PROTOCOLO MODBUS

ORIGEN DEL MODBUS Hasta los años 60, el control industrial se venía realizando mediante lógica cableada a base de relés electromecánicos. El desarrollo de la electrónica hizo posible la implantación de los dispositivos con microprocesador, también llamados Autómatas Programables o Controladores Lógicos Programables. La historia del protocolo Modbus va ligada a la historia de los PLCs. El PLC (Controlador Lógico Programable) apareció con el propósito de eliminar el enorme costo que significaba el mantenimiento de un sistema de control electromecánico (basado en relés) a finales de los años 60. La empresa Bedford Associates (Bedford, MA) propuso a General Motors un sistema que permitía realizar cambios en las maniobras de un equipo de control sin necesidad de modificar el cableado. A este sistema le dió el nombre de: Modular Digital Controller, oMODICON. El MODICON 084 fue el primer PLC producido comercialmente.

ORIGEN DEL MODBUS La posibilidad de comunicar equipos apareció por el año 1973. El primer sistema que lo hizo servir  fué Modbus de Modicon. Permitía establecer comunicaciones Maestro-Esclavo y Cliente-Servidor entre dispositivos inteligentes y con dispositivos de campo (Transmitir señales digitales, analógicas, registros e información de estado entre ellos) La posibilidad de conectar los autómatas entre sí permitió eliminar casi todo el cableado de control entre máquinas, quedando solamente una línea de comunicación  entre ellas. A través de ésta se podía coordinar el funcionamiento de todos los componentes de un sistema, programar a distancia, supervisar remotamente, diagnósticar todos los elementos conectados,etc. Debido a las dificultades que siempre han presentado los sistemas cerrados (propietarios), en 1979, Modicon publicó de forma abierta y estandarizó el protocolo, ganando inmediatamente seguidores en la industria, debido a que: Fácil y rápido de implementar El código era totalmente abierto y libre de royalties Intercambio sencillo de información entre equipos Modbus define una estructura de mensaje que los controladores podrán reconocer y utilizar sin tener en cuenta el tipo de red que éstos harán servir para comunicarse.

QUE ES MODBUS Modbus es un protocolo de comunicaciones situado en el nivel 7 del Modelo OSI, basado en la arquitectura maestro/esclavo o cliente/servidor, diseñado en 1979 por Modicon para su gama de controladores lógicos programables (PLCs). Convertido en un protocolo de comunicaciones estándar de facto en la industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexión de dispositivos electrónicosindustriales. Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de comunicaciones son: es público su implementación es fácil y requiere poco desarrollo maneja bloques de datos sin suponer restricciones

QUE ES MODBUS Modbus 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 también se usa para la conexión de un ordenador de supervisión con una unidad remota (RTU) en sistemas de supervisión adquisición de datos (SCADA). Existen versiones del protocolo Modbus para puerto serie y Ethernet (Modbus/TCP). Existen dos variantes, con diferentes representaciones numéricas de los datos y detalles del protocolo ligeramente desiguales. Modbus RTU es una representación binaria compacta de los datos. Modbus ASCII es una representación legible del protocolo pero menos eficiente. Ambas implementaciones del protocolo son serie. El formato RTU finaliza la trama con un suma de control de redundancia cíclica (CRC), mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia longitudinal (LRC). La versión Modbus/TCP es muy semejante al formato RTU, pero estableciendo la transmisión mediante paquetes TCP/IP (puerto del sistema 502, identificador asa-appl-proto)1

QUE ES MODBUS Modbus Plus (Modbus+ o MB+), es una versión extendida del protocolo y privativa de Modicon. Dada la naturaleza de la red precisa uncoprocesador dedicado para el control de la misma. Con una velocidad de 1 Mbit/s en un par trenzado sus especificaciones son muy semejantes al estándar EIA/RS-485 aunque no guarda compatibilidad con este. Cada dispositivo de la red Modbus posee una dirección única. Cualquier dispositivo puede enviar órdenes Modbus, aunque lo habitual es permitirlo sólo a un dispositivo maestro. Cada comando Modbus contiene la dirección del dispositivo destinatario de la orden. Todos los dispositivos reciben la trama pero sólo el destinatario la ejecuta (salvo un modo especial denominado "Broadcast"). Cada uno de los mensajes incluye información redundante que asegura su integridad en la recepción. Los comandos básicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos registros. Existe gran cantidad de modems que aceptan el protocolo Modbus. Algunos están específicamente diseñados para funcionar con este protocolo. Existen implementaciones para conexión por cable, wireless, SMS o GPRS. La mayoría de problemas presentados hacen referencia a la latencia y a la sincronización.

CABLEADO Y ACCESO AL MEDIO Modbus hace servir RS-232C, que define las características físicas de la conexión. La comunicación es del tipo Maestro-Esclavo. Un maestro Modbus puede ser un ordenador central o un Panel de Operador, mientras que un esclavo puede ser un autómata programable. A nivel físico (cableado y estructura de red) se pueden presentar distintas variantes de cableado: Interfaz RS232:Cableado punto a punto basado en el estándar TIA/EIA-232-E. Utilizado para distancias cortas y comunicación entre dos equipos. Interfaz RS485: Cableado multipunto basado en el estándar TIA/EIA-485-E. Es un bus con la línea de comunicación balanceada  (permite mayores distancias que la comunicación RS232) y con varios participantes simultáneos (Las direcciones válidas van desde 0 a 247). Habitualmente se implementa mediante 2 hilos, pero también existe la posibilidad de utilizar un cableado de  4 hilos.

CABLEADO Y ACCESO AL MEDIO El acceso al medio se realiza mediante un modelo maestro/esclavo. Un nodo principal (maestro) realiza  peticiones explícitas a cada uno de los esclavos y procesa sus respuestas. Los esclavos no transmitirán nunca datos a no ser que sean preguntados por el maestro y no podrán comunicarse entre sí. En cuanto al formato de los datos que se transmiten por la red, se distinguen dos tipos de modos de transmisión: RTU (Remote Terminal Unit):Formato de transmisión binario (8 bits de datos en cada byte transmitido). Es el formato habitual para la transmisión de datos entre equipos. ASCII:Formato basado en caracteres ASCII, en que cada grupo de 4 bits del formato RTU se codifica con un carácter ASCII (carácter hexadecimal representado en ASCII).

ARQUITECTURA DE LA RED PROTOCOLO MODBUS/TCP Dado a las diversas prestaciones y beneficios que ofrece el Protocolo Modbus/TCP en las redes industriales es que se ha optado por él. Modbus/TCP es un protocolo de comunicación diseñado para permitir a equipos industriales tales como PLCs, computadores, drivers para motores y otros tipos de dispositivos físicos de entrada/salida comunicarse sobre una red. Fue introducido por Schneider Automation como una variante de la familia de protocolos MODBUS, ampliamente usada para la supervisión y el control de equipo de automatización. Específicamente el protocolo define el uso de mensajes MODBUS en un entorno intranet o internet usando los protocolos TCP/IP. La especificación Modbus/TCP define un estándar interoperable en el campo de la automatización industrial, el cual es simple de implementar para cualquier dispositivo que soporte sockets TCP/IP. Todas las solicitudes son enviadas vía TCP sobre el puerto registrado 502 y normalmente usando comunicación half-duplex sobre una conexión dada. Es decir, no hay beneficio en enviar solicitudes adicionales sobre una conexión única mientras una respuesta está pendiente.

ARQUITECTURA DE LA RED Modbus/TCP básicamente encapsula una trama MODBUS dentro de una trama TCP en una manera simple como se muestra en la figura a continuación.

ARQUITECTURA DE LA RED Mecanismo de conexión: MODBUS es un protocolo maestro/esclavo en el que cada solicitud del maestro es tratada de forma independiente por el esclavo, sin relación con las anteriores. Esto facilita proveer transacciones de datos resistentes a rupturas, requiriendo mínima información de recuperación para mantener una transacción en cualquiera de los dos terminales. De otro lado, las operaciones de programación esperan una comunicación orientada a la conexión, es decir, las máquinas de origen y de destino deben establecer un canal de comunicaciones antes de transferir datos. En Modbus/TCP una conexión se establece inicialmente en la capa de aplicación y esta única conexión puede llevar múltiples transacciones independientes. En Modbus/TCP se usa el protocolo orientado a la conexión TCP en lugar del protocolo orientado a datagramas UDP.

TOPOLOGIA DE LA RED Dado que los sistemas industriales usualmente consisten de dos o más dispositivos, este puede ser bastante grande, por lo que debe considerarse la topología de la red. Las topologías más comunes son: La Red Bus, Red Estrella, Red Arbol y Red Híbrida.

TOPOLOGIA DE LA RED

SCADA CON MODBUS