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MÓDULO 2 CONEXIÓN A LOS MEDIDORES RS485 Y ETHERNET

PROGRAMA DE CERTIFICACIÓN DE GESTIÓN DE ENERGÍA NIVEL II

1 Protocolo RS-485

QUÉ ES MODBUS RS-485?

MODBUS es un bus de campo abierto, utilizado satisfactoriamente en todo el mundo para conectar dispositivos de campo a un controlador principal. Esta es la razón por la que MODBUS RTU ha sido utilizado por diversos fabricantes a la hora de ofrecer una solución automatizada fácil de integrar, no sólo con productos Carlo Gavazzi, sino también con un amplio abanico de dispositivos de terceros. MODBUS, MODBUS-RTU y otros nombres relacionados son marcas registradas de Modbus Organization, Inc. Más información y documentación pueden encontrarse en http:www.modbus.org

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Algunos medidores y analizadores de energía de Carlo Gavazzi implementan MODBUS-RTU como protocolo de comunicaciones, lo cual permite su operación y supervisión de tareas desde un entorno de automatización MODBUS.

La interfaz Modbus proporciona al instalador-usuario una amplia gama de nuevas funciones basadas en la automatización de dispositivos ya existentes y verificados.

El sistema de comunicación MODBUS proporciona una implementación Maestro-Esclavo entre dispositivos que comparten una conexión física. En los dispositivos con comunicación Modbus, la conexión física es una capa serie RS485 half-dúplex, que ha sido elegida entre otras opciones debido a su extensa aplicación y robustez. Un entorno half-dúplex es un sistema en el cual uno o más emisores pueden comunicarse con uno o más receptores, pudiendo estar sólo un transmisor activo en cada momento. En esta implementación, las figuras del maestro y del esclavo tiene un papel muy claro, que es crucial entender correctamente para una aplicación adecuada del sistema.

·Dispositivo MAESTRO: es el dispositivo que controla el intercambio de datos en el bus y, si es necesario, implementa las tareas de coordinación entre diferentes esclavos (por ejemplo, controlador lógico programable PLC, SCADA, etc.). ·Dispositivo ESCLAVO: son los dispositivos conectados al bus y que atienden a las peticiones del maestro, proporcionando información o ejecutando tareas a petición del maestro. Nuestro sistema es un dispositivo esclavo.

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En una red RS-485, el 'maestro' iniciará la 'conversación' con una 'Petición' dirigida a un 'esclavo' específico, el 'maestro' entonces escuchará la respuesta del 'esclavo'. Si el 'esclavo' no responde dentro de un período predefinido (tiempo de espera establecido por el software de control en el 'maestro'), el 'maestro'abandonará la comunicación con ese esclavo.

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La comunicación en una red MODBUS es iniciada siempre por el dispositivo 'maestro' con una 'consulta' a un dispositivo 'esclavo'. El 'esclavo'que está supervisando constantemente la red para detectar'Consultas' reconocerá sólo las 'consultas' dirigidas a él y responderá a ellas para realizar una acción (por ejemplo, cambiar un valor de ajuste), y devolviendo una 'respuesta'. Sólo el maestro puede iniciar una consulta.

El protocolo MODBUS define exactamente el formato para la consultadel maestro y la respuesta del esclavo. La consulta contiene la dirección del dispositivo, un código de función de definir la acción solicitada, un paquete de datos y un campo de comprobación de errores. La respuesta contiene campos confirmando la acción emprendida, cualquier dato(s) que devolver y un campo de comprobación de errores. Si se produjo un error en la recepción del mensaje, o si el esclavo es incapaz de realizar la acción solicitada, el esclavo construirá un mensaje de error y lo enviará como su respuesta.

En modo RTU (Unidad Terminal Remota), cada byte (8 bits) en un mensaje contiene dos caracteres hexadecimales de 4 bits. La principal ventaja de este modo es que su mayor densidad de caracteres permite un mejor rendimiento en la tasa de datos que el modo ASCII para la misma velocidad en baudios, sin embargo cada mensaje debe ser transmitida en un flujo continuo.

El formato para cada byte en el modo de RTU es: Sistema de codificación: 8-bit binario, hexadecimal, dos caracteres hexadecimales contenidos en cada campo de 8 bits del mensaje. Bits por Byte: 1 bit de inicio, 8 bits de datos, bit menos significativo enviado primero, 1 bit de paridad par/impar; ó sin paridad, 1 bit de parada si se utiliza la paridad; 2 bits de parada si no se utiliza la paridad. Campo de Comprobación de Errores: Comprobación de redundancia cíclica(CRC).

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Las siguientes son las funicones soportadas para el protocolo Modbus RTU:

MODO DE ACCESO A BIT Las funciones en modo de acceso a bit se aplican según el estándar MODBUSRTU descrito en http://www.Modbus.org/docs/Modbus_Application_Protocol_V1_1b.pdf Las funciones de acceso a bit soportadas son las siguientes: 0x01 READ COILS 0x0F WRITE MULTIPLE COILS 0x02 READ DISCRETE INPUTS.

MODO DE ACCESO A REGISTRO Las funciones en modo de acceso a registro se aplican según el estándar MODBUS-RTU descrito en http://www.Modbus.org/docs/Modbus_Application_Protocol_V1_1b.pdf . En general, los registros son palabras de 16 bits sin signo. Las funciones de acceso a registro soportadas son: 0x03 READ HOLDINGREGISTERS 0x04 READ INPUT REGISTERS 0x10 WRITE MULTIPLE REGISTERS

2 Conexión a una Medidor a través de RS-485

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1 Verificar la información de comunicación a través de la configuración del medidor, ya sea directamente en el medidor, o por medio de UCS.

2 Ir a las opciones de configuración del medidor y seleccionar la opción Comunicación.

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3 Comprobar la velocidad de transmisión, dirección, paridad y bits de parada, ya que son datos que vamos a utilizar para dar de alta el medidor en UWP Tool, y si alguno de estos es incorrecto, el medidor no se podrá comunicar con el controlador UWP

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4 Verificar el cableado RS 485 A(-) B(-) GND Apantallado, tierra y resistencias terminadoras de acuerdo a los parámetros mencionados en secciones anteriores. Verificar los leds de comunicación del puerto correspondiente de acuerdo a las indicaciones del Manual.

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5 Abrir la herramienta de configuración UWP Tool

6 Seleccionar la Raíz del sistema y dar click en el menú añadir

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7 Seleccionar el botón Extensión de Bus

8 En el menú desplegado, seleccionar el puerto COM del maestro al que está conectado nuestro medidor

9 En el wizard desplegado hacemos click en aceptar.

10 Seleccionamos el puerto COM que creamos y hacemos click en el botón Módulo del menú añadir.

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11 En el buscador de drivers podemos buscar si existe el template del medidor que estamos utilizando. El caso donde se utilice un medidor de otra marca se analizará en un módulo aparte.

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12 En el menú de propiedades, podemos ajustar las configuraciones que comprobamos en el paso 3. Una vez que configuramos los parámetros adecuados, hacemos click en aceptar.

13 Para tener acceso a la información del medidor, es necesario dar de alta los datos que vamos a registrar, por medio de la configuración de la base de datos.

En la configuración de la base de datos, podemos seleccionar que información que variables queremos registrar y como; ya sea por evento (cada que la variable cambie, lo cual genera un volumen grande de información que puede saturar la memoria del controlador, por lo que hay que usar esta opción con cautela) o histórico, en el cual podemos configurar un periodo de tiempo en el cual estaremos leyendo la información.

15 Ahora que creamos el puerto, el módulo y configuramos la base de datos, podemos compilar el proyecto mediante el botón compilar. La compilación nos permite comprobar que nuestras configuraciones son correctas y que podemos descargar el programa en el controlador

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16 Una vez que la compilación ha finalizado sin errores, es posible descargar el programa en el controlador (operación para la cual requerimos estar conectados al controlador de la manera que se estudió en módulos anteriores).

Para visualizar las variables y comprobar que la comunicación está en marcha y se está efectuando de manera correcta, podemos habilitar la función habilitar en vivo; lo que nos permitirá visualizar las variables de acuerdo a la configuración que hayamos realizado en la base de datos (histórico, eventos).

Si la comunicación y la configuración es correcta, ahora podremos visualizar las variables configuradas en la base de datos, mediante la pestaña Señales.

3 Protocolo Modbus TCP/IP

QUÉ ES MODBUS TCP/IP? Modbus TCP/IP (también Modbus-TCP) es simplemente el protocolo Modbus RTU con una interfaz TCP que se ejecuta en Ethernet. La estructura de mensajería Modbus es el protocolo de aplicación que define las reglas para organizar e interpretar los datos independientemente del medio de transmisión de datos. TCP/IP hace referencia al Protocolo de control de transmisión y al Protocolo de Internet, que proporciona el medio de transmisión para la mensajería Modbus TCP/IP. En pocas palabras, TCP/IP permite que se intercambien bloques de datos binarios entre computadoras. También es un estándar mundial que sirve como base para la World Wide Web. La función principal de TCP es garantizar que todos los paquetes de datos se reciban correctamente, mientras que IP se asegura de que los mensajes se direccionen y enruten correctamente.

Tenga en cuenta que la combinación TCP/IP es simplemente un protocolo de transporte y no define qué significan los datos o cómo se interpretarán los datos (este es el trabajo del protocolo de aplicación, Modbus en este caso). En resumen, Modbus TCP/IP utiliza TCP/IP y Ethernet para transportar los datos de la estructura de mensajes Modbus entre dispositivos compatibles. Es decir, Modbus TCP/IP combina una red física (Ethernet), con un estándar de red (TCP/IP) y un método estándar de representación de datos (Modbus como protocolo de aplicación). Esencialmente, el mensaje Modbus TCP/IP es simplemente una comunicación Modbus encapsulada en un envoltorio Ethernet TCP/IP.

La capa superior de los modelos de referencia TCP/IP y OSI es la capa de aplicación. Hay muchos protocolos de capa de aplicación que pueden residir aquí, como FTP, Telnet, HTTP, SMPT, DNS y NNTP, entre otros. Si bien cada uno de estos protocolos tiene su propio propósito específico, para Modbus TCP/IP, el protocolo de capa de aplicación principal de interés es Modbus.

Un marco típico de MODBUS TCP consiste en los campos siguientes: El MBAP Header (Encabezamiento del protocolo de aplicación de MODBUS) tiene siete bytes de largo. Consiste en los campos siguientes.

- Transaction Identifier (Identificador de la Transacción) - Se usa para asociar transaccioes, el servidor de MODBUS copia en la respuesta el identificador de la transacción de la requisición (2 bytes). - Protocol identifier (Identificador del Protocolo) - Se usa para la intra multiplexación del sistema. El protocolo de MODBUS es identificado por el valor0 (2 bytes). - Length (Longitud) - El campo de longitud es una cuenta de bytes de los campos siguientes, incluyendo el identificador de la unidad y los campos de datos (2 bytes). - Identificador de la unidad - Se usa este campo para el propósito de enrutamiento interno del sistema. Se usa típicamente para comunicarse a un esclavo MODBUS o a una línea serial esclava de MODBUS+ a través de un gateway entre una red Ethernet TCP y una línea serial MODBUS. Este campo esconfigurado por el cliente de MODBUS en la requisición y debe volver con el mismo valor en la respuesta del servidor (1 byte). Este header proporciona algunas diferencias comparadas a la unidad de datos deaplicación de MODBUS RTU usada en una línea serial:

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- el campo "dirección del esclavo" de MODBUS usado generalmente en una línea serial de MODBUS es substituido por un solo byte "identificador de la unidad" dentro del encabezamiento de MBAP. -El "identificador de la unidad" se usa para comunicarse a través de los dispositivos tales como puentes, routers y gateways que usen una sola DIRECCION IP para apoyar múltiples unidades de extremo de MODBUS independientes . - Se diseñan todas las peticiones y las respuestas de MODBUS de una manera tal que el recipiente pueda verificar que un mensaje esté acabado. Para códigos de función donde la PDU de MODBUS tiene una longitud fija, solamente el código de función es suficiente. Para códigos de función que llevan una cantidad variable de datos en la requisición o la respuesta, el campo de datos incluye una cuenta de bytes. - Identificador del Protocolo - Se usa para la multiplexación del sistema interno El protocolo de MODBUS es identificado por el valor 0 (2 bytes). - El campo del código de función de un mensaje contiene 8 bits. Los códigos válidos de función están en el rango de 1 -255 decimal . El código de función comanda al esclavo qué clase de acción tomar. Algunos ejemplos son leer el estado de un grupo de entradas discretas; leer los datos en un grupo de registros; escribir a una salida o un grupo de registros; o leer el estado de diagnóstico de un esclavo. Cuando un esclavo responde al maestro, usa el campo del código de función para indicar o una respuesta normal o que ha ocurrido un cierto tipo de error; para una respuesta normal, el esclavo repite el código original de la función. En una condición de error, el esclavo repite el código original de función con su MSB configurado con lógica 1.

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Se construye el campo de datos usando conjuntos de dos dígitos hexadecimales en el rango de 00 a FF. Según el modo de transmisión serial de la red, estos dígitos se pueden hacer de un par de caracteres ASCII o a partir de un carácter RTU. El campo de datos también contiene la información adicional que el esclavo utiliza para ejecutar la acción definida por el código de función. Esto puede incluir direcciones internas, la cantidad de artículos que serán transferidos, etc. El campo de datos de una respuesta de un esclavo a un maestro contiene los datos solicitados si no ocurre ningún error. Si ocurre un error, el campo contiene un código de excepción que el maestro usa para determinar que acción siguiente se tomará. El campo de datos puede ser no existente en ciertos tipos de mensajes.

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• Todos los protocolos de red están estructurados como un modelo en capas. • Hay uno o más protocolos (entidades de capa) en cada capa. • Las entidades pares se refieren a dos o más protocolos en la misma capa (incluidos los protocolos en la misma capa en diferentes nodos). • Las reglas de operación entre entidades pares se denominan procedimientos. • Protocolo se refiere a las reglas de operación seguidas por entidades pares. El Protocolo define el formato de las PDU (Unidades de Datos de Protocolo) y sus reglas de operación. • Esta estratificación de entidades de protocolo se denomina pila de protocolo. • La capa n se comunica con otras entidades de la capa n (otros protocolos en la misma capa) utilizando unidades de datos de protocolo (PDU) de la capa n. • La capa n utiliza el servicio de la capa n-1 y ofrece un servicio a la capa n+1. • La interfaz entre una capa y la capa superior se denomina punto de acceso al servicio (SAP). Los datos de interfaz entre las capas son la Unidad de datos de servicio (SDU).

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• Los protocolos están orientados a la conexión o no tienen conexión. Una conexión implica que la comunicación requiere la sincronización de todas las partes antes de que los datos de la aplicación puedan intercambiarse. Modbus TCP/IP es un protocolo orientado a la conexión. • Modbus TCP/IP sigue el modelo Cliente-Servidor. Los maestros Modbus se conocen como clientes, mientras que los esclavos Modbus son servidores. • Un cliente (o maestro) es cualquier dispositivo de red que envía solicitudes de datos a servidores (o esclavos). • Un servidor (o esclavo) es cualquier programa que espera que se le envíen solicitudes de datos. Los servidores no inician el contacto con los clientes, sino que solo les responden. Algunos dispositivos funcionan como clientes y servidores.

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• Un puerto es una dirección que se usa localmente en la capa de transporte (en un nodo) e identifica el origen y el destino del paquete dentro del mismo nodo. Los números de puerto se dividen entre números de puerto conocidos (0-1023), números de puerto de usuario registrado (1024-49151) y números de puerto privados/dinámicos (49152-65535). Los puertos permiten a TCP/IP multiplexar y demultiplexar una secuencia de datagramas IP que necesitan ir a muchos procesos de aplicación diferentes (simultáneos). Modbus TCP/IP utiliza el conocido puerto 502 para escuchar y recibir mensajes Modbus a través de Ethernet. • Un socket es una dirección de capa de aplicación que se forma a partir de la combinación de una dirección IP y un número de puerto (expresado como : o :) y se utiliza como la dirección de identificación general de un proceso de aplicación. Los protocolos de aplicación utilizan esto para realizar un seguimiento del número de puerto asignado a cada instancia de una aplicación cuando se utiliza TCP.

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La dirección Ethernet o dirección MAC se refiere a la dirección de control de acceso a medios que identifica de manera única el hardware de cualquier dispositivo de red. Esta es una dirección fija única de 48 bits asignada y codificada en un dispositivo Ethernet en la fábrica. Esto generalmente se expresa en forma hexadecimal como 12 caracteres hexadecimales (6 bytes), con los primeros 3 bytes (6 caracteres hexadecimales más a la izquierda) que representan el fabricante del dispositivo, y los últimos 3 bytes (6 caracteres hexadecimales más a la derecha) asignados de forma exclusiva por el fabricante. Los seis bytes juntos identifican de forma única el dispositivo de red. No confunda la dirección Ethernet (dirección MAC) con la dirección del protocolo de Internet (IP), que es un número de 32 bits asignado a su computadora (consulte a continuación) que puede cambiar cada vez que se conecta a una red. Las direcciones IP son números de 32 bits administrados por una autoridad independiente (InterNIC) y son únicos para cualquier dispositivo en la red. La dirección IP es un valor de 32 bits compuesto por cuatro octetos (8 bits), cada octeto tiene un valor entre 0 y 255 (00H-FFH). Se expresa comúnmente como cuatro números decimales (valores de 8 bits) separados por un punto decimal. Esto proporciona alrededor de 4.300 millones de combinaciones posibles.

SUGERENCIA: Si desea determinar la dirección Ethernet de la tarjeta NIC instalada en su PC, en el símbolo del sistema de DOS, escriba el comando IPCONFIG.

Las grandes redes de corporaciones, empresas de comunicaciones e instituciones de investigación obtendrán grandes bloques de direcciones IP, luego los dividirán en subredes dentro de su propia organización y distribuirán estas direcciones como mejor les parezca. Las redes más pequeñas de universidades y empresas adquirirán bloques más pequeños de direcciones IP para distribuir entre sus usuarios. Debido a que estos números son asignados en última instancia por la Autoridad de Números Asignados de Internet, se puede usar una dirección IP para aproximar la ubicación de una máquina. Al igual que la dirección Ethernet, la dirección IP se compone de dos partes: la dirección de red o ID de red (primera parte) y la dirección de host o ID de host (última parte). Esta última parte se refiere a una máquina específica en la subred dada identificada por la primera parte. El número de octetos de los cuatro totales que pertenecen a la dirección de red depende de la definición de Clase (Clase A, B o C) y esto se refiere al tamaño de la red.

Tenga en cuenta que la dirección del primer nodo (0) generalmente se reserva para el servidor de red y no debe usarse. El último nodo (255) es una dirección de difusión. El uso de estas direcciones de nodo para cualquier otro propósito puede generar un rendimiento deficiente.

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Las subredes se dividen en tres clases de tamaño según los 4 octetos que componen la dirección IP. Una subred Clase A es cualquier subred que comparte el primer octeto de la dirección IP. Los 3 octetos restantes de una subred Clase A definirán hasta 16 777 214 direcciones IP posibles (224 – 2). Una subred de clase B comparte los dos primeros octetos de una dirección IP (lo que proporciona 216 – 2 o 65534 direcciones IP posibles). Las subredes de clase C comparten los primeros 3 octetos de una dirección IP, lo que da 254 direcciones IP posibles. Recuerde que la primera y la última dirección IP siempre se usan como número de red y dirección de transmisión respectivamente, y es por eso que restamos 2 del total de direcciones únicas posibles que se definen a través de los octetos restantes.

Una máscara de subred se utiliza para determinar a qué subred pertenece una dirección IP. El uso de una máscara de subred permite al administrador de la red dividir aún más la parte del host de esta dirección en dos o más subredes. La máscara de subred marca la parte de la dirección de red de la dirección IP, más los bits de la parte del host, que se utilizan para identificar la subred. Por convención de máscaras, los bits de la máscara que corresponden a la dirección de subred se configuran en 1 (también funcionaría si los bits se configuraran exactamente como en la dirección de red). Se llama máscara porque se puede utilizar para identificar la subred única a la que pertenece una dirección IP realizando una operación AND bit a bit entre la propia máscara y la dirección IP, con el resultado de ser la dirección de la subred y los bits restantes la dirección de host o nodo.

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Una máscara de subred se utiliza para subdividir la parte del host de la dirección IP en dos o más subredes. La máscara de subred marcará los bits de la dirección IP que pertenecen a la dirección de red y los bits restantes corresponden a la parte del host de la dirección. La subred única a la que hace referencia una dirección IP se recupera realizando una operación AND bit a bit entre la dirección IP y la propia máscara, con el resultado de ser la dirección de la subred.

4 Conexión por Modbus TCP/IP puerto ethernet

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1 Verificar los parámetros de comunicación a través de la configuración del medidor, ya sea directamente en el medidor, o por medio de UCS.

Comprobar la dirección IP, Máscara de subred, puerta de enlace y puerto, ya que esta información se utiliza para dar de alta el medidor en UWP Tool, y si alguno de estos es incorrecto, el medidor no se podrá comunicar con el controlador UWP

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3 Verificar el cableado RJ 45 de ethernet Verificar los leds de comunicación del puerto correspondiente de acuerdo a las indicaciones del Manual.

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4 En el caso de la comunicación ethernet, podemos comprobar que la conexión funciona, mediante un comando de símbolo de sistema llamado PING. Para ejecutarlo, en nuestra pantalla de comandos solo escribimos ping + la dirección IP del dispositivo que queremos comprobar

Si la conexión es correcta, el dispositivo responderá al comando y no tendremos paquetes de comunicación perdidos.

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5 Abrir la herramienta de configuración UWP Tool

6 Seleccionar la Raíz del sistema y dar click en el menú añadir

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Seleccionar el botón Extensión de Bus

8 En el menú desplegado, seleccionar la opción Modbus TP Maestro para dispositivos genéricos.

9 En el wizard desplegado hacemos click en aceptar.

10 Seleccionamos el maestro TCP que creamos y damos click en el botón módulo.

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11 En el buscador de drivers podemos buscar si existe el template del medidor que estamos utilizando. El caso donde se utilice un medidor de otra marca se analizará en un módulo aparte.

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12 En el menú de propiedades, podemos ajustar las configuraciones que comprobamos en el paso 2. Una vez que configuramos los parámetros adecuados, hacemos click en aceptar.

13 Para tener acceso a la información del medidor, es necesario dar de alta los datos que vamos a registrar, por medio de la configuración de la base de datos.

En la configuración de la base de datos, podemos seleccionar que información que variables queremos registrar y como; ya sea por evento ) o histórico, en el cual podemos configurar un periodo de tiempo en el cual estaremos leyendo la información. Las variables y la información que se puede visualizar puede cambiar dependiendo del modelo del medidor y las opciones configuradas en el mismo, por ejemplo, el tipo de sistema eléctrico, ya sea monofásico o trifásico, o si en medidor tiene la opción de registrar la distorsión armónica.

15 Ahora que creamos el maestro, el módulo y configuramos la base de datos, podemos compilar el proyecto mediante el botón compilar. La compilación nos permite comprobar que nuestras configuraciones son correctas y que podemos descargar el programa en el controlador

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Si la comunicación y la configuración es correcta, ahora podremos visualizar las variables configuradas en la base de datos, mediante la pestaña Señales.

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