Comunicaciones Modbus – Notas de hardware
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Notas sobre Hardware Modbus
1.
TOPOLOGÍA RS485..........................................................................................................................2
2.
ESQUEMA BÁSICO DE UNA RED MODBUS...............................................................................3
3.
INTERFASE ELÉCTRICA ................................................................................................................4
4.
VELOCIDADES DE TRANSMISIÓN: .............................................................................................6
5.
POLARIZACIÓN DEL BUS .............................................................................................................6
6.
RESISTENCIAS DE TERMINACIÓN..............................................................................................9
7.
FUENTES:........................................................................................................................................11
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1. Topología RS485 Una configuración RS485 está basada en un segmento lineal de bus a lo largo del cual se van conectando participantes, mediante conexión directa (daisychain), o mediante derivaciones. El cable principal o bus tendrá conectadas en ambos extremos las resistencias de terminación de línea por necesidades de adaptación de impedancias.
La longitud total del cable de red de un segmento Modbus puede llegar a ser de hasta 1000 m. También es posible la conexión a otros segmentos mediante repetidores Modbus. En cuanto a las derivaciones, ninguna de ellas debe superar la longitud de 20 m. En caso de una toma múltiple con n derivaciones, el total de derivaciones no debe superar los 40 m. Las topologías indicadas en una red modbus: • Bus con derivaciones (aceptable)
•
Dispositivos seriados (recomendable)
El resto de topologías (estrella, anillo, combinaciones) no se recomienda.
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2. Esquema básico de una red Modbus Una red Modbus está formada por un cable de comunicación al cual se conectan los participantes. En cada extremo de la línea deben instalarse terminadores de línea (LT - Line Terminations) para adaptación de impedancia.
Las posibilidades de conexión de los equipos son: • Derivación pasiva (Passive Tap): El dispositivo se conecta al bus mediante un cable de derivación (IDv). • Derivación activa (Active Tap): La electrónica de comunicación forma parte del conector y existe un cableado específico para conectar el equipo a la derivación (incluso otra electrónica de comunicaciones). • Conexión en cascada (Daisy-chain): El dispositivo se conecta directamente al bus principal (La extracción de un participante del bus comporta el corte del bus principal).
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3. Interfase eléctrica Modbus es un protocolo de comunicaciones serie que tiene tres interfases eléctricas estandarizadas: • RS232: Cableado punto a punto basado en el estándar TIA/EIA-232-E. Utilizado para distancias cortas y comunicación entre dos equipos (hasta 15m). • RS485: Cableado multipunto basado en el estándar TIA/EIA-485-E. Es un bus con la línea de comunicación balanceada (permite mayores distancias que la comunicación RS232) y con varios participantes simultáneos (Las direcciones válidas van desde 0 a 247). Habitualmente se implementa mediante 2 hilos, pero también existe la posibilidad de utilizar un cableado de 4 hilos. RS485 - 2 hilos: - Comunicación Half-dúplex. Multipunto y punto a punto.
- Los esclavos no deberían llevar resistencias de polarización. - Máximo: 32 dispositivos, Maestro incluido, sin repetidor. - Longitud máxima del segmento: 1000m a 19200 bit/s, con 40m en derivaciones como máximo. RS485 4 hilos: - Comunicación Full-dúplex. Multipunto y punto a punto.
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- Dos pares, uno para transmisiones del Maestro, y el otro par para transmisiones de los esclavos. - Los esclavos no deben llevar resistencias de polarización. - Las resistencias de polarización tienen valores típicos entre 450 y 650 ohm y, generalmente, se encuentran en el Maestro. - El punto de conexión de la masa también se recomienda situarlo cerca del Maestro. - Máximo: 32 dispositivos, Maestro incluido, sin repetidor. - Longitud máxima del segmento: 1000m a 19200 bit/s, con 40m en derivaciones como máximo. Conexiones a 2 hilos y a 4 hilos Es posible conectar dispositivos modbus de 2 hilos a una instalación de 4 hilos (adaptando el cableado de la instalación) y viceversa (adaptando el cableado del dispositivo) •
Dispositivos de 2 hilos a cableado de 4 hilos:
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Dispositivos de 4 hilos a cableado de 2 hilos:
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4. Velocidades de transmisión: La gama de velocidades de transmisión que soporta (en bit/s: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 56000, 115000. De éstas, 9600 bps y 19200 bps son velocidades de transmisión que es obligatorio soportar, con 19.2 Kbps como velocidad por defecto.
5. Polarización del bus El esquema siguiente muestra el cableado físico de una red Modbus para 2 hilos. Además de las dos líneas para transmisión de datos (D1, también llamado B/B’, y D0, también llamado A/A’), existe un tercer conductor que debe estar conectado, que es la señal de referencia de masa (0V):
En este modelo de cableado las líneas de comunicación se usan tanto para transmitir como para recibir, por lo que tan sólo un equipo puede transmitir en un momento determinado. Con una red RS-485 en estado inactivo, todos los nodos están en modo de escucha (eléctricamente desconectados, tristate) y el estado lógico de la línea es desconocido. Con los emisores desconectados, para mantener el nivel de tensión “inactivo”, deben de utilizarse unas resistencias de polarización, de manera que se mantenga el nivel de tensión necesario para mantener la línea en estado “inactivo”. Mediante estas resistencias se consigue el valor eléctrico necesario. Una resistencia Pull-down entre A y GND, y una resistencia Pull-up entre B y 5V. Sus valores dependerán de las resistencias de terminación de línea (LT), y del número de nodos conectados (de las resistencias que aporten). Habitualmente, la polarización del bus es realizada por el equipo maestro. En algunos casos, algunos participantes del bus también aportan sus resistencias
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de Pull-Up y Pull-Down, formando así una polarización distribuida, cuyo valor equivalente es necesario calcular para asegurar los niveles de tensión correctos en el bus.
Como norma general, las resistencias de polarización deben tener un valor tal, que la tensión entre las dos líneas del bus esté entre 200 mV y 400 mV cuando no haya actividad (Master en Ready, pero sin que haya ningún tipo de tráfico por el Bus). El valor habitual de las resistencias de polarización de la línea modbus (tanto de Pull-Up como de Pull-Down) está entre 450Ω y 650 Ω. Las resistencias de polarización deberán generar corriente continua suficiente como para mantener una tensión de 200mV a 400 mV entre las dos líneas de bus.
Las resistencias de polarización están formadas por las distintas resistencias de Pull-up y Pull-down de los equipos conectados (RP1x para polarizar con los 5V, y RP2x para polarizar con el común, 0V). Tanto el maestro como los equipos que utilizan polarización distribuida afectan a esta parte del circuito, formando las resistencias equivalentes de polarización (RP1 y RP2). En el caso de que sea necesario corregir la resistencia resultante del circuito para conseguir su correcta polarización, en el equipo maestro deberán instalarse las resistencias de corrección, RP1C y RP2C, en paralelo con las resistencias que ya pueda incorporar. La Resistencia de terminación en una línea de transmisión añade una carga de corriente continua. La carga conectada afectará a las resistencias de polarización y, por tanto, a la tensión entre las líneas A y B.
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Ejemplo: Determine las resistencias de polarización necesarias para mantener la correcta polarización del bus (200mV entre las dos líneas) Características de la instalación: • 10 nodos RS485 de 12Kohm de impedancia de entrada. • 2 resistencias de terminación (120 ohm) • Alimentación: +5V Los equipos representan una impedancia en paralelo equivalente de: 1,2Kohm. Las resistencias de terminación de línea dan una R equivalente: 60 ohm La carga total: 1.2K * 60/ (1.2k + 60) = 57 ohm Aquí se observa que el mayor porcentaje del valor corresponde a las resistencias de terminación de línea. Con esta resistencia, para fijar el valor de 200mV entre A y B: I = V/R = 200mV / 57 ohm = 3.5mA Estos 3.5mA procederán de la alimentación de 5V, por lo cual, la resistencia total que permitirá esta corriente: R = V / I = 5 / 3.5 mA = 1428 ohm Teniendo en cuenta la Resistencia equivalente de los equipos: 1428 - 57 = 1371 ohm Esto arroja un valor para las resistencias de polarización: 1371 / 2 = 685.5 ohm El valor estándar más cercano: 680 K
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6. Resistencias de terminación Cada participante del bus tiene una elevada impedancia de entrada en la recepción de la línea. Habitualmente estas resistencias son despreciables al estar en paralelo con las dos resistencias de final de línea. Las resistencias entre las dos líneas de comunicación (A/A’ y B/B’) están formadas por las dos resistencias de terminación de línea (LT1 y LT2) y por las impedancias de cada uno de los dispositivos conectados al bus. En función de las características eléctricas de cada equipo conectado al bus, será necesario calcular la resistencia equivalente del mismo para determinar si esta afecta a los niveles de polarización. El valor habitual de las resistencias de final de línea para las redes Modbus es de 120Ω cada una, lo que implica una R equivalente del bus de 60Ω. Participantes En principio, el número máximo de participantes conectados a una red modbus serie, sin necesidad de repetidor, es de 32 equipos (incluido el maestro). Sin embargo, este valor vendrá limitado por los factores siguientes: • Resistencias de polarización de línea: Para asegurar un determinado nivel eléctrico en el bus, es necesario limitar el número de participantes que aplican la polarización distribuida. • Resistencia equivalente de línea: Cuantos más equipos se pongan en paralelo en el bus, más disminuye la resistencia equivalente del mismo, lo cual afecta a la polarización. En sistemas de transmisión mediante el estándar RS485, a bajas velocidades de transmisión y cortas distancias, se puede modelar el cable como un simple hilo en vez de cómo una línea de transmisión. La interfase de comunicación, UART (Universal Asynchronous ReceiverTransmitter) se sincroniza para muestrear los datos en el centro de los pulsos (el centro de cada bit de transmitido). Entonces, si el retardo de propagación en un cable es mucho menor que el ancho de un bit, no se necesita terminación de línea.
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Ejemplo: Para determinar el retardo de transmisión que sufre un sistema que hace servir 9600bps, y tiene sus extremos separados 600 m. Velocidad de propagación típica de un cable: 0,66 * c (c: velocidad de la luz) Un mensaje de ida i vuelta recorre: 600 * 2 = 1200 m El tiempo de transmisión: Tt= 1200 m / 0,66 * 300.000.000 m/s = 6,06 * 10-6 s = 6,06 µs Si se considera que las reflexiones se amortiguan en tres periodos, antes de que la señal se estabilice, pasarán: 3 * 6,06 * 10-6 s = 18,18 µs El pulso (un bit) tendrá una duración de: 1/9600 = 104 µs El retardo del bit (18,18 µs) será mucho menor que el ancho de éste, por lo que la UART lo muestreará prácticamente en el centro y no será necesario colocar una resistencia de terminación de línea.
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7. Fuentes • • •
B&B Electronics SGUMTMOD_2.3-Manual de Tecnología de Modbus serie, (Schneider Electric) Modicon Protocolo Modbus. Guia de referencia. (MODICON, Inc., Industrial Automation Systems)
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