Gateways Modbus: conexión de dispositivos Modbus TCP y RTU

Los gateways Modbus son una solución IoT ideal para el acceso remoto y la gestión de datos Modbus a través de la nube.

Empresas de todo el mundo son conscientes de que la transformación digital es la clave para un funcionamiento más rápido, automatizado y eficiente. Dado que Modbus es un protocolo de comunicación ampliamente utilizado en dispositivos y entornos industriales, las empresas que desean integrar sus procesos con las tecnologías más recientes, extraer datos de sus máquinas, equipos y sistemas, buscan gateways Modbus para lograrlo.

¿Qué es Modbus?

Modbus es un protocolo de comunicación popular, o una estructura de mensajería, ampliamente utilizada en automatización industrial y sistemas de control para transferir datos entre dispositivos. El protocolo Modbus permite que los dispositivos de una red industrial intercambien información entre sí en un formato estandarizado. También cabe señalar que el protocolo Modbus es independiente de la capa física subyacente.

¿Por qué Modbus es tan popular?

La popularidad de Modbus puede resumirse en pocas palabras: simple, abierto, robusto y flexible.

  • Simple: El protocolo tiene una estructura muy bien definida en cuanto a las reglas del modelo “solicitud-respuesta”. Esto significa que existe una forma determinada de solicitar información y una forma coherente de recibir una respuesta con los datos requeridos. En este sentido, una vez implementado y respetadas sus reglas, el dispositivo siempre será fácil de diagnosticar y se podrá identificar cuál fue el error.

  • Abierto: Desde su creación, Modbus ha estado ampliamente disponible como estándar abierto, lo que significa que los fabricantes podían integrarlo en sus dispositivos sin necesidad de pagar licencias. La posibilidad de incorporarlo a muchos tipos de dispositivos de distintos fabricantes y proveedores contribuyó a su amplia aceptación y adopción, convirtiéndolo hoy en un protocolo de transmisión de datos fiable y bien conocido.

  • Robusto: A pesar de su simplicidad, el protocolo Modbus ofrece una serie de funciones avanzadas que lo hacen ideal para aplicaciones de automatización industrial y control. Modbus utiliza comprobación de redundancia cíclica (CRC) como parte de su mecanismo de detección de errores para garantizar una transmisión de datos precisa y fiable.

  • Flexible: Modbus puede utilizarse sobre diferentes medios físicos o capas, como RS-232, RS-485 y Ethernet. Esto lo hace adecuado para su uso en muchos entornos industriales, desde pequeñas redes locales hasta grandes sistemas distribuidos. Los distintos tipos de datos Modbus se utilizan para representar diferentes tipos de información del sistema, como bobinas, entradas discretas, registros de entrada y registros holding.

    • Ejemplos de dispositivos Modbus

    Debido a su popularidad en el mercado, actualmente existen cientos de miles de dispositivos Modbus. Pueden ser elementos simples, como controladores de motores que manejan una puerta de garaje, sensores o componentes y máquinas industriales como:

  • Controladores lógicos programables (PLC),

  • Terminales remotos (RTU),

  • Medidores de energía,

  • Caudalímetros,

  • Accionamientos de motor,

  • Válvulas y actuadores,

  • Inversores fotovoltaicos,

  • Circuitos de carga de baterías,

  • Unidades de acondicionamiento de potencia,

  • Sistemas de almacenamiento de energía,

  • Sensores ambientales, para monitorizar, por ejemplo, temperatura, humedad y presión.
    • gateway Modbus 3onedata

    ¿Es Modbus RTU lo mismo que Modbus TCP?

    La respuesta simple a esta pregunta frecuente es: no. Aunque están relacionados y tienen ciertas similitudes, la capa física o la interfaz es independiente del protocolo y, por lo tanto, pueden ser diferentes. En este caso, uno es RTU (Remote Terminal Unit) y el otro es TCP (Transmission Control Protocol).

    En Modbus RTU, la capa física es un protocolo de comunicación serie que utiliza una representación binaria de los datos. Aunque existen varios transportes estándar, los más comunes son RS232 y RS485. RS232 es el predecesor de RS485, creado para permitir mayores distancias, mayores velocidades y la posibilidad de señalizar múltiples dispositivos. Modbus RTU utiliza una arquitectura cliente-servidor, donde un único dispositivo cliente envía comandos a uno o más dispositivos servidor, que responden con datos. Modbus RTU es ampliamente compatible con dispositivos antiguos y se utiliza en automatización industrial, sistemas de control de edificios y otras aplicaciones que requieren comunicación a larga distancia.

    Modbus TCP (también conocido como Modbus IP y Modbus TCP/IP) utiliza una red TCP/IP para la comunicación entre dispositivos Modbus. Es una extensión de Modbus RTU que se emplea sobre Ethernet u otras redes basadas en IP. Modbus TCP se utiliza con frecuencia para conectar dispositivos Modbus a mayores distancias o para integrar redes Modbus con otros tipos de redes. A diferencia de Modbus RTU, el más moderno Modbus TCP permite soportar múltiples clientes (dispositivos que inician y controlan la comunicación con servidores) y tiene la capacidad de enviar parámetros como nombre de punto, resolución, unidades, etc. Modbus TCP es más común a nivel empresarial, en aplicaciones IoT o en aplicaciones a escala de usuario, donde existen dispositivos relativamente más nuevos capaces de conectarse a la red.

    Debido a su amplio uso y a la diversidad de aplicaciones, Modbus está presente en configuraciones de hardware y software muy diferentes, que incluso pueden no ser compatibles entre sí. Los gateways Modbus son especialmente útiles en estos escenarios para integrar distintos sistemas.

    ¿Qué son los gateways Modbus y cómo funcionan?

    Los gateways Modbus son dispositivos que actúan como un puente para recopilar datos de dispositivos Modbus individuales en un entorno, reunir esos datos y, utilizando un módem GSM, enviarlos a una aplicación en la nube y a una base de datos a través de Internet. En otras palabras, el gateway conserva el patrón Modbus y permite una transmisión de datos fluida para aclarar la situación en el entorno mediante la recopilación de datos de dispositivos individuales y la publicación de mensajes en la nube, para que posteriormente las personas puedan utilizar esos datos como información.

    En el entorno, los gateways Modbus funcionan esencialmente como un cliente que instruye a los dispositivos Modbus de la red para enviar los datos requeridos, de modo que el usuario pueda verlos. La comunicación es bidireccional, lo que también permite la gestión remota del dispositivo a través de Internet. Dado que la mayoría de los dispositivos Modbus no tienen acceso directo a Internet, se necesita un gateway Modbus que conecte los dispositivos Modbus con la nube.

    Un gateway Modbus funciona recibiendo datos de los dispositivos de la red Modbus, convirtiéndolos a un formato comprensible para la aplicación en la nube y enviándolos a la plataforma IoT. El gateway también puede realizar otras tareas, como filtrado de datos, conversión de protocolos o almacenamiento en búfer de la señal, para garantizar una transmisión de datos precisa y fiable.

    Puede parecer contradictorio, pero incluso en el caso de un dispositivo Modbus TCP seguirá siendo necesario un gateway Modbus para establecer la comunicación y obtener los datos hacia la nube, porque el protocolo de comunicación es diferente, aunque la capa física esté sobre Ethernet. Para conectarse con estos dispositivos Modbus, el gateway “hablará en Modbus”, pero luego, para enviar los datos a la nube, utilizará otra capa de aplicación, por ejemplo HTTPS, MQTT, etc.

    ¿Existen diferentes formas y configuraciones de gateways Modbus?

    Al elegir y configurar un gateway Modbus, hay que tener en cuenta que están disponibles en distintas formas y pueden configurarse para cumplir requisitos específicos del usuario. La primera decisión que debe tomarse, en función de los dispositivos presentes en el entorno, es si se necesita un gateway Modbus RTU o Modbus TCP.

    A continuación, dado que el gateway puede utilizarse en diferentes configuraciones, incluidas configuraciones únicas, múltiples y en red, cada gateway Modbus debe configurarse correctamente para que pueda comunicarse con éxito con los dispositivos de campo. La configuración adecuada depende de los requisitos específicos del sistema y de los dispositivos presentes en el entorno.

    Algunos parámetros importantes de comunicación Modbus

  • Modelo de datos: Ambos dispositivos utilizan los mismos cuatro tipos de información: bobinas, entradas discretas, registros de entrada y registros holding.

  • Bobinas: Las bobinas son registros binarios que pueden almacenar un valor 1 o 0. Se utilizan para representar el estado on/off y normalmente se usan para señales de control.

  • Entradas discretas: Las entradas discretas son registros binarios que representan el estado de una entrada, como el estado de un sensor.

  • Registros de entrada: Los registros de entrada son registros de 16 bits que almacenan datos de solo lectura, como lecturas de sensores u otros valores de entrada.

  • Registros holding: Los registros holding son registros de 16 bits que almacenan datos de lectura y escritura, como ajustes del controlador u otros valores de salida.

  • Direccionamiento: Ambos protocolos utilizan el mismo esquema de direccionamiento para acceder a los datos. Incluye la dirección del dispositivo, el código de función y la dirección inicial de los datos a los que se desea acceder, también conocida como registro.

  • Comandos de lectura y escritura: Ambos protocolos admiten comandos de lectura y escritura para acceder a los datos. Por ejemplo, el comando “read holding registers” puede ser utilizado tanto por Modbus RTU como por Modbus TCP para leer datos de los registros del dispositivo.

  • Formato de datos: Ambos protocolos utilizan formatos de datos de 16 y 32 bits para representar la información. Modbus TCP también admite formatos de datos de 8 y 64 bits.

    • En el caso de Modbus RTU existen varios parámetros de comunicación:

  • Velocidad de transmisión: Modbus está diseñado para funcionar en el rango de 1200 a 115 200 Kbps. La velocidad en baudios es, en otras palabras, la “velocidad” de transmisión de datos en una red RS-485.

  • Bits de datos: Datos transmitidos en tramas dentro de la red Modbus. Modbus RTU suele utilizar 8 bits de datos; 7 se utiliza raramente.

  • Bits de parada: Los bits de parada determinan el número de bits utilizados para señalar el final de un carácter de datos. Modbus RTU normalmente utiliza 1 bit de parada, aunque también pueden ser 2.

  • Paridad: Ajuste de control de errores. Este parámetro puede configurarse como ninguna, par o impar. La mayoría de los dispositivos normalmente no utilizan paridad.

  • Dirección de los dispositivos: Se utiliza para determinar la dirección del dispositivo Modbus dentro de la red. También se conoce como ID del servidor. Modbus RTU admite direcciones de dispositivo en el rango de 1 a 254.

  • Tiempo de espera (Timeout): Determina cuánto tiempo esperará el dispositivo una respuesta de otro dispositivo antes de asumir que la comunicación ha fallado.

  • Retardo de respuesta: Determina cuánto tiempo espera el dispositivo antes de responder a un comando Modbus.

    • Parámetros típicos de comunicación para gateways Modbus TCP:

  • Dirección IP: Es un identificador único asignado a cada dispositivo de la red y se utiliza para definir la dirección del dispositivo Modbus TCP.

  • Unit ID: Es un tipo superior de direccionamiento en el protocolo Modbus y se utiliza comúnmente en dispositivos conectados a múltiples equipos Modbus. Por ejemplo, en algunos inversores solares, Unit ID: 1 se utiliza para la información del dispositivo y Unit ID: 2 para parámetros y mediciones del sistema.

    • Estos parámetros de configuración son importantes desde la perspectiva de la puesta en marcha y configuración de dispositivos Modbus RTU, ya que permiten ajustarlos para optimizar la comunicación entre dispositivos. Si los dispositivos de la misma red Modbus RTU o TCP tienen parámetros configurados con valores distintos, no podrán comunicarse entre sí.

    ¿Cuáles son las ventajas de utilizar un gateway Modbus?

    Los gateways Modbus IoT ofrecen la posibilidad de conectar dispositivos remotos a una aplicación móvil o web para monitorización y control. Gracias a la información recopilada de los dispositivos conectados, las partes interesadas pueden, por ejemplo, optimizar un equipo, utilizarlo de forma eficiente, reducir costes, responder más rápido a los clientes y proporcionar una mejor experiencia al cliente.

    Además, los gateways Modbus suelen ser menos costosos que otras soluciones de comunicación industrial y pueden ser una forma económica de mejorar la conectividad y la compatibilidad del sistema.

    Asimismo, los gateways IoT proporcionan una comunicación fiable y pueden manejar una gran cantidad de datos, por lo que son adecuados para diversas aplicaciones de automatización en múltiples sectores.

    Por último, un gateway Modbus permite una mayor flexibilidad en el diseño del sistema. Por ejemplo, si existe la necesidad de conectar múltiples dispositivos Modbus RTU a un sistema de control central o a una aplicación, puede utilizarse un único gateway para lograrlo.

    En este sentido, el gateway Modbus es una solución versátil y eficiente para conectar dispositivos remotos a un sistema de control central. Si desea modernizar su empresa o conectar un sistema existente, el gateway Modbus es una excelente elección.

    ¿Qué funciones importantes deben buscarse en los gateways Modbus?

    Las funciones clave que deben buscarse en un gateway Modbus incluyen:

  • Facilidad: La configuración y gestión para añadir nuevos dispositivos, registros y parámetros de seguridad debe ser sencilla gracias a una interfaz fácil de usar. La información obtenida y cualquier error deben ser fácilmente visibles para el usuario a fin de facilitar la resolución de problemas.

  • Capacidad de respuesta: Durante la fase de descubrimiento, especialmente al conectar un nuevo dispositivo Modbus, el usuario del gateway debe poder ver inmediatamente el resultado de su acción y tener la posibilidad de iterar rápidamente para asegurarse de que está tratando con la información correcta. La obtención rápida de información en forma de indicación visual ayudará al usuario a resolver cualquier problema.

  • Escalabilidad: Cuando se tome la decisión de ampliar o eliminar dispositivos de la red, el gateway debe permitir hacerlo sin complejidad, manteniendo el mismo flujo y experiencia y sin afectar a otros dispositivos de la red.

  • Flexibilidad: El gateway debe ser capaz de manejar y soportar distintas velocidades de transmisión, ajustes de paridad y otros parámetros, para proporcionar una mayor compatibilidad con una gama más amplia de dispositivos y aplicaciones.

  • Fiabilidad: El gateway debe proporcionar un funcionamiento fiable, permitiendo actualizaciones inalámbricas (OTA) y monitorización 24/7.

    • ¿Cuáles son las posibles aplicaciones y casos de uso de los gateways Modbus?

    Los gateways Modbus tienen muchas aplicaciones potenciales y casos de uso en diferentes industrias. Los mejores casos de uso para los clientes siempre incluyen equipos o dispositivos especialmente importantes para su actividad y que, por lo tanto, deben ser monitorizados de forma continua y en tiempo real para recibir notificaciones y tomar medidas inmediatas en caso de problemas o anomalías.

    A continuación se presentan dos ejemplos de posibles casos de uso:

  • Monitorización y control de sistemas de energía solar:

    • Los gateways Modbus pueden utilizarse para monitorizar el rendimiento de paneles solares (fotovoltaica), inversores, sistemas de baterías y sistemas de medición conectados a la misma red solar. A través del gateway, los usuarios pueden recopilar datos clave de entrada de todos los dispositivos de la red solar, optimizar su potencia de salida y utilizar los excedentes de energía dentro de su propio sistema. Por ejemplo, la energía adicional puede utilizarse para activar calentadores de agua, radiadores o fijar una temperatura más baja en el frigorífico cuando no tenga sentido vender energía de vuelta a la red.

  • Seguimiento de ingresos por ventas y calidad del producto mediante caudalímetros:

    • Los gateways Modbus pueden utilizarse en la industria de bebidas y en la industria química, donde existen caudalímetros y bombas que requieren monitorización en tiempo real para recopilar y analizar datos clave.