Modbus TCP frente a Modbus RTU

La diferencia entre Modbus RTU y Modbus TCP está en la red que transporta las mismas peticiones Modbus. Modbus RTU es para un bus serie: un maestro sondea por turnos dispositivos con dirección en un par RS-485, y cada trama termina en un CRC de 16 bits. Modbus TCP es para una red IP: un cliente se conecta a la dirección IP del dispositivo en el puerto 502, y una cabecera MBAP de 7 bytes sustituye a la dirección serie y al CRC. En una instalación existente, la elección suele depender de la interfaz que ya tiene el equipo.

Esta guía forma parte de la serie sobre Modbus y RS-485.

Modbus TCP frente a RTU: las diferencias

La guía de RS-485 frente a Modbus explica la capa serie de Modbus RTU y cómo difiere RS-232. Los códigos de función son iguales en ambos: 03 lee registros de retención, 04 lee registros de entrada, y 06 y 16 escriben. También se conservan tipos de datos, orden de palabras y escalas. La guía de mapas de registros los explica.

Cómo funciona el protocolo Modbus TCP

Modbus TCP transporta el protocolo de aplicación Modbus en paquetes TCP/IP. Un cliente, como un sistema SCADA, un BMS o una pasarela, abre una conexión TCP con un servidor, como un contador o un PLC, y envía peticiones por ella. El servidor responde a cada petición y nunca envía datos sin que se los pidan. Los documentos antiguos llaman maestro al cliente y esclavo al servidor.

Un servidor escucha en el puerto TCP 502, que IANA tiene registrado para Modbus. Algunos dispositivos permiten cambiar el puerto, y algunas pasarelas serie utilizan un puerto distinto para cada línea serie. Un cliente puede mantener una conexión abierta para muchas peticiones. Un servidor acepta conexiones de varios clientes, hasta su propio límite.

Tablas de datos y códigos de función

Todo dispositivo Modbus, en TCP o en RTU, presenta sus datos en cuatro tablas:

Los contadores de energía publican sus lecturas en registros de entrada o de retención. Un valor de 32 bits, como una tensión en coma flotante o un contador de energía, ocupa dos registros consecutivos, y el mapa de registros indica el orden de ambos. La trama lleva una dirección con base cero, por lo que el registro de retención que un manual llama 40108 es la dirección 107 (0x006B). El conversor de direcciones Modbus convierte entre ambas notaciones.

Comparación de tramas

Una petición para leer tres registros de retención desde la dirección 0x006B en el dispositivo 17 tiene este aspecto:

En la trama TCP, los primeros siete bytes forman la cabecera MBAP: identificador de transacción (0x0001), identificador de protocolo (siempre 0 en Modbus), longitud del resto (6 bytes) e identificador de unidad (0x11). La unidad de datos del protocolo que sigue a la cabecera es idéntica. La calculadora de CRC y LRC Modbus calcula los bytes de comprobación RTU:

La respuesta del servidor repite la cabecera MBAP con su propia longitud, seguida del código de función, un recuento de bytes y los valores de los registros. Si los tres registros contienen 555, 0 y 100, la respuesta Modbus TCP es:

00 01 00 00 00 09 11 03 06 02 2B 00 00 00 64

La longitud pasa a ser de 9 bytes: el identificador de unidad, el código de función, el recuento de bytes y 6 bytes de datos. Cuando un dispositivo no puede ejecutar una petición, devuelve una excepción: el código de función con su bit más alto activado (0x83 para la función 03), seguido de un código de excepción. El código 02, dirección de datos no válida, suele indicar una dirección errónea o una lectura que sobrepasa el final de un bloque:

00 01 00 00 00 03 11 83 02

Los códigos de función y excepción Modbus explican cada código.

Una misma lectura por RTU y por TCP

Eastron vende su contador trifásico SDM630 con RS-485, como SDM630-Modbus, y con Ethernet, como SDM630-TCP. Los dos documentos de protocolo sitúan la tensión de fase 1 a neutro en la referencia de registro de entrada 30001, dirección de protocolo 0, como flotante de 32 bits en dos registros, que se lee con la función 04. La unidad de datos de protocolo es 04 00 00 00 02 en ambos:

Una respuesta con los datos 43 66 00 00 equivale a 230,0 V cuando la palabra alta va primero; el decodificador de registros Modbus muestra los demás órdenes de palabras. Eastron publica una tabla de registros distinta para cada modelo, así que compruebe cada punto en la tabla del modelo instalado en lugar de suponer que el mapa serie sirve también.

Tiempos y capacidad

En un bus RTU solo hay una petición activa cada vez. Su duración suma el tiempo en la línea de petición y respuesta, el tiempo de respuesta del dispositivo y el silencio entre tramas. A 9.600 baudios con paridad par, cada carácter ocupa 11 bits: un byte tarda unos 1,15 ms. La guía de línea serie Modbus fija el silencio entre tramas en 1,75 ms por encima de 19.200 baudios. La calculadora de tiempos Modbus RTU suma el ciclo completo de un bus:

La guía de consultas y reintentos muestra el efecto de un dispositivo desconectado en ese ciclo. En Modbus TCP, la red rara vez es el límite. Suelen limitar el tiempo de procesamiento del dispositivo y el número de conexiones simultáneas que admite. Muchos contadores aceptan pocas conexiones TCP; algunos, solo una. Compruebe el límite antes de que varios sistemas consulten el mismo contador.

Probar una conexión Modbus TCP

Compruebe la conexión capa por capa, de modo que cada fallo apunte a una sola causa:

1. Lea la dirección IP, la máscara de subred y la puerta de enlace predeterminada del dispositivo en su pantalla o en su herramienta de configuración. Compruebe que el cliente está en la misma subred, o que un router y el cortafuegos permiten el tráfico.
2. Desde un ordenador de esa red, compruebe que el puerto TCP 502 acepta una conexión. En macOS o Linux, nc -vz 192.0.2.10 502 indica si el puerto está abierto (use la dirección del propio dispositivo).
3. Con un cliente Modbus, lea un registro cuyo valor pueda ver en la pantalla del dispositivo, como una tensión de fase. Use el identificador de unidad que indica el manual.
4. Compare el valor, su escala y su unidad con la pantalla. Después añada el resto del mapa de registros.
5. Si el puerto se abre pero todas las lecturas agotan el tiempo de espera, compruebe el identificador de unidad y si otro cliente ocupa la única conexión que acepta el dispositivo.

De Modbus RTU a TCP: pasarelas e identificadores de unidad

Una pasarela serie a Ethernet permite que clientes Modbus TCP accedan a dispositivos RTU. El cliente envía la petición TCP a la dirección IP de la pasarela y coloca la dirección del dispositivo serie en el identificador de unidad. La pasarela la envía al bus, espera la respuesta y la devuelve por TCP.

Tres aspectos requieren atención:

• Identificador de unidad en dispositivos TCP directos. La guía Modbus TCP indica que no se utiliza si el servidor se identifica por su IP y recomienda 0xFF. Muchos dispositivos lo ignoran; algunos exigen 1 o su dirección serie. Use el valor del manual del equipo.
• Plazos de espera. El plazo TCP del cliente debe superar el plazo serie de la pasarela más el tiempo que su petición espera detrás de otras en el bus. De lo contrario, el cliente abandona mientras la pasarela sigue esperando.
• RTU sobre TCP. Algunos conversores transportan tramas RTU con su CRC y sin cabecera MBAP directamente por una conexión TCP. Eso no es Modbus TCP y el cliente debe configurarse en el modo correspondiente. La guía de pasarelas de protocolos explica la diferencia entre un puente y una pasarela que traduce, y la guía de pasarelas Modbus y BACnet cómo elegir una.

Registre para cada punto dirección IP, puerto, identificador de unidad y dispositivo físico que responde. Tras sustituir una pasarela, compruebe primero ese encaminamiento.

Modbus TCP o RTU: elección para una instalación

Elija el transporte que ya ofrece el equipo:

Para ambas variantes, obtenga el mapa de registros del modelo y firmware exactos antes de elegir el hardware. «Compatible con Modbus» no indica qué valores publica el dispositivo.

Seguridad

Modbus TCP y RTU no tienen autenticación ni cifrado. Cualquier cliente que pueda acceder al puerto 502 puede leer y, si el dispositivo lo permite, escribir. Protéjalos mediante el diseño de red: red o VLAN separada para equipos de control, reglas de cortafuegos limitadas a los sistemas necesarios y ninguna exposición a Internet.

Modbus Organization publica un protocolo Modbus Security aparte, que incorpora TLS con certificados X.509 en el puerto 802. Ambos extremos deben admitirlo. Una pasarela delante de un dispositivo Modbus sin protección no protege al propio dispositivo; solo desplaza el límite de seguridad.

Pruebe las lecturas antes de escribir. Trate las escrituras como un paso independiente y aprobado por el responsable del equipo.

Modbus TCP y RTU con Edge

Edge en el Gateway ZGW-20 es cliente Modbus de ambas variantes. Consulta dispositivos Modbus TCP de la red de la instalación, incluidos conversores RTU sobre TCP, y dispositivos Modbus RTU conectados a un puerto serie: la entrada RS-485 de la placa de E/S en la versión Industrial, o un adaptador serie USB. Cada conexión tiene su propia cola, plazos y ritmo de consultas. Para un contador al que no llega un cable de datos desde el Gateway, una interfaz Modbus ZMB lo lee por RS-485 y envía los registros por la red Zigbee. Edge también incluye un servidor Modbus: un BMS o SCADA puede leer datos de la instalación desde el Gateway como registros Modbus TCP en el puerto 10502. La guía de pasarelas Modbus y BACnet lo compara con un convertidor de protocolos dedicado. Para probar Edge primero con un solo contador, una Raspberry Pi configurada con System Manager lo ejecuta con un dispositivo Modbus de hasta 32 registros licenciado gratis; consulte evaluar Edge en una Raspberry Pi. La guía de puesta en marcha de Modbus RS-485 explica la conexión serie.