Introdução
Modbus é um protocolo de comunicação amplamente utilizado em sistemas de automação e controle industrial. Ele fornece comunicação cliente/servidor entre dispositivos industriais, como CLPs, módulos de E/S, drives de motor, sensores, roteadores celulares industriais e atuadores.
Existem duas variantes populares de Modbus usadas em redes industriais – Modbus RTU e Modbus TCP/IP. Ambos os protocolos são usados para estabelecer comunicação mestre-escravo entre dispositivos industriais.
O Modbus RTU utiliza comunicação serial através de interfaces RS-485 ou RS-232. Ele transfere dados em formato binário. O Modbus TCP/IP usa redes Ethernet e a pilha de protocolos TCP/IP para comunicação Cliente/Servidor. Ele codifica dados no formato ASCII.
Neste guia abrangente, nos aprofundaremos nos protocolos Modbus RTU e Modbus TCP/IP, suas funcionalidades, benefícios, limitações e aplicações. Faremos também uma análise comparativa de ambos os protocolos para entender quando usar Modbus RTU e quando adotar Modbus TCP/IP.
Modbus RTU
Modbus RTU (Unidade Terminal Remota) utiliza o padrão de comunicação serial RS-485 para comunicação Mestre-Escravo. Os dados binários são transferidos serialmente entre dispositivos Modbus em uma rede.
Como funciona
- O Modbus RTU usa uma arquitetura mestre-escravo onde um dispositivo opera como mestre e os outros como escravos.
- O dispositivo mestre inicia e controla toda a comunicação enviando mensagens de comando e recebendo mensagens de resposta.
- Os dispositivos escravos simplesmente respondem fornecendo os dados solicitados ou agindo conforme comandado pelo mestre.
- A interface serial RS-485 é usada para transferência de dados entre dispositivos Modbus RTU. RS-485 permite que vários dispositivos escravos se conectem a um único mestre na mesma rede.
- Os dados são transferidos entre dispositivos Modbus em formato binário. Cada byte contém dois caracteres hexadecimais usando valores de 0 a 9 e AF.
- As mensagens Modbus RTU possuem estruturas de dados definidas que tanto o mestre quanto o escravo devem seguir.
- A verificação de erros Cyclic Redundancy Check (CRC) é usada para detectar erros de comunicação.
Características e benefícios
Alguns dos principais recursos e benefícios do protocolo Modbus RTU são:
- Arquitetura Master-Slave – Permite controle centralizado pelo dispositivo mestre. Os dispositivos escravos não podem se comunicar diretamente.
- Comunicação serial RS-485 – Permite que vários dispositivos escravos se conectem a um único mestre em configuração multiponto em longas distâncias.
- Transferência de dados binários – tamanho de mensagem menor que ASCII, transferência rápida de dados com alto rendimento.
- Estruturas de dados predefinidas – Fácil de implementar e decodificar em dispositivos escravos usando lógica de firmware simples.
- Verificação de erros CRC – Garante a integridade da transferência de dados entre mestre e escravo.
- Ampla adoção pela indústria – Usado em setores como manufatura, serviços públicos, automação predial, etc. Operação confiável.
Limitações
Apesar de suas vantagens, o Modbus RTU também apresenta as seguintes limitações:
- Único Mestre – Somente um dispositivo mestre pode existir na rede. A redundância requer programação complexa.
- Comprimento limitado do cabo – Os cabos RS-485 são limitados a cerca de 1.000 metros. Além disso ocorre degradação do sinal.
- Sem suporte de rede IP – Modbus RTU não oferece suporte nativo a redes TCP/IP e conectividade com a Internet.
- Modelo de dados fixo – Tamanho limitado da PDU e número de tipos de dados suportados de acordo com a especificação Modbus.
- Endereçamento manual – Os endereços escravos devem ser configurados manualmente em cada dispositivo escravo Modbus RTU.
Modbus TCP/IP
O Modbus TCP/IP utiliza redes Ethernet e TCP/IP para a implementação do protocolo Modbus em uma rede IP. Os dados são codificados no formato ASCII e transmitidos por TCP/IP.
Como funciona
- Modbus TCP/IP usa redes TCP/IP e Ethernet padrão para comunicação Mestre-Escravo.
- O dispositivo Master utiliza software cliente TCP/IP e os escravos possuem software servidor TCP/IP.
- Em vez de RS-485, adaptadores ou switches Ethernet conectam dispositivos Modbus TCP/IP.
- As mensagens de solicitação/resposta Modbus são encapsuladas usando um cabeçalho de protocolo de aplicativo Modbus.
- Os dados são codificados no formato ASCII e transmitidos usando protocolos TCP/IP padrão.
- Mecanismos TCP/IP, como portas, fornecem verificação de erros e confirmação de entrega.
- O endereçamento IP identifica exclusivamente cada dispositivo Modbus na rede.
Características e benefícios
As principais vantagens oferecidas pelo Modbus TCP/IP incluem:
- Compatível com Ethernet Padrão – Permite integração com redes Ethernet existentes.
- Pilha de protocolo TCP/IP – Permite conectividade semelhante à Internet e recursos da Web.
- Comunicação de Longa Distância – O cabeamento Ethernet permite redes Modbus de longa distância através de LAN e WAN.
- Identificação baseada em endereço IP – Cada dispositivo Modbus possui um endereço IP exclusivo para endereçamento.
- Codificação de dados ASCII – ASCII é autodescritivo e legível por humanos. A depuração é mais fácil.
- Acesso e controle baseados na Web – O TCP/IP permite o monitoramento remoto de redes Modbus baseado na Web.
- Compatível com firewall – A porta TCP 502 usada pelo Modbus TCP geralmente é aberta em firewalls industriais.
Limitações
Algumas desvantagens de usar Modbus TCP/IP são:
- Sobrecarga TCP/IP – A implementação de uma pilha TCP/IP completa requer mais recursos em dispositivos escravos.
- Aumento da sobrecarga de quadros – a codificação ASCII aumenta o tamanho das mensagens, reduzindo o rendimento.
- Retransmissões TCP – O TCP tenta novamente garantir a entrega, mas pode causar atrasos na resposta do Modbus.
- Congestionamento em redes ocupadas – Gargalos de Ethernet industrial podem afetar o desempenho do Modbus TCP.
- Riscos de segurança – O TCP/IP expõe o sistema Modbus a ataques cibernéticos, uma vez que a Ethernet é acessível através de WAN.
Comparação de Modbus RTU e Modbus TCP/IP
Faremos agora uma análise comparativa entre Modbus RTU e Modbus TCP/IP em vários parâmetros:
| Característica | Modbus RTU | Modbus TCP/IP |
|---|---|---|
| Topologia de rede | Barramento linear/em cadeia | Estrela, árvore ou malha |
| Mídia Física | Cabeamento serial RS-485 | Cabeamento Ethernet CAT5e/CAT6 |
| Transferência de dados | Binário | ASCII |
| Endereçamento | Endereçamento escravo de 8 bits | Endereçamento IP de 32 bits |
| Manipulação de erros | Soma de verificação CRC | Verificação de erros TCP e confirmação de entrega |
| Segurança | Isolado com riscos mínimos | Vulnerável a ataques de rede |
Notas Adicionais
- O Modbus RTU é mais simples de implementar e mais barato que o Modbus TCP/IP.
- O Modbus TCP/IP é mais flexível e escalável e pode ser usado em redes Ethernet existentes.
- O Modbus TCP/IP é mais rápido que o Modbus RTU, mas tem maior latência devido à sobrecarga do TCP/IP.
- O Modbus TCP/IP requer mais considerações de segurança do que o Modbus RTU.
Quando usar Modbus RTU
Modbus RTU é adequado para os seguintes tipos de aplicações:
- Redes Modbus menores com até 32 dispositivos escravos
- Comunicação em distâncias curtas dentro de uma fábrica ou fábrica
- Conectividade Modbus para dispositivos e aplicações seriais legados
- Redes de controle que exigem transferência de dados binários em alta velocidade
- O isolamento lógico da rede é necessário por motivos de segurança
- Sistemas Modbus fortemente acoplados sem requisitos de acesso remoto
- Aplicações sensíveis ao orçamento devido ao menor custo da infraestrutura serial
Quando usar Modbus TCP/IP
Modbus TCP/IP é a solução preferida quando:
- É necessária integração com redes Ethernet existentes
- Conectividade Modbus em distâncias locais e globais
- É necessária capacidade de monitoramento e controle remoto baseado na Web
- Interoperação com muitos mestres e escravos Modbus
- A capacidade de expansão futura para um número maior de dispositivos está planejada
- Historiadores de dados e software em tempo real exigem conectividade IP
- Sistemas centralizados de controle de supervisão e aquisição de dados (SCADA)
- A conformidade regulatória exige medidas de segurança cibernética como VPNs
A melhor escolha para sua aplicação dependerá de suas necessidades específicas. Se você precisa de uma solução simples e econômica para uma rede pequena, o Modbus RTU pode ser uma boa escolha. Se você precisar de uma solução mais flexível e escalável para uma rede maior, o Modbus TCP/IP pode ser uma escolha melhor.
Estudos de caso
Fábrica migra de Modbus RTU para Modbus TCP
Um grande fabricante de peças automotivas tinha um sistema de produção que utilizava CLPs e acionamentos de motores interconectados por uma rede Modbus RTU. À medida que a produção aumentava, eles precisavam expandir o sistema adicionando novos PLCs, estações IHM e drives. No entanto, passar longos cabos RS-485 do chão de fábrica até a sala de controle estava se tornando complexo e sujeito a falhas.
Eles decidiram migrar para Modbus TCP/IP para que as novas seções pudessem ser interligadas por cabeamento Ethernet CAT6. A rede RS-485 existente foi mantida para compatibilidade legada. Um dispositivo gateway Modbus foi instalado para rotear dados entre os antigos CLPs RS-485 e a nova rede TCP/IP. Isso proporcionou uma solução de atualização escalável sem interromper as operações atuais.
Power Utility implementa Modbus TCP/IP SCADA reforçado
Uma concessionária de energia elétrica queria modernizar seu sistema legado Modbus RTU SCADA para sua rede de média tensão. Eles precisavam de uma solução segura e confiável para gerenciar seus ativos de campo, como subestações, estações de alimentação e dispositivos de automação de distribuição. Modbus TCP/IP em uma rede Ethernet privada foi selecionado como protocolo de comunicação.
A segurança cibernética foi um requisito importante para o novo sistema SCADA. A concessionária trabalhou com o integrador de sistemas para implantar medidas de segurança como túneis VPN entre subestações, switches Ethernet gerenciados, firewalls e controle de acesso baseado em função. A rede Modbus TCP/IP reforçada forneceu monitoramento e controle de alta disponibilidade com proteção contra invasões cibernéticas remotas.
Perguntas frequentes
Qual é a diferença entre Modbus RTU e Modbus TCP/IP?
As principais diferenças são:
- Modbus RTU usa comunicação serial RS-485 enquanto Modbus TCP usa redes Ethernet TCP/IP
- O Modbus RTU possui uma arquitetura mestre-escravo, enquanto o Modbus TCP permite vários mestres e escravos simultâneos
- Modbus RTU transfere dados binários enquanto Modbus TCP usa codificação ASCII
- Modbus RTU usa verificação de erros CRC e Modbus TCP depende de TCP para confirmação de entrega
Qual protocolo é melhor, Modbus RTU ou Modbus TCP/IP?
Não há um vencedor claro. Modbus RTU é melhor para conexões seriais curtas sem acesso remoto. O Modbus TCP/IP é melhor para conexão em distâncias locais e globais e para monitoramento baseado na web. A escolha depende dos requisitos da aplicação.
Como escolho entre Modbus RTU e Modbus TCP/IP?
Considere fatores como distância de rede necessária, número de dispositivos, velocidade de comunicação, necessidades de segurança cibernética, compatibilidade de legado, restrições de custos e capacidade de expansão futura. Para uma nova rede pequena e independente, o Modbus RTU pode ser suficiente. Para grandes implementações em vários locais, o Modbus TCP/IP é preferível.
Posso usar Modbus RTU e Modbus TCP/IP na mesma rede?
Sim, é possível utilizar gateways Modbus que traduzem entre os protocolos Modbus RTU e Modbus TCP. Isso permite a migração gradual de redes seriais para redes baseadas em Ethernet.
Conclusão
Modbus RTU e Modbus TCP/IP são protocolos de comunicação industrial viáveis com pontos fortes e fracos complementares. O Modbus RTU fornece conectividade Modbus binária de alta velocidade em redes seriais econômicas. O Modbus TCP/IP permite a integração com sistemas de TI empresariais e recursos de acesso remoto baseados na Internet.
Compreender as principais diferenças em implementação, desempenho e segurança auxilia na seleção do protocolo apropriado. Para redes seriais existentes, o Modbus RTU pode ser adequado. Para novas implantações em larga escala, a flexibilidade e capacidade de expansão do Modbus TCP serão benéficas. As redes híbridas que utilizam gateways Modbus fornecem um caminho de migração que aproveita as vantagens de ambas as tecnologias.
