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PROGRAMACIÓN AVANZADA CON M221 Y COMUNICACIONES

Contenido del curso

Aprendizaje Total:30 lecciones

Descripción del protocolo MODBUS

Información Detallada sobre el Protocolo Modbus

Visión General

Modbus es un protocolo industrial que fue desarrollado en 1979 para hacer posible la comunicación entre dispositivos de automatización. Originalmente implementado como un protocolo al nivel de la aplicación con la finalidad de transferir datos por una capa serial, Modbus se ha expandido para incluir implementaciones a través de protocolo serial, TCP/IP y el User Datagram Protocol (UDP). Este documento ofrece una perspectiva detallada de la implementación del protocolo.

Contenido

¿Qué es el Protocolo Modbus?

Modbus es un protocolo de solicitud-respuesta implementado usando una relación maestro-esclavo. En una relación maestro-esclavo, la comunicación siempre se produce en pares, un dispositivo debe iniciar una solicitud y luego esperar una respuesta y el dispositivo de inicio (el maestro) es responsable de iniciar cada interacción. Por lo general, el maestro es una interfaz humano-máquina (HMI) o sistema SCADA y el esclavo es un sensor, controlador lógico programable (PLC) o controlador de automatización programable (PAC). El contenido de estas solicitudes y respuestas, y las capas de la red a través de las cuales se envían estos mensajes, son definidas por las diferentes capas del protocolo.

Figura 1. Una Relación de Red Maestro-Esclavo

Capas del Protocolo Modbus

En la implementación inicial, Modbus era un solo protocolo construido en base a serial, por lo que no podía ser dividida en múltiples capas. Con el tiempo, diferentes unidades de datos de aplicación fueron introducidas ya sea para cambiar el formato del paquete utilizado a través de serial o para permitir el uso de redes TCP/IP y UDP (User Datagram Protocol). Esto llevó a una separación del protocolo principal, el cual define la unidad de datos de protocolo (PDU) y la capa de red, que define la unidad de datos de aplicación (ADU).

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Unidad de Datos de Protocolo

La PDU y el código que la maneja consiste en el núcleo de la Especificación del Protocolo de Aplicación Modbus. Esta especificación define el formato de la PDU, los diversos conceptos de datos utilizados por el protocolo, el uso de los códigos de función para tener acceso a esos datos y la implementación específica y restricciones de cada código de función.

El formato de Modbus PDU está definido como un código de función seguido por un conjunto de datos asociado. El tamaño y el contenido de estos datos son definidos por el código de función y la PDU completa (código de función y datos) no puede exceder de 253 bytes de tamaño. Cada código de función tiene un comportamiento específico que los esclavos pueden implementar de manera flexible en base al comportamiento de la aplicación deseada. La especificación de la PDU define conceptos básicos para el acceso y manipulación de datos; sin embargo, un esclavo puede manejar datos de una manera que no esté definida explícitamente en la especificación.

Acceso de Datos en Modbus y el Modelo de Datos de Modbus

Los datos disponibles por medio de Modbus son almacenados, en general, en uno de los cuatro bancos de datos o rangos de dirección: bobinas, entradas discretas, registros de retención y registros de entrada. Al igual que con gran parte de la especificación, los nombres pueden variar dependiendo de la industria o de la aplicación. Por ejemplo, los registros de retención pueden denominarse como registros de salida y las bobinas pueden denominarse como salidas digitales o discretas. Estos bancos de datos definen el tipo y los derechos de acceso de los datos contenidos. Los dispositivos esclavos tienen acceso directo a estos datos, los cuales son alojados localmente en los dispositivos. Los datos disponibles por medio de Modbus generalmente son un subconjunto de la memoria principal del dispositivo. En contraste, los maestros Modbus deben solicitar el acceso a estos datos a través de diversos códigos de función. El comportamiento de cada bloque se describe en la Tabla 1.

Bloque de Memoria Tipo de Datos Acceso de Maestro Acceso de Esclavo
Bobinas Booleano Lectura/Escritura Lectura/Escritura
Entradas Discretas Booleano Solo Lectura Lectura/Escritura
Registros de Retención Palabra Sin Signo Lectura/Escritura Lectura/Escritura
Registros de Entrada Palabra Sin Signo Solo Lectura Lectura/Escritura

Tabla 1. Bloques de Modelo de Datos de Modbus

Estos bloques le brindan la habilidad de restringir o permitir el acceso a los diferentes elementos de datos y también de proporcionar mecanismos simplificados en la capa de aplicación para tener acceso a diferentes tipos de datos.

Los bloques son completamente conceptuales. Pueden existir como direcciones de memoria separadas en un sistema determinado, pero también pueden traslaparse. Por ejemplo, la bobina uno puede existir en la misma ubicación en memoria como el primer bit de la palabra representada por el registro de retención uno. El esquema de dirección se define completamente por el dispositivo esclavo y su interpretación de cada bloque de memoria es una parte importante del modelo de datos del dispositivo.

Dirección de Modelo de Datos

La especificación define que cada bloque contiene un espacio de dirección de un máximo de 65,536 (216) elementos. Dentro de la definición de la PDU, Modbus define la dirección de cada elemento de datos que va desde 0 a 65,535. Sin embargo, cada elemento de datos está numerado de 1 a n, donde n tiene un valor máximo de 65,536. Es decir, la bobina 1 está en el bloque de bobina en la dirección 0, mientras que el registro de retención 54 está en la dirección 53 de la sección de la memoria que el esclavo ha definido como registros de retención.

No se requiere que los rangos completos permitidos por la especificación sean implementados por un determinado dispositivo. Por ejemplo, un dispositivo puede optar por no implementar bobinas, entradas discretas o registros de entrada y en su lugar solamente usar los registros de retención 150 al 175 y 200 al 225. Esto es perfectamente aceptable y los intentos de acceso no válidos pueden manejarse a través de excepciones.

Rangos de Dirección de Datos

Aunque la especificación define los diferentes tipos de datos que existen en diferentes bloques y asigna un rango de dirección local para cada tipo, esto no se traduce necesariamente en un esquema intuitivo de dirección para fines de documentación o para comprender la memoria disponible a través de Modbus de un dispositivo determinado. Para simplificar la discusión de ubicaciones del bloque de memoria, se introdujo un esquema de numeración, el cual añade prefijos a la dirección de los datos en cuestión.

Por ejemplo, en lugar de referir a un elemento como registro de retención 14 en la dirección 13, un manual de dispositivo se referiría a un elemento de datos en la dirección 4,014, 40,014 o 400,014. En cada caso, el primer número especificado es 4 para representar registros de retención y la dirección es especificada usando los números restantes. La diferencia entre 4XXX, 4XXXX y 4XXXXX depende del espacio de dirección usado por el dispositivo. Si todos los 65,536 registros están en uso, la anotación 4XXXXX debe ser usada, ya que permite un rango de 400,001 a 465,536. Si solamente algunos registros son usados, una práctica común es usar el rango de 4,001 al 4,999.

En este esquema de dirección, a cada tipo de datos se le asigna un prefijo como se muestra en la Tabla 2.

 

Bloque de Datos Prefijo
Bobinas 0
Entradas Discretas 1
Registros de Entrada 3
Registros de Retención 4

Tabla 2. Prefijos de Rangos de Datos

Existen bobinas con un prefijo 0. Esto significa que una referencia de 4001 podría referirse al registro de retención uno o bobina de 4001. Por esta razón, se recomienda que todas las nuevas implementaciones usen dirección de 6 dígitos con ceros a la izquierda y se especifique esto en la documentación. Por lo tanto, el registro de retención uno es referenciado como 400,001 y la bobina de 4001 es referenciada como 004,001.

Valores de Inicio de Dirección de Datos

La diferencia entre las direcciones de memoria y los números de referencia es aún más complicada por el índice seleccionado por una aplicación determinada. Como se mencionó anteriormente, el registro de retención uno está en la dirección cero. Típicamente, los números de referencia son indexados en base a uno, lo que significa que el valor de inicio de un intervalo determinado es uno. Por lo tanto, 400,001 se traduce literalmente al registro de retención 00001, el cual está en la dirección 0. Algunas implementaciones eligen iniciar sus rangos en cero, lo que significa que 400,000 se traduce en el registro de detención en la dirección cero. La Tabla 3 muestra este concepto.

Dirección Número de Registro Número (índice 1, estándar) Número (índice 0, alternativo)
0 1 400001 400000
1 2 400002 400001
2 3 400003 400002

Tabla 3. Esquemas de Índice de Registro

 

Los rangos indexados a 1 son comunes y altamente recomendados. En cualquier caso, el valor de inicio para cada rango debe ser anotado en la documentación.

Tipos de Datos Grandes

El estándar Modbus proporciona un modelo de datos relativamente simple que no incluye los tipos de datos adicionales fuera de una palabra sin signo y valor de bit. Aunque esto es suficiente para algunos sistemas, donde los valores de bits corresponden a los solenoides y relés y los valores de palabra corresponden a los valores de ADC sin escalar, no es suficiente para los sistemas más avanzados. Como resultado, muchas implementaciones Modbus incluyen tipos de datos que cruzan los límites de registros. El Módulo NI LabVIEW Datalogging and Supervisory Control (DSC) y KEPServerEX definen un número de tipos de referencia. Por ejemplo, las secuencias almacenadas en un registro de retención siguen la forma estándar (400,001) pero son seguidas de un decimal, la longitud y el orden de bytes de la secuencia (400,001.2H, una secuencia de dos caracteres en el registro de retención donde el byte alto corresponde al primer carácter de la secuencia). Esto es necesario debido a que cada solicitud tiene un tamaño limitado, por lo que un maestro Modbus debe conocer los límites exactos de la secuencia en lugar de buscar una longitud o delimitador como NULL.

Acceso a Bits

Además de permitir el acceso a los datos que cruza un límite de registro, algunos maestros Modbus soportan referencias para bits individuales dentro de un registro. Esto es benéfico ya que permite que los dispositivos combinen datos de cada tipo en el mismo rango de memoria sin tener que dividir los datos binarios en entre bobinas y rangos de entrada discretos. Esto normalmente es referenciado como un punto decimal y el índice de bits o número, dependiendo de la implementación. Es decir, el primer bit en el primer registro puede ser 400,001.00 o 400,001.01. Se recomienda que toda documentación especifique el esquema de índice utilizado.

Endianness de Datos

Los datos de múltiples registros, como el valor de punto flotante de precisión simple, pueden ser transferidos fácilmente en Modbus al dividir los datos en dos registros. Ya que esto no está definido por el estándar, el endianness (u orden de bytes) de esta división no está definida. Aunque cada palabra no signada debe ser enviada en orden de byte de la red (big-endian) para cumplir con el estándar, varios dispositivos invierten el orden de bytes para datos de múltiples bytes. La Figura 2 muestra un ejemplo inusual pero válido sobre esto.

Figura 2. Intercambio de Orden de Bytes para Datos de Múltiples Palabras

Depende del maestro comprender cómo el esclavo está almacenando información en la memoria y decodificarlo correctamente. Se recomienda que la documentación refleje el orden de las palabras utilizadas por el sistema. El orden de bytes también puede ser añadido como una opción de configuración del sistema, con funciones de codificación y decodificación fundamentales, si se requiere flexibilidad en la implementación.

Strings

Los strings pueden ser fácilmente almacenados en registros de Modbus. Para simplificar, algunas implementaciones requieren que las longitudes de los strings sean múltiplos de dos, con cualquier espacio adicional llenado con valores nulos. El orden de los bytes también es una variable en las interacciones de los strings. El formato del string puede o no incluir un NULL como el valor final. Como ejemplo de esta variabilidad, algunos dispositivos pueden almacenar los datos como se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Reversión de Orden de Bytes en secuencias de Modbus

Comprender Códigos de Función

En contraste con el modelo de datos que puede variar considerablemente de un dispositivo a otro, los códigos de función y sus datos son definidos explícitamente por el estándar. Cada función sigue un patrón. Primero, el esclavo valida entradas como el código de función, dirección de datos y el rango de datos. Después, ejecuta la acción solicitada y envía una respuesta adecuada al código. Si cualquier paso en este proceso falla, se regresa una excepción al solicitante. El transporte de datos para estas solicitudes es la PDU.

La PDU de Modbus

La PDU consta de un código de función de un byte seguido de hasta 252 bytes de datos de funciones específicas.

Figura 4. La PDU de Modbus

El código de función es el primer elemento que será validado. Si el código de función no es reconocido por el dispositivo que recibe la solicitud, responde con una excepción. Si se acepta el código de función, el dispositivo esclavo comienza a descomponer los datos de acuerdo con la definición de la función.

 

Debido a que el tamaño del paquete está limitado a 253 bytes, los dispositivos están limitados a la cantidad de datos que pueden ser transferidos. Los códigos de función más comunes pueden transferir entre 240 y 250 bytes de datos del modelo de datos de esclavos, dependiendo del código.

Ejecución de Funciones del Esclavo

Según lo define el modelo de datos, diferentes funciones son definidas para tener acceso a diferentes bloques conceptuales de datos. Una implementación común es que los códigos tengan acceso a las ubicaciones estáticas de la memoria, pero otros comportamientos están disponibles. Por ejemplo, el código de función 1 (leer bobinas) y el 3 (leer registros de retención) pueden tener acceso a la misma ubicación física en la memoria. Por el contrario, el código de función 3 (leer registros de retención) y el 16 (escribir a registros de retención) tienen acceso a ubicaciones completamente diferentes en la memoria. Por lo tanto, la ejecución de cada código de función mejor es considerada como parte de la definición del modelo de datos del esclavo.

Independientemente del comportamiento realizado, se espera que todos los dispositivos esclavos sigan un diagrama de estado simple para cada solicitud. La Figura 5 muestra un ejemplo de esto para el código 1, que lee bobinas.

Figura 5. Leer Diagrama de Estado de Bobinas desde la Especificación del Protocolo Modbus

Cada esclavo debe validar el código de función, el número de entradas, la dirección de inicio, el rango total y la ejecución de la función definida por el esclavo que realiza la lectura.

Aunque los rangos de dirección estática se muestran en el diagrama de estado de arriba, las necesidades de los sistemas del mundo real pueden causar que estos varíen un poco en los números definidos. En algunos casos, los dispositivos esclavos no pueden transferir el número máximo de bytes definido por el protocolo. Es decir, en lugar de permitir que un maestro solicite entradas 0x07D0, únicamente puede responder con 0x0400. De forma similar, un modelo de datos esclavo puede definir el rango de valores aceptables de bobina como las direcciones de 0 a 500. Si un maestro hace una solicitud para 125 iniciando en la dirección 0, esto está bien, pero si un maestro hace la misma solicitud iniciando en la dirección 400, la bobina final estará en la dirección 525, la cual está fuera del rango para este dispositivo y resultaría en la excepción 02 como lo define el diagrama de estado.

Códigos de Función Estándares

La definición de cada código de función estándar está en la especificación. Incluso para los códigos de función más comunes, existen discrepancias inevitables entre las funciones habilitadas en el maestro y lo que el esclavo puede manejar. Para solucionar esto, las versiones anteriores de la especificación Modbus TCP definen tres clases de conformidad. La Especificación de Pruebas de Compatibilidad Modbus oficial no hace referencia a estas clases y en su lugar define la compatibilidad en cada función; sin embargo, puede ser conveniente para comprenderlo. Se recomienda que cualquier documento siga la especificación de pruebas y determine su compatibilidad con los códigos que soportan, en lugar de con las clasificaciones de legado.

Códigos Clase 0

Los códigos Clase 0 generalmente son considerados el mínimo para un dispositivo Modbus útil, ya que dan a un maestro la habilidad de leer o escribir en el modelo de datos.

Código Descripción
3 Leer Múltiples Registros
16 Escribir a Múltiples Registros

Tabla 4. Compatibilidad con Códigos Clase 0

Códigos Clase 1

Los códigos de función Clase 1 consisten en los otros códigos necesarios para tener acceso a todos los tipos del modelo de datos. En la definición original, esta lista incluye el código de función 7 (leer excepción). Sin embargo, este código es definido por la especificación actual como un código para serial únicamente.

Código Descripción
1 Leer Bobinas
2 Leer Entradas Discretas
4 Leer Registros de Entrada
5 Escribir a Bobina Individual
6 Escribir a Registro Individual
7 Leer Estado de Excepción (únicamente serial)

Tabla 5. Compatibilidad con Códigos Clase 1

Códigos Clase 2

Los códigos de función Clase 2 son funciones más especializadas que son implementadas con menos frecuencia. Por ejemplo, Leer/Escribir Múltiples Registros puede ayudar a reducir el número total de ciclos de solicitud-respuesta, pero el comportamiento aún puede ser implementado con códigos Clase 0.

  Descripción de Código
15 Escribir a Múltiples Bobinas
20 Leer Registro de Archivo
21 Escribir a Registro de Archivo
22 Escribir a Registro con Máscara
23 Leer/Escribir Múltiples Registros
24 Leer FIFO

Tabla 6. Compatibilidad con Códigos Clase 2

Interfaz Modbus Encapsulada

El código de Interfaz Modbus Encapsulada (MEI), función 43, es usado para encapsular otros datos en un paquete Modbus. En la actualidad, dos números MEI están disponibles, 13 (CANopen) y 14 (identificación de dispositivos).

La Función 43/14 (identificación de dispositivos) es útil, ya que permite la transferencia de hasta 256 objetos únicos. Algunos de estos objetos son predefinidos y reservados, como el nombre del proveedor y el código de producto, pero las aplicaciones pueden definir otros objetos a transferir como conjuntos de datos genéricos.

Este código no es implementado comúnmente.

Excepciones

Los esclavos utilizan excepciones para indicar un número de condiciones de error, desde una solicitud malformada hasta entradas incorrectas. Sin embargo, las excepciones también se pueden generar como una respuesta a nivel de la aplicación para una solicitud válida. Los esclavos no responden a las solicitudes emitidas con una excepción. En cambio, el esclavo ignora solicitudes incompletas o alteradas y comienza a esperar un nuevo mensaje entrante.

Las excepciones son reportadas en un formato de paquete definido. Primero, un código de función se regresa al maestro que solicita igual al código de función original, excepto con su conjunto de bits más significativo. Esto es equivalente a añadir 0x80 al valor del código de función original. En lugar de los datos normales asociados con una respuesta de función determinada, las respuestas de excepción incluyen un solo código de excepción.

Dentro del estándar, los cuatro códigos de excepción más comunes son 01, 02, 03 y 04. Estos se muestran en la Tabla 7 con significados estándares para cada función.

Código de Excepción Significado
01 El código de función recibido no está soportado. Para confirmar el código de función original, restar 0x80 del valor devuelto.
02 La solicitud intentó tener acceso a una dirección no válida. En el estándar, esto puede ocurrir únicamente si la dirección de inicio y el número solicitado de valores excede 216. Sin embargo, algunos dispositivos pueden limitar este espacio de dirección en su modelo de datos.
03 La solicitud tenía datos incorrectos. En algunos casos, esto significa que había una discrepancia de parámetros, por ejemplo entre el número de registros enviados y el campo “cantidad de bytes”. Normalmente, el maestro solicitó más datos de lo que permite ya sea el esclavo o el protocolo. Por ejemplo, un maestro puede leer solamente 125 registros de detención a la vez y los dispositivos con recursos limitados pueden delimitar este valor a incluso menos registros.
04 Se ha producido un error irrecuperable al intentar procesar la solicitud. Este es un código de excepción general que indica que la solicitud era válida, pero el esclavo no podía ejecutarla.

Tabla 7. Códigos de Excepción de Modbus Comunes

 

El diagrama de estado para cada código de función debe cubrir al menos el código de excepción 01 y por lo general incluye los códigos de excepción 04, 02, 03, cualquier otro código de excepción definido es opcional.

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Unidad de Datos de Aplicación

Además de la funcionalidad definida en la PDU principal del protocolo Modbus, usted puede usar varios protocolos de red. Los protocolos más comunes son serial y TCP/IP, pero usted puede usar otros como UDP también. Para transmitir los datos necesarios para Modbus a través de estas capas, Modbus incluye un conjunto de variantes ADU que son diseñadas para cada protocolo de red.

Características Comunes

Modbus requiere ciertas características para proporcionar una comunicación confiable. El No. de Unidad o de Dirección es usado en cada formato de ADU para proporcionar información de enrutado a la capa de la aplicación. Cada ADU se vende con una PDU completa, la cual incluye el código de función y los datos asociados para una solicitud determinada. Para mayor fiabilidad, cada mensaje incluye la información de comprobación de errores. Finalmente, todas las ADUs proporcionan un mecanismo para determinar el comienzo y el final de un marco de solicitud, pero los implementa de manera diferente.

Formatos Estándares

Los tres formatos ADU estándares son TCP, unidad terminal remota (RTU), y ASCII. RTU y ASCII ADUs normalmente son usados a través de una línea serial, mientras que el TCP es usado a través de redes TCP/IP o UDP/IP modernas.

TCP/IP

Las ADUs de TCP consisten en el Encabezado de Protocolo de Aplicación Modbus (MBAP) combinado con la PDU de Modbus. El MBAP es un encabezado de uso general que depende de una capa de red confiable. El formato de esta ADU, incluyendo el encabezado, se muestra en la Figura 6.

Figura 6. La ADU de TCP/IP

Los campos de datos del encabezado indican su uso. Primero, incluye un identificador de transacción. Esto es valioso en una red en la que se pueden soportar múltiples solicitudes simultáneamente. Es decir, un maestro puede enviar solicitudes 1, 2, y 3. En algún punto, un esclavo puede responder en el orden 2, 1, 3, y el maestro puede igualar las solicitudes con las respuestas y analizar los datos con precisión. Esto es útil para redes Ethernet.

El identificador de protocolo es normalmente cero, pero usted puede utilizarlo para ampliar el comportamiento del protocolo. El campo de longitud es usado por el protocolo para delinear la longitud del resto del paquete. La ubicación de este elemento también indica la dependencia de este formato encabezado en una capa de red confiable. Debido a que los paquetes TCP tienen verificación de errores integrada y garantizan la coherencia de los datos y la entrega, la longitud del paquete puede ser ubicado en cualquier parte del encabezado. En una red inherentemente menos confiable como una red serial, un paquete podría perderse, teniendo el efecto de que incluso si la escritura de datos leída por la aplicación incluía información válida de transacción y del protocolo, la información de longitud alterada volvería inválido al encabezado. TCP proporciona una cantidad razonable de protección contra esta situación.

El ID de Unidad generalmente no es usado por los dispositivos TCP/IP. Sin embargo, Modbus es un protocolo común en el que se implementan muchos gateways, lo cual convierte al protocolo Modbus en otro protocolo. En el caso original de uso, un gateway Modbus TCP/IP a serial podría ser usado para permitir la conexión entre las nuevas redes TCP/IP y redes seriales anteriores. En dicho entorno, el ID de Unidad es usado para determinar la dirección del dispositivo esclavo para la que la PDU está destinada.

Finalmente, la ADU incluye una PDU. La longitud de esta PDU está aún limitada a 253 bytes para el protocolo estándar.

RTU

La ADU de RTU parece ser mucho más simple, como se muestra en la Figura 7.

Figura 7. La ADU de RTU

A diferencia de la ADU de TCP/IP más compleja, esta ADU incluye solamente dos piezas de información, además de la PDU principal. Primero, una dirección es usada para definir para qué esclavo está diseñada una PDU. En la mayoría de las redes, una dirección 0 define la dirección de “broadcast”. Es decir, un maestro puede enviar un comando de salida a la dirección 0 y todos los esclavos deben procesar la solicitud pero ningún esclavo debe responder. Además de esta dirección, un CRC es usado para asegurar la integridad de los datos.

Sin embargo, la realidad es que la situación en las implementaciones más modernas está lejos de ser simple. Encapsulando el paquete hay un par de tiempos en silencio, es decir, periodos en los que no hay comunicación en el bus. Para una velocidad de transferencia de 9,600, este tiempo es alrededor de 4 ms. El estándar define una longitud mínima de silencio, independientemente de la velocidad de transferencia, de un poco menos de 2 ms.

 

Primero, esto tiene un inconveniente de rendimiento ya que el dispositivo debe esperar a que el tiempo muerto se cumpla antes de que el paquete pueda ser procesado. Más peligrosa aún, sin embargo, es la introducción de diferentes tecnologías usadas para transferencia serial y velocidades de transferencia mucho más rápidas que cuando se introdujo el estándar. Con un cable convertidor de USB a serial, por ejemplo, usted no tiene ningún control sobre el paquete y la transferencia de datos. Las pruebas muestran que usar un cable de USB a serial con el controlador NI-VISA introduce grandes intervalos de tamaño variable en el flujo de datos y estos intervalos, períodos de silencio, engañan al código compatible con la especificación al creer que un mensaje se ha completado. Debido a que el mensaje no es completado, esto por lo general conduce a un CRC no válido y al dispositivo que interpreta la ADU como alterada.

Además de los problemas con la transmisión, las tecnologías modernas de controlador abstraen comunicación serial significativa y generalmente requieren un mecanismo de consulta desde el código de la aplicación. Por ejemplo, ni el .NET Framework 4.5 SerialPort Class ni el controlador NI-VISA proporcionan un mecanismo para detectar silencio sobre una línea serial excepto al consultar los bytes en el puerto. Esto resulta en una escala de bajo rendimiento (si la consulta es realizada demasiada lento) o alto uso del CPU (si la consulta es realizada demasiado rápido).

Un método común para resolver estos problemas es romper la capa de abstracción entre la PDU de Modbus y la capa de red. Es decir, el código serial interroga el paquete de la PDU de Modbus para determinar el código de función. Combinado con otros datos en el paquete, la longitud del paquete restante puede ser descubierta y usada para determinar el final del paquete. Con esta información, puede usarse un descanso mucho más largo, lo que permite silencios de transmisión y puede ocurrir consulta a nivel de la aplicación mucho más lentamente. Se recomienda utilizar este mecanismo para un nuevo desarrollo. El código que no emplea esto puede experimentar un número mayor de paquetes “alterados” de lo esperado.

ASCII

La ADU de ASCII es más compleja que la de RTU como se muestra en la Figura 8, también evita muchos de los problemas del paquete RTU. Sin embargo, tiene algunas de sus propias desventajas.

Figura 8. La ADU de ASCII

Al resolver el problema de determinar el tamaño del paquete, la ADU de ASCII tiene un inicio y final bien definido y único para cada paquete. Es decir, cada paquete comienza con “:” y termina con un regreso de carro (CR) y alimentación de línea (LF). Además, los APIs seriales como NI-VISA y el .NET Framework SerialPort Class pueden leer datos fácilmente en un búfer hasta que un carácter específico, como CR/LF, es recibido. Estas características hacen que sea fácil procesar la escritura de datos en la línea serial de manera eficiente en el código de la aplicación moderno.

La desventaja del ADU de ASCII es que todos los datos son transferidos como caracteres hexadecimales codificados en ASCII. Es decir, en lugar de enviar un solo byte para el código de función 3, 0x03, envía los caracteres ASCII “0” y “3” o 0x30 / 0x33. Esto hace que el protocolo sea más legible, pero también significa que el doble de datos deben ser transferidos a través de la red en serie y que las aplicaciones que envían y reciben deben ser capaces de analizar los valores ASCII.

Extender Modbus

Modbus, un estándar relativamente simple y abierto, puede ser modificado para cumplir con las necesidades de una aplicación determinada. Esto es más común para la comunicación entre la HMI y PLC o PAC, ya que esta es una situación en la que una sola organización tiene el control sobre ambos extremos del protocolo. Los desarrolladores de sensores, por ejemplo, es más probable que se apeguen al estándar escrito, ya que normalmente solo controlan la implementación de su esclavo y es deseable la interoperabilidad.

En general, no se recomienda modificar el protocolo. Esta sección se proporciona simplemente como un reconocimiento de los mecanismos que otros han utilizado para ajustar el comportamiento del protocolo.

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Nuevos Códigos de Función

Algunos códigos de función son definidos, pero el estándar Modbus le permite desarrollar códigos de función adicionales. En concreto, los códigos de función 1 al 64, 73 al 99 y 111 al 127 son los códigos públicos que son reservados y garantizados para ser únicos. Los códigos restantes, 65 al 72 y 100 al 110, son para uso definido por el usuario. Con estos códigos definidos por el usuario, usted puede usar cualquier estructura de datos. Los datos pueden incluso exceder el límite de 253 bytes estándar para el Modbus PDU, pero toda la aplicación debe ser validada para asegurarse de que otras capas funcionan como se esperaba cuando el PDU exceder el límite estándar. Los códigos de función por encima de 127 son reservados para respuestas de excepción.

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Capas de Red

Modbus se puede ejecutar en muchas capas de la red, además de serial y TCP. Una implementación potencial es UDP, ya que es ideal para el estilo de comunicación Modbus. Modbus es un protocolo basado en mensajes en su núcleo, por lo que la habilidad de UDP para enviar un paquete bien definido de la información sin ninguna de información adicional a nivel de aplicación, como un carácter de inicio o longitud, hace a Modbus extremadamente fácil de implementar. En lugar de requerir una ADU adicional o reutilizar una ADU existente, los paquetes de la PDU de Modbus se pueden enviar usando un API de UDP estándar y ser recibidos completamente formados en el otro extremo. Aunque TCP es ventajoso para algunos protocolos por el sistema de confirmación integrado, Modbus realiza confirmación en la capa de aplicación. Sin embargo, utilizando UDP de esta manera elimina el campo de identificador de transacción en l ADU de TCP, que libera la posibilidad de múltiples transacciones pendientes simultáneas. Por lo tanto, el maestro debe ser un maestro sincrónico o el paquete UDP debe tener un identificador para ayudar al maestro a organizar las solicitudes y respuestas. Una implementación sugerida sería usar la ADU de TCP/IP en una capa de red UDP.

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Modificaciones de ADU

Por último, una aplicación podría optar por modificar una ADU o usar porciones no utilizadas de una ADU existente como TCP. Por ejemplo, TCP define un campo de 16 bits de longitud, un protocolo de 16 bits y un No. de Unidad de 8 bits. Dado que la PDU de Modbus mayor es de 253 bytes, el byte alto del campo de longitud es siempre cero. Para Modbus/TCP, el campo de protocolo y el ID de Unidad son siempre cero. Una simple extensión del protocolo podría enviar tres paquetes simultáneamente al cambiar el campo del protocolo a un número que no sea cero y al usar los dos bytes no utilizados (No. de Unidad y el byte alto del campo de longitud) para enviar las longitudes de dos PDUs adicionales (ver la Figura 9).

Figura 9. Modificación de Ejemplo de la ADU de TCP

Créditos: https://www.ni.com/es-cr/innovations/white-papers/14/the-modbus-protocol-in-depth.html

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