¿Qué es Modbus y cómo funciona?
Modbus es el protocolo más utilizado para interconectar y comunicar dispositivos como PLCs, sensores y SCADAs dentro de redes industriales
El protocolo de comunicación Modbus fue diseñado y desarrollado por Modicon a finales de 1970 y se ha convertido en el protocolo de comunicación mas utilizado en el sector industrial y en la automatización industrial.
Modbus es un protocolo que permite interconectar y comunicar dispositivos industriales como PLCs, sensores y SCADA, actualmente es el protocolo mas utilizado.
Su implementación permite la interconexión de dispositivos de automatización asegurando una transmisión de datos segura y eficiente.
El protocolo está basado en una arquitectura maestro/esclavo o cliente/servidor. Se utiliza para facilitar el intercambio de datos entre dispositivos en redes industriales, con opciones de implementación en entornos serieles (RTU, ASCII) y sobre redes Ethernet (TCP/IP).
A lo largo de este artículo, exploraremos en profundidad qué es Modbus, sus variantes principales y cómo se implementa en entornos industriales.
Qué es Modbus
Modbus es un protocolo de comunicación serial que facilita la transferencia de datos entre dispositivos electrónicos. Se basa en un modelo maestro/esclavo cuando se usa en entornos seriales y en cliente/servidor cuando opera sobre redes Ethernet.
Su funcionamiento se basa en la consulta y respuesta: un dispositivo maestro envía solicitudes y los esclavos responden con los datos requeridos. Es un protocolo ligero y eficiente, diseñado para operar en entornos industriales donde la fiabilidad es crucial.
Modbus cuenta con varias variantes, entre ellas:
- ASCII: Utiliza caracteres ASCII para transmitir datos.
- RTU: Usa un formato binario para mayor eficiencia.
- TCP/IP: Opera sobre redes Ethernet para conectividad moderna.
- Plus: Protocolo de alto rendimiento.
¿Para qué se utiliza Modbus?
Modbus es un protocolo ampliamente utilizado en la automatización industrial y la supervisión de procesos. Sus aplicaciones más comunes incluyen:
- Monitorización y control de motores industriales.
- Comunicación entre sensores y sistemas SCADA.
- Integración de dispositivos de campo en redes industriales.
¿Qué puerto usa Modbus?
Modbus RTU y ASCII suelen utilizar puertos serie RS232 o RS485. En el caso de Modbus TCP/IP, la comunicación se realiza a través del puerto 502.
¿Qué cable se usa para Modbus?
El cableado depende de la variante de Modbus utilizada:
- RS485: Cable trenzado con blindaje.
- TCP/IP: Cable Ethernet con conectores RJ45.
Beneficios del uso de Modbus
- Compatibilidad con múltiples dispositivos industriales
- Facilidad de implementación y bajo costo
- Capacidad de integración con SCADA y PLCs
- Flexibilidad en la comunicación (serie y Ethernet)
- Soporte para control y monitoreo remoto
Inconvenientes de usar Modbus
- Falta de cifrado en comunicaciones estándar
- Limitación en la cantidad de dispositivos en RS485
- Latencia en redes con múltiples dispositivos
- Menor seguridad en comparación con protocolos más modernos
Tipos de Modbus
A lo largo del tiempo, Modbus ha evolucionado en varias variantes para adaptarse a diferentes necesidades industriales. Los cuatro principales tipos son ASCII, RTU, TCP/IP y Plus.
Cada uno tiene características específicas que lo hacen adecuado para distintos entornos.
Modbus ASCII
Modbus ASCII es un formato de transmisión en el que los datos se envían en caracteres ASCII legibles. Utiliza caracteres de inicio y fin de trama, lo que facilita la detección de errores, pero reduce la eficiencia en comparación con otros formatos.
Se usa en sistemas con conexiones de baja velocidad donde la legibilidad del mensaje es una prioridad, como en algunos dispositivos antiguos.
- Seguridad: La detección de errores se basa en el control de redundancia longitudinal (LRC), pero no es la más robusta.
- Velocidad: Más lento que Modbus RTU, ya que cada byte de datos se transmite en dos caracteres ASCII.
Ejemplo práctico: En una planta de tratamiento de agua, un sistema de monitoreo basado en microcontroladores antiguos puede usar Modbus ASCII para comunicarse con los sensores de nivel y calidad del agua.
Modbus RTU
Modbus RTU (Remote Terminal Unit) es la versión más utilizada debido a su eficiencia en la transmisión de datos binarios compactos, se suele utilizar en automatización industrial, PLCs y control de motores..
Utiliza un esquema de detección de errores basado en CRC (Cyclic Redundancy Check), que proporciona mayor seguridad en la transmisión
- Seguridad: Su comprobación de errores CRC mejora la fiabilidad frente a ruido en la comunicación.
- Velocidad: Más rápido que Modbus ASCII debido a su formato binario.
Ejemplo práctico: Un sistema de control de temperatura en una fábrica de productos farmacéuticos puede usar Modbus RTU sobre RS485 para comunicar sensores de temperatura con un PLC central.
Modbus TCP/IP
Modbus TCP/IP es la versión que se ejecuta sobre redes Ethernet. Se basa en el protocolo TCP/IP, lo que le permite operar en infraestructuras de comunicación modernas.
Sus aplicaciones mas comunes son en la Integración con SCADAs, en el control de procesos distribuidos y en sistemas de monitorización en la nube.
- Seguridad: Puede aprovechar las medidas de seguridad de las redes IP, como VPNs y firewalls.
- Velocidad: Depende del ancho de banda de la red, pero generalmente más rápido que Modbus RTU.
Ejemplo práctico: En una planta de energía solar, los inversores pueden enviar datos en tiempo real a un sistema de monitoreo remoto usando Modbus TCP/IP sobre Ethernet.
Modbus Plus
Modbus Plus es una variante de alta velocidad que utiliza una comunicación peer-to-peer en vez del tradicional modelo maestro/esclavo.
Esta variante fue por Schneider Electric y se incorpora en arquitecturas donde se comunican múltiples controladores PLC
- Seguridad: Incluye detección de errores más avanzada y priorización de mensajes.
- Velocidad: Hasta 1 Mbps, más rápido que RTU y ASCII.
Ejemplo práctico: En una línea de ensamblaje de automóviles, Modbus Plus puede conectar varios PLCs para coordinar el funcionamiento de robots industriales y transportadores.
Cómo conectar una red Modbus
Para conectar una red Modbus correctamente, se deben seguir diferentes pasos según el tipo de modbus seleccionado:
Red Modbus RTU
Selección del hardware
El primer paso es elegir el controlador o dispositivo maestro como puede ser un PLC, un ordenador o un gateway.
El maestro es el que enviará las solicitudes Modbus RTU a los dispositivos esclavos.
Los esclavos pueden ser dispositivos como sensores o actuadores, siempre que sean compatibles con Modbus RTU.
También es importante seleccionar el tipo de cable correcto, como RS-232 o RS-485, dependiendo de la cantidad de dispositivos y la distancia de comunicación.
Configuración de la red física
Conecta el dispositivo maestro a los esclavos utilizando cables serie.
Si usas RS-485, asegúrate de que la línea esté correctamente terminada.
Presta atención a la polaridad de los cables para evitar errores y si la instalación incluye varios esclavos, el uso de RS-485 es ideal, ya que soporta largas distancias y múltiples dispositivos.
Dirección de los dispositivos
Cada dispositivo esclavo debe tener una dirección única para ser identificado por el maestro.
Sin una dirección clara, el maestro no podrá distinguir entre los dispositivos esclavos, asigna estas direcciones a los dispositivos de manera manual para evitar conflictos en la red.
La dirección debe estar dentro del rango de direcciones admitido por el protocolo Modbus RTU.
Configurar parámetros de comunicación
Asegúrate de que todos los dispositivos en la red Modbus RTU estén configurados con los mismos parámetros de comunicación.
Esto incluye la velocidad de transmisión (baud rate), el número de bits de datos, la paridad y los bits de parada.
Cualquier diferencia en estos parámetros provocará errores en la comunicación, es común que estos parámetros se ajusten a una configuración estándar, pero siempre verifica las especificaciones de cada dispositivo.
Configurar comunicación Modbus en maestro
En el dispositivo maestro, debes configurar el software para que envíe solicitudes Modbus RTU, esto incluye la definición de las funciones Modbus, como la lectura y escritura de registros o la verificación de entradas.
Asegúrate de que las direcciones y los registros definidos en el maestro coincidan con los configurados en los esclavos para garantizar una correcta comunicación.
Implementar comunicación Modbus en esclavos
Los dispositivos esclavos deben estar configurados para responder a las solicitudes del maestro, en este paso define los registros que el maestro debe leer o escribir en cada esclavo.
Asegúrate de que los dispositivos esclavos tengan la misma dirección que se asignó durante la configuración para evitar conflictos de comunicación.
Pruebas de conexión
Realiza pruebas de conexión para verificar que los dispositivos se comuniquen correctamente.
Puedes usar software de simulación Modbus RTU para comprobar si el maestro puede enviar solicitudes y recibir respuestas de los esclavos.
Red Modbus TCP/IP
Selección del hardware
El primer paso es elegir el dispositivo maestro como por ejemplo un PLC, una computadora o un gateway.
El maestro será el encargado de enviar solicitudes Modbus TCP/IP a los dispositivos esclavo, los dispositivos esclavos pueden ser sensores, actuadores u otros dispositivos industriales que soporten el protocolo Modbus TCP/IP.
Además, asegúrate de contar con una red Ethernet adecuada para interconectar todos los dispositivos.
Configuración de la red física
Conecta el dispositivo maestro y los esclavos a la red Ethernet, esto puede incluir un switch o router para gestionar las conexiones.
Asegúrate de que todos los dispositivos estén correctamente conectados y que cada uno tenga una dirección IP única.
La comunicación Modbus TCP/IP se realiza sobre la red IP, por lo que es esencial que todos los dispositivos estén en la misma red o en subredes compatibles.
Dirección de los dispositivos
Cada dispositivo esclavo debe tener una dirección IP única dentro de la red.
Asegúrate de que estas direcciones estén correctamente configuradas y sean estáticas, para evitar que cambien al reiniciar los dispositivos, el maestro también debe tener una IP estática o una IP configurada correctamente para comunicarse con los esclavos a través de la red.
Configurar parámetros de comunicación
Aunque Modbus TCP/IP utiliza la red IP para la comunicación, los dispositivos aún deben configurarse con parámetros de comunicación compatibles.
La configuración incluye la asignación de puertos TCP para las conexiones, así como asegurarse de que la configuración de la red (como la máscara de subred y la puerta de enlace) esté correcta.
Todos los dispositivos deben estar configurados para usar el mismo puerto TCP para las solicitudes Modbus.
Configurar comunicación Modbus en maestro
En el dispositivo maestro, configura el software para enviar solicitudes Modbus TCP/IP a los dispositivos esclavos, esto incluye especificar las direcciones de los registros que deben ser leídos o escritos.
Los maestros pueden configurar múltiples funciones Modbus, como la lectura de entradas o la escritura de registros de holding, asegúrate de que las direcciones y los registros del maestro coincidan con los configurados en los dispositivos esclavos.
Implementar comunicación Modbus en esclavos
Los dispositivos esclavos deben estar configurados para responder a las solicitudes del maestro, en este paso, configura los registros en los dispositivos esclavos que el maestro debe leer o escribir.
Además, asegúrate de que los esclavos tengan configurada la dirección IP correcta para poder establecer la comunicación a través de la red TCP/IP.
Pruebas de conexión
Realiza pruebas de conexión utilizando herramientas como clientes Modbus TCP/IP.
Verifica que el maestro pueda enviar solicitudes y recibir respuestas de los esclavos, asegúrate de que la comunicación entre el maestro y los esclavos fluya sin interrupciones, y verifica que la información enviada sea correcta.
Red Modbus ASCII
Selección del hardware
Para iniciar la instalación, elige un dispositivo maestro como puede ser un PLC, una computadora o un gateway.
Este componente será el encargado de enviar las solicitudes a los dispositivos esclavos.
Los esclavos, a su vez, pueden ser sensores, actuadores u otros equipos industriales compatibles con Modbus ASCII.
Es importante asegurarse de que estos dispositivos soporten este protocolo, además, selecciona el cable adecuado para las conexiones, como RS-232 o RS-485, según la distancia y el número de dispositivos que se vayan a conectar.
Configuración de la red física
En este paso, conecta el dispositivo maestro con los esclavos usando un cable serie. Si se utiliza RS-485, asegúrate de que la conexión esté bien terminada.
El tipo de cable debe ser elegido de acuerdo con la distancia entre los dispositivos, si hay muchos esclavos, se puede optar por RS-485 para facilitar la comunicación a larga distancia.
Dirección de los dispositivos
Es necesario asignar una dirección para cada dispositivo esclavo, esto permite que el maestro los identifique de manera clara.
Sin una dirección única, el maestro no podrá distinguir entre los diferentes esclavos, esta dirección debe ser configurada de forma manual en cada dispositivo.
Configurar parámetros de comunicación
Todos los dispositivos deben usar los mismos parámetros de comunicación, estos incluyen la velocidad de transmisión (baud rate), los bits de datos, la paridad y los bits de parada.
Asegúrate de que estos valores sean iguales en todos los equipos, cualquier discrepancia causará fallos en la comunicación.
La mayoría de los dispositivos Modbus trabajan con una configuración común, pero es aconsejable revisar las especificaciones.
Configurar comunicación Modbus en maestro
En el dispositivo maestro, configura el software para que emita solicitudes Modbus ASCII.
Esto involucra definir qué registros deben ser leídos o escritos, las funciones típicas incluyen la lectura de entradas, la escritura de registros de holding y la verificación del estado de los dispositivos.
Estos valores deben coincidir con los de los dispositivos esclavos para que la comunicación funcione sin problemas.
Implementar comunicación Modbus en esclavos
Los dispositivos esclavos deben estar preparados para responder a las solicitudes del maestro, configura los registros de cada esclavo que deberán ser leídos o escritos.
Esta configuración es obligatoria para que el maestro obtenga los datos correctos, además, revisa que los esclavos tengan la misma dirección que se asignó previamente para evitar errores.
Pruebas de conexión
Una vez configurados los dispositivos, realiza pruebas para asegurarte de que la comunicación funcione correctamente utilizando algún software de simulación Modbus para comprobar que el maestro puede leer y escribir en los registros de los esclavos.