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INSTRUMENTACIÓN AVANZADA
Introducción a las
Comunicaciones Industriales
Instrumentación Avanzada. G. Murcia – J. Strack
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1.-INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES INDUSTRIALES
1.- Marco Teórico General.
Se pueden definir las comunicaciones industriales como “el área de la tecnología que estudia la
transmisión de información entre circuitos y sistemas electrónicos utilizados para llevar a cabo
tareas de control y gestión del ciclo de vida de los productos industriales”.
1.1. Jerarquías en las Comunicaciones Industriales
La definición anterior implica decir que la comunicación industrial no solo es el intercambio de
información entre autómatas (PLC, Variadores de velocidad, etc) sino que abarca a todos los
niveles productivos de una fábrica, desde la máquina que produce un determinado producto hasta
la gerencia general de la misma.
Debido a esta amplitud, es evidente que los requisitos que debe cumplir una red de
comunicaciones industriales van a ir cambiando dependiendo del nivel en que nos encontremos
dentro de la misma empresa. Por ejemplo:
En la planta se necesita que la comunicación industrial de respuesta en tiempo real, que
sea inmune a ruidos e interferencias electromagnéticas, que se adapte a riesgos especiales
(p.e. riesgos de explosión), que simplifique el cableado, etc.
En la oficina técnica o donde se haga diseño o planificación se necesita acceder a grandes
cantidades de información (sistemas CAD, estudios de mercado, etc) no siendo crítico el
tiempo de respuesta de la red.
En la gerencia de la empresa necesitarán acceso a bases de datos (producción, calidad,
costos, etc.), comunicación con los clientes, proveedores, etc.
Por lo anterior es común encontrar que cuando se estudian las comunicaciones industriales se
habla de una pirámide jerárquica; la pirámide CIM (Computer Integrated Manufacturing) que
intenta representar todos los niveles que intervienen en la producción de algo. Así se tiene la
figura 1:
Figura 1: Pirámide CIM
Nivel 0 o de Proceso: involucra los dispositivos que provocan los movimientos en el
proceso productivo (contactores, electroválvulas, calefactores, etc.) o los que adquieren
información de ese proceso (sensores).
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- En este nivel, la cantidad de datos que se intercambian es baja y el tiempo de
respuesta (el tiempo que se tarde en intercambiar esos datos) también deber ser
bajo, pues se necesita una rápida respuesta para operar la máquina que se está
controlando.
- En este nivel no se pueden admitir fallas en la comunicación, porque de ser así:
o la máquina que se pretende controlar estaría fuera de control lo que
provocaría serios accidentes que podrían poner en riesgo incluso la vida de
los operarios.
o Se detendría todo el proceso productivo ocasionando pérdidas
económicas.
Nivel 1 o de Campo: involucra dispositivos como PLCs de gama baja y media,
terminales de dialogo, variadores de velocidad, y las comunicaciones entre estos, que
provocan el control individual de una máquina.
- En este nivel, se utilizan las medidas proporcionadas por el nivel 0 y se darán las
consignas a los actuadores de dicho nivel.
- La cantidad de datos que se intercambian es mayor que en el nivel 0 pero la
velocidad de respuesta (el tiempo que se tarda desde que sucede algo hasta que se
tiene la respuesta a eso que sucede) debe ser alta, pues se necesita una rápida
respuesta para operar la máquina que se está controlando.
Nivel 2 o de Célula: ya no se controla una máquina sino un proceso. Involucra
dispositivos como PLCs de gama alta o PCs industriales que controlan la secuencia de
fabricación y/o producción (darán las consignas al nivel de campo).
- En este nivel la cantidad de datos que se intercambian es mayor que en el nivel 1
pero la velocidad a la que se produce ese intercambio puede ser menor ya que hay
otros dispositivos de automatización en el nivel inferior que tienen sus propios
programas y toman sus propias “decisiones”.
Nivel 3 o de Planta: Se realiza diseño y/o gestión en el que se estudian las órdenes de
fabricación y/o producción que seguirán los niveles inferiores. Hace referencia por
ejemplo a una gerencia local donde se emplean PCs, estaciones de trabajo, servidores de
bases de datos y backups, etc.
Nivel 4 o de Factoría: Gestiona la producción completa de la empresa. Hace referencia a
una casa central que se comunica con distintas plantas incluso en distintos lugares del
mundo. Mantiene las relaciones con los proveedores y clientes. Proporciona las consignas
básicas para el diseño y la producción de la empresa (dice que fabricar y cuando). Se
emplean PCs, estaciones de trabajo y servidores de distinta índole.
- En este nivel la cantidad de datos que se intercambian es extremadamente alta
(video conferencia, internet, etc) pero no son tareas críticas por lo que se acepta
cierta tasa de fallos en la comunicación.
Del análisis anterior surgen las siguientes conclusiones:
En los niveles inferiores de la pirámide CIM (Niveles 0, 1 y 2) las tares son críticas, por
lo tanto las comunicaciones industriales deber ser “deterministas”, es decir, deben tener
la capacidad de garantizar que un paquete de datos sea enviado y recibido en un
determinado período de tiempo compatible con las necesidad de la máquina o proceso
que controlan.
En los niveles superiores de la pirámide CIM (Niveles 3 y 4), las tares no son críticas
motivo por el cual las comunicaciones industriales pueden ser “no deterministas”, es
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decir se acepta cierto nivel de fallas en la comunicación o demoras en el intercambio de
la información.
En los niveles inferiores de la pirámide CIM (Niveles 0, 1 y 2) las redes industriales
deben ser capaces de ser deterministas en las condiciones de funcionamiento que
impone un ambiente industrial: (temperatura, vibración, interferencias, suciedad, etc.).
En estos niveles de la pirámide CIM se intercambia poca información pero el tiempo de
respuesta debe ser bajo (comunicación en tiempo real).
La figura siguiente ilustra lo comentado.
Figura 2: requerimientos típicos de transmisión de datos en la Pirámide CIM
Es así que, en principio, podemos clasificar las redes industriales como de “datos” o de
“campo”.
Las redes de datos son las redes tipo oficina (de allí el nombre de ofimáticas) usadas en los
niveles altos de la pirámide, mientras que en el interior de la planta se utilizan redes de campo
también llamadas “buses de campo” que están especialmente diseñadas para soportar las
condiciones de trabajo de un planta y ser deterministas.
Figura 3: Clasificación de la Redes Industriales
1.2.- Modelo OSI de las Comunicaciones Industriales
Ya sea que se utilicen redes de datos o buses de campo dependiendo del nivel de la pirámide
CIM, es común en el estudio de las comunicaciones industriales hablar del modelo OSI.
Veremos brevemente de que se trata.
Redes Industriales
Redes de datos u "ofimáticas"
(redes no deterministas)
Usadas en los Niveles 3 y 4 CIM
Redes de campo o "buses de campo"
(redes deterministas)
Usadas en los Niveles 0, 1 y 2 CIM
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El modelo OSI, que quiere decir Open System Interconection o Interconexión de Sistemas
Abiertos, fue definido por la ISO en el año 1983 y es un modelo que sirve para representar, y por
ende entender, todos los aspectos que entran en juego en un problema complejo como es la
comunicación entre dispositivos.
El modelo OSI está formado por siete capas o niveles (a veces se lo simplifica en 3 niveles). Las
capas definen las diferentes fases por las que deben pasar los datos para viajar de un dispositivo a
otro sobre una red de comunicaciones.
El modelo OSI no dice como se crea un protocolo pero siguiendo el esquema de este modelo los
fabricantes de equipos crearon numerosos protocolos compatibles entre ellos.
El advenimiento de protocolos más flexibles donde las capas no están tan demarcadas y la
correspondencia con los niveles no es tan clara puso al modelo OSI en un segundo plano. Sin
embargo se usa en la enseñanza y lo veremos en este apunte como una manera de mostrar cómo
pueden estructurarse o clasificarse los protocolos de comunicaciones que mencionaremos luego.
Figura 4: Niveles o Capas del Modelo OSI
• Nivel 1. Capa FISICA: Con esta capa se quiere representar que para enviar datos por un
medio físico de transporte (cableado o aéreo) se deben estandarizar
las señales eléctricas (niveles de corriente, tensión, frecuencia, etc),
que serán las necesarias para una comunicación efectiva.
Se deben definir aspectos tales como el canal de comunicación:
cable de pares trenzados, cable coaxial, guías de onda, aire, fibra
óptica, etc., así como las características de los materiales:
componentes y conectores mecánicos.
• Nivel 2. Capa de ENLACE: En esta capa se quiere representar que se deben especificar los
mecanismos de acceso de los datos al medio de transmisión y el
direccionamiento de los equipos que se comunican, de forma que
durante un tiempo definido solo una estación pueda enviar datos a
través del medio que se utilice.
Es así que en los protocolos que se usan los datos se estructuran en
“tramas” para su correcta interpretación y se comprueba si la
transmisión es sin errores.
Por ejemplo, una trama tiene la forma de la figura siguiente donde
los datos (Data) van acompañados de otros campos, como por
ejemplo algún código de verificación (Frame Secuence control).
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Figura 5: Ejemplo de una trama de datos que se envían desde una fuente hacia un destino
• Nivel 3. Capa de RED: Interviene en el caso en el que se involucre a más de una red. Esta
etapa representa como se encaminan los datos que van a viajar por
varias subredes y como se controlan los posibles problemas de
congestionamiento.
• Nivel 4. Capa de TRANSPORTE: Tiene la función de garantizar un enlace fiable entre los
equipos, y establecer cómo se gestionan las tramas de datos (control
de flujo, confirmación o acuse de recibo correcto de los datos, etc).
• Nivel 5. Capa de SESION: Esta etapa representa que debe existir un control del inicio y
finalización de las conexiones. Esta capa es la que se encarga de
mantener y controlar el enlace establecido entre dos equipos que
están transmitiendo datos de cualquier índole. Por lo tanto, el
servicio provisto por esta capa es la capacidad de asegurar que, dada
una sesión establecida entre dos máquinas, la misma se pueda
efectuar para las operaciones definidas de principio a fin,
reanudándolas en caso de interrupción.
• Nivel 6. Capa de PRESENTACION: Representa que los datos transmitidos se deben
convertir en un formato común entendible por todos los equipos. En
esta etapa se tratan aspectos tales como la semántica y la sintaxis de
los datos transmitidos.
• Nivel 7. Capa de APLICACION: Representa la utilización de los datos, es decir aplicaciones
a las que un usuario acede directamente o a través de una interfaz de
usuario.
Una vez planteado el marco teórico analizaremos brevemente los principales tipos de redes y los
protocolos utilizados en esas redes dentro de la comunicación industrial.
2.- Principales redes de datos utilizadas en la pirámide CIM
Ampliando la figura 3 tendríamos:
Figura 6: Principales Redes Industriales (Datos)
Redes Industriales
Redes de datos u "ofimaticas"
(redes no deterministas)
Redes de área ampliada (WAN)
(Nivel 4 CIM)
Redes área local (LAN) o (WLAN)
(Nivel 3 CIM)
Redes de campo o "buses de campo"
(redes deterministas)
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Red Local Area Networks (LAN):
Una red de computadoras es cualquier grupo de computadores independientes que intercambian
información entre sí sobre un medio de comunicación compartido (alguna capa física del modelo
OSI). Las LANs usualmente están confinadas dentro de un área geográfica, tal como un
edificio o un campus universitario. Las LANs pueden ser pequeñas, conectando muy pocas
computadoras, pero pueden a menudo conectar cientos de computadoras usadas por miles de
personas.
Etherner y TCP/IP son los protocolos más usados en las redes LANs:
Ethernet es un protocolo que trabaja en la capa física y de enlace del modelo OSI y es el
protocolo más popular en uso hoy en día. Define el número de conductores que son
requeridos para una conexión, los umbrales de rendimiento que pueden esperarse, y
proporciona el marco para la transmisión de datos.
El protocolo IP, funciona en el nivel de red del modelo OSI dentro de una red LAN, que
nos permite encaminar nuestros datos hacia otras máquinas.
El protocolo TCP, funciona en el nivel de transporte del modelo OSI dentro de una red
LAN, proporcionando un transporte fiable de datos.
Los protocolos FTP (transferencia de ficheros), DNS (servidor de nombres), Telnet
(terminal remoto) o HTTP (web), funcionan en los niveles superiores del modelo OSI
dentro de una red LAN, que nos permiten acceder a los datos.
Red Wide Area Networks (WAN):
Los elementos de una red a menudo se separan físicamente. Una red Wide combina múltiples
áreas LAN que están separadas geográficamente. Esto se consigue conectando varias LANs
con líneas telefónicas, por conexión satelital y por servicios de transporte de paquetes de datos.
WANs pueden ser tan simples como un modem y un servidor de acceso remoto, o tan complejo
como cientos de oficinas globalmente conectadas. Un ejemplo de una red WAN es Internet.
Red Wireless Local Area Networks (WLAN):
Las LANs inalámbricas, o WLANs, usan tecnología de radiofrecuencia para transmitir y recibir
datos sobre el aire. Esto minimiza la necesidad de conexiones cableadas. WLANs da a los
usuarios movilidad ya que significa que los usuarios pueden acceder a recursos compartidos sin
buscar un lugar para enchufar cables, probado que sus terminales son móviles y se encuentran
dentro del área de cobertura de red designada. Vía mobilidad, WLANs da flexibilidad y
productividad incrementada. WLANs permite flexibilidad y productividad incrementada, y es
una tecnología atractiva para diferentes usuarios. WLANs permite a los administradores de red
conectar dispositivos que pueden ser físicamente difíciles de alcanzar con un cable.
En la actualidad se está trabajando en la llamada Ethernet Industrial que no es otra cosa que
adaptar el protocolo Ethernet al ambiente industrial. Así se tienen redes como:
Modbus TCP. (no modifica la capa física de Ethernet lo cual trae ciertos
problemas de determinismo pero tiene la ventaja de que es estándar)
EtherNet IP. (no modifica la capa física de Ethernet al igual que Modbus TCP)
PROFINet. (propone hacer cambios en la trama de datos de la red Ethernet
para darle determinismo)
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3.- Principales buses de campo usados en la pirámide CIM
Ampliando la figura 6 tendríamos:
Figura 7: Principales Redes Industriales (Datos + Buses de Campo)
Como se ve en la figura, los buses de campo se pueden dividir en Redes de
Sensores/Actuadores y en Redes de Controladores. Este tipo de redes funcionan con la
filosofía maestro-esclavo o con la filosofía productor-consumidor.
En una red maestro-esclavo hay un
dispositivo (el maestro) que interroga a los
esclavos y estos le contestan (o les da una
orden a todos a la vez y no le contesta
ninguno). La comunicación entre esclavos
no es posible sino a través del maestro.
Esto se usa en redes como por ejemplo
Modbus.
A su vez el maestro puede ir rotando (un
tiempo es el dispositivo 1, luego el 2,
luego el 3, etc), en ese caso se dice que la
red es “multimaestro”. Esto se usa en las
redes ProfiBuss o ProfiNet.
En una red productor-consumidor los
consumidores están a la escucha de la
información que brindan los productores,
quienes vuelcan información en el bus con
cierta periodicidad. Un mismo dispositivo
es por momentos productor de
información y en otros momentos
consumidor. Esto se usa en las redes como
CAN-Open.
Redes Industriales
Redes de datos u "ofimaticas"
(redes no deterministas)
Redes de área ampliada (WAN)
(Nivel 4 CIM)
Redes área local (LAN) o (WLAN)
(Nivel 3 CIM)
Redes de campo o "buses de campo"
(redes deterministas)
Redes de Controladores
(Nivel 0, 1 y 2 CIM)
Redes de sensores/actuadores
(Nivel 0 CIM)
Figura 8: Arquitectura multimaestro-esclavo
Figura 9: Arquitectura productor-consumidor
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3.1. Ejemplo de Redes de Sensores/Actuadores:
Como su nombre lo indica estas redes son para interconectar sensores y actuadores en el nivel
más bajo de la automatización. Son ejemplos la red AS-i, la red HART o la red CAN.
La idea de estas redes es ser una alternativa económica al cableado tradicional, reemplazando el
cableado individual de cada sensor o actuador al PLC por un cable que interconecte a todos ellos
formando un bus (algo parecido al I2C que utilizados en la clase anterior para construir un
Datalogger Arduino pero aplicado a nivel industrial).
Figura 10: Cableado paralelo de Sensores/Actuadores vs Redes de Sensores/Actuadores
AS-i (Actuator Sensor Interface).
AS-Interface o AS-i es un Bus de Sensores y Actuadores, estándar internacional IEC62026-2 y
europeo EN 50295 para el nivel de campo más bajo desde 1999. Fue desarrollado por Siemens
en 1990.
Es un protocolo maestro-esclavo donde se recorre toda la instalación con dos cables (idealmente
con un cable bipolar especial amarillo, gris o rojo) que lleva alimentación y datos. En cada
estación hay un conector que permite acceder a ese bus.
Figura 11: Red AS-i
Conexión de un sensor
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Las especificaciones de AS-i se encuentran actualmente en su versión 3.0. Éstas son de carácter
abierto, lo que significa que cualquier fabricante puede obtener una copia de las mismas para
elaborar sus productos.
Las características principales de AS-Interface son:
Ideal para la interconexión de sensores y actuadores binarios.
A través del cable AS-i se transmiten datos y alimentación.
La longitud máxima de cada segmento es de 100 metros. Dispone de amplificadores que
extienden cada segmento a 200 mts y repetidores que permiten la unión de hasta tres
segmentos y de puentes hacia redes Profibus (se puede llegar a 600 mts).
Emplea un único cable de dos hilos que permite tanto la transmisión de datos como la
alimentación de los dispositivos conectados a la red. Su diseño evita errores de polaridad
al conectar nuevos dispositivos a la red.
La incorporación o eliminación de elementos de la red no requiere la modificación del
cable.
Permite la interconexión de un máximo de 31 esclavos.
Cada esclavo dispone de hasta 4 entradas/salidas, lo que hace que la red pueda controlar
hasta 124 E/S digitales.
La comunicación sigue un esquema maestro - esclavo, en la cual el maestro interroga a
las estaciones enviándoles mensajes (llamados telegramas) de 14 bits y el esclavo
responde con un mensaje de 7 bits.
La duración de cada ciclo pregunta respuesta es de 150 s. En cada ciclo de
comunicación se deben consultar todos los esclavos, añadiendo dos ciclos extras para
operaciones de administración del bus (detección de fallos). El resultado es un tiempo de
ciclo máximo de 5ms.
Para lograr inmunidad al ruido, la transmisión se basa en una codificación Manchester (se
transmite por modulación de la corriente).
Cableado sencillo y económico. Se puede emplear cualquier cable bifilar de 2 x 1.5 mm2
no trenzado ni apantallado.
El cable específico para AS-i, el Cable Amarillo, es autocicatrizante.
La revisión 2.1 del estándar facilita la conexión de sensores y actuadores analógicos.
Detección de errores en la transmisión y supervisión del correcto funcionamiento de los
esclavos por parte del maestro de la red.
Cables auxiliares para la transmisión de energía: Cable Negro (24 V DC) y Rojo (220 V
AC).
HART (High way - Addressable Remote-Transducer).
El protocolo HART ( High way-Addressable Remote-Transducer) agrupa la información
digital sobre la señal analógica típica de 4 a 20 mA DC. La señal digital usa dos
frecuencias individuales de 1200 y 2200 Hz, que representan los dígitos 1 y 0
respectivamente, y que en conjunto forman una onda sinusoidal que se superpone al lazo de
corriente de 4-20 mA.
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Figura 12: Envío de información digital por la red HART
Las conexiones son punto a punto mediante el funcionamiento maestro-esclavo.
Figura 13: Red HART
3.2. Ejemplo de Redes de Controladores:
Como su nombre lo indica estas redes son para conectar controladores entre sí o controladores a
una PC (es decir se utilizan en los Niveles 1 y 2 CIM), pero también por su practicidad se
utilizan para interconectar sensores y actuadores (en el Nivel 0 CIM) ya que muchos de esos
sensores y actuadores poseen estos protocolos incorporados.
Tal vez la red de controladores más difundida es la red Modbus, pero existen muchas otras redes
como FieldBus, Profibus, DeviceNet, etc.
MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones situado en el nivel 7 del modelo OSI, basado en la
arquitectura maestro/esclavo, diseñado en 1979 por Modicon (hoy Schneider Electric) 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. Las razones
por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de comunicaciones es:
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1. Es público
2. Su implementación es fácil y requiere poco desarrollo
3. Maneja bloques de datos sin suponer restricciones
Puesto que Modbus es un protocolo que se ubica en las capas superiores del modelo OSI necesita
ser utilizado junto a otros protocolos que se ubiquen en las capas inferiores de dicho modelo. Así
existen versiones del protocolo Modbus para RS232, Modbus para RS485 y Modbus para
Ethernet.
RS232, RS485 o Ethernet son protocolos que atienden aspectos relacionados con las capas
físicas del modelo OSI, tales como tensiones, cables, conectores, etc., para que por ellos “viaje”
el protocolo Modbus.
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.
Cada dispositivo de la red Modbus posee una dirección única. Cualquier dispositivo puede
enviar órdenes Modbus (productor-consumidor), aunque lo habitual es permitirlo sólo a un
dispositivo (maestro-esclavo).
Los intercambios de mensajes cumplen un ciclo de Petición/Respuesta ó Pregunta/Respuesta
(Query/Response) en los dos modos de transmisión mencionados (ASCII o RTU); esto se logra
mediante tramas como se muestra en la figura.
Se observa en esta figura que la estructura de la trama enviada por el maestro al esclavo es
similar al enviado por el esclavo al maestro. Estas tramas deben contener por lo menos los
siguientes campos: dirección, código de función, datos y chequeo de errores.
Dirección:
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").
Código de función:
Cada función permite transmitir órdenes o datos a un esclavo. Existen dos tipos básicos de
órdenes:
Figura 14: Esquema de petición – respuesta entre un maestro y un esclavo en Modbus
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- Ordenes de lectura/escritura de datos en los registros o en la memoria del esclavo.
- Ordenes de control (RUN/STOP), carga y descarga de programas, verificación de
contadores, etc.).
La tabla muestra la lista de funciones básicas disponibles en el protocolo MODBUS con sus
correspondientes códigos de operación.
CÓDIGO Hex DESCRIPCIÓN 0 00 Control de estaciones esclavas 1 01 Lectura de n bits de salida 2 02 Lectura de n bits de entrada 3 03 Lectura de n registros de entradas 4 04 Lectura de n registros de salidas 5 05 Escritura de un bit 6 06 Escritura de una palabra o registro 7 07 Lectura rápida de 8 bits 9 09 No utilizada 10 0A No utilizada 11 0B Solicitar contador de eventos de comunicaciones 12 0C Solicitar diario de eventos de comunicaciones 13 0D No utilizada 14 0E No utilizada 15 0F Escritura de n bits (Coils) 16 10 Escritura de n palabras (Holding Registers)
El campo de código de función de una trama cuando se utiliza el modo transmisión ASCII
contiene dos caracteres de este estándar u ocho bits para el caso del modo de transmisión RTU.
Los códigos válidos están en el rango decimal de 1 … 255. Cuando el maestro envía un mensaje
de petición a un dispositivo esclavo, el campo de código de función le dice al esclavo qué tipo de
acción debe ejecutar. Ejemplos de funciones son: leer o forzar los estados ON / OFF de un grupo
de salidas discretas, leer o forzar el contenido de un grupo de registros, leer el estado de
diagnóstico del esclavo, etc.
Cuando el esclavo responde usa el campo de código de función en el mensaje de respuesta para
indicar si es una respuesta normal o si ha ocurrido alguna excepción (respuesta de excepción).
Para una respuesta normal, el esclavo debe hacer eco del código de función recibida en la
petición.
Datos:
El campo de datos de los mensajes enviados por el maestro a los dispositivos esclavos contiene
la información adicional que el esclavo debe usar para tomar la acción definida por el código de
función. Este campo puede incluir ítem como son direcciones iniciales de entradas o salidas
discretas a leer o escribir, direcciones iniciales de registros de entradas o de salidas, el número de
datos a leer, etc.
Con el protocolo Modbus se pueden leer o escribir entradas o salidas discretas (coils) o
direcciones de registros de entrada o de salidas (holding). Las direcciones Modbus de los coils o
de los holding suelen estar estandarizadas como sigue:
Tabla 1: Código de Funciones Modbus
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Dirección MODBUS Nombre de la Tabla de Datos
1 - 9999 Output Coils (Lectura/escritura)
10001 - 19999 Inputs Contact (Lectura)
30000 - 39999 Inputs Registers (Lectura)
40001 - 49999 Holding Registers (Lectura/Escritura)
Un Modbus coil representa un valor booleano típicamente usado para representar una salida,
solo hay dos estados para el coil el ON y el OFF.
El coil entonces, puede verse como una celda o un bloquecito de memoria que permite
almacenar el estado de un bit, que puede tener solo dos valores como se vio arriba, el ON o el
OFF, o en lógica binaria, un 1 o un 0.
Un Modbus Holding, representa cantidades de 16 bits, por lo tanto se puede ver cada registro
como un bloque o celda de memoria, que es capaz de almacenar números entre 0 y 65535.
Estos registros son de lectura/escritura, es decir que el maestro puede hacer peticiones de
información para leer el dato que está almacenado, o puede enviar peticiones para escribirle un
valor al registro holding en el momento que se requiera.
Chequeo de errores:
Cada uno de los mensajes incluye información redundante que asegura su integridad en la
recepción.
Para las redes Modbus estándar se usan dos tipos de métodos de chequeo de error y el contenido
del campo de chequeo de error depende del método usado. Cuando se usa el modo ASCII para la
comunicación, el campo de chequeo de error contiene dos caracteres ASCII. Los caracteres de
chequeo de error son el resultado de un cálculo de (LRC Redundacy) Chequeo de Redundancia
Longitudinal que se lleva a cabo con los contenidos del mensaje.
Cuando se usa el modo RTU para la transmisión, el campo de chequeo de error contiene un valor
de 16 bits implementado como dos bytes de 8 bits. El valor de chequeo de error es el resultado
de un cálculo de Chequeo de Redundancia Cíclica (CRC) aplicado al contenido del mensaje.
Protocolo RS-485: (protocolo muy usado como capa física del protocolo Modbus para
enlaces multipunto)
RS-485 o también conocido como EIA-485, lleva el nombre del comité que lo convirtió en
estándar en 1983. Es un estándar de comunicaciones en bus de la capa física del Modelo OSI y
se usa junto a Modbus o a algún otro protocolo que implemente las capas superiores.
Se considera como interface multipunto y permite la comunicación de hasta 32 equipos
emisores-receptores en un bus de datos común, pero con el agregado de receptores de alta
impedancia se puede llegar a 256 equipos.
Tabla 2. Direcciones Modbus
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Las características resumidas de este estándar se muestran a continuación:
- Half dúplex
- Multipunto
o Topologías
Bus
Anillo
- No flow control- handshaking
- (-1.5;-6)V y (+1.5;6V)
- Pueden usarse repetidores
Físicamente el medio de transmisión es un cable trenzado de
2 conductores (+D o A y –D o B) y masa (SD o GND) que
trabajan con tensiones del orden de los ±5V.
Tensiones diferenciales entre estos conductores entre +1,5V
y +6V se consideran un “1” lógico, y tensiones entre -1,5V y
-6V se consideran un “0” lógico.
La norma RS-485 se basa, al igual que otra llamada RS-422, en un sistema de transmisión
diferencial (trabaja con la diferencia de tensión entre dos conductores) que permite eliminar los
posibles ruidos que se puedan incorporar en el canal de comunicación.
En efecto, en el supuesto de que se incorporaran ruidos en el canal de comunicación, tal ruido
quedara incorporado de igual manera tanto en la serial +D como en la -D, ya que se produce
dentro de la línea. Por lo tanto, aplicando la misma técnica para la obtención de la señal en el
receptor, tendríamos lo que se observa en la siguiente figura.
Figura 16: Transmisión en un sistema diferencial (izquierda sin ruido, derecha con ruido)
Como en cualquier sistema de comunicaciones, la velocidad y longitud del enlace están
inversamente relacionadas: si deseamos obtener la máxima velocidad, el cable deberá ser de
unos pocos metros y viceversa, pero con RS485 se pueden lograr 35 Mbit/s hasta 10 metros y
100 kbit/s en 1200 metros, y a través de canales ruidosos.
La comunicación es half-duplex lo que indica que cada equipo puede enviar y recibir datos, pero
no de forma simultánea.
El estándar permite la conexión con topología de bus, conectándose así a varios dispositivos
(comunicación multipunto); usando el mismo par de hilos para la transmisión y la recepción
(comunicación half-duplex). Esto requiere un control en la conmutación de la línea, esta
Figura 15: Tensiones en RS485
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conmutación se hace por medio de la habilitación de los drivers y los receivers. El número
máximo de dispositivos que pueden ser conectados al bus es de 32.
Por medio de la conexión multipunto cada dispositivo puede enviar y recibir información hacia y
desde todos y cada uno de los demás dispositivos conectado al bus. Cuando un dispositivo desea
enviar información su driver debe estar habilitado y los drivers de los demás dispositivos no,
además el receiver del dispositivo que envía información se deshabilita y los demás receivers en
el bus tienen que habilitarse. Esta configuración permite que cualquier dispositivo en un
momento dado sea un maestro y los demás esclavos.
Cuando la impedancia de la fuente, de la línea de transmisión y de la carga no son iguales, parte
de la señal transmitida al llegar al final del bus se refleja hacia atrás dentro de la línea de
transmisión. Estas reflexiones llegan a producir problemas cuando se envían datos a través de
grandes distancias y a altas velocidades, la forma de eliminarlas es colocando al final del bus una
impedancia apropiada en paralelo a las líneas A y B
Figura 17: Red Modbus con resistencias de terminación de 120 Ω
RS-232 (protocolo muy usado como capa física del protocolo Modbus para enlaces punto a
punto)
La norma RS-232C fue definida por la Asociación de Industrias en Electrónica, EIA (Electronic
Industries Association), en 1969 en lo que respecta a la definición del conector y del cable.
En resumen, este estándar de comunicación posee las siguientes características:
- Full Dúplex
- Punto-a-punto
- Filosofía DTE y DCE
- (-12;-3)V y (3,12)V (1 y 0, respectivamente)
- Flow Control – Handshaking
- Asíncrono por carácter – síncronopor bit
- Longitud máxima: 25 m con uncable de 100 pF/m .
- Baudrate máxima sugerida: 19200 baudios
También se debe destacar que aunque la norma RS-232C fue creada para comunicar una PC con
un módem, hoy en día este estándar se utiliza también a nivel industrial para comunicar punto a
punto diferentes componentes y equipos, tales como:
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• reguladores,
• autómatas programables,
• lectores de códigos de barras,
• variadores de frecuencia, etc.
El estándar RS-232C cubre cuatro áreas, que son:
• Características mecánicas de la interface.
• Paso de señales eléctricas por la interface.
• Función de cada señal.
• Subconjunto de señales para aplicaciones específicas.
El estándar define la siguiente asignación de pines para conectores de 9 o de 25 pines:
Figura 18: Pines del protocolo RS232
Los datos se transmiten y reciben por los pines TXD y RXD, el resto de los pines sirven para
controlar el flujo de esos datos. El control de flujo evita la pérdida de datos en la comunicación
entre dispositivos con diferentes capacidades de procesamiento.
Se puede recurrir a una conexión simplificada de solo tres pines (TXD, RXD y GND) si no se
requiere controlar el flujo (apto para comunicaciones no críticas):
Figura 19: Protocolo RS232sin control de flujo
El estándar RS-232C utiliza tensiones de -15 y +15 voltios para definir los distintos estados de la
señal tanto 1 como 0 respectivamente, pero se aceptan los siguientes valores:
Línea Función DB9 DB25
TXD Transmitted Data 3 2
RXD Received Data 2 3
GND Referencia 5 7
RTS Request to Send 7 4
CTS Clear to Send 8 5
DTR Data Terminal Ready 4 20
DSR Data Set Ready 6 6
DCD Data Carrier Detect 1 8
RI Ring Indicator 9 22
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Figura 20: Tensiones en RS232
El standard RS232 establece una capacidad máxima del cable de 2500 pF. Con cables de
160pF/m a 50pF/m se logra de 15 a 50 m.
El estándar RS-232 se basa en comunicación asíncrona, es decir, los datos no requieren una señal
de sincronismo, por lo que deben tomarse precauciones para sincronizar la transmisión con la
recepción
Cuando no hay transmisión la línea Tx se mantiene en estado latente (1 lógico, tensión negativo)
y los bytes se inician enviando un bit (conocido como bit de comienzo y que siempre es un 0
lógico), seguido de 5, 6,7 u 8 bits de datos, un bit adicional de paridad y 1,1.5 o 2 bits de parada
(que son unos lógicos). Esta secuencia permite reconocer el inicio y el fin de la transmisión, los
datos, y la integridad de los mismos. Una vez que ha comenzado la transmisión de un dato, los
bits tienen que llegar uno detrás de otro, a una velocidad definida por la baud rate empleada en
este sesión de comunicación.
La siguiente figura muestra el envío del carácter “A” en ASCII, con 1 bit de comienzo, 7 bits de
datos, 1 bit de paridad y 2 bits de parada.
Figura 21: Envío de un caracter en RS232
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Conclusiones generales:
Existe una amplia variedad de tecnologías para realizar comunicaciones a nivel
industrial.
Los sistemas que no son críticos pueden ser sustituidos por tecnologías de “oficina”:
Ejemplo: USB, Ethernet, etc.
En los sistemas críticos se usan buses de campo.
No hay un bus de campo “dominante”. La elección entre protocolos dependerá de un
análisis exhaustivo en la que intervienen aspectos como:
o Distancias,
o Cantidad de datos a transmitir.
o Velocidad.
o Cantidad de estaciones.
o Costo.
o Prestaciones (facilidad de programación, auto-diagnóstico de fallas, etc.)
Los siguientes cuadros comparativos pueden servir de guía para comenzar el estudio de algún
protocolo en particular.
Comparativa general entre protocolos:
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Comparativa respecto del tamaño de los mensajes:
Comparativa respecto del cableado:
Comparativa respecto del número de nodos y acceso al medio:
