ModbusIntroduccinLAS COMUNICACIONES NECESITAN EL APOYO DE UN
LENGUAJE COMN, QUE ES EL PROTOCOLO DE COMUNICACIONES. EL SIGUIENTE
CUADRO MUESTRA LOS PROTOCOLOS MS COMNMENTE UTILIZADOS EN LOS
DIFERENTES NIVELES DE LAS REDES DE COMUNICACIONES INDUSTRIALES. POR
EL MOMENTO, LOS PROTOCOLOS DE BUS DE DISPOSITIVO MS POPULARES SON
ETHERNET TCP / IP, MODBUS-RTU, PROFIBUS-DP Y DEVICENET. Modbus es
una estructura de mensajera, un protocolo de comunicacin en serie
desarrollado por una empresa norteamericana Modicon (actualmente
Schneider Electric) publicado por Modicon en 1979 para su uso con
sus controladores lgicos programables (PLC). Situado en el nivel 7
del Modelo OSI. Originalmente implementado como un protocolo al
nivel de la aplicacin con la finalidad de transferir datos por una
capa serial, Modbus se ha expandido para incluir implementaciones a
travs de protocolo serial, TCP/IP y el User Datagram Protocol
(UDP). Basado en la arquitectura maestro/esclavo
(cliente/servidor), para la comunicacin entre dispositivos
inteligentes (de automatizacin y control). Siendo el maestro
(cliente) quien controla en todo momento las comunicaciones con los
esclavos que pueden ser hasta 247 (@1d a @247d). Los esclavos
(servidores) se limitan a retornar los datos solicitados o a
ejecutar la accin indicada por el maestro.Convertido en un
protocolo de comunicaciones estndar de facto en la industria, es el
que goza de mayor disponibilidad para la conexin de dispositivos
electrnicos industriales. Las razones por las cuales el uso de
Modbus es superior a otros protocolos de comunicaciones son: Es
pblico Su implementacin es fcil y requiere poco desarrollo Maneja
bloques de datos sin suponer restriccionesModbus permite el control
de una red de dispositivos, por ejemplo un sistema de medida de
temperatura y humedad, y comunicar los resultados a un ordenador.
Modbus es usado generalmente para comunicacin en red tipo SCADA
entre dispositivos. Por ejemplo, un servidor grande puede ser usado
para manejar un controlador lgico programable (PLC) o un
controlador de automatizacin programable (PAC), y el PLC o PAC
puede a su vez manejar un sensor, vlvula, motor o cualquier otro
dispositivo embebido. Tambin se usa para la conexin de un ordenador
de supervisin con una unidad remota (RTU) en sistemas de supervisin
adquisicin de datos (SCADA). Existen versiones del protocolo Modbus
para puerto serie y Ethernet (Modbus/TCP). A parte de que muchos
fabricantes utilizan este protocolo en sus dispositivos, existen
tambin versiones con pequeas modificaciones o adaptadas para otros
entornos (como p.ej JBUS o MODBUS II )DescripcinCada dispositivo de
la red Modbus posee una direccin nica. Cualquier dispositivo puede
enviar rdenes Modbus, aunque lo habitual es permitirlo slo a un
dispositivo maestro. Cada comando Modbus contiene la direccin del
dispositivo destinatario de la orden. Todos los dispositivos
reciben la trama pero slo el destinatario la ejecuta (salvo un modo
especial denominado "Broadcast"). Cada uno de los mensajes incluye
informacin redundante que asegura su integridad en la recepcin. Los
comandos bsicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el
contenido de dichos registros.La transferencia de datos se organiz
en trminos de registros de 16 bits (formato entero) o como
informacin de estado en trminos de bytes de datos. Con los aos el
protocolo ha sido extendido y ha sido adoptado por otros
fabricantes. Se han aadido nuevos tipos de datos, en especial para
lograr una resolucin ms alta para los valores que se transmiten. Se
aprob el protocolo para transferencia de los nuevos medios,
dialectos como Modbus Plus o Modbus/TCP aprarecieron.Para cumplir
estas necesidades, Modbus fue diseado como un protocolo de
solicitud y respuesta con un modelo flexible de datos y funciones;
caractersticas que son parte de la razn por la que hoy en da an
sigue en uso.Ciclo Solicitud Respuesta:El protocolo Modbus sigue
una arquitectura de maestro y esclavo, en la que un maestro (un
solo dispositivo) puede iniciar una transaccin (transmite una
solicitud llamadas, consultas) a un esclavo (cualquier dispositivo
perifrico: Transductor I/O, vlvulas, unidad de red, u otro
dispositivo de medicin) y espera la respuesta. El maestro tambin
puede pedir al esclavo que realice alguna accin. Esta arquitectura
brinda al maestro control completo sobre el flujo de informacin, lo
cual tiene beneficios en redes seriales multipunto ms viejas. An en
redes TCP/IP modernas, le da al maestro un alto grado de control en
el comportamiento del esclavo, lo cual es til en algunos diseos. La
comunicacin del maestro hacia los esclavos puede ser de dos
tipos:1.peer to peer: en que se establece comunicacin maestro -
esclavo , el maestro solicita informacin y el esclavo responde ( se
enva el comando a un dispositivo comprendido entre las direcciones
1d i 247d ).2.-broadcast: en que se establece comunicacin maestro -
todos los esclavos, el maestro enva un comando a todos los esclavos
de la red sin esperar respuesta ( se enva a la direccin @0d ).El
maestro inicia un proceso mediante l envi de un cdigo de funcin que
representa el tipo de transaccin a realizar. La operacin realizada
por el protocolo Modbus define el proceso que un controlador
utiliza para solicitar el acceso a otros dispositivo, como
responder a las peticiones de otros dispositivos, y como sern
detectadas y reportados los errores. El protocolo Modbus establece
un modelo comn para la disposicin y contenido de los campos del
mensaje.Los maestros pueden dirigirse a esclavos individualmente o
pueden iniciar un mensaje de difusin 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
difusin.Los dispositivos maestros tpicos incluyen procesadores de
Host y paneles de programacin. Los esclavos tpicos incluyen
controladores programables.Como se puede ver, la secuencia bsica en
las comunicaciones MODBUS consiste siempre en una trama de
pregunta, seguida de su correspondiente trama de respuesta:-
Pregunta: con el cdigo de funcin que indica al esclavo que operacin
ha de realizar, y los bytes necesarios (datos, comprobacin) para su
ejecucin.- Respuesta: con la confirmacin o datos resultantes de la
ejecucin de la funcin.Existe algn caso concreto, en que hay ms de
una trama de respuesta para una trama de pregunta, como p.ej.
cuando el maestro enva una operacin cuya respuesta puede llevar al
esclavo un tiempo elaborar. En estas situaciones el esclavo enva
una primera respuesta indicando que an no tiene los datos y tardar
un tiempo en disponer de ellos, y otra segunda con los datos o
confirmacin de la operacin.Adems las comunicaciones MODBUS se
pueden realizar en modo ASCII o en modo RTU. En modo ASCII los
bytes se envan codificados en ASCII, es decir, que por cada byte a
transmitir se envian dos caracteres ASCII ( 2 bytes ) con su
representacin hexadecimal ( esto permite leer las tramas con un
simple editor de texto ). En modo RTU se envan en binario, tal
cual. En el modo ASCII las tramas comienzan por 3AH (carcter ':'),
y terminan en 0DH-0AH (CR LF Carrier Return Line Feed) y cada byte
se enva como dos caracteres ASCII. En modo RTU no se utiliza
indicador de inicio y final de trama.El Modelo de Datos de
ModbusModbus administra el acceso de los datos de manera simple y
flexible. Originalmente, Modbus soporta dos tipos de datos: un
valor Booleano y un entero sin signo de 16 bits.En los sistemas
SCADA, es comn para los dispositivos embebidos tener ciertos
valores definidos como entradas, como ganancias o parmetros PID,
mientras que otros valores son salidas, como la temperatura actual
o posicin de la vlvula. Para cumplir con esta necesidad, los
valores de los datos Modbus son divididos en cuatro rangos (ver la
Tabla 1). Un esclavo puede definirse como 65,536 elementos en cada
rango.Bloque de MemoriaTipo de DatosAcceso de MaestroAcceso de
Esclavo
BobinasBooleanoLectura/EscrituraLectura/Escritura
Entradas DiscretasBooleanoSolo LecturaLectura/Escritura
Registros de RetencinPalabra Sin
SignoLectura/EscrituraLectura/Escritura
Registros de EntradaPalabra Sin SignoSolo
LecturaLectura/Escritura
En muchos casos, los sensores y otros dispositivos generan datos
en tipos diferentes a Booleanos simples y enteros sin signo. Es
comn para los dispositivos esclavos convertir estos tipos de datos
ms grandes a registros. Por ejemplo, un sensor de presin puede
dividir un valor de punto flotante de 32 bits entre dos registros
de 16 bits.VELOCIDAD DE TRANSMISINFinalmente debemos tener en
cuenta la velocidad a la que se envan lo bits serialmente, es de
suma importancia, ambos dispositivos deben estar a la misma
velocidad para transmitir y recibir bits, si no lo estn,
simplemente la transmisin serial no sera correcta.La velocidad de
transferencia de informacin indica el nmero de bits que se
transmiten en un segundo, se mide en bauds (baudios) algunas
velocidades de transmisin que son muy usadas son las siguientes:
1200, 2400, 4800, 9600, 19200. Por ejemplo la tarjeta de
relevadores usa una velocidad de 9600 bauds para enviar la
informacin.RS232, TRASMISION BALANCEADA, SINGLE ENDEDEsta norma fue
diseada para comunicacin punto a punto, en donde se tiene una
computadora (en la norma RS232 se le denomina DTE, Data Terminal
Equipment) que se encuentra trasmitiendo hacia un equipo esclavo
(en la norma conocido como DCE, Data Communications Equipment)
ubicado a distancias no mayores a 15 metros (aunque en la prctica
alcanza distancias de hasta 50 metros) y a una velocidad mxima de
19,200 bps. Este tipo de trasmisin se le conoce como "single ended"
porque usa en el cable un solo retorno (GND). Es un modo de
trasmisin muy simple, pero tambin vulnerable al ruido aditivo en la
lnea y por esa razn es empleada para comunicacin a distancias
cortas.RS422/485, TRASMISION BALANCEADA, DIFERENCIAL.Cuando se
requieren mayores distancias y velocidades de trasmisin, entonces
deben de emplearse las normas RS422 y RS485. Adems, estas normas
permiten tambin la trasmisin multipunto, es decir una computadora
central conectada con varias UTR. Dado que la computadora central
tpicamente tiene como salida la interfaz RS232, se hace necesaria
la conexin de un mdulo convertidor RS232 a RS422/485, para
implementar una red.La trasmisin diferencial permite velocidades de
hasta 10 Mbps, sobre distancias de hasta 1.3 kms. Se usan dos
seales para trasmitir y dos para recibir, adems de la tierra, la
cual es normalmente conectada al blindaje del cable. En cada par,
viajan la seal de trasmisin y su complemento. En el receptor, la
seal original se obtiene restando una de la otra. Esta tcnica
reduce grandemente el ruido generado en la lnea, ya que ste se
induce por igual en ambas lneas del par y es al final cancelado.
Este tipo de trasmisin debe de hacerse siempre sobre cable del tipo
"par trensado" (twisted pairs).RS485La diferencia principal entre
RS422 y RS485 es el nmero de seales usadas en el cable de
trasmisin. RS422 usa 4 seales y su tierra, RS485 usa solo 2 seales
y su tierra. RS485 requiere de un protocolo "half dplex" para
operar, dado que las mismas lneas son usadas tanto para trasmisin
como recepcin.Todos los dipositivos RS485 poseen drivers "tristate"
que permiten a las UTR desconectarse de la lnea una vez que
trasmitieron su informacin. Normalmente, para este fin se usa un
circuito temporizador automtico habilitado por el flanco ascendente
de la seal de trasmisin. El temporizador habilita el circuito
trasmisor durante el tiempo que dura el mensaje y lo deshabilita al
terminar ste.Entre las aplicaciones tpicas de la norma RS485, se
encuentran los sistemas de control de acceso, los sistemas
distribudos de control industrial y los sistemas de seguridad
casera. En todos estos casos, varias UTR reportan su informacin
hacia una computadora central o bien reciben comandos de la misma.
Modo de transmisinModo ASCII (American Standard Code for
Information Interchange)Descripcin:Ilustracin 1
La carta de Cdigo ASCII 1968 de los EE.UU. fue estructurada con
dos columnas de caracteres de control, una columna con caracteres
especiales, una columna con nmeros, y cuatro columnas de letras.
Ilustracin 1
Modbus ASCII es una representacin legible del protocolo pero
menos eficiente. El formato ASCII utiliza una suma de control de
redundancia longitudinal (LRC) para el sistema de deteccin de
errores. Ilustracin 2Ilustracin 2
Transmisin de la letra A
Ilustracin 3Verificacin de error Utiliza el mtodo de control de
redundancia longitudinal (LRC): La verificacin de la redundancia
longitudinal (LRC, tambin denominada verificacin de redundancia
horizontal) no consiste en verificar la integridad de los datos
mediante la representacin de un carcter individual, sino en
verificar la integridad del bit de paridad de un grupo de
caracteres. Ilustracin 4
En la verificacin de (LRC), los bloques de bits se organizan en
forma de tabla (filas y columnas). Por ejemplo, en lugar de enviar
un bloque de bits, se organizan en una tabla de cuatro filas y ocho
columnas, como se muestra en la Ilustracin 4.
Cuando el receptor comprueba el LRC, algunos de los bits no
siguen la regla de paridad par y se descarta todo el bloque.
Modo RTU (Remote Terminal Unit)Ilustracin 5
Modbus RTU es una representacin binaria compacta de los datos.
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de
redundancia cclica (CRC). Ilustracin 5Verificacin de error Utiliza
el mtodo de redundancia cclica (CRC): La verificacin de redundancia
cclica (abreviado, CRC) es un mtodo de control de integridad de
datos de fcil implementacin. Es el principal mtodo de deteccin de
errores utilizado en las telecomunicaciones. Ilustracin 6
El CRC es la tcnica de verificacin ms potente. Se basa en la
divisin binaria. Con la CRC, se aaden una secuencia de bits
redundantes, denominados CRC o residuo CRC, al final de la unidad
de datos de forma que los datos resultantes sean divisibles
exactamente por un nmero binario predeterminado. Como se muestra en
la Ilustracin 6.En el destino, la unidad de datos que se recibe es
dividida por este mismo nmero. Si en este paso no hay residuo, se
asume que la unidad de datos es intacta y se acepta. La existencia
de un residuo indica que la unidad de datos ha sufrido daos durante
el trnsito y que debe ser rechazada.
Formato general de las tramas:Ilustracin 7
Ilustracin 8Para sincronizar la trama, los dispositivos
receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido entre
caracteres recibidos. Si se detecta un intervalo mayor que tres
veces y medio el tiempo necesario para transmitir un carcter, el
dispositivo receptor ignora la trama y asume que el siguiente
carcter que recibir ser una direccin.Explicacin partes de la trama
en Modbus:Ilustracin 9
DireccinEl campo direccin es el primero de la trama despus del
tiempo de sincronizacin. Indica el dispositivo al que va dirigido
el mensaje. Cada dispositivo de la red debe tener asignada una
direccin nica, diferente de cero.FuncinEl campo funcin indica al
dispositivo direccionado qu tipo de funcin ha de Realizar.Leer N
bitsEsta funcin permite al usuario obtener los valores lgicos
(ON/OFF) de los bits del dispositivo direccionado. Los datos de
respuesta van empaquetados en bytes de manera que el primer bit
solicitado ocupa el bit de menos peso del primer byte de datos. Los
siguientes van a continuacin de manera que si no son un nmero
mltiplo de 8, el ltimo byte se completa con ceros.
Ilustracin 10Leer N RegistrosEsta funcin permite al usuario
obtener los valores de los registros del dispositivo direccionado.
Estos registros almacenan los valores numricos de los parmetros y
variables del controlador. El rango de los datos vara de 0 a 65536.
Los datos correspondientes a direcciones de registros que pasan de
la ltima direccin vlida de parmetros se asignan a cero (00 00).
Ilustracin 11Funcin para escribir 1 bitEsta funcin permite al
usuario escribir los valores lgicos (ON/OFF) de los bits del
dispositivo direccionado. Para desactivar el bit se debe enviar
00h, y para activarlo se debe enviar 01h o FFh. ste valor se debe
escribir en el byte ms significativo.
Ilustracin 12Funcin para escribir un registroEsta funcin permite
al usuario modificar el contenido de los parmetros del dispositivo
direccionado. Los valores se envan escalados segn el factor de
escala correspondiente a cada parmetro, en un rango entre 0000h y
FFFFh.
Ilustracin 13DatosEl campo datos contiene la informacin
necesaria para que los dispositivos puedan ejecutar las funciones
solicitadas, o la informacin enviada por los dispositivos al master
como respuesta a una funcin.
Ilustracin 14Cdigo de error (Control de errores)Comnmente, los
errores que aparecen durante las operaciones de acceso y
programacin de dispositivos tienen relacin con datos no vlidos en
la trama.El campo de control de errores es el ltimo de la trama y
permite al master y a los dispositivos detectar errores de
transmisin. Ocasionalmente, debido a ruido elctrico o a
interferencias de otra naturaleza, se puede producir alguna
modificacin en el mensaje mientras se est transmitiendo. El control
de errores asegura que los dispositivos receptores o el master no
efectuarn acciones incorrectas debido a una modificacin accidental
del mensaje. El formato RTU utiliza el control de redundancia
cclica (CRC), mientras que el ASCII utiliza el control de
redundancia longitudinal (CRL) para finalizar la trama de
comunicacin.
Ilustracin 15
11Ambar Lorenzo, Luis Caicedo
