Desenvolvimento de um middleware de integração entre Modbus e OPC-UA

Abstract

Apesar de ter sido publicado várias décadas atrás, o protocolo Modbus permanece como um dos mais utilizados no cenário industrial, principalmente em sistemas de automação utilizando CLPs, sensores e sistemas SCADA. Entretanto, o protocolo possui diversas limitações, principalmente no que se refere a segurança, uma vez que não possui elementos nativos que garantam a confidencialidade e a disponibilidade da informação, por exemplo. Novos e mais estruturados protocolos têm surgido ao longo dos anos, principalmente com o advento da indústria 4.0, como é o caso do OPC UA, que apresenta maior robustez e diversas soluções para segurança da informação. Dessa forma, este trabalho objetiva estudar as limitações oriundas do protocolo Modbus e as consequências da sua vasta utilização no mercado industrial, bem como apresentar uma solução viável para integrar o OPC UA a sistemas que utilizam Modbus. Para isso, foi realizada uma pesquisa acerca dos impactos causados por sistemas legado utilizando Modbus na indústria, explorando suas restrições estruturais e questões relacionadas a segurança e integridade da informação. Além disso, foi apresentada a implementação de middlewares como solução para essas limitações, de forma que seja possível aproveitar os benefícios de protocolos como o OPC UA sem que seja necessário reorganizar toda a estrutura de um sistema. Sendo assim, foi desenvolvido um protótipo de um middleware atuando como gateway entre Modbus e OPC UA, de forma a facilitar a integração de sistemas e apresentar possíveis soluções de segurança. O protótipo foi capaz de transferir a informação com sucesso em ambos os sentidos, além de contar com a funcionalidade de conversão entre Modbus TCP e Modbus Serial.

Despite being published many decades ago, Modbus protocol remains as one of the most popular protocols in the industrial environment, especially in the case of automation systems, which make use of PLCs, sensors and SCADA. However, it holds many limitations, especially when it comes to security issues, once it does not assure, by any means, data confidentiality and availability. Newer and better organized protocols have been published in the recent years, especially with the advent of Industry 4.0, which is the case of OPC UA, once it is more robust and presents several solutions regarding data security issues. Therefore, this work intends to study some of the limitations of the Modbus protocol and the consequences of its vast utilization in the industrial environment, also presenting a practicable solution capable of integrating OPC UA to Modbus predominant systems. Hence, a research about the impact of legacy systems utilizing Modbus has been developed, exploring its structural limitations and data security and integrity issues. Furthermore, the implementation of middlewares as a solution to these limitations is presented, making it possible to take advantage of the benefits of protocols like OPC UA while still maintaining the original structure of the system as a whole. Thus, a gateway prototype between Modbus and OPC UA has been developed, in order to facilitate multi-system integration and present potential security solutions. The gateway prototype was successfully capable of redirect data between protocols in both ways, in addition to a feature that also makes it capable of redirecting data between Modbus TCP and Modbus RTU.