Come gestire i dispositivi Modbus da WEB?

Modbus è un protocollo di comunicazione seriale creato nel 1979 da Modicon (azienda ora parte del gruppo Schneider Electric) per mettere in comunicazione i propri controllori logici programmabili (PLC).

È diventato uno standard de facto nella comunicazione di tipo industriale, ed attualmente è uno dei protocolli di connessione più diffusi al mondo fra i dispositivi elettronici industriali poichè è stato pubblicato apertamente e royalty-free ed è in grado di muovere raw bits e words senza porre molte restrizioni ai produttori.

Il protocollo Modbus può essere usato:

1. per connettere un sistema di supervisione (SCADA) con un'unità I/O remota in campo
2. per connettere due o più unità di I/O remote in campo con un PLC 

Da qualche anno, grazie sia al costo contenuto che alla scalabilità ed alla grande diffusione delle reti LAN nelle aziende e nelle industrie, il protocollo Modbus si è evoluto in Modbus TCP, permettendo così ai dispositivi Modbus di giovare di tutte le possibilità di interconnessione sia in locale che su internet offerte nativamente dal protocollo TCP/IP. Questa evoluzione oggi permette a chiunque di realizzare un moderno sistema di telecontrollo basato sulla tecnologia WEB accessibile da qualsiasi Tablet, Smartphone, PC e Mac.

Il WEB Server per i dispositivi Modbus TCP

Dalla grande diffusione dei dispositivi Modbus TCP e della tecnologia WEB, sono stati realizzati in tempi molto recenti dei sistemi di supervisione che consentono di visualizzare i valori di sensori, trasmessi dalle unità remote I/O dei dispositivi Modbus TCP in campo, su pagine WEB accessibili non solo dalla rete locale, ma anche tramite Internet, consentendo così all'operatore di intervenire anche da remoto sul funzionamento e correggere tempestivamente eventuali disservizi di un impianto con evidente risparmio di risorse e di tempo. Tali sistemi di supervisione vengono chiamati comunemente WEB Server Modbus.

Più comunemente con il temine Modbus WEB Server si intende un software interno o esterno ad un dispositivo Modbus che utilizza pagine HTML in grado di permettere all'operatore di gestire le caratteristiche di uno o più dispositivi Modbus e tutta una serie di funzioni specifiche; questo tipo di applicazione viene più comunemente chiamata anche SCADA in tecnologia WEB. 

La supervisione ed il monitoraggio continuo del funzionamento dei vari componenti, inoltre, permette di avvisare automaticamente l'operatore quando è il momento di eseguire manutenzioni preventive o straordinarie e sostituzioni di componenti generando importanti benefici economici e gestionali dell'impianto.

Le tecnologie di telecontrollo su rete IP dei dispositivi Modbus TCP rendono quindi possibile oggi gestire impianti e sensoristica tramite una comune rete informatica quindi ottimizzandone così anche  i costi di gestione dell'impianto; inoltre, i sistemi di telecontrollo che utilizzano una rete IP già intrinsicamente ampliano la possibilità di espandibilità futura dello stesso impianto e la possibilità di controllo remoto dello stesso e dei sensori tramite la rete Internet.

Un sistema di gestione dei dispositivi Modbus TCP è composto da:

1. una centralina di telecontrollo con a bordo il software Modbus WEB Server o da un software di telecontrollo con funzionalità Modbus WEB Server che assumerà, in gergo, il ruolo di unità Modbus TCP Master
2. una o più unità remote Modbus TCP che assumeranno, in gergo, il ruolo di unità Slave quali ad esempio: inverter, impianti HVAC, centrali antincendio, centrali antintrusione, unità I/O remote in campo alle quali sono collegati sensori analogici e/o digitali ed attuatori

Tutti i dispositivi Modbus TCP funzionano esattamente come un qualsiasi dispositivo informatico collegato ad una rete LAN (PC, stampante di rete, NAS...), ovvero hanno un indirizzo IP e possono essere facilmente gestiti anche da remoto configurando opportunamente delle regole sul router ADSL; quindi, grazie alla tecnologia di tramissione delle informazioni su cui è basata una rete IP, le applicazioni di telecontrollo infrangono i costi ed i confini di utilizzo dei sistemi di telecontrollo tradizionali basati su bus seriali e proprietari, aumentando gli ambiti delle possiibli applicazioni gestibili.

Nel caso di dispositivi Modbus RTU basati su bus seriali RS485 o RS232 è possiibile acquistare dei convertitori di protocollo Modbus RTU a Modbus TCP che permettono di interfacciare questi ultimi ai moderni sistemi Modbus WEB Server.

Scenari applicativi gestibili con le tecnologie di telecontrollo su IP

Le applicazioni gestibili con i sistemi di telecontrollo che utilizzano il protocollo Modbus TCP:

• Controllo dei carichi elettrici: un sistema di telecontrollo può gestire i carichi dei vari reparti o di vari stabilimenti di una stessa azienda, così come di edifici o esercizi commerciali di proprietà di uno stesso soggetto, consentendo un approccio incisivo nell'energy management ed il controllo della priorità dei carichi nel caso si verifichino dei picchi di carico su una linea elettrica.
• Viabilità ed illuminazione pubblica: con un sistema di telecontrollo è possibile gestire le segnalazioni luminose agli automobilisti in tempo reale, a seconda delle condizioni del traffico e la gestione dell'illuminazione pubblica e l'azionamento dei varchi alle ZTL urbane.
• Controllo del livelli degli inquinanti in diversi punti di una città: il sistema telecontrollo in questo caso è d'ausilio al monitoraggio delle emissioni inquinanti, all'elaborazione dei dati ed all'individuazione delle aree critiche.
• Building Automation: il sistema di telecontrollo rende un edificio "intelligente" ovvero, permette la gestione coordinata ed integrata degli impianti tecnologici (climatizzazione, distribuzione acqua, gas, fotovoltaico ed energia elettrica) migliorando il comfort, la sicurezza, il risparmio energetico degli immobili e quindi la qualità dell'abitare e del lavorare all'interno degli edifici.
• Domotica Ospedaliera: il telecontrollo in ambito sanitario è la soluzione ideale per le strutture sanitarie pubbliche e private che desiderino garantire ai degenti ed agli operatori la sicurezza degli ambienti tramite un controllo totale delle aree della struttura.
  Ad esempio è possibile gestire il controllo centralizzato del reparto, direttamente dalla sala-reception da un PC che consenta il monitoraggio di tutto l’impianto, attraverso il software di telecontrollo su IP che sfruttano le potenzialità del protocollo Modbus TCP.
  Oltre a poter gestire l’illuminazione e le motorizzazioni standard di un sistema domotico (tapparelle, tende, che di oscuranti per la notte), è possibile monitorare il tempo di permanenza in bagno del degente, gestire la chiamata di emergenza dal letto del paziente, gestire, tramite appositi sensori, la presenza sul letto del paziente ed altri aspetti che garantiscono la sicurezza del degente segnalando in tempo reale eventuali criticità agli operatori.
  
• Telegestione impianti speciali: l'utilizzo di un sistema di telecontrollo su IP e del protocollo Modbus TCP è anche ideale per poter monitorare ed aggregare molteplici impianti singoli, compatibili con il protocollo Modbus TCP (sistemi d'allarme, antincendio, HVAC....), in un solo sistema grafico di supervisione da WEB consentendo sia di gestire tutti gli allarmi provenienti dai singoli impianti che eventualmente di intervenire impostando dei valori sui parametri tecnici degli impianti gestiti.
  
• Monitoraggio Temperature di celle frigorifere: la criticità di questo tipo di settore, sia nel campo farmaceutico che alimentare, trae innumerevoli vantaggi dall'utilizzo di sistemi di telecontrollo e supervisione da WEB compatibili con il protocollo Modbus TCP in quanto fornisce agli operatori del settore strumenti diagnostici e di prevenzione automatici che permettono di intervenire in tempo in caso di malfunzionamenti o guasti a celle frigorifere.

Come funziona?

Semplice, basta configurare sul software di telecontrollo su IP compatibile con il protocollo Modbus TCP o sulla centralina che fungerà da Modbus TCP WEB Server, le quali avranno il ruolo di unità Master, tutti i registri dei dispositivi Modbus TCP, con il ruolo di unità Slave, da interfacciare e controllare; in un'architettura di rete Client/Server il Master è un Client, mentre le unità Slave sono dei Server poichè forniscono di dati dei loro registri al sistema di telecontrollo.

Le impostazioni avanzate si riferiscono invece ad uno o più parametri da gestire di ogni dispositivo Modbus TCP Slave da controllare e sono:

1. il tipo di parametro da controllare (analogico, digitale)
2. la modalità di accesso al parametro da controllare (solo lettura, lettura e scrittura, solo scrittura)
3. la funzione FC, definita dal protocollo Modbus, da utilizzare per accedere sia in lettura che in scrittura al parametro da controllare (FC1, FC2, FC3, FC4, FC5, FC6, FC15 ed FC16)
4. l'indirizzo di memoria del dispositivo Modbus TCP in cui si trova il valore del parametro da controllare
5. il tipo di dato atteso del valore del parametro da controllare (intero, intero senza segno, virgola mobile, stringa di testo)
6. il riferimento elettrico del parametro da controllare (senza riferimento, 0-10DVC, 0-5VDC, 4-20mA, 0-20mA)
7. il coefficente di moltiplicazione del valore del parametro da gestire

Tutti i suddetti parametri sono sempre descritti in modo puntuale in ogni manuale che accompagna ogni dispositivo Modbus TCP di ogni produttore da interfacciare e controllare.

Vantaggi del protocollo Modbus TCP

Sitenticamente segue un breve elenco dei principali vantaggi del protocollo Modbus TCP:

• si tratta di un protocollo ormai collaudato, che è disponibile in pratica per tutte le apparecchiature professionali di telecontrollo in commercio
• la velocità di trasmissione passa dai tipici 19.2 Kbit/s ai 10 Mbit/s, garantendo risposte in pochi millisecondi
• al contrario del protocollo Modbus su linea seriale RS485 o RS232, con il protocollo Modbus TCP si può gestire una rete di strumenti con più MASTER che colloquiano contemporaneamente com più SLAVE
• è estremamente semplice inserire strumenti Modbus su linee seriali tradizionali direttamente su rete Ethernet TCP/IP con semplici convertitori di segnale chiamati Gateway Modbus
• la rete Ethernet TCP/IP può diventare fisicamente illimitata (ad esempio coprire l'intero pianeta, vedi Internet), questo permette di gestire dispositivi Modbus TCP distribuiti su un intero territorio 
• alla rete TCP/IP si possono collegare decine di migliaia di dispositivi Modbus TCP e non solo 255 come in quella seriale, portando il numero degli I/O ad un valore praticamente illimitato

Le applicazioni gestibili con il protcollo Modbus TCP sono molteplici e solo alcuni dei possibili impieghi della tecnologia del telecontrollo su rete IP; i flessibili strumenti di telecontrollo e supervisione che ingNET ha sviluppato nel corso degli anni permettono di gestire in maniera molto semplificata ed intuitiva da WEB tutte le possibili applicazioni di telecontrollo, riducendo al minimo i costi di realizzazione e di gestione dell'infrastruttura di telecontrollo.

ingNET ha ingegnerizzato la propria soluzione hardware e software di monitoraggio e telecontrollo su rete IP che permette una gestione integrata ed omogenea di impianti e dispositivi che utilizzano nativamente il protocollo Modbus TCP su sinottici WEB realizzati dall'utente senza richiedere alcuna conoscenza del linguaggio HTML.

La connessione con i sensori in campo o con gli altri impianti, collegati alla rete LAN e/o in una rete remota, viene gestita dal protocollo Modbus TCP integrato nei prodotti iCare e PADI SMARTi; tutti i dati acquisiti dai dispositivi Modbus TCP Slave vengono gestiti in maniera omogenea dai sistemi iCare e PADI SMARTi; ciò rende possibile anche la gestione di eventuali automatismi ed alert sugli allarmi rilevati.

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