Modbus, OPC UA e MQTT: como as máquinas enviam dados

Para o dado de uma máquina chegar a um sistema, os dois lados precisam falar o mesmo protocolo. Modbus é um protocolo simples e muito difundido para ler registradores de CLPs e dispositivos. OPC UA é um padrão mais completo, que organiza e descreve os dados e inclui segurança. MQTT é um protocolo leve de publicação e assinatura, usado para enviar dados a um servidor. Um gateway faz a tradução quando a máquina e o sistema não falam a mesma língua.

O que é Modbus?

Um protocolo de comunicação industrial simples, criado para a leitura e a escrita de registradores em CLPs e dispositivos. É difundido e fácil de implementar, e por isso aparece em equipamentos novos e antigos. Em contrapartida, trata os dados como números em endereços, sem descrever o que cada um significa, e tem poucos recursos de segurança.

Existem duas variantes comuns. O Modbus RTU trafega em linha serial, geralmente RS-485, num esquema de mestre e escravos, e é frequente em medidores, inversores e controladores mais antigos. O Modbus TCP trafega em rede Ethernet, na porta 502, e é o que um gateway usa para falar com equipamentos em rede. Os dados ficam em registradores de 16 bits: um valor maior ou um número com casas decimais ocupa dois registradores, e a ordem dos bytes varia por fabricante. Outro ponto de atenção é o endereçamento, que algumas documentações contam a partir de zero e outras a partir de um, a fonte clássica de leitura deslocada em um registrador. O medidor de energia de um painel é um exemplo típico, tema de fator de potência e demanda contratada na indústria.

O que é OPC UA?

Um padrão de comunicação industrial que, além de transportar o dado, descreve o que ele é: nome, unidade, estrutura. Foi projetado com segurança, como autenticação e criptografia, e para funcionar entre plataformas diferentes. É a escolha comum para integrar sistemas de fabricantes distintos.

O dado é organizado como um conjunto de objetos com nome, tipo, unidade e relação entre si, e o servidor OPC UA, que costuma rodar no próprio equipamento ou num gateway, o expõe a qualquer cliente, normalmente na porta 4840. A segurança é parte do protocolo: autenticação, assinatura e criptografia, com certificados que cada lado precisa confiar. Além do modelo cliente e servidor, o padrão prevê publicação e assinatura, e há especificações complementares por tipo de máquina, como as de injetoras. É mais trabalhoso de configurar que o Modbus, e a recompensa é um dado que chega com significado.

O que é MQTT?

Um protocolo leve de publicação e assinatura: um dispositivo publica um dado em um tópico, e quem assinou o tópico o recebe, por meio de um servidor intermediário. É apropriado para enviar muitos dados de muitos dispositivos a uma plataforma, inclusive em redes limitadas.

O servidor intermediário é o broker. Os tópicos são hierárquicos (por exemplo, planta, linha, máquina e grandeza), e quem assina um tópico recebe o que for publicado nele. Há três níveis de garantia de entrega: no máximo uma vez, pelo menos uma vez e exatamente uma vez, e a escolha pesa entre confiabilidade e custo de tráfego. O protocolo ainda permite guardar o último valor de cada tópico e avisar quando um dispositivo desconecta de forma inesperada. As portas usuais são 1883 e, com criptografia, 8883. O MQTT não define o conteúdo da mensagem, e por isso a convenção de tópicos e de formato precisa ser combinada, ou adotada uma especificação como a Sparkplug, que a padroniza.

Qual a tabela de comparação?

Como os três aparecem juntos numa planta?

Um arranjo comum liga o medidor ou o CLP da máquina, que fala Modbus ou um protocolo do fabricante, a um gateway que lê por consulta periódica. O gateway converte as variáveis em mensagens com nome e unidade e as publica por MQTT ou as expõe por OPC UA. O servidor recebe, guarda o histórico e alimenta o painel, o cálculo de OEE e a integração com o ERP e o MES, como descreve MES, ERP e SCADA: diferenças e como se integram. Duas estratégias de leitura convivem: a consulta a intervalos fixos, simples e previsível, e a publicação por exceção, em que a máquina só informa quando o valor muda, o que reduz o tráfego.

O que levantar antes de conectar uma máquina

Cada máquina entra no projeto com uma pequena ficha. Ela registra o modelo do CLP ou do dispositivo, os protocolos e as portas disponíveis, a documentação do mapa de registradores ou das variáveis, o endereçamento de rede e as permissões que a TI da planta liberou. Registra também quais variáveis interessam, em que unidade e escala estão, e com que frequência precisam ser lidas. Uma variável de estado pode ser lida a cada segundo, enquanto uma energia acumulada pode ser lida a cada minuto, e ler tudo no menor intervalo possível só aumenta o tráfego e o armazenamento. Sem essa ficha, o comissionamento descobre os problemas um a um, na máquina, e o prazo estoura.

O que acontece com o dado quando a rede cai?

A pergunta é de projeto, e tem resposta técnica. Um bom gateway guarda as leituras em memória local enquanto a conexão com o servidor está interrompida e as envia quando o enlace volta, preservando o carimbo de tempo original. Sem esse armazenamento temporário, o histórico fica com buracos que distorcem a produção, as paradas e o OEE. O carimbo de tempo também importa por outra razão: o relógio dos dispositivos precisa estar sincronizado, porque eventos de máquinas diferentes só podem ser comparados se pertencem à mesma linha do tempo. E o sistema deve distinguir o valor zero do valor ausente, para que uma falha de comunicação não seja registrada como uma parada da máquina.

Quando um gateway resolve?

Quando a máquina fala um protocolo e o sistema espera outro. O gateway lê a máquina no protocolo dela, converte e publica no formato do sistema. Também serve para reunir várias máquinas em um único ponto de saída. É a forma de conectar equipamentos antigos sem trocá-los.

E a máquina que não tem saída digital?

Recebe um sensor de retrofit, que gera o pulso de peça e o estado de funcionamento, e o gateway lê o sensor. Quando nem isso é possível, o dado fica como apontamento do operador. O levantamento técnico decide, máquina por máquina.

E a segurança?

Ligar a máquina à rede muda o risco da planta, e a resposta é arquitetura. O desenho segmenta a rede de produção da rede corporativa, limita o tráfego ao necessário, usa acesso somente de leitura quando a função não exige escrita, prefere protocolos com autenticação e criptografia e controla quem pode se conectar. A série IEC 62443 reúne as referências de segurança cibernética para automação e controle industrial, e serve de guia para o diálogo com a TI. Nada disso é decidido sem a TI da planta.

Quem decide qual protocolo usar?

A combinação do que a máquina oferece e do que o sistema de destino aceita, com o aval da TI da planta sobre a rede e a segurança. A ELVEX confirma a compatibilidade de cada equipamento no levantamento, antes da proposta. O papel de cada camada está em MES, ERP e SCADA: diferenças e como se integram. O que a coleta alimenta, em indicadores e telas, está em OEE em planilha ou em software: quando migrar e em andon e gestão à vista. O CLP tem verbete no glossário, em CLP.

Do outro lado do protocolo, o software que recebe e mostra o dado é o tema de MES, ERP e SCADA: diferenças e como se integram.

Perguntas frequentes

Como as máquinas enviam dados para um sistema?

Pelo protocolo de comunicação que o equipamento oferece, como Modbus ou OPC UA, lido por um sistema ou por um gateway que converte o dado e o entrega ao destino, muitas vezes por MQTT. Máquinas sem saída digital recebem sensor de retrofit. A compatibilidade de cada equipamento é verificada no levantamento técnico.

Qual a diferença entre Modbus e OPC UA?

O Modbus é simples e lê registradores como números em endereços, sem descrever o que significam e com poucos recursos de segurança. O OPC UA transporta o dado e o descreve, com estrutura e segurança, e integra sistemas de fabricantes diferentes. O Modbus é mais fácil de implementar; o OPC UA é mais completo.

Preciso trocar meus CLPs para integrar?

Em geral, não. Um gateway pode ler o CLP no protocolo que ele já oferece e entregar o dado ao sistema. A viabilidade depende do modelo do CLP e do acesso liberado pela TI. Quando o equipamento não oferece comunicação alguma, pode ser necessário um sensor adicional, e não a troca do controlador.

Qual protocolo escolher para começar?

O que a máquina já oferece. Se o CLP ou o medidor fala Modbus, o gateway começa por ele e converte para o formato do destino; se o equipamento já expõe OPC UA, o dado chega com nome e unidade; e o MQTT entra como transporte para a plataforma. A pergunta não é qual protocolo é melhor, e sim qual combina o que a máquina tem com o que o sistema de destino aceita.

A coleta de dados compromete a segurança da rede da fábrica?

Pode comprometer se for mal projetada. Por isso a arquitetura trata a segmentação da rede, o acesso somente de leitura quando possível e o uso de protocolos com segurança. O desenho é definido com a TI da planta no levantamento, antes de qualquer conexão, e respeita as regras de segurança da empresa.