Modbus TCP: Das Ethernet-Protokoll für die Industrie
Modbus TCP/IP ist die 1999 standardisierte Ethernet-Variante des Modbus-Protokolls. Es behält das Master/Slave-Modell und die Registerstruktur (Holding, Input, Coil, Discrete Input) von Modbus RTU bei, überträgt diese jedoch über den TCP/IP-Port 502. Das Ergebnis: Modbus TCP lässt sich nahtlos in die IT-Netzwerke von Unternehmen integrieren und ist gleichzeitig mit dem bestehenden Modbus-Ökosystem kompatibel.
Seine Vorteile gegenüber Modbus RTU:
- Geschwindigkeit: 100 Mbit/s gegenüber maximal 115 kbps bei RS485
- Freie Topologie: keine Begrenzung auf 32 Knoten an einem linearen Bus
- Multi-Master: Mehrere Clients können denselben Slave abfragen
- Reichweite: Standard-Ethernet bis zu 100 m, Glasfaser für große Entfernungen
Verbindungsarchitektur Modbus TCP → Cloud
Das Gateway fungiert gegenüber den lokalen Geräten als Modbus-TCP-Client (Master) und gegenüber der Cloud als MQTT-Client. Es ist zwischen dem OT-Netzwerk und dem Cloud-Netzwerk geschaltet.
| Ebene | Ausrüstung / Protokoll |
|---|---|
| Feld (Geräte) | Steuerungen, Frequenzumrichter, Zähler mit Ethernet-Anschluss |
| Industrielles LAN | Ethernet-Switch, OT-VLAN |
| Gateway | Eziwan Gateway (Modbus-TCP-Client + MQTT-Client) |
| Cloud-Übertragung | MQTT über TLS 1.3 / 4G LTE oder Ethernet-WAN |
| Cloud | AWS IoT Core, Azure IoT Hub, Eziwan Cloud |
| Anwendung | Dashboard, Warnmeldungen, REST-API, Berichterstellung |
Auslesen von Modbus-TCP-Registern: Unterstützte Datentypen
Das Gateway fragt alle in der Norm definierten Arten von Modbus-TCP-Registern ab:
16-Bit-Register:
- Holding-Register (FC03) – Lesen/Schreiben, Prozesswerte (Sollwerte, Parameter)
- Eingangsregister (FC04) – nur Lesen, Echtzeitmesswerte (Strom, Spannung, Durchfluss)
Diskrete Bits:
- Spulen (FC01/FC05) – Lesen/Schreiben, Logikausgänge (Relais, Steuerungen)
- Diskrete Eingänge (FC02) – nur Lesen, Logikeingänge (Zustände, Fehler)
Kodierte Datentypen:
- INT16, UINT16 (1 Register)
- INT32, UINT32, FLOAT32 IEEE 754 (2 Register, Big Endian oder Little Endian)
- INT64, DOUBLE (4 Register)
- ASCII-Zeichenkette
MQTT-Übertragung an AWS IoT, Azure IoT Hub oder Eziwan
Sobald die Register ausgelesen wurden, veröffentlicht das Gateway die Messwerte beim Ziel-MQTT-Broker. Die drei wichtigsten Plattformen werden unterstützt:
AWS IoT Core
- Verbindung über MQTT über TLS, Port 8883
- Authentifizierung über ein AWS-x509-Zertifikat
- IoT-Regeln für DynamoDB, S3, Lambda oder QuickSight
Azure IoT Hub
- Verbindung über AMQP oder MQTT TLS
- Device Twin für die Fernkonfiguration
- Stream Analytics für die Echtzeitverarbeitung
Eziwan Cloud
- Zero-Touch-Konfiguration, keine Infrastrukturverwaltung erforderlich
- Vorkonfiguriertes Dashboard mit Industrieeinheiten
- SMS-/E-Mail-Benachrichtigungen in weniger als 30 Sekunden
Abfrage und Optimierung der Erfassungsfrequenz
Die Wahl der Abfragefrequenz wirkt sich sowohl auf die Aktualität der Daten als auch auf den Mobilfunkdatenverbrauch aus.
| Messart | Empfohlene Messfrequenz |
|---|---|
| Elektrische Größen (P, Q, I, U) | 1 bis 10 s |
| Prozesstemperaturen | 30 s bis 5 min |
| Füllstände, Durchflussmengen | 1 bis 5 min |
| Diskrete Zustände (Alarme) | 1 bis 5 s |
| Zähler (Energie, Volumen) | 5 bis 15 min |
Das Gateway kann auch im on-change-Modus konfiguriert werden: Ein Wert wird nur dann übertragen, wenn er sich um einen konfigurierbaren Wert (Deadband) ändert, wodurch das Datenvolumen erheblich reduziert wird.
standortübergreifende Überwachung: die zentralisierte Architektur
Bei einem Verbund aus mehreren Industriestandorten wiederholt sich dieselbe Architektur:
- Ein Gateway pro Standort, wobei jedes seine lokalen Modbus-TCP-Geräte abfragt
- Alle Gateways senden Daten an denselben MQTT-Cloud-Broker (oder an standortbezogene Themen)
- Eine einzige Überwachungsoberfläche bündelt alle Standorte
- Die Warnmeldungen werden global konfiguriert und lassen sich standortbezogen eskalieren
Diese zentralisierte Architektur mit lokalen Gateways ist der Standard für die industrielle Fernüberwachung an mehreren Standorten.