O sistema de transmissão deve ser equipado com um sistema de transmissão de dados.

Siemens 6ES7241-1CH30-1XB0 | SIMATIC S7-1200 Placa de Comunicação CB 1241 — RS485, Freeport / Modbus RTU Mestre e Escravo / USS, 300bps a 115.2kbps, 1000m, Terminal de Parafuso

Visão Geral

A Siemens 6ES7241-1CH30-1XB0 é a Placa de Comunicação CB 1241 RS485 — uma placa compacta plug-in que se encaixa diretamente na face frontal de qualquer CPU SIMATIC S7-1200 para adicionar uma porta de comunicação serial RS485 totalmente funcional sem ocupar um slot de módulo de sinal no trilho DIN. Com 38mm de largura e 40 gramas, é uma das menores expansões disponíveis para o S7-1200, e para aplicações que necessitam de comunicação serial juntamente com a interface Ethernet PROFINET nativa da CPU, ela fornece exatamente a capacidade certa no menor espaço físico possível.

O que torna a CB 1241 mais do que um simples chip UART é a profundidade de suporte de protocolo que ela traz para o S7-1200.

O modo Freeport permite que o programa da CPU controle diretamente todos os aspectos da comunicação serial — detecção de caractere de início, enquadramento de telegrama, condições de timeout e análise de dados — tornando possível a comunicação com praticamente qualquer dispositivo serial que fale dados ASCII ou binários em taxas de baud padrão.

Acima deste modo de baixo nível, encontram-se drivers de protocolo prontos para uso que o S7-1200 executa sem que o usuário precise implementar o protocolo do zero: Modbus RTU (em papéis de mestre e escravo), USS para comunicação de drives Siemens, e o protocolo orientado a blocos 3964(R) usado em alguns dispositivos de comunicação industrial Siemens mais antigos.

Juntos, esses protocolos cobrem a maioria das necessidades de comunicação serial encontradas em automação de máquinas e processos.

A placa se conecta à CPU através da interface do conector frontal embutida em todas as CPUs S7-1200. Ela obtém sua energia operacional inteiramente do barramento de backplane da CPU (5V, 50mA) — nenhuma conexão separada de 24V é necessária.

A porta RS485 em si se conecta através do bloco de terminal de parafuso que vem com a placa, que é conectado ao cabo de par trançado que vai para a rede RS485.

Uma terminação RS485 é fornecida ao curto-circuitar pinos de terminal específicos (TB para T/RB e TA para T/RA) — a resistência de terminação efetiva se torna 127Ω, apropriada para terminação de ponto final de rede RS485.

Especificações Chave

Modo Freeport — Implementação de Protocolo Serial Personalizado

Freeport é o modo de operação mais flexível da CB 1241 e o que torna a placa adaptável a praticamente qualquer dispositivo serial.

No modo Freeport, o programa da CPU S7-1200 assume o controle total da porta serial — ele determina as configurações de taxa de baud, paridade e bit de parada, e então envia e recebe diretamente dados brutos usando o conjunto de instruções SEND_PTP e RCV_PTP (ou MSG_SEND / MSG_RCV no TIA Portal).

A aplicação prática é a integração com dispositivos que não implementam um protocolo industrial padronizado: leitores de código de barras que emitem strings de código ASCII quando um rótulo é lido, terminais de pesagem que reportam valores de peso em um formato proprietário, leitores RFID que confirmam comandos com sequências de bytes específicas, impressoras de etiquetas que recebem strings no formato ZPL ou EPL, e instrumentos de aquisição de dados que usam protocolos personalizados de comando/resposta.

Para cada um deles, o programador define a sequência de comunicação exata no programa S7-1200 usando instruções Freeport, tratando a porta serial como um fluxo de bytes em vez de uma pilha de protocolos.

O comprimento máximo do telegrama Freeport de 1 kByte atende ao caso comum de impressão de dados de rótulo de comprimento variável (até aproximadamente 1000 caracteres por rótulo) ou recebimento de strings de dados de medição sem problemas de enquadramento.

Para aplicações que exigem mensagens individuais mais longas, o programa pode dividir a transmissão em várias chamadas de instrução.

Modbus RTU — Mestre e Escravo em Uma Placa

Modbus RTU é o protocolo de comunicação serial mais amplamente implantado na automação industrial globalmente. Sua simplicidade, abertura e suporte de dispositivos o tornam a escolha padrão para interligar sistemas de automação com instrumentos, medidores, drives e sensores de praticamente todos os fabricantes.

A CB 1241 suporta os papéis de Mestre Modbus RTU (o S7-1200 consulta outros dispositivos) e Escravo Modbus RTU (o S7-1200 responde às consultas de outro mestre):

Mestre Modbus RTU: A CPU S7-1200 inicia toda a comunicação, enviando solicitações de código de função (ler registradores de retenção, ler registradores de entrada, escrever registradores únicos/múltiplos, ler bobinas, escrever bobinas) para até 247 dispositivos escravos no barramento RS485.

Na prática, o limite de comprimento do cabo de 1000m e as considerações de ruído são mais restritivos do que o espaço de endereçamento.

Aplicações comuns de mestre incluem a leitura de medidores de energia (registradores de potência, corrente, tensão), o comando de drives de velocidade variável (controle de setpoint e habilitação/desabilitação via escritas de registradores Modbus) e a coleta de dados de sensores e transmissores distribuídos.

Escravo Modbus RTU: O S7-1200 responde às solicitações de leitura/escrita de um mestre Modbus contra um mapa de registradores definido na memória de dados da CPU.

Isso permite a troca de dados com sistemas SCADA, servidores HMI, sistemas de gerenciamento de energia e outros controladores de automação que implementam a capacidade de mestre Modbus — o S7-1200 aparece como um dispositivo Modbus padrão para qualquer um deles.

A faixa de endereços Modbus de 1–49.999 abrange tanto o endereçamento Modbus padrão usado pela maioria dos dispositivos quanto a faixa estendida usada por alguns sistemas SCADA.

O ambiente de programação TIA Portal fornece blocos de instrução MODBUS_MASTER e MODBUS_SLAVE com parâmetros claramente definidos para mapeamento de endereços de registradores, identificadores de conexão e relatórios de erros.

Protocolo USS para Controle de Drives Siemens

O suporte ao protocolo USS (Universal Serial Interface) é um benefício direto para instalações onde as CPUs S7-1200 controlam drives de velocidade variável Siemens — MICROMASTER 420/440, SINAMICS G110, G120C, V20 e V90 — que possuem interfaces RS485 USS.

USS permite que o S7-1200 leia e escreva parâmetros do drive, comande a palavra de controle do drive (habilitar/desabilitar, direção, setpoint de velocidade) e leia a palavra de status e o valor real de velocidade — tudo através do mesmo cabo RS485 que transporta a comunicação serial da CB 1241.

Uma única rede RS485 com uma CB 1241 pode endereçar até 31 drives com protocolo USS simultaneamente (o protocolo USS suporta endereços 0–30), com o programa S7-1200 consultando cada drive sequencialmente.

O TIA Portal fornece blocos de instrução USS dedicados (USS_DRIVE, USS_RPM, USS_WPM) que lidam com o tempo do protocolo e o enquadramento de dados, permitindo que o programador trabalhe no nível de números de parâmetros do drive e valores físicos em vez de sequências de bytes brutos.

FAQ

Q1: A placa de comunicação CB 1241 RS485 e o módulo de comunicação CM 1241 RS422/485 podem ser usados simultaneamente na mesma CPU S7-1200?

Sim. A CB 1241 (esta placa) se conecta à face frontal da CPU e não consome um slot de módulo de sinal.

O CM 1241 (um módulo de comunicação montado em trilho DIN) ocupa um slot de módulo na extensão do rack S7-1200.

Ambos podem ser instalados e operar independentemente na mesma CPU, fornecendo duas portas RS485 separadas para aplicações que necessitam de duas conexões seriais simultâneas — por exemplo, uma porta para Modbus RTU para instrumentos de processo e uma segunda para comunicação de drives USS.

Q2: Os endereços Modbus 1–49.999 são listados. Isso significa que os endereços de registradores Modbus também são suportados além do padrão 0–65.535?

A faixa de 1–49.999 refere-se aos endereços de estação escrava Modbus (endereços de nó) que a CB 1241 pode direcionar no modo Mestre Modbus RTU.

Esta é uma faixa de endereço de nó incomumente grande — o Modbus RTU padrão suporta até 247 nós (endereços 1–247), enquanto o limite superior de 49.999 se estende para a faixa usada por algumas implementações SCADA com endereçamento estendido. 

A faixa de endereços de registradores Modbus (os endereços de dados dentro de cada escravo, como registradores de retenção 40001–49999 na notação tradicional de endereços Modbus) é independente e está em conformidade com a especificação Modbus padrão.

As funções padrão de leitura e escrita de registradores Modbus operam nos endereços de registradores normais indexados em 0, conforme definido pela especificação Modbus.

Q3: A faixa de tensão de modo comum RS485 é de −7V a +12V por 1 segundo. Isso significa que a porta não é isolada da CPU?

A especificação de 500VAC (1 minuto) entre a porta RS485 e o barramento de backplane da CPU confirma que o isolamento elétrico é fornecido — o terra RS485 é isolado do terra interno da CPU por uma barreira galvânica.

A faixa de tensão de modo comum (−7V a +12V) descreve a faixa operacional da própria interface RS485 em relação à sua própria referência de terra, que é a especificação de modo comum RS485 padrão (Padrão RS-485: −7V a +12V). Isso é separado do isolamento entre o terra RS485 e o backplane da CPU.

Q4: Qual é o número máximo de dispositivos escravos Modbus que podem ser conectados a uma única CB 1241?

O padrão RS485 suporta até 32 cargas unitárias (equivalente a 32 entradas de receptor padrão) por segmento sem repetidores.

Na prática, a maioria dos dispositivos escravos Modbus modernos usa receptores de 1/8 de carga unitária, permitindo até 256 dispositivos por segmento eletricamente. 

No entanto, o protocolo Modbus RTU limita a rede a 247 endereços escravos (1–247), e fatores práticos — comprimento do cabo (1000m máx.), tempo do ciclo de comunicação e requisitos de tempo de resposta da aplicação — geralmente limitam redes eficazes a 20–50 dispositivos por porta. Cada ciclo de consulta Modbus que a CB 1241 realiza é sequencial (um dispositivo por vez), portanto, adicionar mais escravos aumenta o tempo total do ciclo para todos os dispositivos.

Q5: Como a CB 1241 RS485 é configurada no TIA Portal, e alguma licença ou software adicional é necessário?

A CB 1241 é configurada diretamente dentro do TIA Portal Basic ou Professional (V11 ou posterior) sem licença adicional.

No TIA Portal, a CB 1241 aparece no catálogo de hardware e é adicionada à configuração do dispositivo S7-1200 arrastando-a para a posição da face frontal da CPU.

Os parâmetros da porta (taxa de baud, paridade, bits de parada) são configurados nas propriedades do módulo. 

A configuração em nível de protocolo (Modbus, USS) é tratada através dos blocos de instrução correspondentes e seus parâmetros no programa do usuário.

Nenhuma licença de software de comunicação separada é necessária — os blocos de instrução Modbus RTU e USS estão incluídos na instalação padrão do TIA Portal.