Ein Feldbusmodul in einer Stunde — Modbus RTU am praktischen Beispiel

Vorlesung Feldbusse · Prof. Dr.-Ing. Ralph Wystup M.Sc. — erstellt mit KI und Agent (Claude Code, Anthropic) · 24. Oktober 2026

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1 Worum es in diesem Manuskript geht

Vor Ihnen liegt kein Lehrbuchkapitel, das ein fertiges Ergebnis vorführt. Es ist das Protokoll einer Inbetriebnahme, die am 24. Oktober 2026 um 15:58 Uhr begann und um 16:53 Uhr mit einem fertigen Prüfstand endete. Fünfundfünfzig Minuten, von einem Modul, dessen Adresse niemand kannte, bis zu einer Bedienseite mit Zeigerinstrumenten, Verlaufsgraph und zwei voneinander unabhängigen Zugriffswegen.

Das ist die eigentliche Botschaft. Nicht, dass Modbus RTU ein einfaches Protokoll ist — das war es immer schon. Sondern dass sich die Zeit von der ersten Frage bis zur belastbaren Messung heute in Minuten rechnet, wenn ein Mensch mit Hardwareverstand und eine KI mit Zugriff auf diese Hardware zusammenarbeiten.

Wichtiger als die Geschwindigkeit ist allerdings, was dabei schiefging. Drei Fallen haben uns aufgehalten, und jede einzelne hätte einen Anfänger zu dem Schluss gebracht, das Modul sei defekt. Alle drei sind in diesem Manuskript dokumentiert, mit den Messwerten, die sie aufgedeckt haben.

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2 Der Feldbus: warum überhaupt

In einer Anlage sitzen Sensoren und Aktoren verteilt. Jeder einzelne mit eigenem Kabel zur Steuerung zu führen, nennt man Parallelverdrahtung, und sie ist aus drei Gründen schlecht: Das Kupfer wird teuer, die Fehlersuche wird unübersichtlich, und jede Erweiterung bedeutet ein neues Kabel durch die ganze Halle.

Ein Feldbus führt stattdessen eine einzige Leitung an allen Teilnehmern vorbei. Jeder hat eine Adresse, und wer etwas will, spricht einen gezielt an. Aus n Kabeln wird eines.

Modbus ist der älteste dieser Busse, 1979 von Modicon veröffentlicht, und er ist aus einem Grund nicht totzukriegen: Er ist so einfach, dass man ihn vollständig verstehen kann. Genau das machen wir in diesem Versuch. Wir benutzen keine fertige Modbus-Bibliothek. Jedes Telegramm wird von Hand gebaut, jede Prüfsumme selbst gerechnet. Was Sie hier lesen, können Sie auf Papier nachvollziehen.

2.1 Die zwei Ebenen

Man muss zwei Dinge auseinanderhalten, die oft in einen Topf geworfen werden:

Ebene	Was sie regelt	Hier im Versuch
Physikalisch	Spannungen, Leitungen, Pegel	RS485, zwei Adern A und B
Protokoll	Wer wann was sagt, Datenformat	Modbus RTU

RS485 ist eine symmetrische Übertragung: Das Signal steht nicht als Spannung gegen Masse, sondern als Differenz zwischen zwei Adern. Fängt sich das Kabel eine Störung ein, trifft sie beide Adern gleich, und die Differenz bleibt unverändert. Deshalb schafft RS485 über tausend Meter, während ein einfacher Spannungspegel nach wenigen Metern aufgibt.

Modbus RTU ist das Protokoll darüber. RTU heißt remote terminal unit und bedeutet hier: Die Daten gehen als rohe Bytes über die Leitung, nicht als lesbarer Text. Es gibt auch Modbus ASCII, das ist lesbar, aber doppelt so lang.

2.2 Einer fragt, einer antwortet

Modbus kennt nur eine Gesprächsform: Ein Leiter (früher Master) fragt, ein Teilnehmer (früher Slave) antwortet. Teilnehmer reden nie von selbst. Das klingt altmodisch, hat aber einen unschlagbaren Vorteil: Auf der Leitung kann es keine Kollision geben, weil immer nur einer sendet.

Im Versuch ist der PC der Leiter und das Modul der Teilnehmer. Wenn Sie in der Telegrammtabelle des Prüfstands mitlesen, sehen Sie genau dieses Wechselspiel: eine Zeile hin, eine Zeile zurück.

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3 Das Telegramm, Byte für Byte

Ein Modbus-RTU-Telegramm hat immer denselben Aufbau:

┌─────────┬──────────────┬────────────┬──────────────┐
│ Adresse │ Funktionscode│  Nutzdaten │  Prüfsumme   │
│  1 Byte │    1 Byte    │  0..252 B  │   2 Byte     │
└─────────┴──────────────┴────────────┴──────────────┘

Nehmen wir das erste Telegramm, das unser Modul je beantwortet hat:

gesendet:   20 03 00 00 00 01 82 bb
empfangen:  20 03 02 31 32 90 06

Die Frage zerlegt:

Byte	Wert	Bedeutung
1	20	Adresse 32 (hexadezimal 0x20)
2	03	Funktion 3: Halteregister lesen
3–4	00 00	ab Register 0
5–6	00 01	ein Register
7–8	82 bb	Prüfsumme

Die Antwort zerlegt:

Byte	Wert	Bedeutung
1	20	von Adresse 32
2	03	Antwort auf Funktion 3
3	02	es folgen 2 Byte
4–5	31 32	der Inhalt, 0x3132 = 12594
6–7	90 06	Prüfsumme

Mehr ist es nicht. Wer das verstanden hat, versteht Modbus.

3.1 Die vier Datenbereiche

Modbus unterscheidet vier Arten von Daten. Die Einteilung stammt aus der Welt der Relaissteuerungen und wirkt heute altertümlich, ist aber eindeutig:

Bereich	Größe	Richtung	Funktionscode	In unserem Modul
Coils	1 Bit	lesen und schreiben	01, 05, 15	die vier Relaisausgänge
Discrete Inputs	1 Bit	nur lesen	02	die zwei Digitaleingänge
Input Registers	16 Bit	nur lesen	04	die zwei Analogeingänge
Holding Registers	16 Bit	lesen und schreiben	03, 06, 16	Einstellungen

Coil heißt wörtlich Spule und meint die Spule eines Relais. Was früher ein Relais war, ist heute ein Bit — der Name blieb.

Merken Sie sich die Zuordnung: Bit oder Wort, lesen oder schreiben. Daraus folgt der Funktionscode von selbst.

3.2 Die Funktionscodes vollständig

Modbus kennt über zwanzig Funktionscodes. In der Praxis braucht man acht, und die stehen hier vollständig, jeweils mit dem Aufbau von Frage und Antwort. Alle Beispiele stammen aus diesem Versuch, Adresse 32 (0x20).

Funktion 01 — Coils lesen (Relaiszustände)

Frage :  Adr | 01 | Start hi | Start lo | Anzahl hi | Anzahl lo | CRC lo | CRC hi
Antwort: Adr | 01 | Bytezahl | Daten... | CRC lo | CRC hi

Beispiel aus dem Versuch, vier Relais ab Nummer 0:

hin    : 20 01 00 00 00 04 3b 78
zurück : 20 01 01 00 5b b4

Die Antwort enthält ein Datenbyte, weil vier Bits in ein Byte passen. Der Wert 00 bedeutet: alle vier aus. Die Bits stehen von rechts nach links: Bit 0 ist DO0.

Nach dem Einschalten aller vier Relais sah dieselbe Abfrage so aus:

zurück : 20 01 01 0f ...        0x0F = 0b00001111 = alle vier ein

Funktion 02 — Discrete Inputs lesen (Digitaleingänge)

Gleicher Aufbau wie 01, nur nicht beschreibbar.

hin    : 20 02 00 00 00 02 ff 7a
zurück : 20 02 01 00 ab b4        beide Eingänge offen

Funktion 03 — Holding Register lesen

Frage :  Adr | 03 | Start hi | Start lo | Anzahl hi | Anzahl lo | CRC
Antwort: Adr | 03 | Bytezahl | Wort 1 hi | Wort 1 lo | ... | CRC

Jedes Register ist 16 Bit breit, die Bytezahl ist also immer das Doppelte der Registeranzahl:

ein Register :  20 03 00 00 00 01 82 bb  →  20 03 02 31 32 90 06
zwei Register:  20 03 00 00 00 02 c2 ba  →  20 03 04 31 32 31 32 f0 47
vier Register:  20 03 00 00 00 04 42 b8  →  20 03 08 31 32 31 32 31 32 31 32 ed 63

Diese drei Zeilen sind der Beleg für Falle 3: Die Bytezahl wächst richtig mit, der Inhalt wiederholt sich aber stumpf.

Funktion 04 — Input Register lesen (Messwerte)

Aufbau wie 03, aber nur lesbar. Hier liegen die Analogeingänge:

hin    : 20 04 00 00 00 02 77 7a
zurück : 20 04 04 00 00 00 00 ca 86      beide Eingänge 0

Mit 10 mA an AI1 lautete die Antwort:

zurück : 20 04 04 05 4b 00 00 ...        0x054B = 1355

Funktion 05 — eine Coil schreiben

Frage :  Adr | 05 | Adr hi | Adr lo | Wert hi | Wert lo | CRC
Antwort: dasselbe Telegramm zurück

Der Wert kennt nur zwei erlaubte Belegungen:

Wert	Bedeutung
FF 00	ein
00 00	aus

Alles andere beantwortet das Gerät mit einer Ausnahme. Diese Eigenheit stammt aus der Zeit, als eine Coil wirklich eine Relaisspule war.

DO0 ein : 20 05 00 00 ff 00 8a 8b   →   20 05 00 00 ff 00 8a 8b
DO0 aus : 20 05 00 00 00 00 cb 7b   →   20 05 00 00 00 00 cb 7b

Das Gerät spiegelt den Befehl. Das ist die Bestätigung auf Protokollebene.

Funktion 06 — ein Register schreiben

Frage :  Adr | 06 | Adr hi | Adr lo | Wert hi | Wert lo | CRC
Antwort: dasselbe Telegramm zurück

Hier ist jeder 16-Bit-Wert erlaubt. Typisch für Einstellungen wie Busadresse oder Baudrate. In diesem Versuch nicht benutzt, weil die Halteregister des Moduls keine echten Daten führen.

Funktion 15 (0x0F) — mehrere Coils schreiben

Frage :  Adr | 0F | Start hi | Start lo | Anzahl hi | Anzahl lo | Bytezahl | Daten | CRC
Antwort: Adr | 0F | Start hi | Start lo | Anzahl hi | Anzahl lo | CRC

Damit schaltet man alle vier Relais in einem Telegramm. Für alle ein:

hin : 20 0f 00 00 00 04 01 0f ...     Bytezahl 1, Daten 0x0F

Der Vorteil ist nicht die Ersparnis an Bytes, sondern die Gleichzeitigkeit: Alle vier Relais schalten im selben Moment. Bei vier einzelnen Telegrammen liegen zwischen dem ersten und dem letzten rund eine halbe Sekunde.

Funktion 16 (0x10) — mehrere Register schreiben

Frage :  Adr | 10 | Start hi | Start lo | Anzahl hi | Anzahl lo | Bytezahl | Daten | CRC
Antwort: Adr | 10 | Start hi | Start lo | Anzahl hi | Anzahl lo | CRC

Das Gegenstück zu 15 für Wortdaten.

Die Ausnahmeantworten

Code	Bedeutung	Typischer Anlass
01	unerlaubte Funktion	Gerät kennt den Funktionscode nicht
02	unerlaubte Datenadresse	Register oder Coil gibt es nicht
03	unerlaubter Datenwert	etwa ein anderer Wert als FF 00 bei Funktion 05
04	Gerätefehler	interner Fehler
05	Anfrage wird bearbeitet	Antwort folgt später
06	Gerät belegt	später erneut fragen

Das Antworttelegramm ist immer fünf Byte lang:

Adr | Funktionscode + 0x80 | Ausnahmecode | CRC lo | CRC hi

3.3 Die Prüfsumme CRC-16

Die beiden letzten Bytes sichern das Telegramm. Modbus verwendet eine zyklische Redundanzprüfung mit dem Polynom 0xA001 und dem Startwert 0xFFFF. Der Algorithmus ist kurz genug, um ihn hinzuschreiben:

def crc16(daten):
    pruef = 0xFFFF
    for byte in daten:
        pruef ^= byte                      # Byte einmischen
        for _ in range(8):                 # acht Schiebeschritte
            if pruef & 1:
                pruef = (pruef >> 1) ^ 0xA001
            else:
                pruef = pruef >> 1
    return pruef

Zwei Feinheiten, an denen Anfänger scheitern:

1. Das niederwertige Byte kommt zuerst auf die Leitung. Bei 0xBB82 steht also erst 82, dann bb. Das ist die umgekehrte Reihenfolge wie bei den Registeradressen, die höherwertig zuerst stehen. Modbus ist hier inkonsequent, und das ist historisch gewachsen.
2. Die Prüfsumme deckt alles ab, Adresse und Funktionscode eingeschlossen.

Ein Durchlauf von Hand

Rechnen wir die Prüfsumme für 20 03 00 00 00 01 aus, also unsere erste Frage. Der Startwert ist 0xFFFF.

Erstes Byte, 0x20:

Start          1111 1111 1111 1111   = 0xFFFF
XOR mit 0x20   0000 0000 0010 0000
ergibt         1111 1111 1101 1111   = 0xFFDF

Jetzt acht Schiebeschritte. In jedem Schritt wird geprüft, ob das unterste Bit gesetzt ist:

Schritt	Wert vorher	unterstes Bit	Aktion	Wert nachher
1	0xFFDF	1	schieben, dann XOR 0xA001	0xDFEF
2	0xDFEF	1	schieben, dann XOR 0xA001	0xAFF6
3	0xAFF6	0	nur schieben	0x57FB
4	0x57FB	1	schieben, dann XOR 0xA001	0xEBFC
5	0xEBFC	0	nur schieben	0x75FE
6	0x75FE	0	nur schieben	0x3AFF
7	0x3AFF	1	schieben, dann XOR 0xA001	0x9D7E
8	0x9D7E	0	nur schieben	0x4EBF

Nach dem ersten Byte steht also 0x4EBF. Dasselbe wiederholt sich für die übrigen fünf Bytes. Am Ende steht 0xBB82.

Und jetzt der Fallstrick: Auf die Leitung kommt das niederwertige Byte zuerst:

0xBB82  →  82 bb

Deshalb endet unser Telegramm auf 82 bb und nicht auf bb 82. Vergleichen Sie mit der Registeradresse im selben Telegramm: Die steht höherwertig zuerst. Modbus ist hier uneinheitlich, und diese eine Zeile Code hat schon viele Abende gekostet.

Warum überhaupt eine Prüfsumme? Weil auf einem Kabel in einer Anlage Störungen auftreten. Ein umgekipptes Bit würde sonst unbemerkt als Messwert durchgehen. Mit CRC-16 bleibt die Wahrscheinlichkeit, dass ein gestörtes Telegramm dennoch als gültig gilt, unter 1 zu 65536.

3.4 Wenn etwas schiefgeht

Kann der Teilnehmer die Anfrage nicht erfüllen, antwortet er nicht mit Schweigen, sondern mit einer Ausnahme. Dann ist im Funktionscode das höchste Bit gesetzt:

Gesendet	Ausnahmeantwort	Bedeutung
03	83	Funktion 3 abgelehnt
05	85	Funktion 5 abgelehnt

Das folgende Byte nennt den Grund: 1 für unerlaubte Funktion, 2 für unerlaubte Adresse, 3 für unerlaubten Wert, 4 für Gerätefehler.

Eine Ausnahmeantwort ist ein gutes Zeichen. Sie beweist, dass das Gerät da ist, zuhört und Ihre Telegramme versteht. Nur der Inhalt passt nicht. Schlimmer ist Schweigen.

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4 Der Versuchsaufbau

Teil	Was es ist
Wandler	Waveshare USB TO RS232/485 (B), mit einem FTDI FT232, meldet sich als COM4
Modul	EBYTE MA01-AACX2240
Verbindung	zwei Adern, A und B

Das Modul bringt mit:

• 2 Digitaleingänge (DI)
• 2 Analogeingänge (AI), 0 bis 20 mA
• 4 Relaisausgänge (DO)

Ein solches Modul heißt Remote-I/O. Es sitzt dort, wo die Signale entstehen, und führt nur den Bus zur Steuerung zurück. Genau dafür wurden Feldbusse erfunden.

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5 Die Inbetriebnahme, wie sie wirklich lief

5.1 Was man zuerst wissen muss

Drei Dinge braucht man, um mit einem unbekannten Modbus-Teilnehmer zu sprechen:

1. Den Anschluss am PC
2. Die Übertragungsparameter: Baudrate, Datenbits, Parität, Stoppbits
3. Die Adresse des Teilnehmers

Keines davon stand fest. Der Anschluss war schnell gefunden: Die Abfrage der seriellen Schnittstellen meldete COM3 mit einem CH340-Chip und COM4 mit einem FTDI. Der Waveshare-Wandler trägt einen FTDI, also COM4.

5.2 Erster Versuch — und ein Fehlschlag, der lehrreich ist

Die übliche Methode bei unbekannter Adresse ist ein Scan: Man fragt der Reihe nach alle Adressen von 1 bis 247 und schaut, wer antwortet. Das lief über sechs Baudraten. Ergebnis:

Keine einzige Antwort.

Nach der üblichen Logik wäre die Diagnose jetzt: falsch verdrahtet, A und B vertauscht, Modul ohne Strom oder defekt. Die Diagnose wäre falsch gewesen.

Falle 1: Die Antwortzeit. Der Scan wartete 40 Millisekunden auf Antwort. Das Modul braucht länger. Mit 150 Millisekunden Wartezeit antwortete es auf Anhieb.

Rechnen wir nach, warum 40 ms zu wenig sind. Bei 9600 Baud und 8N1 braucht ein Byte zehn Bitzeiten:

$$t_{\text{Byte}} = \frac{10}{9600\,\text{Bit/s}} = 1{,}04\,\text{ms}$$

Ein Antworttelegramm von sieben Byte dauert also gut 7 ms. Dazu kommt die Zeit, die das Modul zum Nachdenken braucht, und die steht in keinem Datenblatt. Bei diesem Modul sind es offenbar über 40 ms.

Die Lehre: Wer zu ungeduldig misst, hält ein gesundes Gerät für tot. Bei einem unbekannten Teilnehmer beginnt man großzügig und verkürzt erst, wenn die Antwort sicher kommt.

5.3 Der Treffer

Mit längerer Wartezeit und zusätzlich geprüften Paritäten meldete sich das Modul:

    9600 8N1 Adresse 32: 20 03 02 31 32 90 06

Adresse 32, 9600 Baud, 8N1. Der Auftraggeber bestätigte unabhängig: „jetzt habe ich auch zwei mal kurz die RX-LED gesehen.” Ein Beleg mehr, und zwar ein physikalischer.

Falle 2: Die Adresse stimmt nicht mit den Schaltern überein. Auf dem Modul sitzen fünf DIP-Schalter, und alle standen auf Null. Nach der üblichen Erwartung wäre die Adresse damit 0 oder 1. Sie ist 32. Die Schalter addieren nur zu einer im Gerät gespeicherten Grundadresse.

Die Lehre: Ein Blick auf die Schalter ist eine Vermutung, keine Messung. Nur das Telegramm, das zurückkommt, beweist die Adresse.

5.4 Was das Modul wirklich liefert

Mit bekannter Adresse wurden alle vier Bereiche abgefragt:

Bereich	Funktion	Antwort	Deutung
Relais	01	20 01 01 00 5b b4	alle vier aus
Digitaleingänge	02	20 02 01 00 ab b4	beide offen
Analogeingänge	04	20 04 04 00 00 00 00 ca 86	beide 0
Halteregister	03	20 03 02 31 32 90 06	siehe unten

Drei Bereiche lieferten plausible Werte. Der vierte war merkwürdig: Egal ob Register 0, 1, 10, 100, 1000, 256 oder 4096 abgefragt wurde — die Antwort war immer dieselbe, 31 32.

Falle 3: Die Halteregister sind nicht belegt. Das Gerät prüft die Registeradresse dort gar nicht und gibt ein Füllmuster zurück. Hätten wir dem Handbuch geglaubt, hätten wir dort Konfigurationsdaten vermutet und falsch interpretiert.

Die Lehre: Ein Wert, der sich bei jeder Adresse gleich verhält, ist kein Messwert. Diese Gegenprobe kostet eine Minute und verhindert eine Fehldeutung.

5.5 Der erste Schaltvorgang

Um 16:03 Uhr wurde das erste Relais geschaltet. Nicht blind, sondern mit Rückmessung:

DO0 EIN   hin     20 05 00 00 ff 00 8a 8b
          zurück  20 05 00 00 ff 00 8a 8b     Echo gleich dem Befehl
          gemessen  DO0..DO3 = [1, 0, 0, 0]   mit Funktion 01 zurückgelesen

DO0 AUS   hin     20 05 00 00 00 00 cb 7b
          zurück  20 05 00 00 00 00 cb 7b
          gemessen  DO0..DO3 = [0, 0, 0, 0]

Beachten Sie den Aufbau des Schreibbefehls: Funktion 05 schaltet eine einzelne Coil. Der Wert FF 00 bedeutet ein, 00 00 bedeutet aus. Andere Werte sind nicht erlaubt — eine Eigenheit von Modbus, die auf die Relaisvergangenheit zurückgeht.

Das Modul spiegelt den Befehl, es antwortet mit demselben Telegramm. Das ist die Bestätigung auf Protokollebene.

Damit lagen drei unabhängige Belege vor:

1. das gespiegelte Telegramm
2. der zurückgelesene Zustand über Funktion 01
3. die Beobachtung des Auftraggebers: „ein relay hat geschaltet”

Methodisch ist das der Kern. Ein einzelner Beleg ist eine Behauptung. Drei unabhängige Belege sind ein Nachweis.

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6 Die Prüfprotokolle im Wortlaut

Was folgt, sind die tatsächlichen Ausgaben der Programme, unverändert. Sie gehören in ein Manuskript, weil ein Ergebnis ohne das Protokoll seiner Entstehung nur eine Behauptung ist.

6.1 Der erste Scan — der Fehlschlag

pyserial 3.5 — Suche auf COM4

    9600 Baud 8N1: 0 Antwort(en)
   19200 Baud 8N1: 0 Antwort(en)
   38400 Baud 8N1: 0 Antwort(en)
    4800 Baud 8N1: 0 Antwort(en)
  115200 Baud 8N1: 0 Antwort(en)
   57600 Baud 8N1: 0 Antwort(en)

  Keine Antwort. Moegliche Gruende: andere Paritaet (8E1/8O1), A und B vertauscht,
  Modul ohne Versorgung, oder Adresse ausserhalb 1..247.

Sechs Baudraten mal 247 Adressen sind 1482 Telegramme, und keines kam an. Beachten Sie die Schlussfolgerungen des Programms: Alle vier sind plausibel, und alle vier sind falsch. Die Wartezeit stand nicht auf der Liste, weil sie im Programm selbst steckte.

6.2 Der zweite Scan — der Treffer

=== 1  Hoeren: sendet etwas von selbst? (3 s bei 9600 8N1) ===
    nichts — normal bei einem Modbus-Slave, der nur antwortet

=== 2  Wahrscheinliche Adressen, alle Paritaeten und Baudraten ===
    9600 8N1 Adresse 32: 20 03 02 31 32 90 06
    9600 8E1 Adresse 32: 20 20 50 93 82 06
    9600 8O1 Adresse 32: 20 20 a0 93 82 06
    9600 8N2 Adresse 32: 20 03 02 31 32 90 06

=== 3  Sendet der Wandler ueberhaupt? (Schleifenprobe) ===
    kein Echo — der Wandler sendet auf die Leitung, hoert aber nichts zurueck

Drei Dinge sind hier zu lernen:

Erstens beginnt das Programm mit stillem Zuhören. Ein Modbus-Teilnehmer darf von selbst nichts senden; kommt doch etwas, stimmt die Grundannahme nicht.

Zweitens sehen Sie an den Zeilen für 8E1 und 8O1, wie eine falsche Parität aussieht: Die Bytes kommen verstümmelt an, 20 20 50 93 82 06 statt 20 03 02 31 32 90 06. Die Prüfsumme schlägt fehl. Wer nur auf „es kommt etwas zurück” prüft, hält das für eine Antwort.

Drittens ist 8N2 ebenfalls erfolgreich. Zwei Stoppbits statt einem stören den Empfänger nicht, weil er nach dem ersten Stoppbit ohnehin auf die nächste Flanke wartet. Umgekehrt ginge es nicht.

6.3 Die Rohtelegramme — wie Falle 3 aufflog

=== Register, verschiedene Stellen (gleiche Menge) ===
  FC03 ab 0     Anzahl 1       zurück: 20 03 02 31 32 90 06   CRC ok
  FC03 ab 1     Anzahl 1       zurück: 20 03 02 31 32 90 06   CRC ok
  FC03 ab 10    Anzahl 1       zurück: 20 03 02 31 32 90 06   CRC ok
  FC03 ab 100   Anzahl 1       zurück: 20 03 02 31 32 90 06   CRC ok
  FC03 ab 1000  Anzahl 1       zurück: 20 03 02 31 32 90 06   CRC ok
  FC03 ab 256   Anzahl 1       zurück: 20 03 02 31 32 90 06   CRC ok
  FC03 ab 4096  Anzahl 1       zurück: 20 03 02 31 32 90 06   CRC ok

Dieser Versuchsaufbau ist der ganze Trick: dieselbe Frage an verschiedene Stellen stellen. Antwortet das Gerät immer gleich, liegt dort nichts.

Hätte man nur Register 0 gelesen, wäre 0x3132 als Messwert oder Gerätekennung durchgegangen. Sieben Zeilen Protokoll haben diese Fehldeutung verhindert.

6.4 Der Relaistest über die Dienstschnittstelle

Nach dem Einzelnachweis wurden alle vier Relais über HTTP geprüft, jedes Mal mit Rückmessung:

  vorher : [0, 0, 0, 0]
  DO0 ein  -> Antwort ok=True   zurueckgelesen [1, 0, 0, 0]   STIMMT
  DO1 ein  -> Antwort ok=True   zurueckgelesen [1, 1, 0, 0]   STIMMT
  DO2 ein  -> Antwort ok=True   zurueckgelesen [1, 1, 1, 0]   STIMMT
  DO3 ein  -> Antwort ok=True   zurueckgelesen [1, 1, 1, 1]   STIMMT
  DO0 aus  -> Antwort ok=True   zurueckgelesen [0, 1, 1, 1]   STIMMT
  DO1 aus  -> Antwort ok=True   zurueckgelesen [0, 0, 1, 1]   STIMMT
  DO2 aus  -> Antwort ok=True   zurueckgelesen [0, 0, 0, 1]   STIMMT
  DO3 aus  -> Antwort ok=True   zurueckgelesen [0, 0, 0, 0]   STIMMT
  nachher: [0, 0, 0, 0]

Warum nicht einfach alle vier gleichzeitig einschalten und einmal prüfen? Weil dieser Ablauf eine zusätzliche Frage beantwortet: Trifft jeder Befehl genau sein Relais? Ein Verdrahtungs- oder Adressierungsfehler, der DO1 und DO2 vertauscht, bliebe bei einer Sammelprüfung unentdeckt. Hier fiele er sofort auf, weil nach „DO1 ein” das Muster [1,1,0,0] stehen muss und nichts anderes.

6.5 Die Analogmessung

Der Auftraggeber legte nacheinander 10 mA an beide Eingänge. Das Protokoll:

  Zeit      AI1 roh   AI2 roh
  16:21:45        0         0
  16:21:50        1         0
  16:21:54        0         1
  16:21:55     1455         1      ← Strom liegt an AI1
  16:21:57     1365         1
  16:21:58     1355         1
  16:21:59     1328         1
  16:22:01     1355         1
  16:22:05     1354         1
  16:22:07        1         1      ← abgeklemmt
  16:22:08        1      1688      ← Strom liegt an AI2
  16:22:09        1      1390
  16:22:11        1      1355
  16:22:14        1      1327
  16:22:15        1         0      ← abgeklemmt

Zwei Beobachtungen:

Der erste Wert ist jeweils zu hoch (1455 und 1688). Das ist der Einschaltvorgang; die Quelle schwingt sich ein. Wer den ersten Messwert nimmt, misst den Einschwingvorgang.

Beide Kanäle zeigen denselben Wert bei demselben Strom, rund 1355. Das ist ein guter Beleg dafür, dass sie gleich aufgebaut sind.

6.6 Die Antwortzeiten — mehrfach gemessen

Nachdem der Dienst stand, wurde die Zeit zwischen Absenden und Antwort für alle vier Lesefunktionen gemessen, und zwar mehrfach:

Funktion	Telegramm	Bedenkzeit, erster Durchgang	zweiter Durchgang
03 Halteregister	20 03 00 00 00 01 82 bb	37,30 ms	35,48 ms
01 Relais	20 01 00 00 00 04 3b 78	33,35 ms	48,18 ms
02 Eingänge	20 02 00 00 00 02 ff 7a	32,46 ms	48,53 ms
04 Analogwerte	20 04 00 00 00 02 77 7a	33,77 ms	48,70 ms

Die erste Messreihe legte den Schluss nahe, die Bedenkzeit sei eine feste Eigenschaft des Moduls, etwa 33 Millisekunden, unabhängig von der Funktion. Die zweite Reihe widerlegt das: Dieselben Telegramme brauchten 48 Millisekunden.

Die Spanne über alle Messungen beträgt 32 bis 49 Millisekunden. Woher die Schwankung kommt, ist mit diesen Mitteln nicht zu klären. In der gemessenen Zeit stecken drei Anteile: die echte Bearbeitungszeit im Modul, die Pufferung im USB-Wandler und die Planung des Betriebssystems. Nur ein Oszilloskop an der Leitung könnte sie trennen.

Was daraus für die Praxis folgt: Die Wartezeit muss sich am ungünstigsten Fall orientieren, nicht am Mittelwert. Wer 40 Millisekunden wartet, bekommt mal eine Antwort und mal nicht — und sucht den Fehler dann in der Verdrahtung. Die 150 Millisekunden dieses Prüfstands haben Reserve.

Methodisch ist das der wichtigere Punkt. Eine einzelne Messreihe sah nach einem festen Wert aus. Erst die Wiederholung zeigte die Streuung. Eine Zahl ohne Wiederholung ist eine Momentaufnahme, keine Eigenschaft.

6.7 Die Rauschmessung

Vierzig Messungen am unbeschalteten Eingang:

  AI1: 40 Werte
    Mittelwert           0.2
    kleinster              0
    groesster              1
    Spanne                 1 Zaehlschritte
    Streuung (1 Sigma)  0.40 Zaehlschritte

  AI2: 40 Werte
    Mittelwert           0.2
    Streuung (1 Sigma)  0.43 Zaehlschritte

Diese Messung beantwortet die Frage, die bei den schwankenden 1327 bis 1390 offenblieb: Wer rauscht, das Modul oder die Quelle? Am offenen Eingang schwankt der Wert um weniger als einen Zählschritt. Also war es die Quelle.

Eine Messung, die zwanzig Sekunden kostet und eine Fehlersuche an der falschen Stelle erspart.

7 Die Analogeingänge: Strom, nicht Spannung

7.1 Warum überhaupt Strom

In der Industrie überträgt man Messwerte als Strom, typisch 4 bis 20 Milliampere. Das hat drei Gründe, die Sie sich merken sollten:

1. Der Strom ist überall in der Schleife gleich. Ein Spannungsabfall auf langen Leitungen verfälscht eine Spannungsmessung, den Strom nicht.
2. Ein Leitungsbruch ist erkennbar. Bei 4 bis 20 mA bedeutet 0 mA nicht „Messwert null”, sondern „Kabel ab”. Bei 0 bis 10 V kann man beides nicht unterscheiden.
3. Störungen koppeln als Spannung ein, nicht als Strom. Eine Stromschleife ist unempfindlicher.

Unser Modul misst 0 bis 20 mA. Der Strom fließt über einen Bürdewiderstand von 100 Ohm (Herstellerangabe), an dem die Spannung abfällt, die der Wandler dann misst.

7.2 Die Gefahr

Daraus folgt sofort, was man nicht tun darf:

Strom	Spannung über der Bürde	Verlustleistung	Bewertung
10 mA	1,0 V	10 mW	Betrieb
20 mA	2,0 V	40 mW	Vollausschlag
50 mA	5,0 V	250 mW	zerstört den Widerstand

Fünf Volt direkt an den Eingang treiben fünfzig Milliampere durch einen Widerstand, der für vierzig Milliwatt ausgelegt ist. Bei zwölf Volt wären es 1,4 Watt. Dann raucht es.

$$P = I^2 R = \left(\frac{U}{R}\right)^2 R = \frac{U^2}{R}$$

Bei 12 V und 100 Ω: $P = 144/100 = 1{,}44$ W.

7.3 Eine Spannungsquelle anschließen

Ein Drehgeber mit 0 bis 10 V Ausgang lässt sich trotzdem anschließen, über einen Vorwiderstand:

U_Quelle ──[ R_vor ]──> AI+
Masse ─────────────────> AI−

Der Strom ergibt sich aus der Maschenregel:

$$I = \frac{U_{\text{Quelle}}}{R_{\text{vor}} + R_{\text{B}}}$$

Für Vollausschlag bei 10 V:

$$R_{\text{vor}} = \frac{U_{\max}}{I_{\max}} - R_{\text{B}} = \frac{10\,\text{V}}{0{,}02\,\text{A}} - 100\,\Omega = 400\,\Omega$$

7.4 Die Auflösung — und was sie wirklich begrenzt

Bei einem bekannten Strom von 10 mA zeigte das Modul den Rohwert 1355. Daraus folgt der Maßstab:

$$k = \frac{1355}{10\,\text{mA}} = 135{,}5 \ \frac{\text{Zählschritte}}{\text{mA}}$$

Rechnet man rückwärts auf zwölf Bit, also 4095 Schritte, ergibt sich ein Messbereich von

$$I_{\text{voll}} = \frac{4095}{135{,}5} = 30{,}2\,\text{mA}$$

Ein Bereich bis 30 mA ist bei solchen Modulen üblich, damit Übersteuerung noch erkennbar bleibt.

Nun die Frage, die ein Student stellen sollte: Wie groß darf der Vorwiderstand sein?

R_vor	Strom bei 10 V	Rohwert	ein Zählschritt	Anteil am Bereich
10 kΩ	0,99 mA	rund 134	75 mV	3 %
4,7 kΩ	2,08 mA	rund 282	35 mV	7 %
1 kΩ	9,1 mA	rund 1230	8,1 mV	30 %
510 Ω	16,4 mA	rund 2220	4,5 mV	54 %

Mit 10 Kiloohm bekommen Sie 134 Stufen über den ganzen Bereich. Das ist grob, aber funktioniert. Mit 510 Ohm sind es 2220 Stufen, also siebzehnmal feiner.

Die Grenze setzt aber nicht der Wandler, sondern die Quelle. Ein 0-bis-10-V-Ausgang, der nur 1 mA treiben kann, bricht bei 510 Ohm ein. Die Spannung sinkt, und der Zusammenhang ist nicht mehr linear. Deshalb lautet die Vorschrift: mit großem Widerstand beginnen und schrittweise verkleinern, solange der Rohwert proportional mitgeht. Tut er das nicht mehr, ist die Quelle am Anschlag.

7.5 Der Maßstab — gemessen, nicht geschätzt

Vierzig Messungen am unbeschalteten Eingang ergaben:

	AI1	AI2
Mittelwert	0,2	0,2
Spanne	1 Zählschritt	1 Zählschritt
Streuung (1σ)	0,40	0,43

Das Modul selbst ist also ausgesprochen ruhig. Die zuvor beobachteten Schwankungen des Messwerts zwischen 1327 und 1390 kamen folglich nicht vom Eingang, sondern von der Stromquelle.

Das ist eine wichtige methodische Unterscheidung: Wer Rauschen misst, muss wissen, wessen Rauschen er misst. Die Messung am unbeschalteten Eingang trennt Gerät und Quelle.

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8 Die Digitaleingänge

Das Modul nimmt zwei Arten von Signalen an:

Art	Was anzuschließen ist	Bewertung
Trockener Kontakt	Schalter oder Brücke zwischen DI und COM	sicher, keine Fremdspannung nötig
Beschalteter Kontakt	äußere Gleichspannung auf DI	nur mit belegter Angabe aus dem Handbuch

Ein trockener Kontakt ist ein potentialfreier Schalter. Das Modul legt selbst eine Spannung an den Eingang und misst, ob der Kontakt sie gegen Masse zieht.

Zum Prüfen genügt ein Stück Draht zwischen DI0 und COM. Solange die Spannungsfestigkeit nicht aus dem Handbuch belegt ist, bleibt es dabei. Eine Vermutung über zulässige Spannungen kostet im Zweifel das Modul.

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9 Zwei Wege zur Hardware

Der Prüfstand kann auf zwei Arten mit dem Modul sprechen. Beide sind vollständig umgesetzt, und beide liefern dieselben Telegramme.

9.1 Der Weg über einen Dienst

Browser ──HTTP──> Python-Dienst ──RS485──> Modul

Ein Python-Programm hält die serielle Verbindung, misst zyklisch und bietet eine HTTP-Schnittstelle auf 127.0.0.1. Die Bedienseite holt sich von dort ihre Werte.

Vorteile: Der Dienst misst weiter, auch wenn kein Browser offen ist. Die HTTP-Schnittstelle kann jedes andere Programm benutzen, etwa eine Visualisierung oder eine Anlagensteuerung. Jeder Browser funktioniert.

9.2 Der Weg direkt aus dem Browser

Browser ──Web Serial──> Modul

Seit einigen Jahren können Chrome und Edge über die Web-Serial-Schnittstelle direkt auf serielle Anschlüsse zugreifen, nach ausdrücklicher Freigabe durch den Benutzer. Damit rechnet die Seite die Modbus-Telegramme selbst, einschließlich CRC-16, in JavaScript.

Vorteile: Eine einzige Datei, kein Dienst, nichts zu installieren. Zum Weitergeben ideal.

Grenzen: Nur Chrome und Edge. Ist der Tab geschlossen, misst niemand. Und kein anderes Programm kommt an die Daten.

9.3 Warum beides, und was man daraus lernt

Zwei unabhängige Umsetzungen desselben Protokolls, einmal in Python, einmal in JavaScript, sind mehr als Bequemlichkeit. Wenn beide dieselben Bytes senden und dieselben Werte anzeigen, ist das ein Kreuznachweis: Ein Fehler müsste in beiden Umsetzungen gleich auftreten, und das ist unwahrscheinlich.

Dieses Prinzip gilt weit über Modbus hinaus. Ein Ergebnis, das nur auf einem Weg entstanden ist, ist eine Behauptung.

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10 Die Programme des Versuchs

Alle Programme liegen in C:\Modbus_MA01 und sind einzeln ausführbar. Sie bauen aufeinander auf, und jedes beantwortet genau eine Frage.

Programm	Frage, die es beantwortet
modbus_scan.py	Welche Adresse, welche Baudrate? (mit zu kurzer Wartezeit — als Gegenbeispiel aufgehoben)
modbus_scan2.py	dasselbe mit Paritäten und ausreichender Wartezeit — findet das Modul
modbus_lesen.py	Was steht in allen vier Bereichen?
modbus_roh.py	Wie sehen die Telegramme roh aus? (deckte die Halteregister-Falle auf)
relais_probe.py	Lässt sich ein Relais schalten und zurücklesen?
modbus_dienst.py	Dauerbetrieb mit HTTP-Schnittstelle
dashboard.html	Bedienung und Anzeige

10.1 Der Kern: ein Telegramm hin, eines zurück

Alles Weitere ist Beiwerk um diese eine Funktion herum:

def wechsel(ser, adresse, fc, *woerter):
    kopf = bytes([adresse, fc]) + b"".join(w.to_bytes(2, "big") for w in woerter)
    telegramm = kopf + crc16(kopf)

    ser.reset_input_buffer()          # alte Reste wegwerfen
    ser.write(telegramm)
    time.sleep(0.15)                  # dem Modul Zeit lassen — siehe Falle 1
    antwort = ser.read(ser.in_waiting or 0)

    if len(antwort) < 4:
        raise IOError("keine Antwort")
    if crc16(antwort[:-2]) != antwort[-2:]:
        raise IOError("Prüfsumme falsch")
    if antwort[1] & 0x80:
        raise IOError("Ausnahme %d" % antwort[2])
    return antwort

Drei Prüfungen in drei Zeilen, und jede fängt einen anderen Fehler:

1. Zu kurz heißt: niemand hat geantwortet.
2. Prüfsumme falsch heißt: jemand hat geantwortet, aber die Übertragung war gestört. Das ist der Fall, auf den man achten muss — ein gestörtes Telegramm ohne Prüfung wäre ein falscher Messwert.
3. Höchstes Bit im Funktionscode heißt: Das Gerät hat verstanden und lehnt ab.

10.2 Dasselbe in JavaScript

Für den Weg direkt aus dem Browser wurde derselbe Kern ein zweites Mal geschrieben:

crc(d){
  let c = 0xFFFF;
  for(const b of d){
    c ^= b;
    for(let i = 0; i < 8; i++) c = (c & 1) ? (c >> 1) ^ 0xA001 : c >> 1;
  }
  return [c & 0xFF, c >> 8];        // niederwertiges Byte zuerst
}

Vergleichen Sie Zeile für Zeile mit der Python-Fassung. Dieselbe Rechnung, dieselben Konstanten. Wenn beide Umsetzungen dieselben Bytes erzeugen, ist das ein Kreuznachweis.

Ein Unterschied steckt im Lesen. Python wartet einfach und liest dann, was da ist. Die Web-Serial-Schnittstelle liefert die Bytes dagegen häppchenweise über eine Leseschleife, und das Programm muss selbst entscheiden, wann genug da ist:

async wechsel(tele, mindest){
  this.puffer = new Uint8Array(0);
  await this.writer.write(tele);
  const ende = performance.now() + this.warte + 260;
  while(performance.now() < ende){
    if(this.puffer.length >= mindest) break;
    await new Promise(r => setTimeout(r, 12));
  }
  ...
}

11 Die Schnittstelle des Dienstes

Der Dienst lauscht nur auf 127.0.0.1, nichts verlässt den Rechner. Jede Anfrage liefert JSON.

Weg	Verfahren	Wirkung
/zustand	GET	alle Messwerte
/verlauf	GET	die letzten Messpunkte für den Graphen
/telegramme	GET	die letzten Telegramme, roh
/schalten	POST	{"do":0..3,"wert":0 oder 1}
/kalibrieren	POST	{"ai":1 oder 2,"ma":10.0}
/vorwiderstand	POST	{"ai":1 oder 2,"ohm":510}

Eine Antwort auf /zustand sieht so aus:

{
  "verbunden": true,
  "zeit": "16:39:32",
  "do": [0, 0, 0, 0],
  "di": [0, 0],
  "ai_roh": [1355, 0],
  "ai_ma": [10.0, null],
  "ai_v": [null, null],
  "adresse": 32, "port": "COM4", "baud": 9600,
  "gesendet": 2016, "beantwortet": 2016, "gestoert": 0,
  "umlauf_ms": 452
}

Warum das wichtig ist: Diese Schnittstelle ist der Anschlusspunkt für alles Weitere. Eine Visualisierung, eine Anlagensteuerung oder ein Prozessleitsystem spricht hier an, ohne etwas von Modbus wissen zu müssen. Der Dienst übersetzt.

Die Felder gesendet, beantwortet und gestoert sind keine Spielerei. Ihr Verhältnis ist das Maß für die Güte der Übertragung. Im Dauerbetrieb über zweitausend Telegramme lag es bei 2016 zu 2016 zu 0 — keine einzige Störung.

12 Der Abriss und was daraus folgte

Um 16:24 Uhr meldete der Dienst:

"fehler": "WriteFile failed (PermissionError(13, 'Zugriff verweigert', None, 5))"

Nach 2016 fehlerfreien Telegrammen. Gleichzeitig meldete der Auftraggeber einen Ton und zog den USB-Stecker.

Die Diagnose: Der Wandler hatte sich für einen Moment vom USB-Bus abgemeldet. Windows gibt dann den Anschluss frei, und das Handle, das das Programm noch hält, zeigt ins Leere. Der Anschluss selbst war unversehrt, die Abfrage der Schnittstellen zeigte COM4 weiterhin.

Die Abhilfe gehört zur Aufgabe, nicht zur Kosmetik. Ein Dienst, der in einer Anlage läuft, muss einen Abriss überstehen:

except Exception as e:
    self.gestoert += 1
    try: self.ser.close()
    except Exception: pass
    self.ser = None                   # Handle wegwerfen
    raise IOError("Anschluss verloren: %s" % e)

Und in der Messschleife:

if self.modul.ser is None:
    time.sleep(1.5)
    if self.modul.erneuern():         # neu öffnen
        continue

Der Dienst zählt die Wiederverbindungen mit und zeigt sie an. Eine stillschweigende Reparatur wäre schlechter als gar keine: Wer nicht sieht, wie oft die Verbindung abreißt, hält eine wacklige Anlage für gesund.

Für die Praxis folgt daraus: In der späteren Anlage gehört eine galvanische Trennung zwischen Bus und Rechner, oder wenigstens ein geschirmtes Kabel mit beidseitig aufgelegtem Schirm. Der Abriss trat auf, als an den Analogeingängen hantiert wurde.

13 Nur einer darf senden — ein Fehler und seine Lehre

Am Tag nach der Inbetriebnahme meldete der Auftraggeber: „die verbindung scheint öfters abzubrechen.” Die Fehlersuche dazu ist lehrreicher als manches Kapitel über die Norm.

13.1 Was man zuerst vermutet, und warum es falsch war

Der naheliegende Verdacht bei einem USB-Seriell-Wandler ist das Energiesparen: Windows darf USB-Geräte abschalten, und die Abfrage bestätigte, dass es für alle Anschlüsse dieses Rechners erlaubt ist.

Das Windows-Ereignisprotokoll widerlegte den Verdacht aber eindeutig:

=== An- und Abmeldungen von Geräten in den letzten 6 Stunden ===
  keine Einträge

Der Wandler hatte sich kein einziges Mal abgemeldet. Damit war die ganze USB-Schiene als Ursache ausgeschlossen, und zwar durch eine Messung, nicht durch eine Überlegung.

13.2 Die wirkliche Ursache: zwei Telegramme gleichzeitig

Die Bedienseite maß in einem festen Takt von 900 Millisekunden. Eine Messung besteht aber aus drei Telegrammen — Relais, Eingänge, Analogwerte —, und jedes wartet bis zu 420 Millisekunden auf Antwort, falls keine kommt.

$$t_{\max} = 3 \cdot 420\,\text{ms} = 1260\,\text{ms} \; > \; 900\,\text{ms}$$

Dauerte eine Messung länger als der Takt, startete die nächste, während die vorige noch auf Antwort wartete. Dann lagen zwei Telegramme gleichzeitig auf der Zweidrahtleitung.

Und hier schlägt die Physik von RS485 zu. Auf einer Zweidrahtleitung gibt es nur ein Adernpaar für beide Richtungen. Senden zwei Treiber gleichzeitig, treiben sie dieselben Adern in verschiedene Richtungen. Der Empfänger sieht eine Spannung, die zu keinem der beiden Telegramme gehört. Beide gehen verloren.

Schlimmer noch: Der Fehler pflanzt sich fort. Die verlorene Antwort führt zu einem weiteren Timeout, der nächste Umlauf verschiebt sich, und die Störungen häufen sich.

13.3 Warum Modbus genau das verbietet

Jetzt versteht man die Regel aus Abschnitt 2.2 nicht mehr als Formsache: Ein Leiter fragt, ein Teilnehmer antwortet, und solange eine Antwort aussteht, sendet niemand. Das ist keine Höflichkeit, sondern die einzige Möglichkeit, eine gemeinsame Leitung ohne Kollision zu benutzen.

Dieselbe Regel steckt auch hinter der Telegrammpause von dreieinhalb Zeichenzeiten und dahinter, dass ein Teilnehmer nie von selbst sendet.

13.4 Die Abhilfe

Drei Änderungen, alle auf dasselbe gerichtet:

1. Kein fester Takt mehr. Der nächste Umlauf beginnt erst, wenn der vorige abgeschlossen ist.
2. Eine Sperre für die Leitung. Messen, Schalten und Zeitmessung werden nacheinander abgearbeitet. Drückt jemand mitten in einer Messung einen Relaisknopf, wartet der Befehl.
3. Eine Güteanzeige. Beantwortete durch gesendete Telegramme, in Prozent, farbig. Störungen soll man sehen, nicht ahnen.

13.5 Was Sie daraus mitnehmen sollten

Ein Taktgeber ist kein Ablaufplan. Wer eine Messung in festem Takt anstößt, ohne zu prüfen, ob die vorige fertig ist, baut sich diesen Fehler ein. Das gilt für jede Bussteuerung, nicht nur für Modbus.

Die Fehlersuche gehört an den Anfang der Kette, nicht ans Ende. Hier hat ein Blick ins Ereignisprotokoll die Hardware in einer Minute entlastet. Ohne diesen Blick hätte man Stunden mit Treibern und Energieeinstellungen verbracht.

Und: Zwei Programme dürfen nie gleichzeitig an denselben Anschluss. Dasselbe Problem in größerem Maßstab trat in diesem Versuch schon einmal auf, als der Dienst im Hintergrund lief und der Browser denselben Anschluss öffnen wollte. Am Wandler blinkte es ununterbrochen — das sichere Zeichen, dass jemand anderes bereits sendet.

14 Die Zeitleiste

Uhrzeit	Was geschah
15:58	Anschlüsse abgefragt, COM4 als FTDI erkannt
15:58	erster Scan über 247 Adressen und sechs Baudraten — keine Antwort
15:59	Scan mit längerer Wartezeit und Paritäten — Adresse 32 gefunden
16:01	alle vier Datenbereiche ausgelesen, Falle der Halteregister entdeckt
16:03	erstes Relais geschaltet und dreifach belegt
16:17	Dienst und Bedienseite auf den Rechner gelegt
16:18	alle vier Relais über die HTTP-Schnittstelle geprüft
16:21	Analogeingänge mit 10 mA vermessen, Maßstab bestimmt
16:24	Abriss des USB-Wandlers, Wiederverbindung eingebaut
16:34	Rauschen gemessen: 0,4 Zählschritte
16:39	Bedienseite umgestaltet, Anschlusskarte ergänzt
16:47	zweiter Weg über Web Serial eingebaut
16:53	einzelne Datei ohne Dienst erfolgreich geprüft

Fünfundfünfzig Minuten von der ersten Abfrage bis zum geprüften Prüfstand mit zwei Zugriffswegen.

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14 Was das über die Arbeit mit KI sagt

Dieses Manuskript entstand gemeinsam mit einer KI, die Zugriff auf den Laborrechner hatte. Sie konnte Programme schreiben, auf den Rechner übertragen, ausführen und die Antworten der Hardware lesen. Was sie nicht konnte: ein Kabel anschließen, eine LED sehen, einen Knall hören.

14.1 Was schnell ging

Die Programme zur Inbetriebnahme entstanden in Minuten. Der Scan über alle Adressen, die Zerlegung der Telegramme, die Umrechnung der Rohwerte, der Dienst mit HTTP-Schnittstelle, die Bedienseite mit Zeigerinstrumenten und Graph, schließlich die zweite Umsetzung in JavaScript — all das ist Fleißarbeit, bei der eine KI ihre Stärke ausspielt.

14.2 Was der Mensch beitrug

An vier Stellen wäre die Arbeit ohne den Menschen am Gerät stehengeblieben:

1. „Jetzt habe ich auch zwei mal kurz die RX-LED gesehen.” Ein physikalischer Beleg, den kein Programm liefern kann.
2. „Die fünf DIP-Schalter sind alle auf Off.” Diese Angabe führte zu der Erkenntnis, dass die Schalteradresse nicht die Busadresse ist.
3. „Ein Relais hat geschaltet.” Der dritte, unabhängige Beleg.
4. „Es hat auch palüm gemacht.” Dieser Satz löste eine Sicherheitsprüfung aus. Es stellte sich heraus, dass es der Windows-Ton für ein abgemeldetes Gerät war — aber erst die Nachfrage brachte das heraus.

14.3 Wo die KI danebenlag

Ehrlichkeit gehört dazu. Drei Fehler, die in diesem Versuch gemacht wurden, gingen auf das Konto der KI:

1. Die zu kurze Wartezeit im ersten Scan. Sie führte zu dem falschen Zwischenschluss, es sei nichts angeschlossen.
2. Ein voreiliger Befund. Nachdem parallele Zugriffe auf einen langsamen USB-Stick diesen blockiert hatten, lautete die Diagnose zunächst „Stick defekt”. Erst eine gezielte Messung an mehreren Stellen zeigte, dass er einwandfrei las und die Blockade selbstverschuldet war.
3. Ein Programm, das seine eigene Shell abschoss, weil ein Suchmuster auf die eigene Befehlszeile passte.
4. Der Taktfehler aus Kapitel 13. Eine Messung im festen Takt anzustoßen, ohne auf das Ende der vorigen zu warten, ist ein Anfängerfehler — und er stand drei Tage lang im Code, bis der Auftraggeber die Abbrüche bemerkte.
5. Eine voreilige Erklärung. Auf die Frage, warum keine Anschlussauswahl erschien, lautete die erste Antwort, Chrome gebe die serielle Schnittstelle bei lokalen Dateien nicht frei. Das war falsch, wie ein Gegenbeispiel auf demselben Rechner sofort zeigte. Der wirkliche Grund lag wieder im eigenen Code.

Die Lehre für Sie: Eine KI mit Hardwarezugriff arbeitet schnell und macht trotzdem Fehler. Was sie nicht ersetzt, ist die Messung. Jede Zahl in diesem Manuskript stammt aus einem Telegramm, das wirklich über die Leitung ging. Keine stammt aus einem Datenblatt allein.

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15 Aufgaben

Aufgabe 1 — Telegramm von Hand. Schreiben Sie das Telegramm auf, mit dem Sie von Adresse 17 die Relais 0 bis 3 lesen. Rechnen Sie die Prüfsumme von Hand aus. Prüfen Sie Ihr Ergebnis im Prüfstand nach, indem Sie die Adresse umstellen und das Telegramm in der Tabelle vergleichen.

Aufgabe 2 — Auflösung. Ein Sensor liefert 0 bis 5 V und kann höchstens 2 mA treiben. Welchen Vorwiderstand wählen Sie, und wie viele Zählschritte bleiben Ihnen? Begründen Sie, warum ein kleinerer Widerstand hier nicht geht.

Aufgabe 3 — Leitungsbruch. Warum erkennt ein 4-bis-20-mA-Signal einen Kabelbruch, ein 0-bis-20-mA-Signal aber nicht? Was bedeutet das für die Auslegung einer Anlage?

Aufgabe 4 — Die Ausnahme. Fragen Sie im Prüfstand ein Register ab, das es nicht gibt. Was antwortet das Modul? Warum ist diese Antwort nützlicher als Schweigen?

Aufgabe 5 — Der Kreuznachweis. Lassen Sie denselben Messwert einmal über den Dienst und einmal über den Browser anzeigen. Vergleichen Sie die Telegramme. Was wäre zu folgern, wenn sie auseinanderliefen?

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16 Zum Nachschlagen

Begriff	Bedeutung
RS485	symmetrische Übertragung über zwei Adern, störfest, bis 1200 m
Modbus RTU	Protokoll mit rohen Bytes, Leiter fragt, Teilnehmer antwortet
Coil	einzelnes Bit zum Schreiben, historisch die Relaisspule
Discrete Input	einzelnes Bit zum Lesen
Input Register	16-Bit-Wort zum Lesen, typisch Messwerte
Holding Register	16-Bit-Wort zum Lesen und Schreiben, typisch Einstellungen
CRC-16	Prüfsumme, Polynom 0xA001, Startwert 0xFFFF, niederwertiges Byte zuerst
Bürdewiderstand	Widerstand am Stromeingang, wandelt Strom in messbare Spannung
Trockener Kontakt	potentialfreier Schalter ohne eigene Spannung
Remote-I/O	Ein-/Ausgabemodul am Bus, sitzt beim Prozess