Gateway para comunicación inalámbrica en redes Modbus RTU

Publicado en 11 de diciembre de 20234 de abril de 2024 por Thiago Paredi

11El crecimiento de la oferta y la aceptación de las redes inalámbricas en la industria es evidente. Cuestiones como la fiabilidad, la seguridad, la latencia y el determinismo se abordan de forma diferente en protocolos inalámbricos como Wireless HART, ISA 100.11a, ZigBee, entre otros. Estos protocolos pertenecen a una categoría más amplia, denominada «Redes de Sensores Inalámbricos». Existe una gran cantidad de material publicado y productos ya disponibles en la categoría de redes de sensores inalámbricos.

EIA/TIA-485 (RS485) es la norma eléctrica más extendida para redes de comunicación cableadas en el área de manufactura industrial. En estas redes se destaca el protocolo Modbus RTU, un protocolo sencillo con una enorme gama de productos en todo el mundo.

Debido a la dificultad de ajustar los tiempos de comunicación, la mayoría de los convertidores de comunicación cableada a dispositivos inalámbricos representan un reto para la aplicación con el protocolo Modbus RTU. Especialmente en redes que operan productos de diferentes fabricantes, es muy difícil configurar los convertidores para garantizar que los paquetes de comunicación Modbus RTU no se dividan durante el proceso de comunicación.

El fraccionamiento puede provocar errores de comunicación con algunos dispositivos de la red, aumentando el tráfico con los intentos de conexión y disminuyendo el rendimiento. Este artículo presenta soluciones para crear redes o subredes Modbus RTU inalámbricas que pueden integrarse fácilmente en sistemas cableados basados en el mismo protocolo. Para proporcionar conectividad inalámbrica, se adopta la norma IEEE 802.15.4, la misma que se utiliza en la inmensa mayoría de los sistemas «Redes de Sensores Inalámbricos». AirGate-Modbus gestiona las características inherentes al protocolo Modbus RTU, como el estricto requisito de tiempo, la formación y delimitación de paquetes, la baja velocidad y el número de esclavos y un único maestro, con el fin de garantizar el correcto funcionamiento del protocolo Modbus RTU, incluso cuando funciona de forma inalámbrica.

Creando redes Modbus RTU inalámbricas

AirGate-Modbus es un Gateway que integra redes Modbus RTU sobre RS485 en una o varias redes inalámbricas IEEE 802.15.4. Esta integración se realiza de forma transparente para la red Modbus, lo que permite sustituir largos tramos de cables por segmentos inalámbricos. Cada Gateway dispone de 3 interfaces de comunicación: USB, RS485 e IEEE 802.15.4. Es posible crear diferentes configuraciones entre redes cableadas e inalámbricas, según la configuración de cada una de estas interfaces.

La limitación del protocolo Modbus RTU para funcionar con un único maestro se supera con el Gateway, que permite conectar 2 maestros cableados, uno en cada interfaz del dispositivo. El Gateway controla el funcionamiento simultáneo de los 2 maestros, alternando el tráfico de comunicación con los esclavos. La interfaz IEEE 802.15.4 funciona en topología de estrella y permite configurar varias estrellas. Esto ayuda a resolver problemas complejos de conectividad inalámbrica. El Gateway utiliza los mecanismos internos de la norma IEEE 802.15.4 para garantizar el funcionamiento de la comunicación inalámbrica incluso cuando se producen interferencias de dispositivos que operan en la misma banda de frecuencia.

La selección automática del canal de comunicación (de un total de 16) se basa en los mecanismos Energy Detection (Detección de Energía) y Quality of Signal (Calidad de la Señal), combinados con la tasa de error en la comunicación Modbus RTU inalámbrica. Este mecanismo cambia automáticamente de canal cuando baja el rendimiento o la calidad de la red inalámbrica. La frecuencia de red es de 2,4 GHz, con una potencia de 20 dBm (100 mW), lo que da como resultado un alcance de 1.000 m en campo abierto y de unos 100 m en el interior de edificios (el alcance en el interior de los edificios depende del número y del tipo de obstáculos entre los dispositivos inalámbricos).

Número máximo de dispositivos en la red RS485

La norma TIA/EIA-485, conocida popularmente como RS485, no define el número máximo de dispositivos conectados en una red. Menciona una serie de parámetros que pueden utilizarse para calcular este límite. Algunos de estos parámetros son:

Límite inferior de la resistencia de carga resultante en el bus.
Valor de resistencia que cada dispositivo de la red representa en el bus, denominado «Carga Unitaria» (15 kΩ).
Valor mínimo de corriente que debe suministrar el driver (transmisor) de un dispositivo RS485.

A partir de estos datos (y teniendo en cuenta la necesidad de resistencias de terminación en ambos extremos del bus), se puede calcular el límite de 32 dispositivos con carga unitaria para un bus de comunicación RS485. Se recomienda utilizar resistencias de terminación de 120 Ω, cuyo valor resultante corresponde a 60 Ω.

Actualmente, existen dispositivos RS485 con menos de una unidad de carga. Los valores habituales son 1/2, 1/4 y 1/8 de la carga unitaria. Para aumentar el número de dispositivos en una red RS485 a 256, una posible solución es utilizar sólo dispositivos con 1/8 de la carga unitaria. Desde 2008, los equipos de NOVUS Automation utilizan drivers 1/8 de carga.

En muchas aplicaciones, también hay equipos que no son fabricados por NOVUS en el bus. Así, el cálculo teórico del número máximo de dispositivos en la red RS485 puede resultar más difícil.

En aplicaciones más pequeñas, donde la longitud de los cables de red son cortas y/o la velocidad de comunicación es baja, puede ser posible eliminar las resistencias de terminación. Esto permite aumentar la capacidad de dispositivos de la red de 32 a 282. Esto la convierte en una operación fiable. En estas condiciones, no está garantizada.

Por último, para los usuarios del protocolo Modbus RTU a través del bus RS485, hay que tener en cuenta que cualquier aumento del número de dispositivos físicos en la red RS485 podría chocar con el límite lógico de esclavos Modbus RTU, que es de 247.

Dado que es un dispositivo dedicado al protocolo Modbus RTU, el Gateway AirGate Modbus garantiza que los paquetes Modbus RTU no se fraccionen. Esto garantiza que la transmisión inalámbrica no se deteriore. Este dispositivo también comprueba previamente los paquetes Modbus y no transmite paquetes que contengan errores, lo que minimiza el tráfico en la red.

Aplicaciones típicas del Gateway Modbus para redes inalámbricas

Los dispositivos AirGate-Modbus Gateway ayudan a eliminar cables en sistemas ya instalados y son útiles en nuevos proyectos o al ampliar sistemas de automatización industrial que requieren funcionalidades más avanzadas, como la multiplexación de maestros Modbus, múltiples segmentos de red cableados interconectados de forma inalámbrica y el uso de repetidores para ampliar el alcance. A continuación se muestran algunas de estas aplicaciones.

1. Adición de segmentos inalámbricos a una red cableada existente

En sistemas donde ya existe una red Modbus RTU que funciona en RS485, es posible incluir cobertura inalámbrica para comunicarse con otros segmentos cableados. Este tipo de situación suele producirse al ampliar redes en las que la instalación de nuevos cables resulta difícil o indeseable. La inclusión de un Gateway en cualquier punto de la red existente y de otros Gateways en cualquier punto de los nuevos segmentos cableados permitirá realizar la comunicación completa como una única red Modbus RTU. La Figura 1 muestra esta aplicación.

2. Conexión directa del Gateway al puerto USB del PC SCADA

En aplicaciones de supervisión basadas en ordenadores, el Gateway puede conectarse directamente a la interfaz USB del ordenador, convirtiéndolo en RS485 e IEEE 802.15.4. La red cableada para la comunicación con los esclavos Modbus RTU puede iniciarse desde la interfaz RS485 del Gateway. Otros Gateways, que se instalan dentro del alcance del primero, permiten establecer una comunicación inalámbrica con otras redes cableadas conectadas a ellos, según se muestra en la Figura 2.

3. Uso del Gateway para multiplexar 2 maestros en la red inalámbrica

El protocolo Modbus RTU define que la red sólo puede tener 1 maestro, lo que impone restricciones técnicas a muchas aplicaciones de supervisión. AirGate-Modbus acepta 2 maestros, uno en la interfaz USB (normalmente un PC) y otro en la interfaz RS485 (normalmente un HMI o PLC). Las solicitudes de comunicación de estos 2 maestros son controladas por el Gateway y enviadas a los esclavos a través de la interfaz IEEE 802.15.4. Las respuestas recibidas se devuelven al maestro correcto. La Figura 3 muestra esta aplicación.

4. Uso de Gateways adicionales para ampliar el alcance de las redes inalámbricas

Para ampliar el alcance de la red inalámbrica, se pueden instalar Gateways adicionales, que formarán subredes inalámbricas adicionales en una estructura en forma de árbol, como se muestra en la Figura 4.

5 .Función Repetidor con aplicación en estrella

La nueva versión del firmware AirGate-Modbus permite crear diferentes topologías de red inalámbrica. Al actualizar el software de configuración DigiConfig y AirGate-Modbus a través de la interfaz USB, los dispositivos configurados como RS485-SLAVES se adaptarán automáticamente a los requisitos de la red. Cuando se encuentre en este modo de funcionamiento, el AirGate-Modbus realizará la función de repetidor inalámbrico, una vez que detecte la necesidad de ampliar la red inalámbrica a la que está integrado. Es importante resaltar que esta función se activa instantáneamente siempre que el dispositivo se configura como RS485-SLAVES.

Como se muestra en la figura a continuación, que presenta un ejemplo de cómo ampliar una red, se insertó un AirGate-Modbus configurado como RS485-SLAVES (Firmware > 1.23) con el mismo PAN ID (5670). En otro segmento, se conectaron 2 AirGates a través de sus interfaces RS485, 1 AirGate-Modbus funcionando en modo RS485-SLAVES y 1 AirGate-Modbus funcionando en modo RS485-MASTER. En este segmento, se creó un PAN ID (5671), iniciando una nueva red en estrella.

El protocolo Modbus RTU puede beneficiarse de la tecnología de comunicación inalámbrica, aunque deben tomarse ciertas precauciones para evitar errores de comunicación excesivos. El uso de convertidores genéricos para la comunicación Modbus RTU por radiofrecuencia puede aumentar la tasa de errores de comunicación. Es más apropiado adoptar dispositivos que contemplen las características peculiares de este protocolo durante el proceso de conversión.

El dispositivo AirGate Modbus está dedicado a este tipo de conversión, pero tiene una funcionalidad aún mayor, que lo caracteriza como un Gateway de comunicación. Esto permite eliminar los cables y utilizar funcionalidades complejas como la multiplexación de maestros Modbus y la estructuración de redes múltiples (cableadas y no cableadas). Los ejemplos de aplicación presentados permiten ver las posibilidades que ofrece la tecnología inalámbrica al extendido y consolidado protocolo Modbus.

Referencias:

IEEE Std 802.15.4™-2003, IEEE Standard for Information Technology – Telecommunications and information exchange between systems – Local and metropolitan area networks – Specific Requirements – Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs).