Modbus és un protocol de comunicació obert, utilitzat per transmetre informació a través de xarxes en sèrie entre dispositius electrònics. El dispositiu que sol·licita la informació es diu mestre Modbus i els dispositius que subministren la informació són els esclaus Modbus.

En realitat, això significa que un dispositiu esclau no pot oferir informació; ha d’esperar que se li demani. El mestre escriurà dades en els registres d’un dispositiu esclau i llegirà les dades dels registres d’un dispositiu esclau.

Per tant, en una xarxa Modbus estàndard, hi ha un mestre i fins a 247 esclaus, cadascun amb una adreça d’esclau única d’1 a 247. El mestre també pot escriure informació als esclaus.

A més, aquesta xarxa de comunicació industrial usa els protocols RS232 / RS485 / RS422. La seva simplicitat i el fet que els fabricants poden incorporar en els seus productes sense cap càrrec ha ajudat a que es converteixi en el mètode més popular de connexió de dispositius electrònics industrials.

En conseqüència, són aquests protocols oberts els que molts fabricants s’adapten per integrar fàcilment els seus productes al mercat.

Qui va inventar Modbus?

Aquest protocol industrial estàndard va ser creat per Modicon, ara Schneider Electric, a finals dels 70 per a la comunicació entre controladors lògics programables (PLC). En l’actualitat, Modbus segueix sent el protocol més utilitzat per connectar dispositius industrials.

L’especificació del protocol es publica obertament i l’ús del protocol està lliure de drets. El que significa que és lliure d’instal·lar per als fabricants en els seus equips sense haver de pagar drets d’autor.

Per a què s’utilitza Modbus?

Per la seva banda, Modbus s’ha convertit en un protocol bastant comú, usat freqüentment per molts fabricants en moltes indústries. Així doncs, aquest sistema de comunicació s’usa generalment per transmetre senyals dels dispositius d’instrumentació i control a un controlador principal o a un sistema de recol·lecció de dades (SCADA).

Entre les seves aplicacions destaca el seu ús en múltiples aplicacions mestre-esclau per monitoritzar i programar dispositius; per comunicar-se entre dispositius intel·ligents i sensors i instruments; per monitoritzar dispositius de camp utilitzant PC i HMI.

També, és un protocol ideal per a aplicacions de RTU on es requereix una comunicació sense fils.

Tipus de protocol Modbus

Hi ha diversos tipus de versions en el protocol Modbus per al port sèrie i Ethernet, que s’utilitzen per atendre les necessitats específiques dels sistemes d’automatització industrial a les empreses. Per exemple, Modbus TCP s’utilitza per Ethernet, i Modbus RTU i Modbus ASCII per als ports sèrie.

Les més comunes són:

Modbus RTU

Modbus TCP

Modbus ASCII

Modbus Plus

Què és Modbus RTU i com funciona?

El protocol Modbus RTU és un mitjà de comunicació que permet l’intercanvi de dades entre els controladors lògics programables (PLC) i els ordinadors (PC). Els dispositius electrònics poden intercanviar informació a través de connexions en sèrie utilitzant aquest protocol.

En definitiva, una característica distintiva d’aquesta versió és l’ús de codificació binària i una forta verificació d’errors CRC. En realitat, és la implementació del protocol Modbus utilitzat amb més freqüència en aplicacions industrials i instal·lacions de producció automatitzada.

Tanmateix, aquest és un protocol serial relativament simple que pot ser transmès a través de la tecnologia tradicional UART. Les dades es transmeten en bytes de 8 bits, un bit cada vegada, a velocitats en bauds que van de 1200 bits per segon (bauds) a 115200 bits per segon. La majoria dels dispositius només suporten velocitats de fins a 38400 bits per segon.

Finalment, una xarxa Modbus RTU té un mestre i un o més esclaus. Cada esclau té una adreça de dispositiu o número d’unitat de 8 bits. Els missatges enviats pel mestre inclouen la direcció de l’esclau a què va dirigit l’enviament.

L’esclau ha de respondre només si es reconeix la seva direcció, i ha de respondre dins d’un cert període de temps o el mestre ho dirà un error de «no resposta».

El Modbus RTU s’utilitza freqüentment:

• Quan s’utilitzen dispositius Modbus similars
• Quan el protocol Modbus s’entén bé
• Com estàndard de la instal·lació

Què és Modbus TCP i com funciona?

Modbus / TCP es va introduir per aprofitar les infraestructures LAN actuals. Al seu torn, va augmentar el nombre d’unitats que podien connectar-se a la mateixa xarxa.

Aquest sistema engloba els blocs de dades de sol·licitud i resposta del Modbus RTU en un bloc TCP transmès a través de xarxes estàndard d’Ethernet.

D’altra banda, el nombre d’unitats segueix estant inclòs i la seva interpretació varia segons l’aplicació: la direcció de la unitat o de l’esclau no és el mitjà principal d’adreçament al TCP. Llavors, la direcció més important aquí és l’adreça IP ,.

El port estàndard per Modbus TCP és el 502, però el nombre de port sovint pot reassignar si es desitja.

La versió TCP segueix el model de referència de Xarxa OSI. D’altra banda, defineix les capes de presentació i aplicació en el model OSI.

En conseqüència, Modbus TCP fa que la definició de mestre i esclau sigui menys òbvia, perquè l’Ethernet permet la comunicació entre parells. La definició de client i servidor són els elements més coneguts a les xarxes basades en Ethernet.

En aquest context, l’esclau es converteix en el servidor i el mestre en el client. Hi pot haver més d’un client que obtingui dades d’un servidor. En termes de Modbus, això vol dir que pot haver múltiples mestres així com múltiples esclaus.

En lloc de definir mestre i esclau en un dispositiu físic per dispositiu, en aquesta ocasió és responsabilitat del dissenyador de sistema crear associacions lògiques entre la funcionalitat de mestre i esclau.

El Modbus / TCP s’utilitza freqüentment en:

• PLC (controladors industrials)
• Sistemes SCADA (visualitzacions i control bàsic de processos industrials)
• Sensors i actuadors

Què és Modbus ASCII i com funciona?

Modbus ASCII és una implementació més antiga que conté tots els elements d’un paquet RTU, però expressada completament en caràcters ASCII imprimibles. Aquests són caràcters hexadecimals que contenen 4 bits de dades cadascun.

L’ús d’aquesta eina permet: analitzar l’activitat del port sèrie, monitoritzar múltiples ports sèrie alhora, emular la transmissió de dades als dispositius en sèrie de diversos formats com a cadena, binari, decimal i hexadecimal i, finalment, l’exportació de les dades monitoritzats

Actualment, aquest protocol es considera obsolet, ja no s’utilitza amb freqüència i no està inclòs en l’especificació formal del protocol Modbus.

Què és Modbus Plus i com funciona?

Modbus Plus és un protocol de xarxa amb alta velocitat entre parells. Està basat en la comunicació a través d’un testimoni bus. En definitiva, és un sistema complet amb un mitjà predefinit i l’aplicació d’un sistema de comunicació de pas ràpid.

Modbus és només un protocol, en canvi Modbus Plus és un sistema complet amb un mitjà predefinit i la implementació de la capa física (capa 1 de OSI).

Per tant, és un sistema LAN per a aplicacions de control industrial, que permet als dispositius en xarxa intercanviar missatges per al control i la supervisió de processos en llocs remots de la planta industrial.

Així mateix, utilitza un mecanisme de control d’accés amb pas controlat, que dóna lloc a un funcionament determinista, encara que no de el tot ràpid en totes les condicions.

D’altra banda, el protocol de missatgeria de la capa 7 de Modbus Plus és essencialment el mateix que s’utilitza per Modbus Serial i Modbus / TCP. La capa física s’implementa amb RS485 i funciona sobre cable de parell trenat blindat.

Així com, el protocol de la capa d’enllaç de dades (capa 2) es basa en el protocol multipunt de la norma ISO / IEC 3309: 1991 HDLC (High-level Data Link Control), que utilitza un mecanisme per al control d’accés amb pas controlat per senyals, transmetent les dades de forma sincronitzada, a diferència de la transmissió asíncrona de Modbus Serial.

Això dóna com a resultat la transmissió de dades a 1 Mbps.

Beneficis de Modbus

Si necessites un protocol de comunicació en sèrie obert i fàcil d’usar per implementar amb els teus dispositius industrials electrònics, llavors Modbus pot ser una de les solucions que busques.

Una arquitectura tècnica simple però efectiva

Basat en una arquitectura mestre-esclau, aquest protocol ofereix un alt grau de flexibilitat operativa. La seva manera RTU en sèrie accelera els intercanvis de dades amb la seva codificació de 8 bits mentre permet la connexió (amb repetidors) de 247 perifèrics a una distància de 1200 metres.

En la seva versió TCP / IP, ofereix una velocitat de dades de 10 a 100 Mbits / segon (i una connectivitat gairebé il·limitada) en topologies de xarxa «clàssiques» com l’anell o l’estrella.

Fàcil integració amb les instal·lacions industrials

El desplegament tècnic del seu ecosistema es caracteritza per la seva simplicitat. En la configuració de l’RTU, només es requereix un port sèrie o una connexió de bus amb cablejat compatible amb els estàndards RS-422 o RS-485 entre la instal·lació i el controlador.

Per TCP / IP, els connectors recomanats corresponen a RJ 45 o IP 65. La via de control o de recollida té freqüentment una transmissió de ràdio (GPRS) a el sistema d’informació de l’establiment.

Un protocol reconegut per la seva alta fiabilitat

En els seus modes estàndard, s’integra de forma nativa un codi de comprovació d’errors per les seves estructures. Aquest codi, anomenat «Comprovació de redundància cíclica», cobreix la totalitat del missatge (destinatari, funció, adreça i número de termes a llegir), assegurant així una fiabilitat dels intercanvis molt propera a el 100%.

Desavantatges de Modbus.

Encara Modbus és un dels protocols de comunicació industrial més utilitzats, hi ha una sèrie de desavantatges que et poden fer canviar d’opinió a l’hora de decidir-te a seleccionar un protocol de comunicació per als teus sistemes de producció industrial o un altre.

Modbus RTU

• Ús limitat com a bus de dispositius.

• Capacitats de diagnòstic limitades per a les aplicacions dels dispositius.

• Es requereix alimentació independent per al funcionament dels dispositius.

Modbus TCP

• Va ser dissenyat a finals dels 70 per comunicar-se amb els PLC, el nombre de tipus de dades es limita als que s’entenen en aquest moment pels autòmats. Al seu torn, els objectes binaris grans no són compatibles.

• No hi ha una forma estàndard perquè un node trobi la descripció d’un objecte de dades, per exemple, per determinar si un valor de registre representa una temperatura entre 30 i 175 graus.

• Atès que és un protocol mestre / esclau, no hi ha manera que un dispositiu de camp «informe per excepció» (excepte a través d’Ethernet TCP / IP, anomenat open-mbus)

• Es limita a adreçar 247 dispositius en un enllaç de dades, el que limita el nombre de dispositius de camp que poden connectar-se a una estació mestra (un cop més Ethernet TCP / IP és l’excepció).

• Les transmissions Modbus han de ser consecutives, el que limita els tipus de dispositius de comunicacions remotes als quals poden emmagatzemar dades en una memòria intermèdia per evitar errors en la transmissió.