Modbus y Profibus

¿Qué son?

Ambos son protocolos de comunicación que permiten la operación de procesos industriales, sin embargo, aunque sus denominaciones nos indiquen una estrecha relación, veremos que no es así y aunque éstos podrían considerarse “abuelo” y “nieto” en relación al tiempo que han existido en el sector industrial, sus diferencias radican en sus especificaciones y en el tipo de soluciones que proponen. Modbus fue creado en la década de 1970 y, por lo tanto, trae consigo un enorme trasfondo teórico y práctico de lo que puede o no puede hacer, por su parte, Profibus es una tecnología relativamente nueva pues data de la década de 1990 y si bien, aún no ha demostrado ser un punto y aparte en cuento a aplicaciones se refiere, se mantiene en constante evolución permitiendo adaptarse a las necesidades de cada nuevo proceso.

Fig. 1: Logos de Modbus y Profibus.

Empezaremos conociendo las características de cada uno, lo cual permitirá encontrar cuáles son sus diferencias y los métodos que proponen cada uno.

Modbus

Es un protocolo de comunicaciones, basado en la arquitectura maestro/esclavo diseñado en 1979 por Modicon (actual filial de Schneider Electric) para sus controladores lógicosprogramables. Debido a su carácter público y de fácil uso, se convirtió rápidamente en un protocolo estándar a nivel industrial, siendo aquel con mayor disponibilidad para la conexión de dispositivos de campo.

Dentro de sus especificaciones técnicas podemos mencionar las siguientes:

• Control por transmisión de entradas y salidas digitales mediante un bit o registros de dos bytes
• Control de hasta 160 unidades remotas por subred o 32 en topologías tipo anillo
• Distancia máxima de hasta 100 [m]
• Medio de transmisión: par trenzado apantallado de categoría 5 cruzado o recto
• Interfaces asociadas: RS-232, RS-422 y RS-485

Fig. 2: Convertidor TCP a RTU para conectores RS-422, RS-485 y RS-232 de Modbus.

Si bien dichas especificaciones han demostrado ser suficientes para posicionar a Modbus como uno de los protocolos más importantes del sector, es innegable que tiene ciertas limitaciones, entre las que destacan las siguientes:

• Su antigüedad los limita a las generalidades de los controladores de los años 70 y cuestiones como objetos binarios grandes no son compatibles
• No existe un método directo para interpretar valores de los registros de datos, por ejemplo, determinar si un valor de registro representa una señal analógica entre 0% y 100%
• Al basarse en la arquitectura maestro/esclavo, no es posible que un dispositivo de campo entregue informes sobre errores o variaciones en el proceso
• Está restringido al direccionamiento de 254 dispositivos en un enlace de datos
• Las transmisiones deben ser contiguas, esto limita los dispositivos a aquellos que pueden almacenar datos para evitar pérdidas de información
• No ofrece seguridad contra órdenes no autorizadas o intercepción de datos

Las mencionadas anteriormente aplican para su modelo básico, sin embargo, existen diversas variantes de este protocolo entre las que destaca Modbus/TCP que permite a equipos como PLCs, PC o drivers para motores la comunicación sobre redes Ethernet y mitiga la mayoría de estas limitaciones.

Fig. 3: Modulo de comunicación M40 para Modbus TCP/IP.

Profibus

Profibus no es un sistema de comunicación como tal, sino que, es el resultado de una variedad de protocolos bajo la misma tecnología de bus de campo donde los usuarios pueden combinar variedades de protocolos Profibus con su propio software y otros requisitos, resultando en un método único para cada solución o aplicación.

Este conjunto de estándares surge a partir del trabajo en conjunto del gobierno alemán, compañías alemanas (entre las que destaca Siemens) y otros líderes de la industria (como Honeywell o ABB) a fines de los 80. El objetivo era la creación de un sistema de bus de campo que pudiera estandarizar la interfaz de los dispositivos. 

El grupo de trabajo pasó a nombrarse como la “Asociación Central para la Industria Eléctrica” (o ZVEI, Zentralverband für die Elektroindustrie), quienes cumplieron su objetivo con la creación de PROFIBUS FMS que lograba la estandarización de la automatización mediante un protocolo capaz de enviar comunicaciones complejas. En 1993, el mismo grupo de trabajo introdujo el nuevo estándar, Profibus DP como una versión más simple de FMS.

Fig. 4: Logo actual de la ZVEI.

Al ser un conjunto de protocolos resulta complicado dar un solo conjunto de especificaciones pues, dependiendo de la capa física seleccionada, será la forma en que se transmita la información, para esto existen tres tipos de capas: RS-485 (que es la convencional), fibra óptica o el estándar IEC 1158-2.

Empezando por el convencional RS-485, sus especificaciones son las siguientes:

• Topologías de bus lineal o red en árbol
• Medio de transmisión: par trenzado apantallado de cobre con diferentes recubrimientos según el ambiente
• Velocidad de transmisión entre 9.6 [Kbps] y 12 [Mbps], según la distancia a cubrir. En topologías de tipo árbol, la transferencia máxima en las ramas derivadas es de 1.5 [Mbps]
• Distancia máxima sin repetidor de hasta 1200 [m] a 9.6 [Kbps] o 400 [m] a 500 [Kbps]

Fig. 5: Módulo T511, pasarela de comunicación Modbus TCP a Profibus DP.

Si la capa física elegida es fibra óptica encontramos otras dos variantes que pueden ser de plástico o de cuarzo y sus especificaciones son:

• Distancia entre terminales de hasta 80 [m] para fibras plásticas y de hasta 8 [Km] para fibras de cuarzo
• Separación galvánica entre los usuarios del bus y el soporte de transmisión
• Inmune a interferencias electromagnéticas y no requieren protección contra descarga de rayos
• Tendido sencillo de las líneas de fibra óptica
• Velocidad de transmisión entre 9.6 [Kbps] y 1.5 [Mbps]

Fig. 6: Conectores para fibra óptica de Profibus.

Finalmente, si elegimos el estándar IEC 1158-2, encontramos que presenta:

• Transmisión de datos digital y asíncrona
• Topología lineal, de árbol o una combinación de ambas
• Velocidad de transmisión a 31.25 [Kbps]
• Seguridad de los datos mediante prueba de error al principio y al final
• Medio de transmisión: cable de dos líneas trenzadas
• Opción de alimentación a distancia
• Control de hasta 32 dispositivos por segmento y máximo 126 con repetidor
• Posibilidad de expansión hasta a 4 repetidores

Fig. 7: Conectores IEC 1158-2.

Conclusiones

Como mencioné al principio, el nombre de ambos protocolos podría remitirnos a una relación entre ambos, sin embargo, una vez que desglosamos las especificaciones técnicas de cada uno de ellos, resulta que son diametralmente diferentes, sin embargo, cumplen la misma función que es lograr la comunicación de los distintos dispositivos de campo con sus respectivos controladores, siendo ésta una de las pocas características que se mantendrán entre todos los protocolos existentes en el sector.

Nuevamente puedo decir que el uso de uno de éstos depende de la solución que tratemos de desarrollar y del equipo con el que contemos, esto se ve claramente reflejado en la ideología tras Profibus pues, como se indicó anteriormente, éste es un conjunto de estándares que permite una diversa gama de posibles respuestas para lograr la automatización de un proceso.

-AHN