Kommunikationsbrett 6ES7241-1CH30-1XB0 6ES7 241-1CH30-1XB0 6ES7241-1CH3O-1XBO

Siemens 6ES7241-1CH30-1XB0 | SIMATIC S7-1200 Kommunikationsbaugruppe CB 1241 — RS485, Freeport / Modbus RTU Master & Slave / USS, 300bps bis 115,2kbps, 1000m, Schraubklemme

Übersicht

Die Siemens 6ES7241-1CH30-1XB0 ist die CB 1241 RS485 Kommunikationsbaugruppe — eine kompakte Steckbaugruppe, die direkt auf die Vorderseite jeder SIMATIC S7-1200 CPU gesteckt wird, um einen voll funktionsfähigen RS485-Serienkommunikationsport hinzuzufügen, ohne einen Signalmodulsteckplatz auf der DIN-Schiene zu belegen. Mit 38 mm Breite und 40 Gramm Gewicht ist sie eine der kleinsten Erweiterungen für die S7-1200 und bietet für Anwendungen, die serielle Kommunikation neben der nativen PROFINET-Ethernet-Schnittstelle der CPU benötigen, genau die richtige Funktionalität bei kleinstem physischem Platzbedarf.

Was die CB 1241 mehr als einen einfachen UART-Chip ausmacht, ist die Tiefe der Protokollunterstützung, die sie der S7-1200 bietet.

Der Freeport-Modus ermöglicht es dem CPU-Programm, jeden Aspekt der seriellen Kommunikation direkt zu steuern — Erkennung von Startzeichen, Telegramm-Framing, Timeout-Bedingungen und Datenanalyse —, wodurch eine Kommunikation mit praktisch jedem seriellen Gerät möglich ist, das ASCII- oder Binärdaten mit Standard-Baudraten spricht.

Über diesem Low-Level-Modus befinden sich einsatzbereite Protokolltreiber, die die S7-1200 ausführt, ohne dass der Benutzer das Protokoll von Grund auf neu implementieren muss: Modbus RTU (sowohl Master- als auch Slave-Rollen), USS für die Siemens-Antriebskommunikation und das blockorientierte Protokoll 3964(R), das in einigen älteren Siemens-Industriekommunikationsgeräten verwendet wird.

Zusammen decken diese Protokolle die Mehrheit der seriellen Kommunikationsanforderungen ab, die in der Maschinen- und Prozessautomatisierung auftreten.

Die Baugruppe wird über die Frontsteckerschnittstelle, die in jeder S7-1200 CPU integriert ist, mit der CPU verbunden. Sie bezieht ihre Betriebsspannung vollständig vom Backplane-Bus der CPU (5V, 50mA) — ein separater 24V-Anschluss ist nicht erforderlich.

Der RS485-Port selbst wird über den mitgelieferten Schraubklemmblock angeschlossen, der mit dem Twisted-Pair-Kabel zum RS485-Netzwerk verbunden wird.

Eine RS485-Terminierung wird durch Kurzschließen bestimmter Klemmenpins (TB an T/RB und TA an T/RA) bereitgestellt — der effektive Abschlusswiderstand beträgt 127Ω, was für die Terminierung von RS485-Netzwerkendpunkten geeignet ist.

Wichtige Spezifikationen

Freeport-Modus — Benutzerdefinierte serielle Protokollimplementierung

Freeport ist der flexibelste Betriebsmodus der CB 1241 und macht die Baugruppe anpassungsfähig an praktisch jedes serielle Gerät.

Im Freeport-Modus übernimmt das S7-1200 CPU-Programm die vollständige Kontrolle über den seriellen Port — es bestimmt die Baudrate, Parität und Stoppbit-Einstellungen und sendet und empfängt dann direkt Rohdaten mit dem Befehlssatz SEND_PTP und RCV_PTP (oder MSG_SEND / MSG_RCV in TIA Portal).

Die praktische Anwendung ist die Integration mit Geräten, die kein standardisiertes Industrieprotokoll implementieren: Barcode-Scanner, die ASCII-Code-Strings ausgeben, wenn ein Etikett gelesen wird, Wägeterminals, die Gewichtswerte in einem proprietären Format melden, RFID-Lesegeräte, die Befehle mit bestimmten Byte-Sequenzen bestätigen, Etikettendrucker, die ZPL- oder EPL-Format-Strings empfangen, und Datenerfassungsgeräte, die benutzerdefinierte Befehls-/Antwortprotokolle verwenden.

Für jedes dieser Geräte definiert der Programmierer die genaue Kommunikationssequenz im S7-1200-Programm unter Verwendung von Freeport-Befehlen und behandelt den seriellen Port als Byte-Stream und nicht als Protokollstapel.

Die maximale Freeport-Telegrammlänge von 1 kByte deckt den häufigen Fall des Druckens von variablen Etikettendaten (bis zu ca. 1000 Zeichen pro Etikett) oder des Empfangens von Messdaten-Strings ohne Framing-Probleme ab.

Für Anwendungen, die längere einzelne Nachrichten erfordern, kann das Programm die Übertragung über mehrere Befehlsaufrufe aufteilen.

Modbus RTU — Master und Slave in einer Baugruppe

Modbus RTU ist das weltweit am weitesten verbreitete serielle Kommunikationsprotokoll in der industriellen Automatisierung. Seine Einfachheit, Offenheit und Geräteunterstützung machen es zur Standardwahl für die Anbindung von Automatisierungssystemen an Geräte, Messgeräte, Antriebe und Sensoren von praktisch jedem Hersteller.

Die CB 1241 unterstützt sowohl Modbus RTU Master (die S7-1200 fragt andere Geräte ab) als auch Modbus RTU Slave (die S7-1200 antwortet auf Anfragen eines anderen Masters) Rollen:

Modbus RTU Master: Die S7-1200 CPU initiiert die gesamte Kommunikation und sendet Funktionscode-Anfragen (Holding-Register lesen, Eingangsregister lesen, einzelne/mehrere Register schreiben, Spulen lesen, Spulen schreiben) an bis zu 247 Slave-Geräte auf dem RS485-Bus.

In der Praxis sind die 1000m Kabellängenbegrenzung und Rauschüberlegungen einschränkender als der Adressraum.

Typische Master-Anwendungen umfassen das Lesen von Energiezählern (Strom-, Stromstärke-, Spannungswerte), das Steuern von Frequenzumrichtern (Sollwert- und Freigabe-/Deaktivierungssteuerung über Modbus-Register-Schreibvorgänge) und das Sammeln von Daten von verteilten Sensoren und Messumformern.

Modbus RTU Slave: Die S7-1200 antwortet auf Lese-/Schreibanfragen eines Modbus-Masters gegen eine definierte Registerzuordnung im Datenspeicher der CPU.

Dies ermöglicht den Datenaustausch mit SCADA-Systemen, HMI-Servern, Energiemanagementsystemen und anderen Automatisierungssteuerungen, die Modbus-Master-Funktionalität implementieren — die S7-1200 erscheint für alle als Standard-Modbus-Gerät.

Der Modbus-Adressbereich von 1–49.999 deckt sowohl die Standard-Modbus-Adressierung, die von den meisten Geräten verwendet wird, als auch den erweiterten Bereich ab, der von einigen SCADA-Systemen verwendet wird.

Die TIA Portal Programmierumgebung bietet die Befehlsblöcke MODBUS_MASTER und MODBUS_SLAVE mit klar definierten Parametern für die Registeradresszuordnung, Verbindungs-Handles und Fehlerberichterstattung.

USS-Protokoll für Siemens-Antriebssteuerung

Die Unterstützung des USS-Protokolls (Universal Serial Interface) ist ein direkter Vorteil für Installationen, bei denen S7-1200 CPUs Siemens-Frequenzumrichter steuern — MICROMASTER 420/440, SINAMICS G110, G120C, V20 und V90 —, die über RS485 USS-Schnittstellen verfügen.

USS ermöglicht es der S7-1200, Antriebsparameter zu lesen und zu schreiben, das Steuerwort des Antriebs zu befehlen (Freigabe/Deaktivierung, Richtung, Drehzahl-Sollwert) und das Statuswort und den tatsächlichen Drehzahlwert zu lesen — alles über dasselbe RS485-Kabel, das die serielle Kommunikation der CB 1241 führt.

Ein einzelnes RS485-Netzwerk mit einer CB 1241 kann bis zu 31 USS-Protokoll-Antriebe gleichzeitig adressieren (das USS-Protokoll unterstützt Adressen 0–30), wobei das S7-1200-Programm jeden Antrieb sequenziell abfragt.

TIA Portal bietet dedizierte USS-Befehlsblöcke (USS_DRIVE, USS_RPM, USS_WPM), die die Protokollzeitsteuerung und Daten-Framing übernehmen, sodass der Programmierer auf der Ebene von Antriebsparameternummern und physikalischen Werten anstelle von Roh-Byte-Sequenzen arbeiten kann.

FAQ

F1: Können die Kommunikationsmodule CB 1241 RS485 und CM 1241 RS422/485 gleichzeitig an derselben S7-1200 CPU verwendet werden?

Ja. Die CB 1241 (diese Baugruppe) wird auf die Vorderseite der CPU gesteckt und belegt keinen Signalmodulsteckplatz.

Das CM 1241 (ein auf der DIN-Schiene montiertes Kommunikationsmodul) belegt einen Modulsteckplatz auf der S7-1200-Rack-Erweiterung.

Beide können auf derselben CPU installiert und unabhängig voneinander betrieben werden und bieten zwei separate RS485-Ports für Anwendungen, die zwei gleichzeitige serielle Verbindungen benötigen — zum Beispiel ein Port für Modbus RTU zu Prozessinstrumenten und ein zweiter für USS-Antriebskommunikation.

F2: Es werden Modbus-Adressen von 1–49.999 aufgeführt. Bedeutet dies, dass Modbus-Registeradressen auch über die 0–65.535 hinaus unterstützt werden?

Der Bereich von 1–49.999 bezieht sich auf die Modbus-Slave-Station-Adressen (Knotenadressen), die die CB 1241 im Modbus RTU Master-Modus ansteuern kann.

Dies ist ein ungewöhnlich großer Knotenadressbereich — Standard-Modbus RTU unterstützt bis zu 247 Knoten (Adressen 1–247), während die Obergrenze von 49.999 in den Bereich reicht, der von einigen SCADA-Implementierungen mit erweiterter Adressierung verwendet wird. 

Der Modbus-Registeradressbereich (die Datenadressen innerhalb jedes Slaves, wie z. B. Holding-Register 40001–49999 in der traditionellen Modbus-Adressnotation) ist unabhängig und entspricht der Standard-Modbus-Spezifikation.

Standard-Modbus-Register-Lese- und Schreibfunktionen arbeiten mit den normalen 0-indizierten Registeradressen, wie sie in der Modbus-Spezifikation definiert sind.

F3: Der RS485-Gleichtaktspannungsbereich beträgt −7V bis +12V für 1 Sekunde. Bedeutet dies, dass der Port nicht von der CPU isoliert ist?

Die Angabe von 500VAC (1 Minute) zwischen dem RS485-Port und dem CPU-Backplane-Bus bestätigt, dass eine elektrische Isolation vorhanden ist — die RS485-Masse ist durch eine galvanische Trennung von der internen Masse der CPU isoliert.

Der Gleichtaktspannungsbereich (−7V bis +12V) beschreibt den Betriebsbereich der RS485-Schnittstelle selbst relativ zu ihrer eigenen Masse-Referenz, was die Standard-RS485-Gleichtakt-Spezifikation ist (RS-485-Standard: −7V bis +12V). Dies ist getrennt von der Isolation zwischen der RS485-Masse und dem CPU-Backplane.

F4: Was ist die maximale Anzahl von Modbus-Slave-Geräten, die an eine einzelne CB 1241 angeschlossen werden können?

Der RS485-Standard unterstützt bis zu 32 Einheitslasten (entspricht 32 Standard-Empfängereingängen) pro Segment ohne Repeater.

In der Praxis verwenden die meisten modernen Modbus-Slave-Geräte 1/8 Einheitslast-Empfänger, was bis zu 256 Geräte pro Segment elektrisch ermöglicht. 

Das Modbus RTU-Protokoll begrenzt das Netzwerk jedoch auf 247 Slave-Adressen (1–247), und praktische Faktoren — Kabellänge (max. 1000 m), Kommunikationszykluszeit und Anforderungen an die Anwendungsreaktionszeit — begrenzen effektive Netzwerke typischerweise auf 20–50 Geräte pro Port. Jeder Modbus-Polling-Zyklus, den die CB 1241 durchführt, ist sequenziell (ein Gerät nach dem anderen), sodass das Hinzufügen weiterer Slaves die Gesamtzykluszeit für alle Geräte erhöht.

F5: Wie wird die CB 1241 RS485 in TIA Portal konfiguriert und ist eine zusätzliche Lizenz oder Software erforderlich?

Die CB 1241 wird direkt in TIA Portal Basic oder Professional (V11 oder neuer) ohne zusätzliche Lizenz konfiguriert.

In TIA Portal erscheint die CB 1241 im Hardwarekatalog und wird der Gerätekonfiguration der S7-1200 hinzugefügt, indem sie auf die Position der CPU-Vorderseite gezogen wird.

Port-Parameter (Baudrate, Parität, Stoppbits) werden in den Modul-Eigenschaften konfiguriert. 

Die Konfiguration auf Protokollebene (Modbus, USS) erfolgt über die entsprechenden Befehlsblöcke und deren Parameter im Benutzerprogramm.

Es ist keine separate Kommunikationssoftware-Lizenz erforderlich — die Modbus RTU- und USS-Befehlsblöcke sind in der Standard-TIA Portal-Installation enthalten.