MODBUS para Control de Proceso y Automatización

White Paper de MOORE INDUSTRIES.
InTech México Automatización,
Edición Octubre – Diciembre 2007.

Por muy buenas razones, MODBUS es el protocolo industrial más popular. Es sencillo, no es caro, es universal y de fácil uso. Aunque MODBUS se introdujo en el siglo pasado, la mayoría de los principales proveedores de equipos de control y automatización continúan dándole soporte. No obstante que los nuevos analizadores, medidores d flujo y PLCs pueden tener interfaces inalámbricas, Ethernet o Fieldbus Fundation, MODBUS es todavía el protocolo que la mayoría de los proveedores seleccionan para instalarlo en dispositivos nuevos o a los que ya existen en la planta.

Otra ventaja de MODBUS es que puede funcionar sobre virtualmente todos los medios de comunicación, incluyendo cable de par trenzado, inalámbrico, fibra óptica, Ethernet, módems telefónicos, teléfonos, celulares y microonda. Esto significa que la conexión se puede establecer muy fácilmente en una planta nueva o existente. De hecho, una aplicación que crece en MOSBUS es el suministro de comunicaciones digitales en plantas tradicionales, utilizando el cableado par trenzado.

¿Qué es MODBUS?

MODBUS lo desarrolló Modicon (ahora parte de Schneider Electric) en 1979 como un medio de comunicación con varios dispositivos sobre un simple cable par trenzado. El esquema original funcionó sobre RS232, pero fue adaptado para operar en RS485 para obtener mayor velocidad, mayor distancia y una verdadera red de varios dispositivos. Rápidamente se convirtió en un estándar de facto en la industria de la automatización, y Modicom lo liberó al público como un protocolo gratuito, sin pago de regalías. Ahora, MODBUS-IDA (www.MODBUS.org), es el grupo organizado más grande de usuarios y proveedores que continua soportando el protocolo en todo el mundo.

MODBUS es un sistema “maestro-esclavo”, donde el “maestro” se comunica con uno o múltiples “esclavos”. El “maestro” es típicamente un Programador Lógico Programable (PLC por sus siglas en inglés), Computadora Personal (PC por sus siglas en inglés), Sistema de Control Distribuido (DCS por sus siglas en inglés) o Unidad Terminal Remota (RTU por sus siglas en inglés).

Los esclavos MODBUS RTU son a menudo dispositivos de campo que se conectan a la red en una configuración de bajada múltiple (multidrop), figura 1. Cuando el “maestro” necesita información de un dispositivo, le envía un mensaje que contiene la dirección del dispositivo, la solicitud del dato y una suma de chequeo para detección de error. Las demás dispositivos en la red reciben el mensaje, pero solamente responde el dispositivo al que fue direccionado. Los dispositivos esclavos en la red no pueden iniciar la comunicación; ellos solamente responden.

En otras palabras, “hablan” solamente cuando se les “pregunta”. Algunos fabricantes están desarrollando dispositivos híbridos que actúan como esclavos, pero también tienen” capacidad de escritura”, lo que a veces los convierte en “seudo maestros”. Las tres versiones más comunes de MODBUS que se utilizan hoy día son:

  • MODBUS ASCII
  • MODBUS RTU
  • MODBUS/TCP

Todos los mensajes de MODBUS se envían en el mismo formato. La única diferencia entre los tres tipos es la manera como se codifican los mensajes.

En MODBUS ASSCII, todos los mensajes se codifican en hexadecimal, utilizando caracteres ASSClI de 4 bits. Por cada byte de información se necesitan dos bytes de comunicación, el doble de los que se necesita en MODBUS RTU O MODBUS/TCP. Por consiguiente, MODBUS ASCII es el protocolo más lento de los tres, pero es muy conveniente cuando se utilizan enlaces de modems telefónico o radio (RF). Esto se debe a que ASCII utiliza caracteres para delimitar un mensaje.

Debido a la delimitación del mensaje, cualquier retraso en el medio de transmisión no provocará que el mensaje se malinterprete en el dispositivo receptor. Esto es importante cuando se tiene que lidiar con modems lentos, teléfonos celulares, conexiones ruidosas o cualquier otro medio de transmisión difícil.

En MODBUS RTU, los datos se codifican en binario, y requiere solamente un byte de comunicación por byte de dato. Esto es ideal para utilizarse sobre RS232 o redes RS485 de bajada múltiple, a velocidades de 1 ,200-115kbaud. Las velocidades más comunes son de 9,600- 19,200 bauds. Este es el protocolo industrial más ampliamente utilizado. Por este motivo, aquí nos enfocaremos en las bases y consideraciones de aplicación de este protocolo.

En MODBUS ASSCII, todos los mensajes se codifican en hexadecimal, utilizando caracteres ASSClI de 4 bits. Por cada byte de información se necesitan dos bytes de comunicación, el doble de los que se necesita en MODBUS RTU O MODBUS/TCP. Por consiguiente, MODBUS ASCII es el protocolo más lento de los tres, pero es muy conveniente cuando se utilizan enlaces de modems telefónico o radio (RF). Esto se debe a que ASCII utiliza caracteres para delimitar un mensaje.

Debido a la delimitación del mensaje, cualquier retraso en el medio de transmisión no provocará que el mensaje se malinterprete en el dispositivo receptor. Esto es importante cuando se tiene que lidiar con modems lentos, teléfonos celulares, conexiones ruidosas o cualquier otro medio de transmisión difícil.

En MODBUS RTU, los datos se codifican en binario, y requiere solamente un byte de comunicación por byte de dato. Esto es ideal para utilizarse sobre RS232 o redes RS485 de bajada múltiple, a velocidades de 1 ,200-115kbaud. Las velocidades más comunes son de 9,600- 19,200 bauds. Este es el protocolo industrial más ampliamente utilizado. Por este motivo, aquí nos enfocaremos en las bases y consideraciones de aplicación de este protocolo.

MODBUS/TCP se le conoce también como MODBUS sobre Ethernet. En lugar de utilizar la dirección del dispositivo para comunicarse con el dispositivo esclavo, se utiliza el domicilio IP. Con Modbus/TCP el dato se encapsula dentro de un paquete TCP/IP. Por consiguiente, cualquier red Ethernet que soporte TCP/IP debiera soportar inmediatamente Modbus/TCP. Más adelante se cubrirán aspectos adicionales sobre esta modalidad en la sección” Modbus sobre Ethernet”.

Las bases de MODBUS RTU

Para comunicarse con un dispositivo esclavo, el maestro envía un mensaje que contiene:

  • Dirección del dispositivo
  • Código de función
  • Dato
  • Verificación de error

La dirección del dispositivo es un número de 0-247. Los mensajes enviados a la dirección O pueden ser aceptadas por todos los esclavos, pero los números 1-247 son domicilios de un dispositivo específico. Con excepción de los mensajes con dirección “0”, el dispositivo esclavo siempre responde a un mensaje Modbus, así que el maestro sabe que el mensaje fue recibido.

El Código de Función define el comando que va a ejecutar el dispositivo esclavo, tal como leer dato, aceptar dato, reportar estado, etcétera (figura 2). Los códigos de función son de 1-255. Algunos códigos de función tienen códigos de subfunción.

El dato define las direcciones en el mapa de memoria del dispositivo para funciones de lectura, contiene valores de datos que se escriben en la memoria del dispositivo, o contiene otra información que se necesita para llevar a cabo la función solicitada.

La verificación de error es un valor numérico de 16 bit que representa la Verificación de Redundancia Cíclica (CRC por sus siglas en ingles). El CRC lo genera el maestro mediante un procedimiento complejo y verificado por el dispositivo receptor. Si el valor CRC no concuerda, el dispositivo pide que se le retransmita el mensaje. En algunos casos también se puede aplicar la verificación de paridad.

Cuando el dispositivo esclavo desarrolla la función solicitada, envía un mensaje de regreso al maestro. El mensaje de regreso contiene la dirección del esclavo y el código de función solicitado (de manera que el maestro conoce quien está respondiendo), el dato solicitado y el valor de verificación de error.

Mapa de memoria de MODBUS

Cada dispositivo Modbus almacena en la memoria los datos de variable de proceso. La especificación modbus determina como se recupera el dato y que tipo de dato se puede recuperar. Sin embargo, no pone un límite en cómo y dónde el dispositivo del proveedor mapea este dato en su mapa de memoria.

Las entradas discretas y bobinas son valores de un bit, y cada una tiene una dirección específica. Las entradas analógicas (también llamadas “registradores de entrada”) se almacenan en registradores de 16 bits. Mediante dos de estos registradores Modbus puede soportar el formato de punto flotante IEEE 32-bit. Los registradores de almacenamiento también son registradores internos de 16 bits que pueden soportar el punto flotante.

Los datos en el mapa de memoria se definen en la especificación Modbus. Suponiendo que el proveedor del dispositivo siguió las especificaciones Modbus (no todos lo hacen), todos los datos pueden ser accedidos fácilmente por el “maestro”. En muchos casos el fabricante del dispositivo publica las ubicaciones de memoria (Figura 3), lo que hace más fácil para la persona programar al “maestro” para comunicarse con el dispositivo” esclavo”.

Lectura y escritura de datos

Modbus tiene hasta 255 códigos de función, aunque 01 (lectura de bobina), 02 (lectura de entradas discretas), 03 (lectura de registros mantenidos) y 04 (lectura de registros de entrada) son los funciones de lectura que más se utilizan para recolectar datos desde los “esclavos”.

Por ejemplo, para leer tres palabras de 16 bits de un dato analógico del mapa de memoria del dispositivo 5, el maestro envía un comando que se puede ver así: 5 04 23 CRC; donde 5 es la dirección del dispositivo, 04 le dice que lea registradores de entrada, 2 es la dirección de inicio (dirección 30,002), 3 le instruye leer tres datos contiguos comenzando en la dirección 30,002, y CRC es el valor de verificación de error del mensaje.

El dispositivo esclavo responde a este comando con una respuesta que se ve así: 5 04 aa bb cc CRC; donde 5 es la dirección del dispositivo, 04 es el comando de lectura, aa,bb y cc son los tres valores de datos de 16 bits; y CRC es el valor de verificación para este mensaje. La lectura y escritura de entradas y salidas digitales se realiza de manera similar, utilizando diferentes funciones de lectura y escritura.

Siempre que el dispositivo se apegue a las especificaciones Modbus, es muy sencillo programar al “maestro” para que lea y escriba datos, verifique estado, obtenga información de diagnóstico y desempeñe varias funciones de control y monitoreo.

Conexión de dispositivos Modbus

Una de las formas más fáciles de llevar los dispositivos de campo al sistema de control de proceso, PLC o computadora industrial es mediante la conexión de las entradas/salidas (E/S) digitales y analógicas a un sistema de distribución E/S que tenga capacidades de comunicación Modbus; por ejemplo, el Sistema Concentrador NET (NCS por sus siglas en inglés) de Moore Industries permite que un usuario conecte señales analógicas y digitales remotas, que luego se pueden conectar a un maestro Modbus mediante un cable par torcido.

Se pueden instalar múltiples sistemas NCS en varias lugares de la planta, enlazados mediante Modbus (figura 4). Otra alternativa es la comunicación entre pares (peer-to-peer) mediante un Sistema de Cable Concentrador (CCS por sus siglas en inglés) y el Sistema Concentrador NET (NCS por sus siglas en inglés), ambos productos de Moore Industries.

En los casos en que el sistema de control no pueda lidiar con señales de Modbus, hay la alternativa de utilizar comunicación entre pares (peer-to-Peer). En esta modalidad se utilizan dos concentradores, uno en el campo y el otro en el cuarto de control. Los instrumentos de campo se conectan al NCS remoto, que a su vez se conecta al NCS del cuarto de control mediante un simple cable par torcido; luego, las salidas del NCS del cuarto de control se cablean a las terminales analógicas E/S existentes.

De esta manera, las señales analógicas de los nuevos transmisores de campo se pueden ver en su estado analógico original a través de las tarjetas analógicas E/S que ya existen. En este arreglo, la programación y comisionamiento es más fácil que programar nuevas tarjetas digitales de interfaz. También puede acomodar comunicaciones bidireccionales, en el que ambos lados del sistema pueden tener entradas y salidas.

HART vía Modbus

Otro reto que tienen las plantas en operación es encontrar una manera económica y conveniente de obtener lo mejor de los dispositivos inteligentes HART instalados y por instalar. HART es un protocolo que se diseñó para transmitir simultáneamente señales analógicas y digitales sobre un simple cable par trenzado. De esta manera, en cualquier punto del cable par trenzado, el usuario puede configurar, interrogar y diagnosticar los transmisores de manera local o remota.

Al mismo tiempo que el transmisor controla la corriente (4-20 mAl, también tiene la capacidad de enviar información digital mediante la corriente de datos HART. Esta información se puede utilizar para monitorear la salud del instrumento; para el sistema de control de proceso, o inclusive, para el sistema de administración de activos. Las plantas actualmente tienen instalados cientos de instrumentos HART, pero por una u otra razón, muchas de ellas nunca explotan las capacidades de HART.

Actualmente, con los sistemas de administración de activos, diagnósticos remotos y control avanzado, muchas plantas les gustaría extraer información digital, pero sus sistemas de control y alambrado existente no lo permiten. Un instrumento HART puede enviar hasta cuatro variables de proceso: Variable Primaria (PV), Variable Secundaria (SV), Tercera Variable (TV) y Cuarta Variable (FV).

Además, hay varios bits y bytes de datos de estado que también se pueden transmitir. Sin embargo, si el sistema de control no puede leer los datos adicionales de variables de proceso, o cualquier otra información de diagnóstico y status, entonces los datos se desperdician. Aun en plantas antiguas los usuarios tienen opciones para obtener estos datos HART. Algunas compañías proveedoras de Sistemas de Control Distribuido (DCS por sus siglas en inglés) ofreces tarjetas analógicas E/S que tienen la capacidad de extraer los datos HART, pero cuestan tres veces más que las tarjetas analógicas convencionales.

Hay también otros tipos de tarjetas alternativas que se pueden instalar en lazos existentes RS422 y RS485 para que las salidas se canalicen hacia sistema de administración de activos o DCS. Pero igual, su costo puede ser prohibitivo. No obstante, hay una ruta opcional para satisfacer esta necesidad a un costo razonable. Esto se logra mediante un convertidor HART a Modbus, como es el caso de los Módulos de Interfaz HART (HIM por sus siglas en inglés) que ofrece Moare Industies. Con los módulos de interfaz HIM todos los datos HART se pueden llevar al sistema de control de una manera efectiva y económica. El HIM actúa como un “maestro” HART al frente y como” esclavo” Modbus RTU atrás.

Modbus inalámbrico

Una red Modbus se puede adaptar fácilmente para trabajar sobre un enlace inalámbrico (figura 5). Lo que hace el enlace inalámbrico es reemplazar el cable par torcido con un transmisor/receptor en cada extremo de la red. Muchos fabricantes de radio inalámbrico soportan el protocolo Modbus. No obstante, debido a algunos esquemas de encriptación y retrasos de tiempo inherentes a dichos equipos, es importante consultar con el proveedor del dispositivo antes de asumir que soporta Modbus. La mayor ventaja de la inalámbrica es que ahorra el costo de la infraestructura de cable, sobre todo en casos en que se necesitan señales de tanques, termopozos y otras ubicaciones remotas de difícil acceso.

El Modbus vía inalámbrica es transparente al sistema de control (equipo anfitrión) y los “esclavos”. Cuando un “maestro” Modbus hace una solicitud a un “esclavo” y los paquetes llegan al radio transmisor, el radio generalmente reordena los paquetes y los encripta antes de transmitirlos. Cuando el paquete de radio frecuencia (RF por sus siglas en inglés) se recibe en el radio” esclavo”, se desencripta para convertirlo en un paquete Modbus válido. Suponiendo que el paquete no se ha dañado o corrompido, se enviará al esclavo destinado. El esclavo responderá al “maestro” y el proceso comienza otra vez.

Hay que poner atención especial al parámetro de comunicación conocido como “tiempo fuera”. Este es la cantidad de tiempo que el “maestro” Modbus espera la respuesta de un “esclavo” antes de intentar una retransmisión. Dependiendo de que tan bien se comunique el radio, los paquetes pueden retrazarse, y provocar cantidades innecesarias de retransmisiones. Afortunadamente, con la técnica de Espectro disperso y Salto de Frecuencia (FHSS por sus siglas en ingles), se puede transmitir eficientemente los paquetes de Modbus. Por ese motivo, para prevenir problemas de comunicación se recomienda un análisis en sitio de la fortaleza de la señal y espectro del ruido.

Modbus sobre Ethernet

Muchas veces a ModbuslTCP se le conoce como Modbus sobre Ethernet, y es simplemente paquetes Modbus encapsulados en paquetes estándar TCP/IP. Esto permite que los dispositivos ModbuslTCP se conecten a redes de Ethernet existentes. También permite muchos más domicilios que RS485, el uso de “maestros” múltiples, y una velocidad en el orden de gigabyte. Mientras que Modbus RTU tiene limitaciones de 427 nodos por red, ModbuslTCP tiene tantos esclavos como pueda manejar la capa física. A menudo, este número es de alrededor de 1,024. La rápida adopción de Ethernet en la industria del control de procesos y automatización ha provocado que ModbuslTCP sea el protocolo industrial de mayor crecimiento, y se utilice ampliamente sobre redes Ethernet.

Aunque los proveedores de PLC de todos tamaños han adoptado su propio protocolo propietario sobre Ethernet, casi todos soportan Modbus/TCP. Para aquellos proveedores que no lo soportan, hay compañías que ofrecen tarjetas de comunicación y pasarelas (Gateway) autónomas para agregar estas características, tales como Prosoft y SST.

Control en el campo con Modbus

Hemos hablado primordialmente de sistemas de adquisición de datos, pero también es posible instalar dispositivos de control en el campo que se comuniquen al sistema de control central vía Modbus. El NCS mencionado anteriormente no solamente es un concentrador, sino que tiene una poderosa unidad de procesamiento central (CPU por sus siglas en ingles) y un kernel de control en tiempo real que se puede programar para desarrollar funciones de control, tales como PID, control On/Off, alarmas locales, diagnóstico de ecuaciones matemáticas complejas y monitoreo de alarmas. Por este motivo, a menudo puede reemplazar las necesidades de un PLC, computadora industrial o pequeño DCS a una fracción de su precio.

Aunque Modbus no tiene las capacidades de otros protocolos, tales como Foundation Fieldbus (FF) y Protocolo Industrial Común (CIP por sus siglas en ingles), satisface las necesidades de muchas aplicaciones donde se desea control local. Para operaciones de control más complejas se puede utilizar un controlador de multifunción MDS de Moore Industries que elimina la necesidad de un PLC o controlador grande para tareas de control multivariable, tales como control y monitoreo del nivel de pulpa en digestores, o desarrollo de cálculos de flujo másico utilizando entradas de varios transmisores de flujo, temperatura y presión.

Los protocolos de comunicación como Modbus prolongan la vida a lo que una vez fue la instrumentación autónoma. Ahora con la característica de bajada múltiple de modbus se pueden agregar los controladores que se necesiten para crear un Sistema de Control Distribuido (Figura 6).

Modbus: La interfaz universal

La sencillez de Modbus y su fácil implementación sobre tantos medios de comunicación lo convierten en el protocolo industrial más utilizado y con más soporte en el mundo. Cuando el usuario de sistemas de control tradicionales necesita expandir la instrumentación de campo o agregar controladores remotos, muchas veces seleccionan Modbus como una solución simple a problemas complejos.

Acerca de Moore Industries:

Moore Industries – El experto en Solución de Intefaz – es líder mundial en el diseño y manufactura de instrumentos de interfase para control de proceso industrial, integración de sistemas y automatización de fábrica. Moore Industries se fundó en 1968 y continúa siendo una firma privada administrada por su fundador y presidente Mr. Leonard W Moore.

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