RS-485-Verdrahtung: Kabel, Abschluss und Bias

Ein RS-485-Bus für Modbus RTU besteht aus einem durchgehenden verdrillten Leiterpaar von Gerät zu Gerät, einem Abschluss an jedem physischen Ende und Bias an genau einer Stelle, falls nötig. Die meisten RS-485-Fehler entstehen durch Verstöße gegen diese Regeln: sternförmige Abzweige, ein dritter Abschluss, Bias an zwei Geräten oder vertauschte Leiter. Dieser Leitfaden erklärt jede Regel und die Prüfung der installierten Anlage.

Dieser Leitfaden gehört zur Reihe über Modbus und RS-485. Der Vergleich von RS-485 und Modbus erläutert, was die beiden Begriffe jeweils definieren. Die protokollspezifischen Werte stammen aus dem Modbus-Leitfaden für serielle Leitungen. Vergleichen Sie sie immer mit den Anweisungen für die genauen Geräte.

Einen durchgehenden Leitungstrang verdrahten

Führen Sie ein Kabel vom ersten bis zum letzten Gerät und schließen Sie die weiteren Geräte entlang des Kabels an. Verzweigen Sie den Bus nicht sternförmig.

Wischen Sie, um die gesamte Zeichnung zu sehen

Jede Verbindung vom Strang zum Gerät ist eine Stichleitung (im Modbus-Leitfaden „derivation“). Halten Sie sie so kurz, wie die Klemmen es erlauben. Der Leitfaden begrenzt eine einzelne Stichleitung auf 20 m und bei einem Mehrfachabzweig die Länge auf 40 m geteilt durch die Zahl der Stichleitungen. Ein langer Abzweig zu einem entfernten Zähler ist ein zweiter Leitungstrang und braucht einen Repeater.

Zeichnen Sie den Bus im eingebauten Zustand: Kabelweg, Länge jedes Abschnitts, alle Geräte, Verbindungsstellen und Repeater. Der Master muss nicht an einem Ende sitzen. Ein Controller in einem mittleren Schaltschrank liegt in der Mitte des Strangs.

Beide Enden abschließen und nur diese

Ein Abschluss verhindert Reflexionen am Leitungsende. Er liegt zwischen den beiden Signalleitern an jedem physischen Ende des Strangs. Der Modbus-Leitfaden verlangt einen Abschluss nahe jedem Ende und erlaubt höchstens zwei an einem Leiterpaar. Einen Abschluss an einer Stichleitung untersagt er ebenfalls.

Der Widerstand sollte zur charakteristischen Impedanz des Kabels passen, bei verdrilltem RS-485-Leiterpaar meist 120 Ω. Der Modbus-Leitfaden nennt zwei Varianten:

• einen Widerstand von 150 Ω und 0,5 W; oder
• einen Widerstand von 120 Ω und 0,25 W in Reihe mit einem Kondensator von 1 nF. Diese Variante ist bei Bus-Bias vorzuziehen.

Viele Zähler und Schnittstellen haben einen eingebauten Abschluss, der per Schalter oder Steckbrücke aktiviert wird. Zählen Sie alle eingeschalteten Abschlüsse. Sie liegen parallel; jeder zusätzliche senkt die Lastimpedanz für die Treiber:

Der Prüfer für RS-485-Abschluss und Bias erkennt Widersprüche wie drei Abschlüsse oder Bias an zwei Stellen:

Bias an einer Stelle, wenn ein Gerät ihn braucht

Wenn kein Gerät sendet, treibt niemand den Bus. Ein Empfänger kann Rauschen dann als Daten deuten. Bias, im Modbus-Leitfaden „polarisation“, hält den ruhenden Bus in einem definierten Zustand: ein Pull-up-Widerstand von D1 nach 5 V und ein Pull-down-Widerstand von D0 zum gemeinsamen Leiter. Der Modbus-Leitfaden gibt folgende Regeln vor:

• Aus der Dokumentation jedes Geräts muss hervorgehen, ob es Bias benötigt oder bereitstellt;
• benötigt mindestens ein Gerät Bias, setzen Sie genau ein Widerstandspaar von 450 bis 650 Ω an einer Stelle des ganzen Busses, meist am Master;
• kein weiteres Gerät darf Bias anlegen;
• mit Bias sinkt die zulässige Gerätezahl auf dem Bus um vier.

Viele moderne Transceiver sind „failsafe“ und erkennen einen ruhenden Bus auch ohne Bias richtig. Prüfen Sie die Gerätedokumentation, statt Bias routinemäßig hinzuzufügen.

Warum Abschluss und Bias zusammenhängen

Ein Empfänger benötigt mindestens 200 mV zwischen den Signalleitern für einen definierten Zustand. Bias erzeugt diese Spannung über einen Spannungsteiler mit den Abschlüssen. Bei ruhendem Bus, 5-V-Bias-Versorgung und 650-Ω-Widerständen gilt:

Mit einfachen 120-Ω-Abschlüssen bleibt über den erforderlichen 200 mV kaum Reserve, noch bevor Toleranzen oder Rauschen hinzukommen. Deshalb bevorzugt der Modbus-Leitfaden am Bus mit Bias die Kondensatorvariante: Der Kondensator sperrt den Gleichstrom des Bias, während der Widerstand schnelle Signalflanken weiterhin abschließt. Diese Zahlen berücksichtigen Empfänger, Kabel und Bauteiltoleranzen nicht. Sie erklären die Auslegung, sind aber kein Abnahmenachweis für den Bus.

Polarität, gemeinsamer Leiter und Schirm

A und B werden nicht einheitlich verwendet. Der Modbus-Leitfaden nennt die Leiter D0 und D1 und ordnet sie den RS-485-Klemmen A/A' und B/B' zu. Hersteller halten sich nicht durchgängig daran. Manche beschriften A/B umgekehrt, andere verwenden D+/D−, 485+/485− oder TX+/TX−. Entscheidend ist die Signaldefinition im Handbuch jedes Geräts, nicht der Buchstabe an der Klemme. Der Modbus-Leitfaden empfiehlt Gelb für D1, Braun für D0 und Grau für den gemeinsamen Leiter.

Gemeinsamen Leiter anschließen. RS-485 ist differenziell, doch die Leiterspannungen müssen innerhalb des zulässigen Gleichtaktbereichs der Empfänger bleiben. Der Modbus-Leitfaden sieht einen gemeinsamen Leiter vor, der nur an einer Stelle, üblicherweise am Master, mit Schutzleiter verbunden wird. Bei galvanisch getrennten Schnittstellen kann die Auslegung anders sein. Befolgen Sie Gerätedokumentation und Erdungskonzept des Standorts.

Schirm separat behandeln. Schirm, Signalbezug und Schutzleiter haben unterschiedliche Aufgaben. Verbinden Sie sie nicht ohne Auslegung miteinander.

RS485-Kabel auswählen

Der Modbus-Leitfaden für serielle Leitungen stellt für das Kabel folgende Regeln auf:

• Verwenden Sie geschirmtes Kabel und verbinden Sie den Schirm an einem Ende jedes Kabels mit dem Schutzleiter.
• Verwenden Sie ein symmetrisches verdrilltes Leiterpaar für D0 und D1 und einen dritten Leiter als gemeinsamen Leiter. Ein Vierdrahtbus braucht ein zweites Paar.
• AWG 24 (etwa 0,2 mm²) ist für Modbus-Daten über die vollen 1.000 m immer ausreichend.
• Bevorzugen Sie eine charakteristische Impedanz über 100 Ω, besonders ab 19.200 Baud.

Ein geschirmtes RS-485-Kabel mit 1,5 oder 2 Paaren erfüllt alle vier Regeln. Sein Paar führt die Daten, der zusätzliche Leiter oder das zweite Paar den gemeinsamen Leiter. Seine Impedanz beträgt meist 120 Ω und passt damit zu den oben beschriebenen 120-Ω-Abschlüssen.

Kabel der Kategorie 5 und 6

Der Modbus-Leitfaden erlaubt Kabel der Kategorie 5 bis 600 m. Seine charakteristische Impedanz beträgt 100 Ω und erreicht damit nicht den höheren Wert, den der Leitfaden ab 19.200 Baud bevorzugt. Kategorie 6 hat dieselbe Nennimpedanz. Der Leitfaden erwähnt sie nicht, wenden Sie daher dieselbe Grenze von 600 m an.

• Legen Sie D0 und D1 auf die beiden Leiter eines verdrillten Paars. Verwenden Sie nie je einen Leiter aus zwei verschiedenen Paaren: Das Paar verliert sonst seine Störunterdrückung.
• Verwenden Sie einen Leiter eines anderen Paars als gemeinsamen Leiter.
• Die meisten Netzwerkkabel sind ungeschirmt (U/UTP). Der Leitfaden verlangt einen Schirm, wählen Sie daher eine geschirmte Ausführung wie F/UTP.
• Folgen Sie bei RJ45-Steckern der Pinbelegung des Geräts. Der Leitfaden warnt, dass ein gekreuztes Kabel an einem Zweidrahtbus Schäden verursachen kann.

RS-485-Pinbelegung: RJ45, 9-poliger D-Sub und Klemmen

RS-485 selbst legt keinen Steckverbinder fest. Die meisten Zähler und Regler haben Schraubklemmen. Hat ein Modbus-Gerät eine RJ45- oder eine 9-polige D-Sub-Buchse, legt der Modbus-Leitfaden für serielle Leitungen die Pinbelegung fest:

Viele Geräte halten sich nicht daran. RJ45-Buchsen an Wechselrichtern, Umrichtern und SPS nutzen oft andere Pins, und manche D-Sub-Buchsen verwenden die Pins 3 und 8 nach der Profibus-Konvention. Prüfen Sie jedes Handbuch, bevor Sie ein Kabel konfektionieren, und stecken Sie ein RS-485-Kabel mit RJ45 nie in einen Ethernet-Switch.

Zweidraht oder Vierdraht

Die meisten Zähler und Controller verwenden Zweidraht-RS-485. Ein Paar überträgt Daten in beide Richtungen, und jeweils nur ein Gerät sendet (Halbduplex). Vierdraht-RS-485 nutzt für jede Richtung ein eigenes Paar (TXD und RXD) und ist im Modbus-Leitfaden optional. Auch dann arbeitet Modbus mit jeweils einer Anfrage und einer Antwort, vier Drähte bringen daher kaum Geschwindigkeit.

Um Zweidrahtgeräte an ein bestehendes Vierdrahtsystem anzuschließen, verbindet der Leitfaden TXD0 mit RXD0 zu D0 und TXD1 mit RXD1 zu D1. Ein so als Zweidrahtbus genutztes Vierdrahtkabel erlaubt nur die halbe Länge des Leitungstrangs. Unterstützt ein Gerät beide Modi, wählt ein Schalter oder eine Einstellung einen davon aus. Prüfen Sie, ob alle Geräte am Bus denselben Modus verwenden.

Kabellänge, Geräte und Baudrate

Höhere Baudraten, mehr Geräte und schlechteres Kabel verkürzen die mögliche Länge. Der TI-Leitfaden zur RS-485-Auslegung erklärt, wie Kabelkapazität und Anstiegszeit des Signals die praktische Grenze bestimmen.

Ein elektrisch korrekter Bus kann dennoch zu langsam sein. Der Rechner für Modbus-RTU-Zeitbedarf zeigt die Dauer eines Abfragezyklus. Eine höhere Baudrate verkürzt die Übertragungszeit, nicht die Antwortzeit jedes Geräts; ein ausgefallenes Gerät kann jeden Zyklus um einen vollen Timeout verlängern.

Symptome und wahrscheinliche Ursachen

Ändern Sie jeweils nur eine Sache und dokumentieren Sie die Änderung. Der Leitfaden zur Modbus-Fehlersuche behandelt die Protokollfehler.

Kurzer Bus mit einem ZMB

Ein ZMB Modbus Interface sitzt neben dem auszulesenden Gerät und sendet die Registerwerte über das Zigbee-Mesh an das Gateway. Das RS-485-Kabel verläuft so nur wenige Meter innerhalb einer Verteilung statt durch das ganze Gebäude; das ZMB ist der Master an einem Ende dieses kurzen Strangs. Der Leitfaden zur Modbus-RS-485-Inbetriebnahme enthält die vollständige Prüffolge.