Protocolos de comunicación industrial: Modbus, conversiones y modelos fuente/destino

1. ¿Qué es un protocolo de comunicaciones?

Un protocolo de comunicaciones es un conjunto de reglas normalizadas que permiten la comunicación entre dispositivos. Establece la forma de identificación en la red, la transmisión de datos, la detección de errores y el procesamiento de la información.

2. Principales diferencias entre fuente/destino y productor/consumidor

Existen dos modelos habituales de intercambio de mensajes:

• Modelo fuente/destino: un dispositivo emisor envía un mensaje a un único receptor. Si se desea que el mensaje llegue a varios dispositivos, es necesario repetir el envío, lo que incrementa el uso y el tiempo de ocupación de la red.
• Modelo productor/consumidor: el productor envía un mensaje que puede ser recibido por todos los dispositivos suscritos; cada uno decide si lo acepta o no, lo que hace el sistema más eficiente en escenarios con múltiples receptores.

3. ¿Cuáles son los tres tipos de conversión? Explícalos y pon ejemplos

Los tres tipos de conversión son:

1. Conversores de norma física: adaptan los niveles eléctricos y las características físicas del canal de comunicación sin modificar el formato de las tramas. Ejemplo: un conversor RS-232 a RS-485.
2. Conversores de protocolo: traducen un protocolo de comunicación a otro, modificando la estructura y semántica de los mensajes cuando es necesario. Ejemplo: un conversor Modbus TCP a Modbus RTU.
3. Conversores multiprotocolo: permiten la interconexión de múltiples redes con distintos protocolos en entornos industriales complejos, como los gateways industriales que gestionan tráfico entre varias familias de protocolos.

4. ¿Cuáles son las razones de la popularidad de Modbus?

Modbus es un protocolo muy popular por varias razones:

• Es público y gratuito.
• Está diseñado específicamente para aplicaciones industriales.
• Es fácil de implementar y entender.
• Ofrece flexibilidad en el manejo de bloques de datos y en la interoperabilidad entre dispositivos de distintos fabricantes.

Además, permite la comunicación entre distintos dispositivos y sistemas de control industrial con relativa sencillez.

5. ¿En qué capa del modelo OSI está Modbus?

El protocolo Modbus funciona en la capa 7 del modelo OSI, denominada capa de aplicación.

6. ¿Cuáles son las tres principales variantes de Modbus? Indica cómo funcionan

Las tres principales variantes de Modbus son:

• Modbus RTU: variante para comunicación serie que utiliza codificación binaria y un campo CRC para la detección de errores; suele emplearse en enlaces RS-485.
• Modbus ASCII: variante para comunicación serie que codifica los bytes en caracteres ASCII y delimita los mensajes mediante caracteres específicos; utiliza : como carácter de inicio y termina con CR/LF.
• Modbus TCP: encapsula la comunicación Modbus dentro de TCP/IP para su uso en redes Ethernet, utilizando habitualmente el puerto 502.

7. Pon un ejemplo del proceso de comunicación en Modbus RTU (actividad en función del tiempo)

En Modbus RTU el proceso de comunicación es de tipo petición–respuesta. Un ejemplo de secuencia temporal es:

1. El maestro envía una petición al esclavo.
2. El maestro espera un tiempo de latencia mientras el esclavo procesa el comando.
3. Si el esclavo procesa correctamente la petición, genera y envía la respuesta al maestro.
4. Si el esclavo no responde o se produce un error, el maestro espera a que expire el tiempo de espera y gestiona el fallo mediante reintentos o notificación de error.

8. ¿Cuáles son los caracteres de inicio y final en Modbus ASCII?

En Modbus ASCII el mensaje comienza con el carácter " : " (dos puntos) y finaliza con los caracteres CR/LF, que en hexadecimal corresponden a 0D 0A.

9. ¿Qué relación hay entre una trama Modbus TCP y una Modbus RTU? ¿Qué campos se añaden?

Modbus TCP encapsula la PDU (unidad de datos de protocolo) de Modbus dentro de TCP/IP, manteniendo la estructura lógica de los comandos Modbus.

En Modbus TCP se añade una cabecera denominada MBAP que incluye los siguientes campos principales:

• Identificador de transacción (transaction identifier).
• Identificador de protocolo (protocol identifier).
• Longitud (length).
• Unit identifier (identificador de unidad), que puede mapearse al ID de esclavo en redes seriales.

En contraste con Modbus RTU, Modbus TCP no utiliza CRC, ya que el control de errores lo gestiona el propio protocolo TCP/IP y las capas inferiores del modelo OSI.

10. ¿Cuáles son las cinco normas que siguen los ordinogramas?

Los ordinogramas deben cumplir las siguientes normas:

1. Todos los símbolos se unen mediante líneas de conexión.
2. Las líneas no pueden cruzarse.
3. A un símbolo pueden llegar varias líneas, pero de él solo puede salir una, excepto en los símbolos de decisión.
4. Al símbolo de inicio no puede llegar ninguna línea y de él solo puede salir una.
5. Al símbolo de fin pueden llegar varias líneas, pero de él no puede salir ninguna.