1. Tổng quan — Protocol layer vs Physical layer

Modbus là một giao thức (protocol) ở tầng ứng dụng. Để dữ liệu di chuyển giữa các thiết bị, Modbus cần một tầng vật lý (physical layer) như RS232/RS485/RS422 hoặc Ethernet. Hiểu rõ tầng vật lý giúp thiết kế hệ thống bền vững: khoảng cách truyền, số lượng node, độ nhiễu, và loại cáp/switch phải chọn.

2. RS-232 — Point-to-Point truyền thống

RS-232 là chuẩn truyền nối tiếp điểm-điểm, thường dùng để cấu hình hoặc kết nối trực tiếp giữa hai thiết bị (ví dụ: máy tính ↔ PLC).

• Kiểu truyền: Single-ended (tham chiếu chung GND).
• Khoảng cách: thường ≤ 15 m (tùy cáp và tốc độ).
• Topologie: 1:1 (1 transmitter ↔ 1 receiver).
• Tốc độ: up to ~115200 bps phổ biến; có thể cao hơn với cáp ngắn.
• Ưu điểm: đơn giản, phổ biến trong thiết bị cấu hình, giá rẻ.
• Hạn chế: không thích hợp cho môi trường nhiều nhiễu, không hỗ trợ multi-drop.

Ứng dụng thực tế: Giao tiếp PC ↔ PLC để cấu hình, debug; máy in dòng lệnh công nghiệp; thiết bị đo cục bộ.

3. RS-485 — Chuẩn phổ biến nhất cho Modbus RTU

RS-485 dùng tín hiệu differential (cặp A/B) giúp kháng nhiễu tốt và cho phép nhiều thiết bị nối chung trên một bus (multi-drop) — lý do chính khiến nó trở thành lựa chọn tiêu chuẩn cho Modbus RTU.

• Kiểu truyền: Differential (A/B), half-duplex thường gặp (1 pair) hoặc full-duplex (2 pair) ít dùng hơn.
• Khoảng cách: lên tới ~1200 m (tại tốc độ thấp hơn, ví dụ 9600 bps).
• Số node: tiêu chuẩn cho phép tới 32 transceivers trên 1 bus; với bộ lặp/line-driver có thể tăng thêm.
• Ưu điểm: kháng nhiễu tốt, multi-drop, phù hợp hệ thống công nghiệp dài.
• Hạn chế: cần terminate resistor, lưu ý wiring (A ↔ A, B ↔ B), không thích hợp nếu muốn routing phức tạp như Ethernet.

Ứng dụng thực tế: Mạng cảm biến/actuator trong nhà máy, kết nối PLC ↔ thiết bị field, Modbus RTU master ↔ nhiều slave.

4. RS-422 — Differential cho đường dài, thường full-duplex

RS-422 cũng dùng differential nhưng khác ở chỗ thiết kế hướng tới point-to-multipoint với chủ ý cho truyền full-duplex (song công).

• Kiểu truyền: Differential, thường full-duplex (đòi hỏi 2 cặp dây cho tx/rx).
• Khoảng cách: tương tự RS-485, tốt cho khoảng cách lớn.
• Số node: thường ít node hơn RS-485; hay dùng cho kết nối chủ-tới-nhiều nhưng không đa số node hai chiều.
• Ưu điểm: full-duplex dễ thiết kế cho các kênh truyền nhận riêng biệt, kháng nhiễu tốt.
• Hạn chế: yêu cầu nhiều dây hơn (2 cặp cho full-duplex) và ít thuận tiện cho multi-drop hai chiều so với RS-485.

Ứng dụng thực tế: Hệ thống đo/thu thập dữ liệu cần đường truyền dài với yêu cầu full-duplex; một số liên kết giữa thiết bị chuyên dụng.

5. Ethernet — Nền tảng cho Modbus TCP

Khi dùng Modbus TCP, tầng vật lý là Ethernet (cáp xoắn đôi CAT5/CAT6, switch, router). Ethernet khác biệt lớn về tầng mạng (TCP/IP), cho khả năng routing, QoS, và tốc độ cao.

• Kiểu truyền: Base-band packet switched, thường sử dụng Ethernet over twisted pair (100BASE-TX, 1G+)
• Khoảng cách: cáp UTP lên tới 100 m giữa switch — dùng fiber cho khoảng cách xa hơn.
• Số node: gần như không giới hạn trong mạng có switch/router.
• Ưu điểm: tốc độ cao, routing, VLAN, dễ tích hợp vào hệ thống IT, hỗ trợ remote access và monitoring.
• Hạn chế: cần thiết kế mạng (switch, VLAN, bảo mật), độ trễ không phải luôn determinisitc trừ khi dùng mạng thời gian thực (TSN).

Ứng dụng thực tế: Kết nối hệ thống SCADA, HMI, Modbus TCP/IP giữa PLC và server; tích hợp IIoT, remote maintenance.

6. Bảng so sánh nhanh

7. Lời khuyên khi thiết kế mạng Modbus (thực tế)

1. Chọn đúng vật lý: Dùng RS-485 cho Modbus RTU đa node; dùng Ethernet cho Modbus TCP hoặc khi cần tích hợp lên IT/SCADA.
2. Wiring & Termination: Luôn terminate hai đầu đoạn RS-485; giữ wiring thẳng, tránh vòng lặp; dùng twisted pair  khi cần.
3. Grounding & Isolation: Dùng cách ly quang/transformer nếu cần giữa các vùng có chênh áp lớn; tránh ground loop.
4. Speed vs Distance: Tốc độ cao giảm khoảng cách tin cậy — chọn baud rate phù hợp cho RS-485.
5. Switch & VLAN trên Ethernet: Tách mạng công nghiệp (VLAN) và ưu tiên traffic quan trọng; cân nhắc thời gian thực (TSN) nếu cần determinism.
6. Test & Monitor: Dùng công cụ bus analyzer, oscilloscope để xác minh signal; đặt logging cho lỗi giao tiếp khi đưa vào vận hành.

8. Kết luận ngắn

Tầng vật lý quyết định khả năng mở rộng, độ tin cậy và cách bạn triển khai Modbus trong thực tế. RS-485 là lựa chọn tiêu chuẩn cho Modbus RTU nhờ kháng nhiễu và multi-drop; Ethernet là nền tảng cho Modbus TCP khi cần tốc độ, routing và tích hợp IT. RS-232/RS-422 có vai trò trong các trường hợp đặc thù.