HOME

1 . Introducción

El protocolo MODBUS es una estructura de mensajería desarrollado por Modicon ( actualmente Schneider Electric) en 1979 , que sirve para establecer la comunicación entre dispositivos inteligentes maestro-esclavo/ cliente-servidor . Es un estándar de hecho  verdaderamente abierto y el protocolo de red más utilizado en el  ambiente de la fabricación industrial. El protocolo MODBUS proporciona un método industrial estándar que los dispositivos MODBUS utilizan para analizar los mensajes .

La transferencia de datos se organizó en términos de registros de 16 bits (formato de entero) o como  información de estado en términos de bytes de datos. Con los años el protocolo fue extendido y ha sido adoptado por otros fabricantes también. Se han añadido nuevos tipos de datos, en especial para lograr una resolución más alta para los valores que se transmiten. Se aprobó el protocolo para la transferencia de los nuevos medios, dialectos como Modbus Plus o Modbus / TCP aparecieron.

Pero por razones de compatibilidad la estructura básica del área de datos o el mecanismo de direccionamiento del protocolo fueron retenidos.

El protocolo Modbus es de hecho un protocolo de maestro único. El maestro controla la transmisión completa y monitorea si se producen posibles tiempos de espera sobrepasados (no hay respuesta desde el dispositivo direccionado).

Detalles adicionales sobre el protocolo MODBUS: Funcionamiento: El protocolo MODBUS se basa en una arquitectura maestro-esclavo o cliente-servidor, donde un dispositivo maestro o cliente inicia las solicitudes y los dispositivos esclavos o servidores responden a esas solicitudes. Esta comunicación se realiza a través de una conexión de red, como RS-485, Ethernet o TCP/IP. Tipos de mensajes: MODBUS utiliza diferentes tipos de mensajes para realizar diferentes operaciones, como leer datos, escribir datos, solicitar información, etc. Los mensajes MODBUS están formados por campos específicos, como la dirección del dispositivo, el código de función y los datos relevantes. Flexibilidad: El protocolo MODBUS es extremadamente flexible y se puede implementar en una amplia gama de dispositivos y sistemas, como controladores lógicos programables (PLCs), sistemas de supervisión y adquisición de datos (SCADA), dispositivos de medición, entre otros. Interoperabilidad: Debido a que MODBUS es un estándar de facto abierto y ampliamente adoptado, los dispositivos de diferentes fabricantes pueden comunicarse entre sí utilizando este protocolo. Esto facilita la integración de diversos equipos en un sistema industrial. Versatilidad: MODBUS es utilizado en numerosas aplicaciones de la industria manufacturera, incluyendo automatización de procesos, monitoreo de sistemas, control de motores, gestión de energía, entre otros. Su popularidad se debe a su sencillez, eficiencia y confiabilidad. El protocolo MODBUS se utiliza ampliamente en diversas aplicaciones de la industria manufacturera y de automatización. Algunas de las aplicaciones principales del protocolo MODBUS son: Control de procesos industriales: MODBUS es utilizado para el control y supervisión de procesos en la industria, como el control de motores, válvulas, bombas, sensores y otros dispositivos. Permite la comunicación entre controladores lógicos programables (PLCs) y otros dispositivos de campo. Supervisión y adquisición de datos (SCADA): En sistemas SCADA, MODBUS se utiliza para la comunicación entre las estaciones de supervisión y control centralizado y los dispositivos remotos distribuidos en una planta o instalación industrial. Permite la recopilación de datos en tiempo real y el control de dispositivos en diferentes ubicaciones. Integración de equipos: MODBUS facilita la integración de equipos de diferentes fabricantes en un sistema industrial. Dispositivos como PLCs, variadores de frecuencia, pantallas HMI, medidores de energía, controladores de temperatura, entre otros, pueden comunicarse entre sí utilizando el protocolo MODBUS. Sistemas de gestión de energía: En aplicaciones de gestión de energía, MODBUS se utiliza para la medición y supervisión de datos relacionados con el consumo de energía, la generación de energía renovable, el control de carga y la optimización del uso de energía en una instalación industrial. Monitorización de redes: MODBUS también se utiliza para monitorear y diagnosticar redes industriales. Permite obtener información sobre el estado de los dispositivos de red, la detección de errores y la optimización del rendimiento de la red.
SCADA es el acrónimo de Supervisory Control And Data Acquisition, que en español significa "Supervisión, Control y Adquisición de Datos". Los sistemas SCADA son sistemas de software y hardware utilizados para supervisar y controlar procesos industriales y de infraestructuras críticas en tiempo real. Un sistema SCADA consta de varias partes fundamentales: Dispositivos de campo: Son los sensores, actuadores y otros dispositivos que interactúan con el proceso físico que se supervisa y controla. Estos dispositivos recopilan datos del entorno y ejecutan acciones sobre el proceso. Unidad Terminal Remota (RTU) o Controlador Lógico Programable (PLC): Estos dispositivos son responsables de la adquisición de datos en el campo y del control local del proceso. Recopilan información de los dispositivos de campo y la envían al sistema SCADA central. Sistema de adquisición y control: Es el componente central del sistema SCADA. Consiste en servidores y estaciones de trabajo donde se ejecuta el software SCADA. Este software recibe los datos de los dispositivos de campo, los muestra en tiempo real, registra información histórica y permite a los operadores interactuar con el sistema. Comunicaciones: Se utilizan diferentes protocolos de comunicación para transmitir datos entre los dispositivos de campo y el sistema SCADA central. Algunos protocolos comunes son MODBUS, OPC (OLE for Process Control), DNP3 (Distributed Network Protocol) y TCP/IP. Interfaz de usuario: El sistema SCADA proporciona una interfaz gráfica que muestra visualmente la información recopilada del proceso en forma de gráficos, diagramas, alarmas y tendencias. Permite a los operadores supervisar y controlar el proceso en tiempo real, además de interactuar con él. Los sistemas SCADA se utilizan en una amplia gama de industrias, como energía, petróleo y gas, agua y aguas residuales, manufactura, transporte y muchas otras, donde la supervisión y el control eficientes de procesos son fundamentales para el funcionamiento seguro y eficiente de las operaciones.

2 . La comunicación entre dispositivos MODBUS

Los dispositivos MODBUS se comunican usando una técnica maestro-esclavo en la que un solo dispositivo (el maestro ) puede iniciar transacciones (llamadas consultas ) . El maestro también puede pedir al esclavo que realice alguna acción. El maestro inicia un proceso mediante el envío de un código de función que representa el tipo de transacción a realizar. La operación realizada por el protocolo Modbus define el proceso que un controlador utiliza para solicitar el acceso a otro dispositivo, cómo responderá a las peticiones de otros dispositivos, y cómo serán detectados y reportados los errores. El protocolo Modbus establece un modelo común para la disposición y el contenido de los campos del mensaje.

Los maestros pueden dirigirse a esclavos individuales o pueden iniciar un mensaje de difusión a todos los esclavos. Los esclavos devuelven una respuesta a todas las consultas que se les haga de forma individual, pero no responden a pedidos de difusión.

Los otros dispositivos (esclavos) responden suministrando los datos solicitados al maestro, o mediante la adopción de las medidas solicitadas en la consulta. Un esclavo es cualquier dispositivo periférico ( transductor I / O, válvula, unidad de red, u otro dispositivo de medición), que procesa la información y envía su salida al maestro utilizando MODBUS .

Los controladores se comunican usando una técnica maestro / esclavo donde sólo un dispositivo, el maestro, puede iniciar transacciones o consultas. Los otros dispositivos, esclavos, responden mediante el suministro de los datos solicitados por el  maestro o al tomando la acción solicitada en la consulta. Los dispositivos maestros típicos incluyen procesadores de host y paneles de programación. Los esclavos típicos incluyen controladores programables.

Durante las comunicaciones sobre una red Modbus, el protocolo determina cómo cada controlador sabrá su dirección de equipo, cómo reconocerá un mensaje dirigido al mismo, determinará que tipo de medidas deben adoptarse, y extraerá cualquier dato u otra información contenida en el mensaje.

3 . MAPA DE REGISTRO MODBUS

Los dispositivos MODBUS suelen incluir un mapa del registro. Las funciones MODBUS operan en forma de mapa de registros para monitorear, configurar y controlar módulos de E/S. Usted debe referirse al mapa de registros de su dispositivo para obtener una mejor comprensión de su funcionamiento.

4 . Modos de transmisión en serie de redes MODBUS

El modo de transmisión define el contenido de bits de los bytes del mensaje de transmisión a lo largo la red, y cómo la información del mensaje va a ser empaquetada en la secuencia de mensajes y decodificada.

Las redes MODBUS estándar emplean uno de dos tipos de modos de transmisión :

4.1 . Modo ASCII

4.2 . Modo RTU.

El modo de transmisión generalmente se selecciona junto con otros parámetros de puerto serial de comunicación  ( velocidad de transmisión, paridad, etc ), como parte de la configuración del dispositivo .

4.1 . Modo de transmisión ASCII

En el modo de transmisión ASCII  (Código Estándar Americano para el Intercambio de Información), cada byte de caracteres en un mensaje se envía como 2 caracteres ASCII . Este modo permite  intervalos de tiempo de hasta un segundo entre caracteres durante la transmisión sin generar errores .

4.2 . Modo de transmisión RTU ( Unidad Terminal Remota  )

En el modo RTU ( Remote Terminal Unit ) , cada mensaje de byte de 8 bits contiene dos caracteres hexadecimales de 4 bits, y el mensaje se transmite en un flujo continuo . La mayor densidad de caracteres efectiva aumenta el rendimiento sobre el modo ASCII a la misma velocidad en baudios.

5 . FORMATO DE MENSAJE MODBUS

Un formato o estructura de mensajes es usado para marcar el comienzo y el punto final de un mensaje para permitir al dispositivo receptor determinar qué dispositivo se está direccionando y para saber cuándo el mensaje se completa. También permite como resultado, que los mensajes parciales sean detectados y los errores sean marcados.

Un mensaje Modbus se coloca en una estrucutra de mensaje por el dispositivo de transmisión. Cada palabra de este mensaje (incluyendo el formato) también se coloca en un formato de datos que añade un bit de inicio, un bit de parada, y el bit de paridad.

En el modo ASCII, el tamaño de la palabra es 7 bits, mientras que en el modo RTU; el tamaño de la palabra es de 8 bits. Por lo tanto, cada 8 bits de un mensaje RTU es efectivamente 11 bits al contabilizar el de bit inicio, parada y bits de paridad de la estructura de datos.

No hay que confundir el mensaje con el formato de datos de un solo byte (modo RTU ) o el bit de 7 caracteres ( Modo ASCII) . La estructura del formato de datos depende del modo de transmisión (ASCII o RTU ). Tenga en cuenta que en algunos otros tipos de redes y sobre la Modbus Plus (Modbus+ o MB+), el protocolo de red se encarga de la elaboración de los mensajes y utiliza delimitadores de inicio y final específicos de la red .

5.1. Formato de Mensaje en Modo ASCII

Los mensajes en modo ASCII comienzan con un carácter de dos puntos ":" (ASCII 3AH) y terminan con un par de caracteres retorno de carro – avance línea ( CR LF , ASCII 0DH y 0AH ) . Los únicos caracteres permisibles para todos los demás campos son los hexadecimales 0-9 y AF. Recordemos que sólo se necesita 7 bits significativos para representar un carácter ASCII. Asimismo, los bytes de datos del modo MODBUS ASCII o carácter requieren sólo 7 bits de longitud.

Para el modo de transmisión ASCII, cada carácter requiere 7 bits de datos. Por lo tanto, cada carácter es de 10 bits al contabilizar el bit de inicio, bit de paridad y el bit de parada del formato de datos.

En el modo ASCII, todos los dispositivos de red supervisan continuamente la red buscando el carácter de dos puntos (:) de inicio de mensaje. Cuando el mismo se recibe, cada dispositivo de red descodifica el campo siguiente para determinar si es el dispositivo direccionado.

Figura 1 - Marco serial Modbus RTU

Figura 2 - Marco serial Modbus ASCII

5.2 . Formato de mensajes en Modo RTU

Los mensajes del modo RTU comienzan con un intervalo de silencio por lo menos 3,5 de tiempos de  caracteres implementado como un múltiplo de tiempos de caracteres a la velocidad de transmisión que se utiliza en la red. El primer campo transmitido es la dirección del dispositivo . Los caracteres permitidos de transmisión para todos los campos son valores hexadecimales 0-9, A -F.

Un dispositivo de red monitorea continuamente la red, incluyendo los intervalos de silencio, y cuando el primer campo es recibido (la dirección) después de un intervalo de silencio de al menos 3,5 veces el tiempo de carácter, el dispositivo lo decodifica para determinar si es el dispositivo direccionado. Tras el último carácter de transmisión, un intervalo de silencio similar de 3,5 veces el tiempo de carácter marca el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar después de este intervalo.

Todo el mensaje debe ser transmitido como un flujo continuo. Si un intervalo de silencio de más de 1,5 veces un carácter se produce antes de la finalización del formato (no un flujo continuo) , el dispositivo de recepción vacía el mensaje incompleto y asume que el siguiente byte será el campo de dirección de un nuevo mensaje.

En forma similar, si un nuevo mensaje comienza antes que 3,5 veces el carácter siguiente a un mensaje anterior, el dispositivo receptor asume que es una continuación del mensaje anterior.

Esto generará un error, ya que el valor en el campo final CRC no será válido para los mensajes combinados.

6 . DIRECCIONES MODBUS

El dispositivo maestro direcciona un dispositivo esclavo específico mediante la colocación de la dirección del esclavo de 8 bits en el campo de dirección del mensaje (modo RTU ).  El campo de dirección del mensaje contiene dos caracteres (en modo ASCII ), u 8 bits binarios ( en el modo RTU ). Las direcciones válidas son 1 a 247. Cuando el esclavo responde, éste coloca su propia dirección en este campo de su respuesta para que el maestro sepa qué el esclavo contesta.

7. FUNCIONES MODBUS

El campo de código de función del formato de mensaje contiene dos caracteres (en modo ASCII), u 8 bits binarios (en el modo RTU) que indican al esclavo qué tipo de acción tomar. Los códigos válidos de función van del 1 al 255, pero no todos los códigos se aplican a un módulo y algunos códigos están reservados para uso futuro.

8. CAMPO DE DATOS MODBUS

El campo de datos proporciona al esclavo con cualquier información adicional requerida por el mismo para completar la acción especificada por el código de función. Los datos se forman a partir de un múltiplo de bytes de caracteres (un par de caracteres ASCII en modo ASCII), o un múltiplo de dos dígitos hexadecimales en modo RTU, en el rango 00H - FFH. El campo de datos normalmente incluye direcciones de registro; valores de cuenta y datos escritos.

Si no se produce ningún error, el campo de datos de una respuesta de un esclavo devolverá los datos que se solicitan. Si se produce un error, el campo de datos devuelve un código de excepción que el software de aplicación del maestro puede utilizar para determinar la siguiente acción a tomar.

9 . VERIFICACIÓN DE ERRORES MODBUS

Las redes MODBUS emplean dos métodos de comprobación de errores haciendo uso de la comprobación de paridad

1 . La verificación de paridad del formato de caracteres de datos ( par, impar o sin paridad )

2 . Verificación de formato dentro del formato de mensaje (comprobación de redundancia cíclica en el modo RTU o comprobación redundante longitudinal (LRC) en modo ASCII).

9.1. Comprobación de la paridad

Un dispositivo MODBUS se puede configurar para una paridad par o impar, o sin comprobación de paridad.

Esto determina cómo se configura el bit de paridad del formato de datos del carácter. Si se selecciona la comprobación de paridad par o impar, se cuenta un número de 1 bit en la parte de datos de cada formato de caracteres. Cada carácter en el modo RTU contiene 8 bits. El bit de paridad será entonces configurado en un 0 o un 1, para dar como resultado  número total de 1 bit par ( paridad par ) o impar ( paridad impar ) .

9.2. Comprobación de formato

Comprobación redundante longitudinal (LRC) (sólo modo ASCII)

En el modo de transmisión ASCII, la trama de caracteres incluye un campo LRC como el último campo que precede a los caracteres CR LF. Este campo contiene dos caracteres ASCII que representan el resultado de un cálculo de redundancia longitudinal para todos los campos, excepto el carácter inicial de dos puntos ":" y par de caracteres CR  LF de finalización.

Verificación de Error CRC (sólo modo RTU )

Las estructuras de mensajes de modo RTU incluyen un método de comprobación de errores que se basa en un cálculo de comprobación por redundancia cíclica (CRC ) . El campo de comprobación de errores de un mensaje contiene un valor de 16 bits (dos bytes de 8 bits) que contiene el resultado de un cálculo de comprobación por redundancia cíclica (CRC ) realizado sobre el contenido del mensaje .

10 . EXCEPCIONES MODBUS

Si se envía un código de función no admitida a un módulo, entonces el código de excepción 01 ( "Illegal Function" o función ilegal) será devuelto en el campo de datos del mensaje de respuesta. Si un registro de retención es escrito con un valor no válido, entonces el código de excepción 03 ( "Illegal Data Value" o valor ilegal de datos) será devuelto en el mensaje de respuesta .

11 : MODBUS / TCP

MODBUS / TCP es un protocolo de comunicación diseñado para permitir que equipos industriales, tales como Autómatas Programables o PLCs, computadoras, paneles de mando, motores, sensores y otros tipos de dispositivos físicos de entrada / salida puedan comunicarse a través de una red.

Modbus / TCP fue inventado por Modicon /Grupo Schneider y es hoy en día uno de los protocolos más populares incorporados dentro de los marcos de TCP / IP de Ethernet  (“Ethernet  TCP/IP frames ”). El protocolo Modbus / TCP básicamente incorpora un marco de Modbus en un marco TCP de una manera sencilla. Se trata de una operación orientada a la conexión, que significa que cada consulta espera una respuesta.

Esta técnica de pregunta / respuesta encaja bien con la naturaleza de maestro / esclavo de Modbus, sumándose a la ventaja determinista que la Ethernet Conmutada (“Switched Ethernet”) ofrece a los usuarios industriales. El uso de OPEN Modbus dentro de la trama TCP proporciona una solución totalmente escalable de diez a diez mil nodos sin el riesgo de compromiso que otras técnicas de multidifusión producirían.

El protocolo TCP / IP MODBUS ® se ha convertido en un estándar industrial de facto debido a su apertura, simplicidad, bajo costo de desarrollo, y el hardware mínimo necesario para apoyarlo.

En este momento hay más de 200 dispositivos Modbus ® TCP / IP disponibles en el mercado. El mismo es utilizado para el intercambio de información entre dispositivos, supervisión y programación. También se utiliza para controlar Entradas / Salidas distribuidas, siendo el protocolo preferido por los fabricantes de este tipo de dispositivos.

MODBUS TCP / IP utiliza TCP / IP y Ethernet para transportar la estructura de mensajes MODBUS. MODBUS / TCP requiere una licencia , pero todas las especificaciones son públicas y abiertas por lo que no hay que pagar derechos por esta licencia. Haciendo uso de TCP / IP también ofrece el uso de las páginas Web integradas para hacer su vida aún más fácil ! Simplemente 'navegue' por la intranet de su planta para buscar la información que necesita mediante el uso de su navegador web.

11.1. Rendimiento de un sistema MODBUS TCP / IP

TCP es un protocolo de control de transmisión e IP es el protocolo de Internet. Estos protocolos se utilizan juntos y son el protocolo de transporte para la Internet. Cuando la información modbus se envía utilizando estos protocolos, los datos se pasan al protocolo TCP donde se incluye información adicional y se entrega a IP. IP entonces coloca los datos en un paquete (o datagrama) y la transmite.

El rendimiento depende básicamente de la red y el hardware. Si se está ejecutando MODBUS ® TCP / IP a través de Internet, usted no va a obtener mejores resultados que los tiempos típicos de respuesta de Internet.

Sin embargo, para la comunicación con fines de depuración y de mantenimiento, esto puede ser perfectamente adecuado y lo libera de tener que tomarse un avión o ir al sitio en un domingo por la mañana !

Para una Intranet de alto rendimiento con conmutadores Ethernet de alta velocidad para garantizar el rendimiento, la situación es completamente diferente.

11.2 . ¿Cómo se pueden comunicar dispositivos Modbus existentes sobre MODBUS TCP / IP?

MODBUS ® TCP / IP es simplemente el protocolo MODBUS ® con una envoltura de TCP. Por lo tanto, es extremadamente simple para los dispositivos existentes Modbus ®  comunicarse a través de MODBUS ® TCP / IP. Para ello se requiere un dispositivo de puerta de enlace para convertir el protocolo MODBUS a MODBUS TCP / IP.

11.3 . Ventajas de MODBUS / TCP

Las principales ventajas de este protocolo se pueden resumir de la siguiente manera

• Es escalable en complejidad. Un dispositivo, que tiene sólo un propósito sencillo, sólo necesita aplicar uno o dos tipos de mensajes para ser obediente.

• Es altamente escalable en extensión. Una colección de dispositivos utilizando MODBUS / TCP para comunicación puede contener hasta 10.000 dispositivos o más en una sola red Ethernet conmutada.

• Es fácil de administrar y mejorar. No hay necesidad de utilizar herramientas de configuración compleja al añadir una nueva estación a una red Modbus / TCP.

• No hay un equipo o software de proveedor exclusivo necesario. Cualquier sistema informático o microprocesador con redes de estilo (TCP / IP) de Internet puede usar Modbus / TCP.

• Es de muy alto rendimiento, limitado típicamente por la capacidad del sistema operativo del ordenador para comunicarse. Tasas de 1000 transacciones por segundo o más son fáciles de lograr en una sola estación, y las redes pueden ser fácilmente construidas para conseguir tiempos de respuesta garantizados en el rango de milisegundos.

• Se puede utilizar para comunicarse con la gran base instalada de dispositivos Modbus, utilizando productos de conversión, que no requieren ninguna configuración.

12. Conclusión

MODBUS es un protocolo de capa de aplicación de mensajería, colocado en el nivel 7 del modelo OSI, que proporciona la comunicación cliente / servidor entre dispositivos conectados a diferentes tipos de buses o redes. MODBUS es el estándar de facto de la industria desde 1979, que permite comunicarse a millones de dispositivos de automatización. Hoy en día, el apoyo a la estructura simple y elegante de MODBUS sigue creciendo. La comunidad de Internet puede acceder a MODBUS a través de un puerto reservado de sistema 502 en la pila de TCP / IP.

MODBUS se utiliza para monitorear y programar dispositivos; para comunicar dispositivos inteligentes con sensores e instrumentos ; para supervisar los dispositivos de campo utilizando PCs y HMIs ; MODBUS es también un protocolo ideal para aplicaciones RTU donde se requiere la comunicación inalámbrica.