RS-485-Abschluss und Bias-Widerstände prüfen

Prüfen Sie bei einer Modbus-RS-485-Verbindung mit Zwei- oder Vierdrahtverdrahtung, wo Abschluss- und Bias-Widerstände hingehören.

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Verdrahtung
Verdrahtung
Gemeinsamer Bezugsleiter
Eingebaute Widerstände

Zählen Sie alle eingeschalteten Abschlüsse mit, auch die in Geräten eingebauten

Vierdraht-RS-485

2 Punkte zu beheben

  • Prüfen: AbschlusswiderständeBringen Sie Abschlusswiderstände an beiden Enden jedes Adernpaars an, aber nicht dazwischen.2 von 4
  • Nicht erfüllt: Ruhespannung (Polarisation)Polarisieren Sie den Bus nur an einer Stelle. Schalten Sie die zusätzlichen Bias-Widerstände aus.2 Stellen
  • In Ordnung: SignalbezugspotenzialEin gemeinsamer Bezugsleiter verläuft mit dem Adernpaar

Diese Prüfungen folgen dem Leitfaden für serielle Modbus-Leitungen. Den Gerätehandbüchern entnehmen Sie, ob Abschlusswiderstände und Bias-Widerstände eingebaut oder schaltbar sind.

So wird es berechnet

2-wire trunk two end terminations4-wire trunk two terminations per balanced pairPolarization one location when required

Vor der Inbetriebnahme beheben: 2 Abschlusswiderstände statt 4, je einer an beiden Enden jedes Adernpaars; Polarisation an 2 Stellen statt an einer.

Tipp: Bei vielen Zählern ist der Abschluss ab Werk eingeschaltet. Bei einem Bus mit zehn Zählern bleibt er nur beim Zähler am fernen Ende eingeschaltet.

So funktionieren RS-485-Abschluss und Bias

Ein Modbus-RS-485-Bus benötigt an jedem Ende der Hauptleitung genau einen Abschlusswiderstand und sonst keinen, Bias an höchstens einer Stelle sowie einen gemeinsam mit dem Adernpaar geführten Common-Leiter. Wird eine dieser Regeln verletzt, treten häufig CRC-Fehler und Zeitüberschreitungen auf, die von Busverkehr, Leitungslänge oder Zahl der abgefragten Geräte abhängen. Auf Anlagen ist eine Reihe von Zählern, deren Abschlüsse jeweils ab Werk eingeschaltet waren, eine häufige Ursache.

Der Prüfer vergleicht einen Bus mit der Modbus over Serial Line Specification and Implementation Guide V1.02 (Modbus Organization, 2006), im Folgenden Leitfaden genannt.

Abschluss

Zweidraht: 2 Abschlüsse; Vierdraht: 2 je Adernpaar, insgesamt 4

Ein Abschluss passt das Leitungsende an den Wellenwiderstand des Kabels an. So wird das Signal dort absorbiert und nicht in die Leitung zurückreflektiert. Der Leitfaden sieht je einen Abschluss nahe beiden Enden der Hauptleitung vor, erlaubt höchstens zwei an einem Adernpaar und keinen an einer Abzweigleitung. Verwenden Sie einen Widerstand mit 150 Ω und 0,5 W oder, wenn das Adernpaar auch vorgespannt wird, 120 Ω (0,25 W) in Reihe mit 1 nF (mindestens 10 V).

Bias (Polarisation)

Höchstens 1 Stelle; Pull-up nach 5 V an D1, Pull-down nach Common an D0, jeweils 450 Ω bis 650 Ω

Ist kein Sender aktiv, kann das Adernpaar schweben und Rauschen wie ein Startbit wirken. Falls ein Gerät einen definierten Ruhezustand benötigt, genügt dafür ein Widerstandspaar am gesamten Bus, üblicherweise beim Master. Bei allen anderen Geräten muss Bias ausgeschaltet sein. Der Leitfaden erlaubt 32 Geräte ohne Repeater am Bus, bei aktivem Bias vier weniger.

Gemeinsamer Signalleiter (Common)

D0, D1 und Common

Der Leitfaden definiert für Zweidraht-Modbus drei Stromkreise: D0, D1 und Common. Der gemeinsame Signalleiter hält alle Transceiver innerhalb des EIA-485-Gleichtaktbereichs von −7 V bis +12 V. Ohne ihn kann der Erdpotenzialunterschied zwischen zwei Schaltschränken einen Empfänger aus diesem Bereich treiben. Verbinden Sie Common nur an einer Stelle mit dem Schutzleiter, im Allgemeinen beim Master. Eine Verbindung an jedem Schaltschrank lässt Erdschleifenstrom fließen.

Der Leitfaden begrenzt die Hauptleitung bei 9.600 Baud mit AWG26 oder stärkerer Leitung auf 1.000 m. Wird ein Vierdrahtkabel als Zweidrahtbus verwendet, halbiert sich diese Länge. Kategorie-5-Kabel eignet sich für 600 m. Jede Abzweigung muss kürzer als 20 m sein; bei einem Mehrfachabzweig mit n Zweigen ist jeder Zweig auf 40 m ÷ n begrenzt. Längere Strecken, höhere Baudraten und mehr Geräte sind mit geeigneter Leitung und passenden Transceivern möglich, benötigen aber eine Netzwerkauslegung statt einer Checkliste.

Beispiele für RS-485-Verdrahtung

Zehn Zähler mit jeweils eingeschaltetem Abschluss

Zehn Energiezähler nutzen dasselbe Adernpaar; bei jedem ist der 120-Ω-Abschluss eingeschaltet. Zehn parallel geschaltete 120-Ω-Widerstände ergeben 12 Ω über der Leitung. EIA-485-Treiber sind für 54 Ω spezifiziert; dadurch bricht die Differenzspannung ein und Antworten fallen unregelmäßig aus. Bias und Common sind korrekt, also ist eine Sache zu beheben: Schalten Sie den Abschluss bei neun Zählern aus und lassen Sie ihn beim Zähler am fernen Ende der Hauptleitung eingeschaltet. Schließen Sie das nahe Ende beim Master ab.

Zweidraht-RS-485 1 Punkt zu beheben Im Rechner öffnen

Vierdrahtbus mit Bias an zwei Stellen

Ein Vierdrahtbus hat zwei Adernpaare, eines vom Master zu den Geräten und eines zurück. Jedes Paar benötigt an beiden Enden einen Abschluss, insgesamt also vier. Hier sitzt an jedem Paar ein Abschluss beim Master; Bias ist sowohl beim Master als auch bei einem Zähler eingeschaltet. Damit sind zwei Dinge zu beheben: Die zwei Abschlüsse am fernen Ende fehlen, und es gibt eine Bias-Stelle zu viel. Schließen Sie beide Paare am fernen Ende ab und schalten Sie Bias beim Zähler aus.

Vierdraht-RS-485 2 Punkte zu beheben Im Rechner öffnen

Richtig verdrahteter Zweidrahtbus

Ein Abschluss an jedem Ende des Adernpaars, Bias nur beim Master und ein Common-Leiter im Kabel: Alle drei Verdrahtungsprüfungen bestehen. Wenn der Bus dennoch Fehler protokolliert, prüfen Sie als Nächstes die Polarität jedes Geräts, dann Kabeltyp und Abzweiglängen.

Zweidraht-RS-485 Verdrahtungsprüfungen bestanden Im Rechner öffnen

Benötigte RS-485-Abschlüsse je Bus

Ergebnis des Prüfers für jede Zahl eingeschalteter Abschlüsse an einem Zweidraht- und einem Vierdrahtbus.

Eingeschaltete AbschlüsseZweidrahtVierdraht
02 fehlen4 fehlen
11 fehlen3 fehlen
2Richtig2 fehlen
31 zu viel1 fehlen
42 zu vielRichtig
64 zu viel2 zu viel

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Fragen zu RS-485-Abschluss und Bias

Benötigt ein kurzer RS-485-Bus einen Abschluss?

Ein kurzer Bus funktioniert oft ohne Abschluss, weil Reflexionen abklingen, bevor der Empfänger das Bit abtastet. Der Leitfaden verlangt dennoch Abschlüsse an beiden Enden; der Aufwand ist gering. Zwei 150-Ω-Abschlüsse an einem Bus mit 650-Ω-Bias-Widerständen ziehen etwa 3,6 mA aus der 5-V-Bias-Versorgung und ergeben ungefähr 0,27 V am ruhenden Adernpaar. Das liegt über der EIA-485-Empfängerschwelle von 200 mV. Ein Abschluss aus 120 Ω und 1 nF zieht überhaupt keinen Gleichstrom.

Wo gehört der Abschluss hin?

An die beiden physischen Enden der Hauptleitung. Das sind nicht immer der Master und das Gerät mit der höchsten Adresse. Sitzt der Master in der Mitte einer Leitung, benötigt er keinen Abschluss; die Geräte an den beiden Kabelenden dagegen schon. Verfolgen Sie den Leitungsverlauf, bevor Sie Schalter einstellen, und schließen Sie niemals eine Abzweigung ab.

Warum verursacht zu viel Bias Probleme?

Der Leitfaden zählt eine Bias-Stelle als Last von vier Geräten. Drei Zähler mit eingeschaltetem Bias belegen damit ungefähr 12 der 32 Gerätelasten am Bus. Die Treiber liefern dann eine geringere Differenzspannung; meist antworten die Geräte am fernen Leitungsende zuerst nicht mehr.

Sind 120 Ω oder 150 Ω richtig?

Beides ist zulässig. Der Leitfaden nennt 150 Ω mit 0,5 W für einen einfachen Widerstand sowie 120 Ω in Reihe mit 1 nF, wenn das Adernpaar zusätzlich vorgespannt wird. Der Kondensator verhindert, dass Bias-Gleichstrom durch den Abschluss fließt; die Ruhespannung bleibt damit deutlich oberhalb der Empfängerschwelle. Ein verdrilltes Datenadernpaar hat meist etwa 120 Ω Wellenwiderstand, und viele Zähler mit eingebautem Abschluss verwenden 120 Ω. Verwenden Sie die vom Gerät angebotene Lösung gemäß seinem Handbuch.

Warum antwortet ein Gerät nicht, während die anderen antworten?

Eine vertauschte Polarität ist eine häufige Ursache. Der Leitfaden bezeichnet die Leitungen als D0 und D1: D0 ist die EIA-485-A-Leitung, D1 die B-Leitung; im Ruhezustand ist D1 positiver. Viele Geräte- und Transceiver-Hersteller kennzeichnen stattdessen die positive Leitung mit A. Ein Gerät, bei dem A mit A verbunden wurde, kann daher verpolt sein. Das verpolte Gerät antwortet nicht, während die anderen weiterarbeiten. Tauschen Sie seine beiden Adern und bezeichnen Sie das Paar in den Plänen mit D0 und D1.

Grenzen dieses Ergebnisses

  • Diese Prüfung bemisst keine Widerstände und ersetzt nicht die Anweisungen der Gerätehersteller.
  • Abzweiglängen, Repeater, galvanische Trennung, Erdung und Überspannungsschutz müssen gesondert ausgelegt werden.
  • Bestandene Prüfungen belegen keinen fehlerfreien Bus. Prüfen Sie bei der Inbetriebnahme die Fehlerzähler.

Kontinuierlich messen

Ein ZMB liest Modbus-RTU-Geräte über seine eigene kurze RS-485-Leitung und überträgt die Register per Funk-Mesh. Dadurch muss keine lange Busleitung zurück zum Schaltschrank geführt werden. Die Industrial-Version des ZGW-20-Gateways nimmt eine I/O-Platine mit RS-485-Anschluss für direkt verdrahtete Modbus-Geräte auf.

Verwandte Leitfäden

Quellen

  1. Modbus Serial Line Protocol and Implementation Guide (öffnet in einem neuen Tab) (PDF) Modbus Organization, V1.02, 2006-12-20