Modbus / KNX im Vergleich
Modbus und KNX haben grundverschiedene Wurzeln. Über die Zeit haben sich ihre Einsatzmöglichkeiten angeglichen. Sie sind dann effizient, wenn sie ihrer Bestimmung entsprechend eingesetzt werden.
Modbus / SPS
Modbus ist ein gesicherte Kommunikation eines Masters mit seiner Peripherie.
KNX
KNX übermittelt Ereignisse und überlässt es den Empfängern darauf zu reagieren
Das Anwendungsprogramm der SPS verbindet Ein- und Ausgänge über frei programmierbare Funktionen.
Eine solche Funktion für eine Beleuchtung beispielsweise definiert das Verhalten der Taster (Ein/Aus, Heller/Dunkler, LED Rückmeldung) sowie die Ansteuerung der Leuchten (Helligkeit, Regelung, Automatische Abschaltung).
Eine einzelne Anpassung dieser Funktion erweitert das Verhalten aller Taster und Leuchten die darüber verknüpft sind.
Alle Zustände und Werte sämtlicher Eingangs- und Ausgangsmodule stehen allen Funktionen zur Verknüpfung zur Verfügung.
Im KNX-System ist die Funktion durch die beteiligten Geräte definiert. Bei der Konfiguration werden die Einstellungen für jeden einzelnen Taster und Aktor sowie die Beziehung zwischen ihnen festgelegt und in den betreffenden Geräten gespeichert.
Die Gerät definieren die Funktionalität. Nur Funktionen welche die beteiligten Geräte mitbringen sind nutzbar. Anpassungen welche mehrere Module betreffen müssen auf alle beteiligten Module übertragen werden.
Das Grundprinzip ist für direkte Sensor Aktor Beziehungen ausgelegt.
Modbus ist ein Master-Slave Protokoll. Kein Slave kommuniziert direkt mit anderen Slaves. Die Steuerung (Master) liest die Eingangsmodule, macht Verknüpfungen und schreibt anschliessend die Ausgangsmodule.
Das Prozessabbild in der Steuerung ist prinzipbedingt identisch mit den Zuständen in der Feldebene.
Flexible Steuerungssystem auf Basis SPS/PLC erlauben jede denkbare Verknüpfung und Logik.
Über Modbus kontrolliert die Steuerung direkt die Ausgänge.
Während Kopplernetz alle 50ms bis zu 640 digitale Ausgänge vollständig aktualisiert und ein Schaltevent einliest, synchronisiert es gleichzeitig alle 8 Sekunden ein Speicherabbild von 2'500 Konfigurations-, Status- und Messwerten.
KNX-Aktoren reagieren selbständig auf Signale der Sensoren. Jeder Aktor wechselt seinen Zustand seiner Programmierung folgend. Ein übergeordnetes Steuerungssysteme, welches den Zustand der Feldebene abbilden will, muss dieses durch Statusabfragen laufend aktualisieren und erzeugt zusätzliche Kommunikationslast.
Die mögliche Funktionalität ist bestimmt durch Eigenschaften der Sensoren und Aktoren. Ein übergeordnetes System ist lediglich Teilnehmer im Netz. Es kann Kommandos abschicken und Zustände abfragen, aber keine neue Verknüpfungen erzeugen oder unterdrücken.
Über KNX sendet die Steuerung Telegramme, welche einen Ausgang dazu veranlassen sollen, seinen Zustand zu verändern.
KNX ist performant bei der Übertragung von Ereignissen, kommt aber bei der Synchronisation grösserer IO-Abbilder an die Grenzen. Löst eine Operation mehrere Folge-Kommunikationen aus, wird eine Verzögerung spürbar.
Topologie
Der grundlegende RS485 Standard spezifiziert 32 Teilnehmer. Moderne Transceiver haben kleinere Buslasten. Kopplernetz Module verwenden Transceiver mit 1/8 Last. Anstelle eines einzelnen Standard-Moduls können 8 Module betrieben werden. Werden ausschliesslich diese eingesetzt, sind es im Maximum 256 Teilnehmer pro Linie.
ModbusIP/RTU Gateways erlauben dem übergeordneten Steuerungsystem nahezu beliebig viele Busse zu bedienen
KNX erlaubt bis zu 64 Teilnehmer pro Linie.
Jede Linie verfügt über ein spezielles KNX Netzteil.
KNX IP Gateways erlauben übergeordneten Steuerungen den Zugang zu den einzelnen Teilnehmern und erlauben Kommunikation der Teilnehmer eines Segments mit denen eines anderen Segments.
Der grundlegende Standard für Modbus/RTU (RS485) fordert eine Linienstruktur mit Leitungsabschlüssen an beiden Enden.
Kopplernetz erlaubt darüber hinaus Stern und Baum-Struktur in Segmenten mit bis zu 400m Ausdehnung.
Um einen 50ms Aktualisierungszyklus für Schaltausgänge zu garantieren, ist die Teilnehmerzahl auf 160 zu begrenzen.
Eine KNX Linie erlaubt bis zu 64 Teilnehmer. Die Linienführung ist weitgehend frei. Erlaubt sind Stern- oder Baumstruktur.
Linienkoppler erlauben mehre Linien in einem Bereich bis zu 255 Teilnehmer in einem Bereich zusammenzufassen.
Bereichskoppler erlauben Bereiche zusammenzufassen.
Modbus arbeite mit verschieden Baudraten. Kopplernetz unterstützt 19200 und 38400 Baud.
Bedingt durch den Telegramm-Overhead ist die Effizienz besser bei grösseren Telegrammen. Kopplernetz erlaubt die digitalen Ausgänge aller Teilnehmer in einem einzelnen grossen Telegramm zu bedienen. Anstelle einzelner Abfragen an alle Taster und PIR kann Kopplernetz mit einer Sammelabfrage an alle KN Teilnehmer den aktuell betätigten Taster oder PIR auslesen.
KNX arbeitet mit 9600 Baud. Das Protokoll ist auf schnelle Ereignisübermittlung ausgerichtet, aber wenig effizient für grössere Datenblöcke.
Im bestimmungsgemässen Betrieb reicht ein einzelnes Telegramm von einem Taster aus um an vielen Aktoren reaktionschnell eine Aktivität auszulösen.
Wird KNX als IO-Bus 'misbraucht' indem ein Steuerungssystem Sensorsignale interpretiert und die beteiligten Aktoren direkt anspricht, dann vervielfacht sich der Kommunkationsumfang und die geringe Bandbreite macht sich als Reaktionsvezögerung bemerkbar.