Modbus

Modbus es un protocolo de comunicaciones situado en los niveles 1, 2 y 7 del Modelo OSI, basado en la arquitectura maestro/esclavo (RTU) o cliente/servidor (TCP/IP), 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 electrónicos industriales.[1]

Las principales razones por las cuales el uso de Modbus en el entorno industrial se ha impuesto por encima de otros protocolos de comunicaciones son:

  • Se diseñó teniendo en cuenta su uso para aplicaciones industriales
  • Es público y gratuito
  • Es fácil de implementar y requiere poco desarrollo
  • Maneja bloques de datos sin suponer restricciones

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).

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 solo 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.

Versiones del protocolo

Hay muchas variantes de protocolos Modbus, existen versiones del protocolo Modbus para el puerto serie, para Ethernet, y otros protocolos que soportan el conjunto de protocolos TCP/IP de Internet:

  • Modbus RTU — Es la implementación más común disponible para Modbus. Se utiliza en la comunicación serie y hace uso de una representación binaria compacta de los datos para el protocolo de comunicación. El formato RTU sigue a los comandos/datos con una suma de comprobación de redundancia cíclica (CRC) como un mecanismo de comprobación de errores para garantizar la fiabilidad de los datos. Un mensaje Modbus RTU debe transmitirse continuamente sin vacilaciones entre caracteres. Los mensajes Modbus son entramados (separados) por períodos inactivos (silenciosos).
  • Modbus ASCII — Se utiliza en la comunicación serie y hace uso de caracteres ASCII para el protocolo de comunicación. El formato ASCII utiliza un checksum de control de redundancia longitudinal (LRC). Los mensajes Modbus ASCII están entramados por los dos puntos principales (":") y la nueva línea (CR/LF).
  • Modbus TCP/IP o Modbus TCP — Se trata de una variante Modbus utilizada para comunicaciones a través de redes TCP/IP, conectándose a través del puerto 502.[2] No requiere un cálculo de suma de verificación (checksum), ya que las capas inferiores ya proporcionan protección de checksum.
  • Modbus sobre TCP/IP o Modbus sobre TCP o Modbus RTU/IP — Esta es una variante de Modbus que difiere del Modbus TCP en que se incluye una suma de comprobación en la carga útil como en Modbus RTU.
  • Modbus sobre UDP — Algunos han experimentado con el uso de Modbus sobre UDP en redes IP, lo que elimina los gastos generales necesarios para TCP.[3]
  • Modbus Plus (Modbus+, MB+ o MBP) — Es una versión extendida del protocolo y privativa de Schneider Electric y a diferencia de las otras variantes, soporta comunicaciones peer-to-peer entre múltiples masters.[4] Requiere un co-procesador dedicado para manejar HDLC. Utiliza par trenzado a 1 Mbit/s y sus especificaciones son muy semejantes al estándar EIA/RS-485 aunque no guarda compatibilidad con este, e incluye transformador de aislamiento en cada nodo. Se requiere hardware especial para conectar Modbus Plus a un ordenador, normalmente una tarjeta diseñada para bus ISA, PCI o PCMCIA.
  • Pemex Modbus — Esta es una extensión de Modbus estándar con soporte para datos históricos y de flujo. Fue diseñado para la compañía petrolera Pemex para su uso en el control de procesos y nunca alcanzó un uso generalizado.
  • Enron Modbus — Esta es otra extensión del estándar Modbus desarrollada por Enron Corporation con soporte para variables enteras de 32 bits y de punto flotante y datos históricos y de flujo. Los tipos de datos se asignan utilizando direcciones estándar.[5] Los datos históricos cumplen con un estándar de la industria del American Petroleum Institute (API, por sus siglas en inglés) según la forma en que deben almacenarse los datos.

El modelo de datos y las llamadas de función son idénticas para las primeras 4 variantes de protocolos; Sólo la encapsulación es diferente. Sin embargo, las variantes no son interoperables, ni sus formatos de trama tampoco.

Modelo de Datos Modbus

El modelo de datos en Modbus distingue entre entradas digitales (discrete input), salidas digitales (coils), registros de entrada (input register) y registros de retención (holding registers). Las entradas y salidas digitales ocupan, evidentemente, un bit; mientras que los registros, tanto de entrada como de retención, ocupan dos Bytes

La siguiente es una tabla de tipos de objetos proporcionados por un dispositivo esclavo Modbus a un dispositivo maestro Modbus:

Tipo de objeto Acceso Tamaño
Discrete input Solo leer 1 bit
Coil Leer/escribir 1 bit
Input register Solo leer 16 bits
Holding register Leer/escribir 16 bits

Formato de la trama

Una trama Modbus está compuesta por una Unidad de Datos de Aplicación (ADU), que incluye una Unidad de Datos de Protocolo (PDU):[6]

  • ADU = Dirección + PDU + Comprobación de errores,
  • PDU = Código de función + Datos.

Todas las variantes de Modbus usan uno de los siguientes formatos de trama.[1]

Formato de trama Modbus RTU (utilizado principalmente en líneas asíncronas de 8 bits como RS-485)
Nombre Longitud (bits) Función
Inicio 28 Al menos 3 1⁄2 Tiempos de silencio
Dirección 8 Station address
Función 8 Indica el código de función; Por ejemplo, leer los registros de bobinas/retención
Datos n × 8 Datos + La longitud se rellenará dependiendo del tipo de mensaje
CRC 16 Verificación de redundancia cíclica (CRC)
Fin 28 Al menos 3 1⁄2 Tiempos de silencio entre tramas

Nota sobre el CRC:

  • Polinomial: x16 + x15 + x2 + 1 (CRC-16-ANSI también conocido como CRC-16-IBM, Polinomio algebraico hexadecimal normal siendo 8005 e inverso A001).
  • Valor inicial: 65.535
  • Ejemplo de trama en hexadecimal: 01 04 02 FF FF B8 80 (Cálculo CRC-16-ANSI desde 01 a FF da 80B8, que se transmite el byte menos significativo primero).
Formato de trama Modbus ASCII (utilizado principalmente en líneas serie asíncronas de 7 u 8 bits)
Nombre Longitud (Bytes) Función
Inicio 1 Comienza con dos puntos : (El valor hex ASCII es 3A)
Dirección 2 Dirección de la estación
Función 2 Indica los códigos de función como leer bobinas / entradas
Datos n × 2 Datos + La longitud se rellenará dependiendo del tipo de mensaje
LRC 2 Verificación de redundancia longitudinal (LCR)
Fin 2 Par retorno de carro/avance de línea (CR/LF) (Valores ASCII de 0D, 0A)

Dirección, función, datos y LRC son todos pares legibles de caracteres hexadecimales que representan valores de 8 bits (0-255). Por ejemplo, 122 (7 x 16 + 10) se representará como 7A.

LRC se calcula como la suma de valores de 8 bits, negados (complemento de dos) y codificado como un valor de 8 bits. Ejemplo: si la dirección, la función y los datos codifican como 247, 3, 19, 137, 0 y 10, su suma es 416. El complemento de dos (-416) recortado a 8 bits es 96 (por ejemplo 256 × 2 - 416) Que se representará como 60 en hexadecimal. Por lo tanto el siguiente trama: :F7031389000A60<CR><LF>.

Formato de trama Modbus TCP (utilizado principalmente en redes Ethernet)
Nombre Longitud (Bytes) Función
Identificador de la transacción 2 Para la sincronización entre mensajes de servidor y cliente
Identificador del protocolo 2 0 para Modbus/TCP
Campo de longitud 2 Número de bytes en esta trama
Identificador de unidad 1 Dirección del esclavo (255 si no se usa)
Código de función 1 Códigos de función como en otras variantes
Bytes de datos n Datos como respuesta o comandos

El identificador de unidad se utiliza con dispositivos Modbus/TCP que son compuestos de varios dispositivos Modbus en las pasarelas Modbus/TCP a Modbus RTU. En tal caso, el identificador de unidad indica la dirección de esclavo del dispositivo detrás de la pasarela. Normalmente, los dispositivos compatibles con Modbus/TCP ignoran el identificador de unidad.

El orden de bytes para valores en tramas de datos Modbus es big-endian (MSB, byte más significativo de un valor recibido primero).

Implementaciones

Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estándar oficial. Algunas de las variaciones más habituales son:

  • Tipos de Datos
    • Coma Flotante IEEE
    • Entero 32 bits
    • Datos 8 bits
    • Tipos de datos mixtos
    • Campos de bits en enteros
    • Multiplicadores para cambio de datos a/de entero. 10, 100, 1000, 256...
  • Extensiones del Protocolo
    • Direcciones de esclavo de 16 bits
    • Tamaño de datos de 32 bits (1 dirección = 32 bits de datos devueltos.)

Limitaciones
  • Dado que Modbus fue diseñado a finales de los setenta para comunicarse con controladores lógicos programables, el número de tipos de datos se limita a aquellos entendidos por los PLC en ese momento. Los objetos binarios grandes no son compatibles
  • No existe una forma estándar para que un nodo encuentre la descripción de un objeto de datos, por ejemplo, para determinar si un valor de registro representa una temperatura entre 30 y 175 grados.
  • Dado que Modbus es un protocolo maestro / esclavo, no es posible que un dispositivo de campo "informe por excepción" (excepto a través de Ethernet TCP / IP, llamado open-mbus) - el nodo maestro debe rutinariamente encuestar cada dispositivo de campo y buscar cambios en los datos. Esto consume ancho de banda y tiempo de red en aplicaciones en las que el ancho de banda puede ser costoso, como por ejemplo un enlace de radio de baja velocidad binaria.
  • Modbus está restringido al direccionamiento de 254 dispositivos en un enlace de datos, lo que limita el número de dispositivos de campo que pueden conectarse a una estación maestra (una vez más, Ethernet TCP/IP es una excepción).
  • Las transmisiones Modbus deben ser contiguas, lo que limita los tipos de dispositivos de comunicaciones remotas a aquellos que pueden almacenar datos para evitar lagunas en la transmisión.
  • El protocolo Modbus no ofrece seguridad contra órdenes no autorizadas o interceptación de datos.[7]

Enlaces externos

Referencias
  1. Drury, Bill (2009). Control Techniques Drives and Controls Handbook (PDF) (2nd edición). Institution of Engineering and Technology. pp. 508-. (requiere suscripción).
  2. Modbus Messaging on TCP/IP Implementation Guide V1.0b, Modbus Organization, Inc., 24 de octubre de 2006, consultado el 7 de enero de 2017.
  3. «Java Modbus Library - About». 2010. Consultado el 7 de febrero de 2017.
  4. «What is the difference between Modbus and Modbus Plus?». Schneider Electric. Consultado el 7 de febrero de 2017.
  5. «Simply Modbus - About Enron Modbus». Simply Modbus. Consultado el 7 de febrero de 2017.
  6. «Modbus Messaging On TCP/IP Implementation Guide». Modbus Organization. Modbus-IDA.
  7. Palmer; Shenoi, Sujeet, eds. (23–25 March 2009). Critical Infrastructure Protection III. Third IFIP WG 11. 10 International Conference. Hanover, New Hampshire: Springer. p. 87. ISBN 3-642-04797-1.
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