Modbus

Desarrollado inicialmente por Gould Modicon, Modbus es un estándar abierto ampliamente utilizado por numerosos fabricantes. Esta característica facilita la integración entre dispositivos de diferentes marcas, lo cual es beneficioso tanto para clientes como para fabricantes. Aunque no define el nivel físico, los estándares más comúnmente utilizados son EIA-232 y EIA-485. Las transferencias de información están limitadas por las características de estos estándares en términos de velocidad y número de estaciones.

Organización de la Red Modbus

En una red Modbus, cada dispositivo tiene una dirección única. Generalmente, se configura una arquitectura maestro-esclavo, donde un dispositivo maestro controla la comunicación con varios dispositivos esclavos. Cada dispositivo posee una serie de registros que pueden ser leídos y escritos.

Modos de Transmisión en Modbus

Existen dos formas principales de enviar información en Modbus:

• Modbus ASCII (Modbus A): Los datos se envían en código ASCII. El chequeo de error se realiza mediante LRC (Longitudinal Redundancy Check).
• Modbus RTU (Modbus B): Los datos se envían en formato binario. El chequeo de error se realiza mediante CRC (Cyclic Redundancy Check). Este modo es más eficiente que el ASCII y, por lo tanto, es el preferido en la mayoría de las aplicaciones.

Estructura del Mensaje en Modbus RTU

Un mensaje Modbus RTU se compone de cuatro campos:

1. Campo 1 (1 byte): Dirección del esclavo.
2. Campo 2 (1 byte): Función a realizar.
3. Campo 3: Datos (tamaño variable).
4. Campo 4 (2 bytes): CRC-16 para la detección de errores.

Funciones de Lectura y Escritura en Modbus

Las funciones de lectura de datos más comunes son:

• 01: Leer el estado de señales discretas de salida (bobinas).
• 02: Leer el estado de señales discretas de entrada.
• 03: Leer registros analógicos de salida (holding registers).
• 04: Leer registros analógicos de entrada (input registers).

Las funciones de escritura de datos más comunes son:

• 05: Escribir una señal discreta de salida (bobina).
• 15: Escribir múltiples señales discretas de salida (bobinas).
• 06: Escribir un registro analógico de salida (holding register).
• 16: Escribir múltiples registros analógicos de salida (holding registers).

Rangos de Memoria en Modbus

Los rangos de memoria se asignan según el tipo de dato:

• 1-10000: Salidas digitales (DO) – 1 bit por dirección para leer el estado de una salida.
• 10001-20000: Entradas digitales (DI) – 1 bit por dirección para leer el estado de una entrada.
• 30001-40000: Entradas analógicas (AI) – 16 bits por dirección.
• 40001-50000: Salidas analógicas (AO) – 16 bits para salidas analógicas o de propósito general.

Profinet

Profinet es una evolución de Profibus basada en Ethernet. Es una tecnología versátil que abarca todos los niveles de automatización, incluyendo Profibus-DP y Profibus-FMS. Además, utiliza el protocolo TCP/IP, lo que le otorga una gran compatibilidad y flexibilidad.

Ventajas de Profinet

Comparado con otros buses de campo, Profinet ofrece varias ventajas:

• Permite la conexión de un mayor número de nodos.
• Ofrece un rendimiento hasta 100 veces superior.
• Facilita el acceso a los datos con herramientas de oficina estándar.
• Soporta comunicación inalámbrica a través de Wireless LAN.

Rendimientos de Profinet sobre Ethernet

Profinet ofrece diferentes rendimientos sobre Ethernet:

• Cíclica sin periodo de tiempo.
• Cíclica con prioridad de tiempo.
• Isócrona en tiempo real (IRT): Para aplicaciones que requieren una sincronización precisa.

Ethernet Industrial

Ethernet Industrial se basa en la tecnología Ethernet desarrollada por Xerox a mediados de los años 60. En 1980, el consorcio DIX (Digital, Intel y Xerox) propuso una versión estandarizada. En 1983, se publicó el estándar IEEE 802.3, que introduce algunas diferencias con respecto a la versión de DIX.

Diferencias entre Ethernet y IEEE 802.3

• Ethernet: Define la capa física y de enlace.
• IEEE 802.3: Divide la capa de enlace en MAC (Media Access Control) y LLC (Logical Link Control), e integra MAC en la capa física.

Hoy en día, Ethernet es el tipo de red más utilizado debido a su estandarización, fiabilidad y bajo costo. Estas características han impulsado su rápida adopción en el ámbito industrial, desplazando a otros buses de campo.

Tipos de Ethernet según el Medio de Transporte

Dependiendo del medio de transporte, podemos distinguir entre:

• 10Base5: Cable coaxial grueso.
• 10Base2: Cable coaxial fino.
• 10BaseT: Cable UTP (par trenzado sin apantallar).
• 10BaseF: Fibra óptica.

Características de Ethernet Industrial

• Las señales utilizan codificación Manchester (flanco de subida representa un 1 y flanco de bajada un 0).
• Se utiliza un método de transferencia half-duplex.
• CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection): Un nodo espera a que el bus esté inactivo durante 96 periodos de bit antes de comenzar la transmisión. Luego, escucha durante los primeros 512 bits. Si lo que transmite es diferente de lo que recibe, se ha producido una colisión. En este caso, el nodo espera un tiempo aleatorio antes de reintentar la transmisión.

Formato del Paquete Ethernet

• Preámbulo: 7 bytes para sincronización.
• Comienzo del paquete: Delimitador de inicio.
• Direcciones: Dirección de la fuente y el destino (6 bytes cada una).
• Longitud del campo de datos.
• Datos.
• Relleno: Si el paquete es menor de 64 bytes.
• FCS (Frame Check Sequence): CRC de 32 bits para la detección de errores.

Conectores en Ethernet Industrial

Ethernet industrial utiliza conectores RJ45, que pueden ser inadecuados en ciertos entornos industriales, y conectores M12, que son más robustos y resistentes al polvo, la temperatura, las vibraciones, etc.

Determinismo en Ethernet Industrial

Los ciclos típicos en un proceso industrial varían entre 5 y 20 ms, y en algunos casos, de 2 a 5 ms. El método CSMA/CD es indeterminista, ya que las colisiones pueden provocar congestión en la red. En redes 10BaseT, con una velocidad de ciclo de 10 a 100 ms, se recomienda mantener la utilización de la red por debajo del 10% de su capacidad para minimizar el impacto de las colisiones. Este problema se reduce significativamente con Gigabit Ethernet y en configuraciones full-duplex.

Sobrecarga y Ruido en Ethernet Industrial

Este protocolo requiere añadir una cantidad considerable de bytes adicionales para la gestión de la comunicación. Para minimizar el ruido, es fundamental seleccionar el medio de transmisión adecuado y mantener los tendidos alejados de fuentes de interferencia. El particionado de la red puede separar las redes de oficina de las industriales, lo cual es importante por motivos de seguridad y velocidad.