Introducción al Protocolo Modbus

¿Qué es Modbus?

El protocolo Modbus es uno de los protocolos de comunicación industrial más utilizados en el mundo de la automatización. Desarrollado originalmente por Modicon (ahora Schneider Electric) en 1979, Modbus se ha convertido en un estándar de facto en la industria debido a su simplicidad, robustez y naturaleza abierta.

Figura 1: Visión general del protocolo Modbus

Características Principales

Protocolo abierto (no requiere licencias para su implementación)
Estructura simple y clara
Fácil de implementar en dispositivos con recursos limitados
Alta compatibilidad entre equipos de diferentes fabricantes
Versátil para adaptarse a diferentes medios físicos

Arquitectura Maestro-Esclavo

Modbus opera bajo un principio fundamental: la arquitectura maestro-esclavo (o cliente-servidor en Modbus TCP). Esta arquitectura define cómo se establece la comunicación entre los dispositivos:

El maestro (o cliente) es el dispositivo que inicia la comunicación
El esclavo (o servidor) responde a las solicitudes del maestro
Cada esclavo tiene una dirección única que lo identifica
El maestro tiene control total sobre el flujo de información
Los esclavos son pasivos y solo responden cuando reciben una solicitud dirigida a su dirección

Figura 2: Arquitectura maestro-esclavo en Modbus

Tipos de Datos y Registros

Modbus organiza la información en diferentes tipos de registros, cada uno con características específicas:

Tipo de Registro	Tamaño	Acceso	Descripción
Discrete Inputs	1 bit	Solo lectura	Entradas digitales o estados de conmutación
Coils	1 bit	Lectura/Escritura	Salidas digitales o estados de conmutación
Input Registers	16 bits	Solo lectura	Valores analógicos o contadores
Holding Registers	16 bits	Lectura/Escritura	Valores configurables o datos de proceso

Variantes Principales

Existen dos variantes principales del protocolo Modbus que se utilizan ampliamente en la industria:

Modbus RTU

Utiliza comunicación serial (RS-232 o RS-485) y transmite datos en formato binario.

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Modbus TCP

Adaptación del protocolo para redes Ethernet, utilizando TCP/IP como medio de transporte.

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Modbus RTU

Modbus RTU (Remote Terminal Unit) es una de las variantes más utilizadas del protocolo Modbus en entornos industriales. Se caracteriza por su simplicidad, eficiencia y robustez, lo que lo hace ideal para aplicaciones donde se requiere una comunicación confiable en ambientes industriales.

Figura 3: Comunicación Modbus RTU

Características Principales

Modbus RTU presenta varias características que lo distinguen:

Comunicación serial: Utiliza interfaces físicas RS-232 o RS-485
Formato binario: Transmite datos en formato binario, lo que lo hace más eficiente
Comunicación asíncrona: No requiere un reloj de sincronización entre dispositivos
Arquitectura maestro-esclavo: Un dispositivo maestro controla la comunicación con múltiples esclavos
Verificación de errores: Utiliza CRC (Cyclic Redundancy Check) para garantizar la integridad de los datos

Medio Físico

RS-232

Conexión punto a punto entre dos dispositivos
Adecuado para distancias cortas (generalmente hasta 15 metros)
Utiliza conectores DB9 o DB25
Ideal para configuración y diagnóstico de equipos

RS-485

Permite conexión de múltiples dispositivos en una misma línea (multidrop)
Soporta distancias más largas (hasta varios cientos de metros)
Mayor inmunidad al ruido eléctrico
Requiere solo dos cables para la transmisión de datos
Es la opción más común en entornos industriales

Estructura de la Trama Modbus RTU

La trama de datos en Modbus RTU tiene una estructura compacta y eficiente:

Figura 4: Estructura de trama Modbus RTU

Campo	Tamaño	Descripción
Dirección del esclavo	1 byte	Identifica el dispositivo esclavo (1-247)
Código de función	1 byte	Indica la acción a realizar (lectura, escritura, etc.)
Datos	Variable	Contiene direcciones, valores o información adicional
CRC	2 bytes	Verificación de redundancia cíclica para detección de errores

Ventajas de Modbus RTU

Modbus RTU ofrece numerosas ventajas que explican su amplia adopción en la industria:

Eficiencia: Formato binario que minimiza el overhead de datos
Robustez: Alta resistencia a interferencias electromagnéticas y ruido
Simplicidad: Fácil de implementar y configurar
Bajo costo: No requiere hardware especializado ni licencias
Compatibilidad: Ampliamente soportado por dispositivos de diferentes fabricantes
Flexibilidad: Adaptable a diferentes topologías y configuraciones
Confiabilidad: Sistema de verificación de errores mediante CRC

Modbus TCP

Modbus TCP es una variante moderna del protocolo Modbus que adapta el protocolo original para funcionar sobre redes Ethernet utilizando TCP/IP. Esta adaptación ha permitido que Modbus se integre perfectamente en la infraestructura de red moderna, ampliando significativamente sus capacidades y aplicaciones.

Figura 5: Comunicación Modbus TCP

Características Principales

Modbus TCP presenta características distintivas que lo diferencian de Modbus RTU:

Basado en Ethernet: Utiliza redes Ethernet estándar como medio físico
Protocolo TCP/IP: Aprovecha la infraestructura y protocolos de Internet
Arquitectura cliente-servidor: Equivalente al modelo maestro-esclavo en entornos de red
Puerto estándar: Utiliza el puerto TCP 502 por defecto
Conexiones múltiples: Permite múltiples conexiones simultáneas
Mayor velocidad: Aprovecha las altas velocidades de las redes Ethernet (10/100/1000 Mbps)

Estructura del Protocolo Modbus TCP

La estructura del protocolo Modbus TCP incluye una cabecera MBAP (Modbus Application Protocol) que encapsula la PDU (Protocol Data Unit) de Modbus:

Figura 6: Estructura de trama Modbus TCP

Campo	Tamaño	Descripción
Transaction ID	2 bytes	Identificador de transacción para emparejar solicitudes y respuestas
Protocol ID	2 bytes	Siempre 0 para Modbus TCP
Length	2 bytes	Número de bytes siguientes
Unit ID	1 byte	Identificador de unidad (para compatibilidad con Modbus RTU)
Function Code	1 byte	Código de función Modbus (igual que en Modbus RTU)
Data	Variable	Datos específicos de la función

Principio Cliente-Servidor

Modbus TCP utiliza un modelo cliente-servidor en lugar del modelo maestro-esclavo tradicional:

                El cliente (equivalente al maestro) inicia la comunicación
El servidor (equivalente al esclavo) responde a las solicitudes
Se pueden establecer múltiples conexiones simultáneas
Cada conexión se mantiene abierta durante la comunicación
El direccionamiento se realiza mediante direcciones IP

            

Ventajas de Modbus TCP

Modbus TCP ofrece numerosas ventajas sobre Modbus RTU:

Mayor velocidad: Aprovecha las altas velocidades de Ethernet
Mayor distancia: Puede cubrir distancias mucho mayores utilizando infraestructura de red
Conectividad mejorada: Permite conectar dispositivos a través de Internet
Múltiples maestros: Soporta múltiples clientes comunicándose con los mismos servidores
Infraestructura estándar: Utiliza componentes de red comunes y económicos
Diagnóstico avanzado: Aprovecha las herramientas de diagnóstico de redes TCP/IP
Integración con sistemas IT: Facilita la integración con sistemas de información empresarial

Comparativa entre Modbus RTU y Modbus TCP

Tanto Modbus RTU como Modbus TCP son variantes del protocolo Modbus ampliamente utilizadas en la industria. Cada una tiene características específicas que la hacen más adecuada para determinadas aplicaciones.

Tabla Comparativa

Característica	Modbus RTU	Modbus TCP
Medio físico	RS-232 o RS-485	Ethernet
Protocolo de transporte	Serial	TCP/IP
Formato de datos	Binario	Encapsulado en TCP
Velocidad	Hasta 115.2 kbps	10/100/1000 Mbps
Distancia	Limitada (hasta cientos de metros)	Extendida (con infraestructura adecuada)
Verificación de errores	CRC (16 bits)	Manejada por TCP
Direccionamiento	Dirección de esclavo (1-247)	Dirección IP + Puerto TCP
Modelo de comunicación	Maestro-Esclavo	Cliente-Servidor
Conexiones simultáneas	Un maestro a la vez	Múltiples clientes simultáneos

Criterios para Elegir

Cuándo elegir Modbus RTU

Instalaciones pequeñas con pocos dispositivos
Aplicaciones que requieren hardware simple y económico
Entornos con alta interferencia electromagnética
Sistemas que necesitan comunicación determinista
Aplicaciones donde la simplicidad es prioritaria
Actualización de sistemas existentes basados en comunicación serial
Dispositivos con recursos limitados (memoria, procesamiento)

Cuándo elegir Modbus TCP

Instalaciones grandes con muchos dispositivos
Sistemas que requieren integración con redes corporativas
Aplicaciones que necesitan acceso remoto a datos
Entornos donde ya existe una infraestructura Ethernet
Sistemas que requieren múltiples maestros/clientes
Aplicaciones que necesitan alta velocidad de transferencia
Integración con sistemas de IoT industrial o Industria 4.0

Detalles Técnicos del Protocolo Modbus

Esta sección proporciona información técnica más detallada sobre el protocolo Modbus, incluyendo los códigos de función y el modelo de datos, elementos fundamentales para comprender cómo funciona este protocolo en aplicaciones reales.

Códigos de Función (Function Codes)

Los códigos de función son una parte esencial del protocolo Modbus. Estos códigos indican al dispositivo esclavo qué tipo de acción debe realizar. La siguiente tabla, extraída directamente de la especificación oficial del protocolo Modbus (MODBUS Application Protocol Specification, sección 5.1 Public Function Code Definition), muestra los principales códigos de función:

Figura 7: Códigos de Función Modbus según la especificación oficial

Categorías de Códigos de Función

Como se puede observar en la tabla, los códigos de función se organizan en diferentes categorías según el tipo de acceso a datos:

Acceso a bits (Bit access):
- Entradas discretas físicas (Physical Discrete Inputs)
- Bits internos o bobinas físicas (Internal Bits or Physical coils)
Acceso a datos de 16 bits (16 bits access):
- Registros de entrada físicos (Physical Input Registers)
- Registros internos o registros de salida físicos (Internal Registers or Physical Output Registers)
Acceso a registros de archivo (File record access)
Interfaz encapsulada (Encapsulated Interface)

Códigos de Función Más Utilizados

Entre los códigos de función más comúnmente utilizados se encuentran:

01 (0x01): Read Coils - Lectura de bobinas (salidas digitales)
02 (0x02): Read Discrete Inputs - Lectura de entradas discretas
03 (0x03): Read Holding Registers - Lectura de registros de retención
04 (0x04): Read Input Registers - Lectura de registros de entrada
05 (0x05): Write Single Coil - Escritura de una bobina individual
06 (0x06): Write Single Register - Escritura de un registro individual
15 (0x0F): Write Multiple Coils - Escritura de múltiples bobinas
16 (0x10): Write Multiple Registers - Escritura de múltiples registros

Modelo de Datos de Modbus

Una característica importante del protocolo Modbus es que cada dispositivo puede tener su propio mapa de memoria. El siguiente diagrama ilustra cómo el protocolo Modbus accede a diferentes áreas de la memoria de un dispositivo:

Figura 8: Modelo de Datos Modbus con bloques separados

Explicación del Modelo de Datos

Como se muestra en la imagen, un dispositivo servidor Modbus (esclavo) organiza sus datos en diferentes bloques:

Memoria de aplicación del dispositivo: Es la memoria interna del dispositivo donde se almacenan los datos.
Acceso Modbus: Define cómo el protocolo Modbus accede a diferentes partes de la memoria del dispositivo:
- Input Discrete: Entradas digitales (solo lectura)
- Coils: Salidas digitales (lectura/escritura)
- Input Registers: Registros de entrada (solo lectura)
- Holding Registers: Registros de retención (lectura/escritura)
Solicitud Modbus: Las solicitudes enviadas por el maestro Modbus (cliente) acceden a estas áreas específicas de memoria.

Importancia del Mapa de Memoria

Es fundamental entender que cada fabricante define su propio mapa de memoria para sus dispositivos. Esto significa que:

La dirección de un mismo parámetro puede variar entre dispositivos de diferentes fabricantes
Es necesario consultar la documentación específica del dispositivo para conocer su mapa de memoria
No existe un estándar universal para la asignación de direcciones de memoria en Modbus

Esta flexibilidad es una de las razones por las que Modbus es tan versátil, pero también requiere una configuración específica para cada tipo de dispositivo en una red Modbus.