึ้นในการอธิบาย RS485 เป็นวิธีการขนส่งทั่วไปสำหรับ Modbus RTU แทนที่จะอธิบาย Modbus ตัวเองเป็นโปรโตคอล RS485

7.IS HART จำนวนจำกัดเพียง 4-20mA?

HART แบบคลาสสิกมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับวงจรกระแสไฟฟ้าขนาด 4-20mA แต่ตระกูลเทคโนโลยี HART ได้ขยายขอบเขตออกไปจากระบบที่ใช้สายไฟในรูปแบบดั้งเดิม โดย Wireless HART ถูกนำมาใช้สำหรับการสื่อสารแบบไร้สายระหว่างอุปกรณ์ภาคสนาม ในขณะที่ HART-IP ช่วยให้สามารถส่งข้อมูล HART ผ่านเครือข่ายที่ใช้ IP ได้

อย่างไรก็ตาม ในระบบเครื่องมือวัดกระบวนการแบบดั้งเดิม มีการใช้คำว่า "HART transmitter"ยังคงนิยมมากที่สุดหมายถึงเครื่องส่งสัญญาณสมาร์ทที่รวมสัญญาณกระบวนการอนาล็อกที่4-20mA กับการสื่อสารแบบดิจิตอล HART

8.การใช้งานทั่วไปของการใช้งาน Modbus และ HART

Modbus

เป็นเทคโนโลยีที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายบริบท เช่น การตรวจสอบสิ่งแวดล้อม สถานีตรวจวัดสภาพอากาศ ระบบตรวจสอบคุณภาพน้ำ การตรวจสอบสภาพดิน การตรวจสอบระดับน้ำ การตรวจสอบอุปกรณ์ในภาคอุตสาหกรรม และการรวบรวมข้อมูลแบบกระจายตัว โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งในกรณีที่อุปกรณ์ดิจิทัลหลายเครื่องจำเป็นต้องเชื่อมต่อเข้ากับ PLC, RTU หรือเกตเวย์ IoT

HART Applications

ทั่วไปในอุตสาหกรรมกระบวนการโดยใช้สมาร์ทความดันแตกต่างความดันอุณหภูมิการไหลและระดับเครื่องส่งสัญญาณมันเหมาะสมเมื่อการควบคุมกระบวนการ 4-20mA จะต้องเก็บไว้ในขณะที่การกำหนดค่าดิจิตอลและข้อมูลการวินิจฉัยนอกจากนี้ยังจำเป็นต้องใช้

สถาปัตยกรรม Modbus ทั่วไปคือเซนเซอร์ →RS485 Modbus RTU → PLC/Rtu/iot GATEWAY.แบบทั่วไป HART สถาปัตยกรรมคือเครื่องส่งสัญญาณอัจฉริยะ → 4-20mA + HART → PLC/ดีซี/HART ระบบการจัดการโมเด็ม/สินทรัพย์

9.วิธีการเลือกระหว่าง Modbus และ HART

การเลือกโปรโตคอลควรเริ่มต้นจากสถาปัตยกรรมการควบคุมที่มีอยู่ในปัจจุบัน หากโครงการนั้นใช้ RS485 แล้ว หรือต้องการให้เซนเซอร์ดิจิทัลหลายตัวใช้เครือข่ายการสื่อสารร่วมกัน โปรโตคอล Modbus RTU มักสามารถบูรณาการได้อย่างง่ายดาย ในขณะที่หากโรงงานนั้นใช้วงจรควบคุมแบบ 4-20mA แล้ว และต้องการการกำหนดค่าอุปกรณ์รวมถึงการตรวจสอบสภาพของอุปกรณ์ โดยไม่ต้องเปลี่ยนแปลงโครงสร้างการควบคุมแบบอนาล็อก โปรโตคอล HART อาจเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมกว่า

คำถามที่พบบ่อย

คำถามที่ 1: Modbus และ RS485 เป็นโปรโตคอลเดียวกันหรือไม่?

A1: หมายเลข RS485 เป็นมาตรฐานการสื่อสารทางไฟฟ้าทางกายภาพในขณะที่ Modbus เป็นโปรโตคอลการสื่อสาร Modbus RTU มักใช้มากกว่า RS485 ซึ่งเป็นเหตุผลที่ทั้งสองคำมักปรากฏร่วมกัน Q2

Q2: IS HART หนึ่ง RS485 โปรโตคอล?

A2: ไม่ใช่ ระบบ HART แบบคลาสสิกใช้การสื่อสารดิจิทัลแบบ FSK ซึ่งถูกซ้อนทับไว้กับวงจรกระแสไฟฟ้า 4-20mA โดยไม่ได้อาศัยมาตรฐาน RS485\n

Q3: เครื่องส่งสัญญาณ HART ยังคงสามารถให้สัญญาณเอาต์พุต 4-20mA ได้หรือไม่?\n

A3: ได้ สัญญาณ 4-20mA โดยทั่วไปใช้สำหรับส่งต่อตัวแปรหลักของกระบวนการ ในขณะที่การสื่อสารดิจิทัลผ่าน HART จะให้ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการตั้งค่า สถานะ และการตรวจสอบระบบ

Q4: Modbus สามารถสื่อสารผ่านอีเธอร์เน็ตได้หรือไม่?

A4: ใช่ Modbus TCP ทำงานผ่านเครือข่าย Ethernet และ tcp/ip และใช้กันอย่างแพร่หลายในแอปพลิเคชัน PLC, SCADA และเกตเวย์อุตสาหกรรม

คำถามที่ 5: อุปกรณ์ Modbus หลายตัวสามารถใช้บัส RS485 ตัวเดียวร่วมกันได้หรือไม่?

คำตอบที่ 5: ได้ อุปกรณ์ที่มีที่อยู่ต่างกันสามารถใช้เครือข่าย Modbus RS485 ตัวเดียวร่วมกันได้ อย่างไรก็ตาม จำนวนอุปกรณ์ที่สามารถใช้งานได้จริงจะขึ้นอยู่กับภาระของทรานสซีวเวอร์ การออกแบบระบบสายไฟ ความยาวของสายเคเบิล อัตราบอด และสภาพแวดล้อมทางไฟฟ้า

คำถามที่ 6: HART สามารถส่งข้อมูลตัวแปรได้มากกว่าหนึ่งตัวได้หรือไม่?

A6: ใช่ สัญญาณ 4-20mA โดยทั่วไปแสดงถึงตัวแปรหลัก ในขณะที่การสื่อสารดิจิทัลแบบ HART สามารถให้ข้อมูลตัวแปรเพิ่มเติม สถานะของอุปกรณ์ ข้อมูลการตรวจสอบสภาพ และข้อมูลการกำหนดค่าได้อีกด้วย

Q7: Modbus หรือ HART ซึ่งมีความเร็วสูงกว่ากัน?

A7: HART แบบคลาสสิก (Classic HART FSK) ทำงานที่อัตรา 1200 bit/s ส่วน Modbus RTU สามารถใช้อัตราบาวด์แบบซีเรียลที่แตกต่างกันได้ ขณะที่ Modbus TCP ทำงานผ่านเครือข่าย Ethernetเทคโนโลยีทั้งสองมีวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกัน ดังนั้นความเร็วในการสื่อสารเพียงอย่างเดียวจึงไม่ควรถูกใช้เป็นเกณฑ์ในการเลือกโปรโตคอล

บทสรุป

Modbus และ HART เป็นเทคโนโลยีการสื่อสารในอุตสาหกรรมที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง แต่ถูกออกแบบมาสำหรับการประยุกต์ใช้งานที่แตกต่างกัน โดย Modbus มุ่งเน้นการแลกเปลี่ยนข้อมูลดิจิทัลระหว่างอุปกรณ์ในอุตสาหกรรม ซึ่งมักถูกนำมาใช้งานในรูปแบบ RS485 Modbus RTU หรือ Modbus TCP สำหรับเซนเซอร์, PLC, RTU, เครื่องบันทึกข้อมูล และเกตเวย์อุตสาหกรรม

HART ส่วนใหญ่จะใช้กับเครื่องมือกระบวนการอัจฉริยะเพิ่มการสื่อสารแบบดิจิตอลให้กับ4-20ทั่วไป mA สัญญาณช่วยให้สามารถควบคุมและระบบการจัดการสินทรัพย์เพื่อเข้าถึงค่ากระบวนการข้อมูลการกำหนดค่าสถานะอุปกรณ์และการวินิจฉัยโดยไม่ต้องถอดช่องสัญญาณการวัดแบบอะนาล็อก

ดังนั้นควรเลือกโปรโตคอลที่เหมาะสมตามระบบควบคุมที่มีอยู่การเดินสายไฟภาคสนามจำนวนอุปกรณ์ข้อมูลที่จำเป็นข้อกำหนดในการวินิจฉัยและการขยายในอนาคต METRAVON ผลิตภัณฑ์การวัดอุตสาหกรรมสามารถกำหนดค่าด้วยอินเทอร์เฟซเช่น 4-20mA และ RS485 Modbus ตาม PLC ความต้องการของระบบ DCS, RTU และ Data-Acquisition