O que é Modbus: Aprenda sobre o popular protocolo de comunicação que alimenta a IIoT

Os sistemas de automação industrial constituem a espinha dorsal das modernas instalações de produção e indústrias de processo. Esses sistemas dependem da troca contínua de dados entre vários dispositivos para monitorar e controlar processos industriais de forma eficiente. Apoiando a infraestrutura de comunicação de quase todos os sistemas de automação industrial está o Modbus – um protocolo de comunicação aberto e isento de royalties que se tornou onipresente em todo o cenário industrial. Com mais de 40 anos de confiabilidade comprovada, o Modbus potencializa a troca de dados em uma ampla gama de dispositivos de automação – desde sensores e atuadores no chão de fábrica até controladores lógicos programáveis (CLPs) e interfaces homem-máquina (IHMs). À medida que as instalações industriais adotam a Internet das Coisas Industrial (IIoT) para obter insights acionáveis a partir de dados de máquinas, o Modbus deverá desempenhar um papel ainda mais significativo nesta próxima revolução industrial, permitindo a comunicação entre dispositivos legados e novas plataformas IIoT.

Este artigo desvenda os fundamentos do protocolo Modbus, explora seu papel na automação industrial e revela como ele está preparado para servir como espinha dorsal de comunicação, permitindo o ecossistema IIoT. Vamos começar traçando as origens deste protocolo industrial por excelência.

Desvendando a gênese do Modbus

O protocolo de comunicação Modbus foi desenvolvido em 1979 pelo fabricante de PLC Modicon (agora Schneider Electric) para permitir a comunicação entre seus controladores programáveis e computadores. Naquela época, os protocolos de comunicação proprietários limitavam a interoperabilidade entre PLCs e sistemas supervisórios de diferentes fornecedores. A Modicon criou o Modbus como um protocolo simples e aberto para superar essa deficiência.

O Modbus foi projetado pensando em ambientes industriais e pode operar de forma confiável em conexões seriais RS-232 e RS-485. Sua simplicidade, abertura e confiabilidade levaram à adoção generalizada do Modbus como padrão de fato para conexão de dispositivos eletrônicos industriais. Hoje, o Modbus evoluiu para um protocolo de comunicação flexível e independente do fornecedor para uma vasta gama de aplicações de automação e controle.

Decodificando a arquitetura do protocolo Modbus

O protocolo Modbus utiliza uma arquitetura mestre-escravo, onde um dispositivo mestre centralizado inicia toda a comunicação com vários escravos conectados. Esta topologia simples, porém eficaz, permite fácil supervisão e controle de vários dispositivos de automação remota a partir de um computador central.

O mestre envia comandos para escravos individuais usando códigos de função Modbus. Esses códigos de função definem o tipo de solicitação feita pelo mestre – como leitura de status de entrada, estados de bobina, valores de registro ou dados de diagnóstico. Com base no código de função, cada escravo sabe como interpretar os dados subsequentes da solicitação e como formatar sua resposta. Isso elimina a necessidade de incorporar informações complexas específicas do dispositivo nas mensagens.

Por exemplo, o mestre pode enviar o Código de Função 03 para ler os registradores de retenção em um dispositivo escravo. O escravo interpretaria esta solicitação corretamente e enviaria os valores do registro em sua resposta. Esta abordagem modular permite a interoperabilidade entre mestres e escravos de vários fornecedores.

Explorando os sabores da comunicação Modbus

O protocolo Modbus evoluiu ao longo dos anos em variantes adequadas para diversos meios de comunicação e redes:

Modbus RTU

Modbus RTU (Unidade Terminal Remota) transmite dados em formato binário compacto através de conexões seriais RS-232, RS-485 e RS-422. A representação compacta de dados permite o uso eficiente de largura de banda limitada. Além disso, o formato RTU utiliza verificação de erros CRC para garantir uma transferência de dados confiável – essencial para ambientes industriais propensos a ruído eletromagnético.

Com fiação simples, as redes Modbus RTU podem conectar vários dispositivos espalhados por grandes áreas físicas. Isso torna o Modbus RTU adequado para conectar vários sistemas de automação, módulos de E/S e dispositivos de borda em ambientes industriais.

Modbus ASCII

O Modbus ASCII envia dados em formato ASCII legível por humanos, proporcionando transparência ao custo de maiores requisitos de largura de banda. Embora menos eficiente que o formato RTU, o ASCII pode facilitar a depuração de problemas de comunicação. O Modbus ASCII usa verificação de erros baseada em soma de verificação para integridade dos dados.

Sendo software compatível com Modbus RTU, as variantes ASCII são fáceis de implementar em dispositivos Modbus existentes com apenas pequenas alterações de firmware. Isto permite que o mesmo modelo de dispositivo possa ser utilizado em redes ASCII ou RTU.

Modbus TCP/IP

O Modbus TCP/IP encapsula mensagens Modbus em quadros TCP/IP padrão, facilitando a comunicação em redes Ethernet e na Internet. Isso permite que os dados Modbus atravessem longas distâncias e sejam roteados pela infraestrutura TCP/IP existente. O Modbus TCP/IP fornece uma interface abstrata acima das camadas de transporte físico – permitindo a integração através de diversas redes e meios.

Com as redes TCP/IP se tornando difundidas, o Modbus TCP tem visto uma rápida adoção para redes de E/S distribuídas, conectando PLCs através de LANs, monitoramento remoto de dispositivos e sistemas SCADA. Sua vantagem sobre Modbus RTU e ASCII é a capacidade de integração perfeita com a infraestrutura de rede existente.

O que é Modbus: Aprenda sobre o popular protocolo de comunicação que alimenta a IIoT

Revelando os tipos de dados suportados pelo Modbus

Como protocolo industrial, o Modbus fornece acesso a todos os dados críticos necessários em aplicações de automação e controle. Esses dados transacionais são disponibilizados por meio de quatro registros primários:

Entradas Discretas (DI): Valores binários de ativação/desativação, como estados do sensor.

Bobinas (DO): Estados de saída binária para controlar atuadores.

Registros de entrada (IR): dados de 16 bits, como medições de sensores.

Holding Registers (HR): dados de 16 bits como setpoints e contadores.

Além disso, o Modbus permite a transferência de valores analógicos como temperaturas e pressões usando representação de dados de ponto flutuante de 32 bits. O Modbus também pode transmitir texto e strings hexadecimais para fins de diagnóstico e depuração.

Este suporte abrangente de tipos de dados permite que os mestres Modbus acessem todos os principais parâmetros necessários para controle de automação, aquisição de dados, configuração de dispositivos e solução de problemas. A seleção cuidadosa dos tipos de dados apropriados para cada parâmetro é necessária ao projetar sistemas Modbus robustos.

Revolucionando a automação industrial com Modbus

Desde a sua criação, o Modbus provou ser indispensável em uma infinidade de aplicações de automação em diversos setores, como manufatura, petróleo e gás, energia, água/águas residuais, transporte, mineração e infraestrutura predial.

Em ambientes industriais, o Modbus permite a comunicação entre sensores, acionamentos de motores, PLCs, IHMs, registradores de dados e sistemas de supervisão – fornecendo recursos completos de monitoramento e controle. Conectividade robusta, fiação mínima, fácil solução de problemas e longevidade são os principais motivos pelos quais o Modbus é encontrado onipresente em quase todas as instalações industriais.

Por exemplo, numa fábrica automóvel, o Modbus pode ligar câmaras de visão e braços robóticos na linha de montagem ao PLC que controla as correias transportadoras e as estações de paragem – coordenadas por um sistema SCADA central. Essa integração maximiza a produtividade da planta através da troca contínua de dados vitais de máquinas e processos.

O Modbus também tem sido fundamental para modernizar as capacidades de comunicação em sistemas de automação legados existentes em todos os setores. Sua flexibilidade e foco nos aspectos essenciais da comunicação permitiram que até mesmo equipamentos de automação com décadas de existência trocassem dados, evitando a necessidade de substituições dispendiosas.

Alimentando a Internet das Coisas Industrial (IIoT) com Modbus

A IIoT promete uma mudança radical na eficiência e na produtividade, possibilitada por processos industriais inteligentes e auto-otimizados. Isto requer adquirir e agregar grandes quantidades de dados em tempo real de ativos industriais e transformá-los em inteligência operacional utilizando análises de ponta.

A troca confiável de informações entre os sistemas de automação existentes e a nova infraestrutura IIoT requer um protocolo de comunicação de nível industrial. Com implantações comprovadas em grande escala ao longo de mais de 40 anos, o Modbus serve como o intercâmbio de dados ideal, ligando sistemas IIoT legados e contemporâneos.

Para implementações greenfield de IIoT, o suporte nativo para Modbus na maioria dos sensores, drives, controladores e softwares de análise habilitados para IIoT garante interoperabilidade pronta para uso. Para ambientes brownfield, sistemas legados de automação e SCADA com interfaces Modbus podem migrar dados perfeitamente para corretores MQTT, plataformas industriais de nuvem e painéis analíticos – fornecendo recursos de IIoT sem revisar a infraestrutura existente.

O MODBUS fornece, portanto, a compatibilidade retroativa ideal e a interoperabilidade futura exigidas no ecossistema IIoT, compreendendo componentes antigos e de última geração.

Garantindo a interoperabilidade e a neutralidade do fornecedor com Modbus

Um fator-chave por trás do sucesso do Modbus tem sido sua especificação de protocolo publicada e isenta de royalties, que promove a interoperabilidade. Os fornecedores de equipamentos de automação podem utilizar diretamente o padrão aberto em seus produtos, sem acordos de licenciamento. Isso permite que os integradores de sistemas combinem facilmente produtos compatíveis com Modbus de diversas empresas.

Essa flexibilidade e neutralidade do fornecedor são fundamentais para o cenário da IIoT, que visa promover a colaboração entre sistemas de informação (TI) e operacionais (TO). Dentro de uma arquitetura IIoT, o Modbus pode trocar livremente dados de instrumentos, controladores, drives, hardware de rede e sistemas de software entre fornecedores para desbloquear produtividade e inovações.

Além disso, um protocolo aberto como o Modbus mantém os fornecedores competitivos em suas ofertas, ao mesmo tempo que mantém a compatibilidade. Os usuários aproveitam o ritmo mais rápido da inovação e a queda nos custos das soluções – consolidando a longevidade desse padrão.

Resolvendo questões de segurança na comunicação Modbus

Embora extremamente robusta e confiável, a comunicação Modbus foi projetada para links seriais isolados entre sistemas de automação confiáveis, e não para exposição direta à Internet. Conseqüentemente, tecnologias de conectividade como o Modbus TCP introduzem potenciais vulnerabilidades de segurança cibernética que podem permitir ataques remotos.

Proteger o equipamento atrás de múltiplas zonas de firewall, colocar servidores Modbus em VLANS separadas e usar sistemas de detecção de intrusão específicos do Modbus ajudam a mitigar os riscos. A segurança da camada de transporte (TLS) e as redes privadas virtuais (VPN) podem criptografar o tráfego Modbus TCP, evitando ao mesmo tempo colocar controladores na rede. DMZ limita a exposição.

Mais fábricas também estão utilizando gateways de camada de aplicação que filtram e validam solicitações Modbus recebidas antes de encaminhá-las para controladores físicos para evitar acesso malicioso a dados. Esta abordagem de “defesa profunda” aumenta a segurança sem afetar os fluxos normais de comunicação Modbus subjacentes ao sistema de automação central.

Embora seja necessária vigilância, existem várias técnicas para aproveitar protocolos abertos como o Modbus com segurança, mesmo quando se adota a conectividade IIoT que impulsiona as fábricas do futuro.

FAQs

Abaixo estão algumas perguntas comuns para esclarecer ainda mais os fundamentos da tecnologia Modbus para profissionais de automação e praticantes de IIoT:

Quais são as principais vantagens da utilização do Modbus em sistemas de automação industrial?

Alguns dos principais benefícios que tornam o Modbus o protocolo de comunicação industrial mais confiável são:

1. Confiabilidade – A verificação robusta de erros CRC em links seriais barulhentos torna o Modbus extremamente confiável para transferências de dados industriais de missão crítica.

2. Interoperabilidade – O padrão aberto garante que componentes de vários fornecedores possam trocar dados críticos sem problemas.

3. Simplicidade – A sobrecarga muito baixa permite que até mesmo dispositivos básicos implementem facilmente a comunicação Modbus.

4. Maturidade – Implementações comprovadas em grande escala há mais de 40 anos validam a longevidade do protocolo.

5. Flexibilidade – A disponibilidade em diversas mídias, como serial, Ethernet e sem fio, permite uma integração holística.

Como o Modbus se compara a outros protocolos de comunicação industrial, como PROFIBUS e Ethernet/IP?

Embora compartilhem aplicações semelhantes, cada protocolo tem pontos fortes únicos:

Modbus – Solução simples e independente de fornecedor, ideal para dispositivos de campo básicos.

PROFIBUS – Comunicação determinística de alta velocidade para automação de fábrica em tempo crítico.

EtherNet/IP – Integração perfeita de dados de automação industrial com infraestrutura de TI empresarial.

A seleção do protocolo apt depende dos recursos necessários de suporte ao dispositivo, velocidade, necessidades de sincronização, integração de TI e ecossistema do setor. Para aplicações PLC legadas de pequeno e médio porte, o Modbus pontua em simplicidade e interoperabilidade.

Quais são as considerações ao selecionar a variante Modbus apropriada para uma aplicação específica?

1. Taxa de transferência de dados necessária – Selecione RTU para links seriais de baixa largura de banda ou TCP para aplicativos de rede de alto volume.

2. Compatibilidade de rede – TCP/IP se a aplicação tiver Ethernet enquanto a RTU usa infraestrutura serial existente.

3. Tempos de resposta necessários – a RTU tem latência mínima mesmo em links lentos.

4. Distância entre dispositivos – O Modbus serial funciona em distâncias de cabos maiores.

5. Ambiente físico – a verificação de erros da RTU é adequada para ambientes industriais adversos.

Como posso garantir uma comunicação Modbus segura e confiável na minha rede industrial?

Estratégias para salvaguardar a infraestrutura Modbus:

  • Isole o tráfego Modbus da LAN corporativa
  • Utilize firewalls Modbus para validar mensagens
  • Habilite túneis VPN se o Modbus atravessar redes públicas
  • Bloqueie o acesso indesejado à Internet para servidores Modbus
  • Autentique clientes IHM antes de conceder acesso ao PLC
  • Monitore continuamente padrões incomuns de atividade Modbus

Quais são as tendências futuras na tecnologia Modbus e como ela continuará a impactar a IIoT?

Com a conectividade à Internet a tornar-se omnipresente, a crescente adoção de redes sem fios e a procura por mobilidade de dados a crescer exponencialmente – o Modbus está preparado para aproveitar a próxima onda de interoperabilidade industrial liderada pela adoção da IIoT. Esses desenvolvimentos moldarão a evolução do Modbus:

  • Modbus TCP difundido em dispositivos e gateways IIoT
  • Variantes Modbus sem fio aprimoradas utilizando redes mesh
  • TLS/DTLS padronizado para comunicação Modbus segura
  • Inclusão de diagnóstico remoto, atualizações de firmware e recursos de gerenciamento de ativos
  • Explorando tecnologias de contabilidade distribuída para proteger redes massivas de dispositivos Modbus
  • Suporte contínuo para Modbus em plataformas modernas de nuvem, sistemas analíticos e IHMs móveis

A simplicidade e versatilidade que posicionaram o Modbus como o eixo central da comunicação de automação por mais de quatro décadas garantirão que ele permaneça essencial para a interoperabilidade nas indústrias digitais hiperconectadas emergentes do futuro.

Conclusão

O Modbus consolidou seu status como o padrão de fato que sustenta a comunicação para automação industrial em todos os setores e processos. Sua longevidade decorre de características-chave que atendem aos principais requisitos deste domínio – simplicidade, confiabilidade, interoperabilidade e eficiência. À medida que a IIoT inaugura uma era de conectividade e inteligência em todo o cenário industrial, o Modbus está se preparando para permitir essa transformação, fornecendo uma estrutura de comunicação robusta que conectará tecnologias legadas e de ponta em sistemas ciberfísicos inteligentes e integrados. Ao falar a linguagem atemporal dos 1s e 0s ao longo de 40 anos, o Modbus preparou-se para impulsionar os próximos 40 anos de evolução industrial.