Protocolos de comunicación industrial
Sesión 3 · U3 Protocolos
ING. JAVIER APAZA MARTÍNEZ
Viernes 30 de octubre de 2026 · 19:00 – 22:00
Plan de la sesión
¿Qué es un protocolo?
Un conjunto de reglas sobre cómo se arma, se envía, se recibe y se interpreta cada mensaje, para que equipos de distintos fabricantes se entiendan.
Estándar físico
RS-485, Ethernet: cómo viajan los bits (voltajes, hilos, distancias). Capa 1 y 2.
Protocolo de aplicación
Modbus, PROFINET, CIP: qué significan los bytes (leer, escribir, alarmas). Capa 7.
Por eso el mismo Modbus funciona sobre RS-485 (RTU) o sobre Ethernet (TCP): cambia el medio, no el idioma.
Comunicación serie
La capa física de Modbus RTU y PROFIBUS DP
RS-232, RS-422 y RS-485
| Estándar | Conexión | Señal | Distancia y velocidad | Uso típico |
|---|---|---|---|---|
| RS-232 | Punto a punto | Simple (referida a tierra) | ~15 m a 19,2 kbit/s | PC ↔ equipo, consola de un switch |
| RS-422 | 1 emisor → hasta 10 receptores | Diferencial | Hasta 1200 m a ~100 kbit/s, o ~10 Mbit/s solo en 10–15 m | Enlaces de larga distancia |
| RS-485 | Multipunto: 32 cargas por segmento | Diferencial | Modbus RTU, PROFIBUS DP |
Distancia y velocidad se compensan: a más metros, menos velocidad. Una tabla que diga “1200 m y 10 Mbps” juntos es engañosa.
RS-485 bien instalado
En línea
De equipo en equipo, con derivaciones cortas. Nada de estrellas.
Terminación
120 Ω en los dos extremos, no en cada equipo.
Polarización
Fija el estado de la línea cuando nadie habla. Suele traerla el maestro.
Polaridad A/B
Cada fabricante la nombra distinto (A/B, D+/D−, D0/D1): si no comunica, invierte el par.
Pantalla
Cable trenzado apantallado; malla a tierra en un solo punto.
32 cargas
Por segmento. Para más equipos o más distancia: repetidor.
Para mostrarlo en vivo: la pestaña “Bus RS-485” de /lab/topologias.html permite quitar un terminador.
Modbus por dentro
El protocolo más simple, más viejo y más usado de la industria
Modbus en una diapositiva
- Creado por Modicon en 1979; hoy abierto y libre (Modbus Organization).
- Modbus RTU: serie (RS-485), binario, con CRC-16.
- Modbus TCP: sobre Ethernet, puerto 502, sin CRC.
- (Modbus ASCII: variante serie antigua, casi en desuso.)
| RTU | TCP | |
|---|---|---|
| Quién pregunta | Maestro | Cliente |
| Quién responde | Esclavo (1–247) | Servidor |
| Al mismo tiempo | Uno por vez | Varios clientes |
Las 4 tablas de datos, y el famoso “+1”
| Tabla | Notación | Tamaño | Acceso | Ejemplo |
|---|---|---|---|---|
| Coils | 00001 – 09999 | 1 bit | Lectura/escritura | Encender una bomba |
| Entradas discretas | 10001 – 19999 | 1 bit | Solo lectura | Estado de un final de carrera |
| Input registers | 30001 – 39999 | 16 bits | Solo lectura | Temperatura medida |
| Holding registers | 40001 – 49999 | 16 bits | Lectura/escritura | Consigna de velocidad |
En la trama, la dirección empieza en 0. 40001 viaja como 0 · 40108 viaja como 107. Es la causa n.º 1 de “leo el registro de al lado”.
Los códigos de función que vas a usar
| Código | Qué hace | Tabla |
|---|---|---|
| 01 | Leer coils | 0xxxx |
| 02 | Leer entradas discretas | 1xxxx |
| 03 | Leer holding registers ← la más usada | 4xxxx |
| 04 | Leer input registers | 3xxxx |
| 05 · 06 | Escribir una coil · un registro | 0xxxx · 4xxxx |
| 15 · 16 | Escribir varias coils · varios registros | 0xxxx · 4xxxx |
Las tramas RTU y TCP
Modbus RTU · leer 2 registros desde 40001 del esclavo 1
Modbus TCP · la misma petición
La parte del medio (función + datos = PDU) es idéntica. RTU le agrega dirección y CRC; TCP, la cabecera MBAP.
Cuando algo sale mal
Respuestas de excepción
| 01 | Función ilegal: el esclavo no la soporta |
| 02 | Dirección ilegal: ese registro no existe |
| 03 | Valor ilegal: cantidad o dato fuera de rango |
| 04 | Falla del esclavo |
La respuesta trae la función + 0x80: 01 83 02 = excepción 02 de la función 03.
Sin respuesta (timeout)
- Dirección del esclavo equivocada
- Velocidad o paridad distintas
- A/B invertidos, falta terminación
- En TCP: IP, subred o servidor que no escucha en 502
Modbus en la vida real
Escalado
Un registro es un entero de 16 bits: 72,5 °C viaja como 725 (×10). Lee el manual para saber la escala.
Valores de 32 bits
Ocupan 2 registros, y el orden de las palabras cambia según el fabricante. Si ves 1,2e+38, invierte las palabras.
El caso ATV12
Palabra de mando 8501, consigna en Hz 8502. En el S7-1200: DATA_ADDR 48503. Arranque: escribir 6 → 7 → 15. De fábrica: 19,2 kbit/s, 8E1.
Sin seguridad
Modbus no autentica ni cifra: quien llega a la red puede escribir. Lo retomamos en la S5.
RS-485 y el cableado serie
Modbus por dentro
Funciones, direcciones y tramas. Pueden usar el constructor de tramas: /lab/modbus.html
10 min
Volvemos con PROFIBUS, PROFINET y compañía
Buses de campo y Ethernet industrial
PROFIBUS, PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, CANopen
PROFIBUS
- DP (periferia descentralizada): fábrica, RS-485, hasta 12 Mbit/s.
- PA (procesos): 31,25 kbit/s, energía y datos por el mismo par, apto para zonas con riesgo de explosión. Se une a DP con un acoplador DP/PA.
- Maestro/esclavo, con paso de testigo si hay varios maestros.
- Hasta 126 direcciones; 32 estaciones por segmento.
- Archivo de cada equipo: GSD. Conectores con terminación integrada.
Longitud por segmento (DP)
| Velocidad | Metros |
|---|---|
| 9,6 a 93,75 kbit/s | 1200 |
| 187,5 kbit/s | 1000 |
| 500 kbit/s | 400 |
| 1,5 Mbit/s | 200 |
| 3 a 12 Mbit/s | 100 |
Con repetidores se suman segmentos.
¿Por qué el Ethernet de oficina no alcanza?
- TCP/IP tiene retardos variables: cada capa procesa, y el tráfico compite.
- Para control hace falta determinismo: el dato llega siempre a tiempo.
- Los switches full dúplex eliminan las colisiones, pero no garantizan tiempos por sí solos.
Tres caminos
1 · Saltar capas por software: PROFINET RT
2 · Reservar tiempo en hardware: PROFINET IRT
3 · Una trama que pasa por todos: EtherCAT
4 · Productor/consumidor sobre UDP: EtherNet/IP
PROFINET
- IO-Controller (PLC) · IO-Device (E/S, variadores) · IO-Supervisor (ingeniería).
- RT: datos cíclicos directo sobre Ethernet (EtherType 0x8892), del orden de milisegundos. No atraviesa routers.
- IRT: ciclos de hasta 31,25 µs, con hardware compatible.
- NRT: configuración y diagnóstico por TCP/IP, que sí se enrutan.
- Cada equipo tiene un nombre; el controlador le asigna la IP (DCP). Archivo: GSDML.
| Clase | Qué agrega |
|---|---|
| CC-A | RT, alarmas, diagnóstico, topología |
| CC-B | Diagnóstico SNMP; opcional MRP (anillo) |
| CC-C | IRT para control de movimiento |
Mantiene PI (PROFIBUS & PROFINET International).
EtherNet/IP
- Capa de aplicación: CIP, la misma de DeviceNet y ControlNet.
- Scanner (PLC) y adapter (E/S, variadores).
- Mensajes implícitos: E/S cíclicas por UDP 2222, cada RPI. Modelo productor/consumidor.
- Mensajes explícitos: configuración y lecturas a pedido, por TCP 44818 (cliente/servidor).
- Redundancia en anillo: DLR. Archivo: EDS. Mantiene ODVA.
Dónde se usa
Red nativa de Rockwell Automation (Allen-Bradley). Muy difundida en Norteamérica y en plantas con PLC ControlLogix y CompactLogix.
EtherCAT y CANopen
EtherCAT
- Una trama recorre todos los esclavos: cada uno lee y escribe al vuelo.
- Sin switches: cadena, árbol o anillo.
- Relojes distribuidos: sincronía por debajo de 1 µs.
- Ciclos de decenas de microsegundos. Mantiene ETG.
CANopen
- Sobre bus CAN: multimaestro con arbitraje por prioridad.
- Solo la gestión de red (NMT) es maestro/esclavo.
- PDO: datos de proceso · SDO: parámetros.
- Hasta 127 nodos; 1 Mbit/s en tramos cortos. Maquinaria móvil, médica, robots. Mantiene CiA.
Otros que vas a encontrar
| Protocolo | Qué es | Dónde |
|---|---|---|
| S7 (Siemens) | ISO-on-TCP, puerto 102. PUT/GET requiere permiso en la CPU y DB no optimizado. Sin autenticación en su versión clásica | TIA Portal, HMI, PLC ↔ PLC Siemens |
| IO-Link | Punto a punto, cable de 3 hilos, hasta 20 m; diagnóstico y parámetros del sensor | Sensores y actuadores inteligentes |
| AS-Interface | Cable plano amarillo de 2 hilos: datos y energía | Sensores binarios simples |
| HART | Señal digital superpuesta al 4–20 mA (1200 bit/s) | Instrumentos de proceso |
| DeviceNet | CIP sobre CAN | Plantas Allen-Bradley antiguas |
Ventajas y desventajas
| Protocolo | Ventajas | Desventajas |
|---|---|---|
| Modbus RTU | Simplísimo, barato, lo tiene casi todo equipo | Lento con muchos esclavos; sin seguridad; sin diagnóstico |
| Modbus TCP | Simple sobre Ethernet; varios clientes; fácil de integrar | No determinista; sin seguridad; sin descripción de datos |
| PROFIBUS DP/PA | Probado, robusto; PA lleva energía y sirve en zonas Ex | Tecnología en declive; cableado y diagnóstico más exigentes |
| PROFINET | Determinista, diagnóstico rico, convive con TCP/IP; líder en nodos nuevos | RT no se enruta; IRT exige hardware; configuración más compleja |
| EtherNet/IP | Ethernet y TCP/IP estándar; fuerte en plantas Rockwell | Requiere buena gestión de multicast; ecosistema muy ligado a un fabricante |
| EtherCAT | El más rápido; sin switches; sincronía excelente | Topología propia: no se mezcla con Ethernet común en el mismo tramo |
| CANopen | Robusto, barato, ideal en máquinas compactas | Poca velocidad y distancia; 127 nodos |
¿Qué se instala hoy, y cómo elijo?
Nodos Ethernet industriales nuevos (2024)
Ethernet industrial: 76 % de los nodos nuevos. Fuente: HMS Networks, Industrial Network Report 2025.
Preguntas para elegir
- ¿De qué marca es el PLC? (PROFINET con Siemens, EtherNet/IP con Rockwell)
- ¿Qué tiempo de ciclo necesito? (movimiento: EtherCAT o IRT)
- ¿Hay zona Ex o instrumentos de proceso? (PA, Ethernet-APL, HART)
- ¿Qué traen los equipos que ya tengo? (Modbus está en casi todo)
- ¿Cuánto cuesta y quién lo va a mantener?
Protocolos industriales
Hechos de cada protocolo y casos reales para elegir.
Lo que vimos hoy
- RS-485: en línea, terminado en los dos extremos, 32 cargas; a más distancia, menos velocidad.
- Modbus: 4 tablas, funciones 01–06/15/16, direcciones desde 0 en la trama; RTU con CRC, TCP con MBAP y puerto 502.
- PROFINET RT salta IP y TCP; IRT necesita hardware; EtherNet/IP es productor/consumidor; EtherCAT procesa al vuelo.
- Se elige por marca, tiempo de ciclo, entorno y equipos existentes.
- Los protocolos clásicos no tienen seguridad: S5.
S4 · Integración y configuración en TIA Portal
Veremos
- Modbus TCP y RTU en el S7-1200, paso a paso
- PUT/GET, HMI y PROFINET con equipos reales (Turck BL20, Festo CPX)
- Diagnóstico de fallas típicas
- Avance 2 del trabajo final: configurar en TIA
Para llevar
- Avance 1 del trabajo final listo y autoevaluado
- La tabla de protocolos de tu planta (parte 2.2)
- TIA Portal instalado y PLCSIM
- Un simulador Modbus en la PC (te paso el enlace en el LMS)
Ticket de salida
Gracias
El constructor de tramas y la animación de tiempo real quedan en el aula