UNIVERSIDAD TCNICA DE

AMBATO MDULO DE INTERFAZ DE PC

Santiago Barahona Santiagobarahona7@gmail.com

PROTOCOLO MODBUS

AUTOR: ELMER S. BARAHONA G. AMBATO, 7 DE JUNIO DEL 2015

Introduccin

El MODBUS es un protocolo de comunicacin serial basado en el modelo

maestro/esclavo, a la fecha es un estndar de facto, es pblico, muy seguro, no

requiere licencias y su implementacin es relativamente fcil en dispositivos

electrnicos, por ejemplo nuestros ingenieros, usan el microcontrolador

PIC16F648A programado para responder comandos MODBUS, esas son

algunas de las razones por las que goza de muchsima aceptacin, adems de

que tiene ms de 30 aos en la industria.

Desarrollo

El Protocolo MODBUS

Historia

Hasta los aos 60, el control industrial se vena realizando mediante lgica

cableada a base de rels electromecnicos. El desarrollo de la electrnica hizo

posible la implantacin de los dispositivos con microprocesador, tambin

llamados Autmatas Programables o Controladores Lgicos Programables.

La historia del protocolo Modbus va ligada a la historia de los PLCs. El PLC

(Controlador Lgico Programable) apareci con el propsito de eliminar el

enorme costo que significaba el mantenimiento de un sistema de control

electromecnico (basado en rels) a finales de los aos 60.

La empresa Bedford Associates (Bedford, MA) propuso a General Motors un

sistema que permita realizar cambios en las maniobras de un equipo de

control sin necesidad de modificar el cableado. A este sistema le di el nombre

de: Modular Digital Controller, o MODICON. El MODICON 084 fue el primer

PLC producido comercialmente.

La posibilidad de comunicar equipos apareci por el ao 1973. El primer

sistema que lo hizo servir fu Modbus de Modicon. Permita establecer

comunicaciones Maestro-Esclavo y Cliente-Servidor entre dispositivos

inteligentes y con dispositivos de campo (Transmitir seales digitales,

analgicas, registros e informacin de estado entre ellos)

La posibilidad de conectar los autmatas entre s permiti eliminar casi todo el

cableado de control entre mquinas, quedando solamente una lnea de

comunicacin entre ellas. A travs de sta se poda coordinar el

funcionamiento de todos los componentes de un sistema, programar a

distancia, supervisar remotamente, diagnsticar todos los elementos

conectados,etc.

Debido a las dificultades que siempre han presentado los sistemas cerrados

(propietarios), en 1979, Modicon public de forma abierta y estandariz el

protocolo, ganando inmediatamente seguidores en la industria, debido a que:

El cdigo era totalmente abierto y libre de royalties

Fcil y rpido de implementar

Intercambio sencillo de informacin entre equipos

Modbus define una estructura de mensaje que los controladores podrn

reconocer y utilizar sin tener en cuenta el tipo de red que stos harn servir

para comunicarse.

[3]

Que es Modbus?

El MODBUS es un protocolo de comunicacin serial basado en el modelo

maestro/esclavo, Modbus funciona siempre en modo maestro-esclavo (cliente -

servidor), siendo el maestro (cliente) quien controla en todo momento las

comunicaciones con los esclavos que pueden ser hasta 247. Los esclavos

(servidores) se limitan a retornar los datos solicitados o a ejecutar la accin

indicada por el maestro.

Cada esclavo debe tener una nica direccin, as el maestro sabe con quin se

debe comunicar.

[1]

Figura 1. Una relacin entre Maestro-Esclavo

Cableado y acceso al medio

Modbus hace servir RS-232C, que define las caractersticas fsicas de la

conexin.

La comunicacin 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 autmata programable.

A nivel fsico (cableado y estructura de red) se pueden presentar distintas

variantes de cableado:

Interfaz RS232:Cableado punto a punto basado en el estndar TIA/EIA-

232-E. Utilizado para distancias cortas y comunicacin entre dos

equipos.

Interfaz RS485: Cableado multipunto basado en el estndar TIA/EIA-

485-E. Es un bus con la lnea de comunicacin balanceada (permite

mayores distancias que la comunicacin RS232) y con varios

participantes simultneos (Las direcciones vlidas van desde 0 a 247).

Habitualmente se implementa mediante 2 hilos, pero tambin existe la

posibilidad de utilizar un cableado de 4 hilos.

[2]

El acceso al medio se realiza mediante un modelo maestro/esclavo. Un nodo

principal (maestro) realiza peticiones explcitas a cada uno de los esclavos y

procesa sus respuestas. Los esclavos no transmitirn nunca datos a no ser que

sean preguntados por el maestro y no podrn comunicarse entre s.

En cuanto al formato de los datos que se transmiten por la red, se distinguen

dos tipos de

modos de transmisin:

RTU (Remote Terminal Unit):Formato de transmisin binario (8 bits de

datos en cada byte transmitido). Es el formato habitual para la

transmisin de datos entre equipos.

ASCII: Formato basado en caracteres ASCII, en que cada grupo de 4

bits del formato RTU se codifica con un carcter ASCII (carcter

hexadecimal representado en ASCII).

[3]

Estructura:

Como en cualquier protocolo de campo destinado al intercambio de informacin

entre un servidor y los dispositivos esclavo, el protocolo Modbus RTU sigue una

estructura de trama bien definida por campos. Como veris la estructura de

trama Modbus es muy sencilla, siendo uno de los motivos de su xito junto a ser

un protocolo abierto y a no estar orientado a conexin

As pues la estructura bsica de una trama Modbus RTU, tanto de lectura como

escritura, es la que se muestra a continuacin:

Direccin Esclavo

Limita el nmero de esclavos que podemos tener conectados de forma correcta

al bus serie Modbus. Dado que existen direcciones reservadas para propsitos

especiales como el broadcast el valor que puede ir de 1 a 247.

Valor comprendido entre 1-247.

No se v afectado por si se trata de una trama de escritura o lectura.

Cuando el master pregunta al slave este campo contiene la direccin del

slave al que va dirigido. Cuando se trata de una trama de respuesta de

un slave al master este campo contiene tambin la direccin del esclavo

indicando quin es el que responde.

Funcin Modbus

Con este campo se especifica que accin requiere el master del slave al que va

dirigida la trama. Con el paso de los aos se han ido aadiendo ms funciones

especificas. En cualquier caso, os explico las mas utilizadas y/o genricas.

En este caso, el valor contenido en este campo si que puede variar si se trata de

una trama Master->Slave o si por el contrario es Slave->Master. El valor de este

byte se ver modificado en la trama de respuesta slo cuando exista algn error

en el campo de datos de la trama Modbus enviada por el Master, no cuando el

cdigo de comprobacin de errores de esta sea errneo. Reiterando lo dicho, si

la trama del Master es correcta, la trama de respuesta tiene este byte con el

mismo valor. En el caso de existir error el Slave responder con la misma funcin

que en la trama enviada por el Master pero con la mscara 080 aplicada. Por

ejemplo: si el mster enva una trama con funcin 003 correcta el Slave

responder con el mismo campo y el mismo valor, 003; si por el contrario

contiene algn error, el Master aplicar la mscara 080 y responder con una

trama con el valor 083. Poco a poco, mas adelante explicar con mas detalle la

trama de error de respuesta para que quede mas claro. Ahora centrmonos en

los casos no excepcionales y sin error. Pues primero se gatea y despus se

camina.

Funciones de lectura de datos:

Funcin 01 (01 hex): Lectura de seales discretas de salida (Discrete

Output Coils)

Funcin 02 (02 hex): Lectura de seales discretas de entradas

(Discrete Input Contacts)

Funcin 03 (03 hex): Lectura de registros analgicos (Analog Output

Holding Registers)

Funcin 04 (04 hex): Lectura de registros analgicos de entrada

(Analog Input Registers)

Funciones de escritura de datos:

Funcin 05 (05 hex): Escritura de una seal discreta de salida (Simple

Discrete Output Coil)

Funcin 15 (0F hex): Escritura de mltiples seales discretas de salida

(Mltiple Discrete Output Coils)

Funcin 06 (06 hex): Escritura de un Simple Analog Output Holding

Register

Funcin 16 (10 hex): Escritura Mltiple Analog Output Holding

Registers

Byte de datos

Este campo depender tanto en contenido como en longitud de la funcin que

se indique en el campo anterior (Funcin) as como de si se trata de una trama

Master-Slave o de respuesta Slave-Master.

En este post podis ver como son cada una de las funciones. He preferido

dedicarle un post por su variabilidad.

CRC Campo de comprobacin de errores

Este campo consta de dos bytes y como en cualquier otro protocolo en el caso

de Modbus sirve para la deteccin de errores en la trama. El CRC (Cyclic

Redundancy Check o comprobacin de redundancia cclica) es un cdigo ms

que frecuente en la deteccin de errores en redes digitales, sistemas de

almacenamiento para la deteccin de modificacin accidental de los datos o en

este caso para comprobar la integridad de los datos en su transmisin por buses

de campo.

Para el clculo del CRC se utilizan cada uno de los bytes que conforman la trama.

El procedimiento es el siguiente:

Se enva la trama Modbus con el CRC calculado.

El receptor del mensaje recibe la trama completa e internamente calcula

el CRC con los datos recibidos. Y lo compara con el CRC que le ha

llegado.

o Si el cdigo coincide, la trama Modbus es correcta y se prosigue

con el funcionamiento normal generando la respuesta pertinente.

o Si el cdigo es errneo, es decir que no coincide el CRC recibido

con el CRC no se responder a la peticin de datos por parte del

Slave, de manera que ocurrir un Timeout en recepcin del Master

y este deber entender que el Slave no ha recibido la trama

correctamente y proceder a un reintento.

[4]

Conclusiones:

Modbus es el estndar de facto de la industria desde 1979, que permite

comunicarse a millones dispositivos de automatizacin.

Modbus se utiliza para monitorear y programar dispositivos; para

comunicar dispositivos inteligentes con sensores e instrumentos; para

supervisar los dispositivos de campo utilizando PCs y HMIs.

Modbus es tambin un protocolo ideal para aplicaciones RTU donde se

utiliza comunicacin inalmbrica

Cada esclavo tiene su propia direccin, que puede ir desde 1 hasta 247.

El maestro siempre inicia la comunicacin enviando un paquete de

informacin bien estructurado a todos los esclavos, entre otras muchas

cosas en la informacin se incluye el nmero del esclavo.

El esclavo elegido responde, enviando lo que se le pide por medio

tambin de un paquete de informacin bien estructurado.

Referencias:

[1] A. Creus Sol, Transmisores, Instrumentacin Industrial. 8Ed, Editorial

Marcombo.

[2] J. Colomer LLins, J. Melndez, J. Ayza, Introduccin a la monitorizacin y

supervisin experta de procesos: mtodos y herramientas, Sistemas de

supervisin., 1ra, Editorial Cetisa Boixareu, 2000.

[3] Informacin Detallada sobre el Protocolo Modbus [Online] 2014, Disponible

en: file:///C:/Users/Jorge/Downloads/NI-Tutorial-52134-es.pdf.

[4] Modbus [Online] Disponible en: http://www.modbus.org/