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FDI NA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

FDI Field Device Integration no Gerenciamento de Ativos na Indústria

A evolução nas conexões de dados industriais, é foco de nosso texto, grandes esforços e investimentos dos departamentos de pesquisa e desenvolvimento tecnológico estão criando novos padrões, equipamentos e softwares, permitindo pavimentar o caminho da Indústria 4.0.

Disponibilizamos três textos correlacionados, onde mostramos as novas tecnologias, o OPC-UA (OPC UA – Unified Architecture) , o TSN (Time-Sensitive Network) e o FDI (Field Device Integration), formando os novos padrões da conectividade industrial.

A transformação digital permitirá uma indústria mais inteligente, portanto mais eficiente, barata e segura, para que isso ocorra, a automação industrial tem grande papel nesta transformação, onde a Indústria 3.0, baseada na Pirâmide da Automação, se transforma nos Pilares da Automação, uma vez que Convergência, Padronização e Velocidade de dados, possibilitará que a Indústria 4.0 se torne uma realidade, rompendo as barreiras de interface, que hoje existem no modelo atual da indústria.

Quanto ao FDI, vamos falar sobre:

  • Conexão de dados de instrumentos de campo;
  • Ferramentas de Engenharia, Manutenção e Diagnóstico;
  • Gerenciamento de dados em rede industrial;
  • Convergência tecnológica de comunicação;
  • Padronização de conexões (solução aberta);
  • Evolução da conexão para IoT e Indústria 4.0.

Com o advento dos protocolos industriais e dispositivos comunicando em redes, o desenvolvimento de tecnologias que permitissem acessar dados, durante o funcionamento, para manutenção, comissionamento e monitoração, se tornaram uma realidade, as primeiras tecnologias foram baseadas em DD/EDDL em 2004, como evolução do conceito de acesso de dados, temos a tecnologia FDT/DTM em 2009 e sua evolução em 2015, com o FDI, esse é o destaque a evolução e vamos falar em mais detalhes de cada tecnologia.

EDDL Eletronic Device Description Language, é uma linguagem baseada em texto, os sistemas de automação acessam estes dados por um interpretador, é usada em forma binária DD Device Description (Hart e FF).

FDT/DTM Field Device Tool / Device Type Manager – é um sistema onde os fabricantes elaboraram os “drives” DTM (compilados) de cada equipamento e são acessados por um FDT (plataforma), o sistema depende de COM/DCOM.

Estas tecnologias têm algumas limitantes e novas demandas técnicas, podemos listar as principais:

  • Limites da EDDL por texto, limitante nas definições de dados e diagnósticos;
  • As DTM variam enormemente de fabricante para fabricante;
  • O FDT tem a dependência da COM/DCOM do Windows;
  • EDDL e FTD/DTM tem o mesmo objetivo, mas são divergentes nas soluções (como decidir?).

O FDI Field Device Integration – é uma tecnologia de comunicação de dispositivos de campo, usando rede de comunicação industrial, onde é utilizado o OPC-UA (Cliente-Servidor) unificando o modelo de informação dos dispositivos industriais.

Seus principais objetivos, como evolução dos sistemas EDDL e FDT/DTM, são:

  • Manter a compatibilidade com os sistemas legados existentes nas plantas industriais;
  • Unificar as especificações EDDL dos protocolos industriais compatíveis;
  • Manter o modelo compatível de acesso de dados via FDT.

As principais características desta tecnologia são:

  • Unificação – todas as informações (vertical e horizontal) se comunicam na rede por um único canal;
  • Padronização – independente do protocolo, o sistema permite troca de dados em diversas aplicações e níveis;
  • Interconexão – troca de dados entre equipamentos e aplicativos, utilizando rede industrial;
  • Interoperável – troca de dados entre fabricantes diferentes, compartilhando recursos;
  • Intercambiável – troca de equipamentos por outro fabricante, sem perder funcionalidade;
  • Extensibilidade – aumento de funções por agregação, sem perder o que já existe
  • Escalar – permite implantações pequenas e crescimento de acordo com a necessidade, com todas funções.

Os principais benefícios do uso do FDI, são:

  • Fácil de usar – ótima experiência para o usuário;
  • Robusto na instalação – a instalação dos drives não provoca alterações nos sistemas de automação;
  • Interoperável e em conformidade – compatível com as EDDL e experiência das DTM padronizadas;
  • Integrável e convergente – fácil trocar informações com níveis ERP e MES, por exemplo, usando o OPC-UA;
  • Manutenção de versões – compatível com versões anteriores de software e suporte as DD e DTM existentes.

O sistema do FDI se destaca por incorporar no em seu aplicativo as DP (Device Package), entenda como elas funcionam no servidor FDI:

  • DD Device Definition – faz a definição das variáveis e blocos funcionais
  • UID User Interface Description – menu dos equipamentos
  • BL Business Logic – organiza os endereçamentos dos equipamentos
  • UIP User Interface Plug-in – interface com o usuário (gráfico)
  • Dentro do DP pode-se anexar documentos dos devices

Quanto ao princípio de funcionamento do sistema do FDI:

  • O servidor FDI é quem concentra a comunicação com a rede, normalmente conectado em um controlador que faz o roteamento de dados;
  • No servidor FDI são instados os Device Package de cada equipamento, com suas definições, modos de acesso e interfaces;
  • A comunicação é feita pelo OPC-UA, permitindo que OPC-Client e FDI-Client acesse dados do servidor, utilizado em aplicativos de manutenção, monitoração, gestão (ERP, MES) e outros.

As arquiteturas dos sistemas de automação em rede, permite a conexão com o FDI, onde instala-se os drives de cada equipamento/fabricante, suportando diversos protocolos, já compatíveis no mercado.

Na operação, temos os servidores FDI, servindo dados para os Clientes, que poderão executar manutenção, operação, monitoração, engenharia, configuração, otimização e comissionamento com os equipamentos do sistema.

A aplicação de destaque do FDI está no Gerenciamento de Ativos, o sistema de automação, montado em uma rede industrial, agora com destaque a diversos padrões e protocolos, utilizando OPC-UA, pode-se executar todas as rotinas já descritas.

Com o FDI e a Indústria 4.0, o Gerenciamento de Ativos passa para um outro patamar de aplicação, incorporando novas ferramentas, podemos destacar as principais funções de um sistema atual e digitalizado:

  • Parametrização de equipamentos e dispositivos;
  • Análise on-line de status de funcionamento;
  • Controle de acesso de usuários;
  • Registro de alterações – rastreabilidade;
  • Avaliação de performance – índice;
  • Otimização de processo;
  • Gerencia dados para Cloud Computing;
  • Emite prognóstico usando Machine Learning.

Como continuidade na evolução da tecnologia, podemos destacar algumas tendências:

  • Serviços gerenciamento de dispositivos via FDI serem via Cloud com suporte do fabricante;
  • Equipamentos com OPC-UA Server incorporados, comunicando diretamente no Cloud FDI;
  • Protocolos e dispositivos de IoT (industrial), incorporarem a tecnologia FDI para gerenciamento.

Concluímos que o gerenciamento de dispositivos industriais (ativos) é uma realidade na indústria moderna, sua evolução está orientada na predição e prognóstico, via Cloud Computing, usando ferramentas de Machine Learning, para isso, a tecnologia FDI permite a interconexão entre dispositivos e sistemas, de forma simples e universal, aderente a Indústria 4.0.

REDES TSN NA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Redes Ethernet de Tempo Real – A TSN – Time-Sensitive Networking na Indústria

A evolução nas conexões de dados industriais, é foco de nosso texto, grandes esforços e investimentos dos departamentos de pesquisa e desenvolvimento tecnológico estão criando novos padrões, equipamentos e softwares, permitindo pavimentar o caminho da Indústria 4.0.

Disponibilizamos três textos correlacionados, onde mostramos as novas tecnologias, o OPC-UA (OPC UA – Unified Architecture) , o TSN (Time-Sensitive Network) e o FDI (Field Device Integration), formando os novos padrões da conectividade industrial.

A transformação digital permitirá uma indústria mais inteligente, portanto mais eficiente, barata e segura, para que isso ocorra, a automação industrial tem grande papel nesta transformação, onde a Indústria 3.0, baseada na Pirâmide da Automação, se transforma nos Pilares da Automação, uma vez que Convergência, Padronização e Velocidade de dados, possibilitará que a Indústria 4.0 se torne uma realidade, rompendo as barreiras de interface, que hoje existem no modelo atual da indústria.

Para entender as redes TSN, vamos falar de:

  • Evolução das Redes Ethernet;
  • As limitações das Redes Ethernet;
  • Ethernet em Tempo Real e com Priorização;
  • Padronizando a comunicação em Ethernet;
  • As demandas na Indústria 4.0.

Para entender os principais pontos da evolução das redes Ethernet, em seu conceito principal, ela trabalha com modelo de colisão de dados (CSMA-CD), não sendo determinística, em seu primórdio, era uma rede lenta, mas atendia a sua realidade e foi a aposta certa na tecnologia.

Baseado no mesmo modelo apresentado, as redes Ethernet se tornaram muito rápidas, 100M, 1G, 10G e são controladas por Switches configuráveis, controlando todo o tráfego de rede, apesar de ainda trabalhar no conceito (CSMA-CA), a questão determinística foi superada pela velocidade e controle da rede.

Mas novas questões, tais como, IoT (Internet das Coisas), que remetem a milhares de dispositivos conectados a um único Backbone de dados, priorização de mensagens críticas, unificação da interface de troca da informação, foram necessidades que levaram ao advento das redes TSN.

Em linhas gerais, os desafios e indagações que permearam esta tecnologia, foram:

  • Como fazer convergência de dados no nível de TO + TI + IoT com alta largura de banda, alta velocidade?
  • Como ter a certeza dos tempos de sincronização e priorização de mensagens dentro da Rede Ethernet (determinismo)?
  • Como manter a base padrão Ethernet e incorporar protocolos de alto desempenho industrial e de IoT?

Surgem as Redes TSN – Time-Sensitive Networking ou Redes Sensíveis ao Tempo, que:

  • São um conjunto de padrões do IEEE 802 elaborados para aprimorar a Rede Ethernet;
  • Seu objetivo é ter o controle da Latência da Rede permitindo uma Rede Determinística e Unificada;
  • O padrão permite a incorporação de Protocolos (OPC-UA, IEC61850, Profinet…) e é compatível com o padrão existente.

As principais características das Redes TSN:

  • Permite convergência de Dados (TO+TI+IIoT) em único padrão;
  • Rede muito rápida (microssegundos);
  • Possui alta largura de banca de dados (backbone);
  • Permite uso do padrão existente (legado);
  • Controla o tempo de latência de dados na rede (sincronização);
  • Controle de prioridades de dados e seu comportamento;
  • Incorpora protocolos existentes industriais e de IoT;
  • Permite ser um padrão único do sensor no campo ao Cloud;
  • Permitir virtualização de redes.

Principais benefícios no uso das Redes TSN:

  • Alta velocidade;
  • Baixa latência;
  • Tempo real;
  • Determinística (aplicação crítica);
  • Flexibilidade;
  • Alta disponibilidade;
  • Dado horizontal e vertical (único);
  • Segura.

As arquiteturas das Redes TSN, seguem o mesmo modelo das Redes Ethernet convencionais, lembrando que os equipamentos devem suportar esta tecnologia e a rede deve ser configurada para as funções específicas do novo padrão, principalmente os tempos, além de comunicações em Cloud.

Quanto ao princípio de funcionamento da rede, podemos destacar as suas operações:

  1. Sincronização de tempo (tempo real) – toda a rede tem o mesmo tempo (configurável);
  2. Agendamento e modelo de tráfego (regras – únicas e priorização);
  3. Seleção de caminhos de comunicação (configuração e alternativas);
  4. Reserva de trajeto (“vê” outro caminho);
  5. Tolerância a falhas (faz mais de um caminho).

Um dos pontos de destaques e principal recurso, que transforma a rede em determinística, é a função Time-Aware Scheduler, onde os pacotes de dados trafegam normalmente pelo sistema e quando há uma prioridade de dados (crítico), os pacotes comuns param e o pacote prioritário passa pelo sistema, isso permite comunicação crítica e baseado no tempo.

As redes TSN suportam diversos protocolos e cada vez mais estarão incorporados outros, gostaria de destacar o uso do Profinet, do próprio OPC-UA, do Ethernet/IP e o IEC 61850.

As redes TSN são preparadas para segurança de dados, são baseadas em Ethernet convencional, com as premissas conhecidas:

  • Utiliza o modelo de camadas;
  • No nível de dispositivo usa-se OPC-UA, permitindo:
    • Autenticação
    • Criptografia
    • Bloqueio (proteção)
  • Gerenciamento de fluxo de dados;
  • O determinismo não altera os modelos de segurança.

Nas aplicações das redes TSN o mais importante hoje é fazer um projeto com dispositivos que suportem o modelo, é uma tendência de grande crescimento em equipamentos que já se comunicam com o padrão Ethernet, podemos dizer que é quase um caminho natural, com isso sistemas de gerenciamento, roteamento e chaveamento da rede (Switch e Router), também suportarão o novo modelo.

As redes TSN com OPC-UA são uma grande tendência, pois:

  • Os fabricantes de equipamentos já estão incorporando juntamente com o OPC-UA o canal TSN nos dispositivos;
  • Temos os benefícios dos padrões OPC-UA e os ganhos em velocidade e performance de rede com o TSN;
  • A união destas duas tecnologias é uma realidade da convergência Tecnológica.

Quanto a aplicação e uso na Indústria 4.0, as redes TSN permitem e facilitam a:

  • Digitalização das Coisas (IoT);
  • Convergência da Cadeia de Valor (IIoT);
  • Uso de Cloud Computing;
  • Alta velocidade e Padronização.

Quanto a evolução natural do novo padrão, podemos destacar como tendência:

  • Equipamentos e dispositivos virem com recursos de comunicação nativa (OPC-UA + TSN);
  • As redes TSN podem se tornar o padrão Ethernet para todos os níveis de informação, inclusive de TI;
  • Recursos incorporados, tais como, SDN, IPV6 e Wireless, serão comuns nos dispositivos de automação.

Concluímos que a tecnologia das redes TSN são uma resposta às novas demandas da Indústria 4.0, convergência de dados com alta velocidade e alta disponibilidade, comunicação com integridade bidirecional, simplicidade do Backbone ao sinal de IoT, uma nova realidade nos ambientes de controle industrial.

OPC-UA NA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

O Padrão de Comunicação para Interconexão e Convergência de Dados na Indústria

A evolução nas conexões de dados industriais, é foco de nosso texto, grandes esforços e investimentos dos departamentos de pesquisa e desenvolvimento tecnológico estão criando novos padrões, equipamentos e softwares, permitindo pavimentar o caminho da Indústria 4.0.

Disponibilizamos três textos correlacionados, onde mostramos as novas tecnologias, o OPC-UA (OPC UA – Unified Architecture) , o TSN (Time-Sensitive Network) e o FDI (Field Device Integration), formando os novos padrões da conectividade industrial.

A transformação digital permitirá uma indústria mais inteligente, portanto mais eficiente, barata e segura, para que isso ocorra, a automação industrial tem grande papel nesta transformação, onde a Indústria 3.0, baseada na Pirâmide da Automação, se transforma nos Pilares da Automação, uma vez que Convergência, Padronização e Velocidade de dados, possibilitará que a Indústria 4.0 se torne uma realidade, rompendo as barreiras de interface, que hoje existem no modelo atual da indústria.

Em nosso texto de OPC-UA, vamos falar sobre:

  • Comunicação de Dados na Indústria;
  • Padronização de Tecnologias;
  • Evolução da Conectividade;
  • Conectividade para Indústria 4.0.

Para entender como chegamos ao OPC-UA, que é a tecnologia mais moderna hoje na padronização de comunicação, precisamos entender que para se fazer uma comunicação de dados digitais, antes de meados de 1990, eram necessários “drives” proprietários, isto é, cada fabricante desenvolvia o seu, com suas particularidades e características.

Com o advento do Windows da Microsoft, e a adoção desta plataforma na automação industrial, surge a tecnologia OPC (Clássica), onde através de um modelo de coleta de dados padronizados, utilizando os recursos do próprio sistema operacional, podemos comunicar entre sistemas e hardwares industriais, portanto, as limitações e novas demandas, levaram ao desenvolvimento do OPC-UA, onde vamos entender um pouco melhor.

Antes, vamos entender o que é o OPC – OLE for Process Controle, é um conjunto de padrões de comunicação de dados para indústria que se utiliza do OLE – Object Linking and Embedding, tecnologia da Microsoft (Windows), que permite a conexão entre objetos de dados, utilizando-se da interface COM/DCOM – Distributed Component Object Model, também do Windows, permitindo troca de dados entre aplicativos e dispositivos, por exemplo, um PLC e um sistema SCADA conectado com um OPC.

O OPC Clássico possui três especificações, DA – Data Access, para troca de dados em tempo real, o A&E – Alarm and Events, dados e mensagens de eventos de estados e HDA – Historical Data Access, dados para análise histórica de eventos.

O OPC Clássico, se mostrou limitado para alguns desafios do seu tempo, os principais abaixo:

  • Problemas frequentes de configuração com o DCOM;
  • Não há timeouts configuráveis;
  • Apenas Microsoft Windows;
  • Segurança muito simples;
  • Nenhum controle sobre DCOM.

Então, surge o OPC UA – Open Platform Communications – Unified Architecture (Plataforma Aberta de Comunicação – Arquitetura Unificada – nova terminologia), sendo um padrão aberto de comunicação de dados industriais, e ao contrário do OPC Classic, o OPC UA utiliza um modelo de informação orientado a objetos, que suporta estruturas, objetos, máquinas de estado, base legada, além de ser independe de sistema operacional (Windows), onde este:

  • Suporta arquitetura orientada a serviços (SOA) que permite a fácil personalização do OPC UA, para diversos tipos de dispositivos e aplicativos;
  • O OPC UA possibilita a troca de dados brutos e informações pré-processadas entre os sistemas incorporados nos sensores e nos dispositivos de campo e os sistemas de ERP, MES e de visualização de processos (IHM);
  • Possui segurança Robusta de dados.

As principais características do OPC-UA, são listadas abaixo:

  • Para trocar dados, o OPC UA usa um protocolo binário otimizado baseado em TCP. Basta abrir uma única porta no firewall;
  • Os usuários podem combinar livremente os diferentes recursos de segurança de acordo com suas necessidades específicas, para que possam criar soluções escaláveis;
  • OPC UA utiliza uma arquitetura robusta com mecanismos de comunicação confiáveis, monitoramento de tempo configurável e detecção automática de falhas;
  • Os mecanismos de correção de falha restabelecem automaticamente o link de comunicação entre o OPC UA Client e o OPC UA Server sem perda de dados;
  • O OPC UA fornece funcionalidade de redundância que pode ser integrada a aplicações Client e Server a fim de proporcionar alta disponibilidade do sistema e máxima confiabilidade;
  • O OPC-UA permite ainda, como recursos adicionais, redundância de conexão, monitoramento da conexão (interrupções) e buffer de dados e confirmação, conexões perdidas não levam a perda de dados.

Quanto aos principais benefícios do uso do OPC-UA, temos:

  • Fácil e rápida instalação e partida;
  • Implementação multiplataforma, incluindo implementações portáveis ANSI C , Java e .NET;
  • Escalabilidade: de sensores inteligentes e atuadores e dentro de equipamentos;
  • Operação multithread (múltiplas Threads – tarefas), bem como single-threaded / single-task – necessária comunicação de dispositivos embarcados IoT;
  • Segurança, baseada em novos padrões;
  • Tempos limite configuráveis para cada serviço;
  • Chunking (organizar dados em pacotes menores) de grandes datagramas;
  • A arquitetura OPC UA é uma arquitetura orientada a serviços (SOA).

Podemos montar diversos arranjos de arquitetura de conexão com o OPC-UA, lembrando que seu conceito de comunicação básico é baseado em cliente-servidor, logo podemos ter, conexão de um sistema com um hardware, conexão de um ou mais hardwares, com diversos sistemas, como um Scada e um banco de dados, como cliente OPC e até mesmo, externar dados para Cloud, onde o OPC-UA, suporta estes tipos de conexão via Internet.

Quanto ao funcionamento, o OPC-UA, tem as seguintes principais características:

A comunicação OPC-UA suporta dois formatos, UA Binário e XML, o remetente codifica os dados para o formato relevante e o receptor deve ser capaz de decodificar o conteúdo (com todas premissas de integridade e segurança) de forma a reconstruir o dado original.

Formato UA Binário

O formato UA Binário é um conjunto de dados seriados em formato de array (conjunto ou estrutura de dados) de bytes, este é um método simples e de baixo custo, normalmente aplicado no nível de dispositivo, é de processamento limitado, mas de alta prioridade, deve ser interpretado somente por clientes compatíveis com OPC-UA.

Formato XML – Extensible Markup Language

O formato XML é uma linguagem de dados de marcação, isso facilita a interpretação por parte de diversos dispositivos, independe da plataforma e pode-se utilizar-se de esquemas de SOA.

Este formato normalmente está aplicado no nível mais alto de comunicação da planta e suporta clientes genéricos de XML (impressora, por exemplo), como codificar e decodificar XML é mais caro, normalmente esta solução se aplicação no nível de informação e gestão.

O OPC UA suporta dois protocolos de comunicação, o OPC/TCP e o SOA/HTTP(S):

Protocolo OPC/TCP – OLE for Process Control / Transmission Control Protocol

Este protocolo de baseia no TCP para transporte do dado, permitindo um canal full-dulplex entre o Server e o Client, no modelo Socket (soquete), o canal se comunica com pacotes Binários, permitindo canal seguro (soquete seguro), somente clientes OPC são capazes de receber informações de OPC-TCP.

Protocolo SOAP/HTTP (S) – Simple Object Access Protocol / Hypertext Transfer Protocol (Secure)

Este protocolo trabalha com mensagens estruturadas no modelo SOAP (XML), que são transmitidas via HTTP(S), normalmente são chamados de envelopes de mensagem. Estas mensagens são conjuntos de dados que são utilizados no nível de informação entre diversos tipos dispositivos que suportam XML, podendo trabalhar com modo seguro, criptografia e certificados digitais.

O OPC-UA utiliza as tecnologias SSL –  Secure Sockets Layer, TLS – Transport Layer Security e AES – Advanced Encrypton Standard, que permitindo os seguintes controles de segurança:

  • Proteção contra o acesso não autorizado, modificações de valores de processo, sabotagem e falhas causadas por uso negligente;
  • Os recursos de segurança são uma parte obrigatória do padrão e incluem autenticação de usuário e de aplicativo, assinaturas digitais de mensagem e criptografia de dados transmitidos;
  • A troca de dados entre dispositivos OPC-UA é segura, com controle de confidencialidade, integridade e autenticação;
  • Os mecanismos de dados de transporte de OPC-UA são acessíveis por Firewall e Internet, permitindo controles de acesso local e via Internet;

A nova tecnologia PUBLISHER / SUBSCRIBER:

A estrutura de aplicação do OPC-UA é baseada em Cliente-Servidor, este tipo de aplicação não é o modelo ideal quando consideramos soluções para IoT – Internet das Coisas aderente a Indústria 4.0, com isso, surge a solução baseada em Publisher / Subscriber, onde o “publicador” emite os dados para seus “inscritos” e os inscritos também podem enviar dados para o publicado, este conceito permite redes digitais de alta densidade, velocidade e performance.

Quanto as aplicações do OPC-UA, tanto em soluções quanto em descrições de produto, são importantes definir as entradas de dados e seus respectivos protocolos, definir as saídas da mesma forma, orientada as aplicações dos sistemas que vão “consumir” estes dados, inclusive com foco com Cloud, se for o caso, com os protocolos exigidos para tal, exemplo, MQTT.

Softwares de OPC-UA, normalmente são chamados se Suites, pois permitem uma série de funções adicionais, tais como, troca de dados entre protocolos e equipamentos diferentes, acesso a base de dados, tunelamento de dados, entre outros.

O OPC-UA tem total aderências as demandas da Indústria 4.0, podemos destacar alguns pontos:

  • Suporta convergência de padrões e unifica o conector (Protocolo) de saída;
  • Suporta MQTT Message Queuing Telemetry Transport e AMQP Advanced Message Queuing Protocol;
  • Permite comunicação direta em Cloud Computing (Azure, AWS, Google, MindSphere – Siemens…).

Como continuidade do desenvolvimento tecnológico, podemos descrever algumas tendências, baseado em indicares reais de desenvolvimento técnico em curso:

  • OPC-UA incorporado em qualquer dispositivo (coisa) IoT;
  • OPC-UA trabalhar com TSN – Time-Sensitive Networking;
  • OPC-UA conectar dispositivos de campo, independente de protocolos FDI – Field Device Integration.

Concluímos que a evolução da digitalização e a realidade da Indústria 4.0, passam por desafios técnicos de comunicação de dados de toda a cadeia de valor, as novas soluções devem permitir convergência, padronização e velocidade, o OPC-UA é uma proposta concreta e já aplicável.

REDES NA INDÚSTRIA 4.0

Infraestrutura de Redes e Conectividade em Automação Industrial

 

A Indústria 4.0, como vimos, é um ecossistema cibernético, onde informações, pessoas e máquinas, trocam informações.

Para que isso seja possível, precisamos interconectar todos estes elementos em uma rede, de forma que os dados possam trafegar de forma vertical e horizontal em todo o sistema automatizado, permitindo a interoperabilidade do processo.

Vamos comparar a criação de um sistema para a Indústria 4.0, como uma rodovia, primeiro vamos construir as vias (infraestrutura), depois vamos sinalizá-la (Cibersegurança), logo faremos as interconexões (IoT Internet das Coisas) e ligamos tudo isso a um sistema inteligente que “aprende” (Big Data), assim vamos traçar nossos textos, explicando estes passos.

Para delimitar nosso tema de infraestrutura para a Indústria 4.0, lembrando que nosso foco é a automação industrial, vamos falar de:

  • Como construir uma infraestrutura de conectividade industrial de modo a unir as informações de produção;
  • Quais tecnologias disponíveis para montar uma infraestrutura de redes industriais;
  • Entendendo a convergência de informações da TO Tecnologia da Operação e TI Tecnologia da Informação.

Os cenários na indústria são diversos, mas podemos pontuar alguns principais abaixo para permitir a construção desta infraestrutura, que remetem as seguintes questões:

  • Projetar e construir um sistema de automação que tenha informações de ativos, para operação e manutenção;
  • Interconectar dispositivos e sistemas na indústria de modo que haja troca de dados entre si;
  • Convergir informações de toda a cadeia produtiva, laboratórios, logística, planejamento, operação e manutenção.

Quando pensamos em redes industriais e agora orientada a Indústria 4.0, esta  evolução ocorre desde quando as informações eram isoladas nos próprios controle locais, não havia envio de informações, depois temos o advento das redes locais, permitindo uma primeira convergência, mesmo que na planta local, trocando informações no ambiente industrial e administrativo, e, agora temos um nível hierárquico para a Indústria 4.0, convergindo todas as redes da cadeia produtiva, vimos isso no RAMI, que é a padronização da Indústria 4.0.

Para projetar e implantar esta infraestrutura, de modo que tenha interoperabilidade e atenda os níveis hierárquicos, temos diversos desafios, podemos pontuar alguns mais comuns:

  • Como obter o máximo de dados de ativos e sistemas para criar um ecossistema de informações na indústria;
  • Como conectar redes com diversos padrões e protocolos, além de sistemas legados;
  • Como montar uma infraestrutura de redes que permita escalabilidade e simplicidade de acréscimo e crescimento.

Então, perante estes desafios e tantas tecnologias existentes, a pergunta mais comum é: Que Rede Usar? Podemos comentar um alinhamento atual de aplicação, não único, mas mais usual atualmente, lembrando que a tecnologia não para de evoluir.

  • Qual a Rede “ideal” para a Indústria 4.0?
    • A Rede Ethernet é o padrão da Internet;
    • Podemos usar todos os modelos (Cabo, FO, WiFi e Rádios);
    • Pode servir de Backbone para conexão ao Cloud.
  • Qual a rede “local” interna (máquina ou processo)?
    • Uso de protocolos industrias (Ethernet ou Seriais);
    • Usar mídias que simplificam a conexão (Wireless, FO);
    • Usar Gateways ou Proxy para Convergência.

A aplicação da Ethernet na indústria é a grande evolução e tende a ser totalmente adotada, uma vez que já está consolidada, todavia é importante entender que a Ethernet Industrial, tem característica para o chão-de-fábrica, alguns principais que devem ser levados em consideração:

  • Aplicação em ambientes severos (hardware);
  • Temperatura 75º c a -35º c (exemplo);
  • Proteção mecânica especial;
  • IP (grau de proteção alto);
  • Suportar vibração e impacto;
  • Alta imunidade a ruídos (EMI);
  • Arranjos de alta disponibilidade (redundâncias);
  • Uso de protocolos industriais.

A rede Ethernet na indústria, permite a interconexão de todos os dispositivos de automação e controle, trocando informações no ambiente local e agora já trabalhando com Cloud Computing (computação nas nuvens), sendo que as arquiteturas para Indústria 4.0, devem levar em consideração a interoperabilidade da planta, sua flexibilidade e sua modularização, permitindo uma produção customizada e personalizada.

Uma rede Ethernet é composta de diversos dispositivos, que formam a nossa via, os principais e suas funções, relacionamos abaixo:

  • Switches não gerenciáveis – controlam o tráfego de dados na rede (MAC/IP);
  • Switch Gerenciável – controlam o tráfego de dados na rede com funções administrativas (ex. VLAN);
  • Switch Layer 2 – controla o tráfego de rede na camada de IP;
  • Switch Layer 3 (Roteador) – controla o tráfego de rede permitindo rotear (trocar dados) entre redes diferentes;
  • Firewall – dispositivo de segurança de acesso – bloqueando usuários e informações não permitidas na rede;
  • Gateway – dispositivo que converte um padrão / protocolo para um outro formato (ex. Profinet / Profibus PA);
  • Proxy – dispositivo igual ao Gateway, porém é transparente para o controlador na rede (ponte direta).

Lembrando os benefícios do uso da Ethernet na indústria:

  • Rede simples de projetar e implantar;
  • Componentes de baixo custo, comparados a outras redes;
  • Permite diversos Protocolos dentro do Padrão;
  • Rede padronizada por normas em constante evolução;
  • Pode ser aplicada desde ambientes domésticos até industriais (componentes especiais);
  • Rede interoperável e escalar.

Nem todos os equipamentos ou sistemas estão preparados para entrar nesta via, o sistema de rede deve ter capacidade de se comunicar em diversos padrões e protocolos, além de suportar sistemas legados (antigos). Para que isso seja possível, é necessário utilizar Gateways, que são equipamentos que fazem a conversão de um padrão de rede e/ou protocolo, desta forma é necessário no projeto de convergência prever o uso destes dispositivos.

Além do entendimento da conexão física, os dados devem ser entendíveis entre si, dentro do RAMI, que é a padronização como dissemos, trabalhamos com o SOA, Arquitetura Orientada a Serviços, isto é, todos equipamentos e dispositivos são objetivos que produzem e consomem informações dentro da rede, desta forma, através desta padronização, eu posso trocar informações diretamente, interoperar, por exemplo, um caminhão se comunicando na fazenda em tempo real via GPS com a fábrica, controlando a produção, através de uma informação logística, atuando na velocidade dos controladores de uma esteira, em tempo real.

Com isso vemos que as redes, para nossa infraestrutura, permitem a convergência da planta industrial e toda a cadeia produtiva envolvida, este entendimento é fundamental, pois a Indústria 4.0, trabalha orientada a informações do processo como um todo, logo é necessário, tudo que faz parte deste ecossistema, que esteja disponível nesta grande via.

Podemos sugerir abaixo uma visão geral para implantação das redes, de forma a construir esta infraestrutura de convergência na indústria:

  • Desenhe todos os fluxos de negócios e suas inter-relações com todas as redes (Workflow com proposição de Valor);
  • Prepare todas as redes de forma a serem produtoras e consumidoras de informações (padrão);
  • Faça um projeto de conexão física, lógica, de segurança e de interligação das redes;
  • Programe os Webservices de acordo com as regras de negócio (troca de dados);
  • Treine as pessoas para trabalhar em novos formatos de tomada de decisões, demonstrando o caminho da Indústria 4.0.

Concluímos que a primeira fase física da implantação da Indústria 4.0 é a conectividade, devemos pensar em unir todos os dados para cadeira produtiva para troca de informações, o uso de redes é o primeiro passo para permitir atender esta necessidade, as redes Ethernet são uma ótima opção pela sua maturidade, conceitos de SOA associados a convergência de dados, complementam este objetivo.

AUTOMAÇÃO ELÉTRICA COM IEC 61850

O Padrão IEC 61850 na Visão da Automação Industrial para Sistemas Elétricos

Foi o tempo em que a área de elétrica e área de automação industrial eram tratadas de forma separada na indústria, com a evolução dos dispositivos de comando e controle, as redes industriais e seus protocolos, somado à busca pela simplificação de operação, temos um cenário de convergência de sistemas, automação e elétrica fazendo parte de um mesmo projeto.

Afim de demonstrar uma visão da Automação Industrial, utilizando-se o Estado da Arte na área de elétrica, especificamente o Padrão IEC 61850, que é o responsável pela simplificação e potencialização dos controles nos sistemas eletricidade de potência atualmente.

Nosso objetivo aqui não é esgotar o assunto, mas sim colocar foco em como a área de automação deve entender o Padrão IEC 61850, vendo principalmente, a convergência dos dois setores, entendendo principais conceitos de funcionamento desta rede de comunicação para área de elétrica.

Não faz parte do escopo de nosso texto, demonstrar os sistemas de proteção e controle para elétrica e também detalhar Padrão IEC 61850 no aspecto programação dos sistemas.

Especificamente, vamos focar e dirigir o assunto baseado na rede de dispositivos, entendendo que os sistemas elétricos são compostos por IED (Intelligent Electronic Device) ou Dispositivo Eletrônico Inteligente, com o uso e a evolução das redes, eles se tornaram os controladores dos sistemas elétricos, vamos entender o Padrão IEC 61850, que permite a troca de informações entre eles e com o sistema de comando, podendo efetuar qualquer operação no sistema elétrico.

O que é então do Padrão IEC 61850: É um Padrão de Comunicação entre dispositivos de um Sistema Elétrico, que suporta diversos protocolos e podem ser executados em redes TCP/IP (Ethernet), trabalham com mapeamentos padrões MMS (Manufacturing Message Specification), GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event), SV (Sampled Variables) e WebSevices.

Podemos descrever as principais vantagens no uso deste padrão:

  • Interoperabilidade entre diversos fabricantes de dispositivos;
  • Facilidade configuração, os blocos são padrões de informações e endereçamentos;
  • Infraestrutura padrão, utiliza-se principalmente o Padrão Ethernet;
  • Redução de custos engenharia, comissionamento e partida são mais rápidos.

O Padrão ou Norma (muito conhecido assim também) IEC 61850, tem uma estrutura composta de 10 partes, cujo objetivo principal é traçar os caminhos da funcionalidade básica até os testes de sistemas, passando por todos os requisitos:

  1. Introdução e visão geral
  2. Glossário
  3. Requisitos gerais
  4. Administração do projeto e sistemas
  5. Requisitos de comunicação
  6. Linguagem de Configuração
  7. Modelo de Comunicação
  8. Mapeamento MMS / TCP/IP
  9. Mapeamento Ponto a Ponto/Barramento
  10. Testes de conformidade

O formato Lógico da Informação do Padrão é de Nível de Tensão, Endereço do Bay, Endereço do IED, Log do Dispositivo, Log do Nó, Dados e Atributos, com isso, independente da rede, fabricante ou local, a informação é igual em todo sistema.

Um sistema elétrico é responsável por uma série de eventos dentro de uma planta, vamos tratar como uma indústria, mas vale para qualquer estrutura de eletricidade.

As principais funções, mas não somente estas, podemos listar abaixo, perfazendo um sistema elétrico:

  • Supervisão, Operação e Proteção dos circuitos elétricos de potência;
  • Comando de despachos de carga;
  • Controle de demanda;
  • Operação de importação e exportação de energia elétrica;
  • Análise de transiente, falhas, distúrbios e desligamentos.

O objeto de nosso estudo é o Padrão IEC 61850, todavia não há somente este, mesmo porque as normas evoluem de acordo com as demandas e tecnologias existentes do seu tempo.

As Normas e Padrões, definem os protocolos de telecomando, tais como, interfaces entre equipamentos, padrão de camadas, entre outros.

A Norma IEC 60870-5 é aplicada a sistemas de Telecomando, temos abaixo suas principais divisões ou grupos:

  • 101 – Telecomando básico – supervisão
  • 103 – Padrão para proteção de equipamentos
  • 104 – Suporta TCP/IP

Também temos o DNP 3.0 (orientado a eventos) e chegamos ao IEC 61850 – padrão (orientado a objetos), que é foco de nosso texto.

A visão acima é muito simples, apenas para referência de estudo e continuidade de pesquisa, como dissemos anteriormente, visto não ser tema do conjunto aqui tratado.

Nesta mesma linha, podemos listar a evolução dos padrões em função das necessidades e tecnologias da época, é apenas uma visão geral e não contempla todos existentes, mas as principais linhas de aplicação de mercado.

  1. Cabeamento – não havia rede
  2. Norma IEC 60870-5-101
  3. Norma IEC 60870-5-103
  4. Norma IEC 60870-5-104
  5. DNP 3.0
  6. IEC 61850
  7. SMART GRID – Padrões de Integração de Produtor/Consumidor
  8. IoT – Integração Total de Dispositivos, Produtor, Consumidor e Controles

Observem que até agora somente tratamos dos Padrões ou Normas, nestas redes de informações temos os Protocolos de comunicação, que são as regras que governam a sintaxe, semântica e sincronização da comunicação em uma rede, este controla e possibilita uma conexão, comunicação, transferência de dados entre dois sistemas computacionais.

Alguns tipos de protocolos que são usados na elétrica, importante não confundir Protocolo com Padrão Elétrico:

  • PROTOCOLOS
    • PROPRIETÁRIOS
    • MODBUS
    • PROFIBUS
    • TCP/IP
    • PROFINET
  • PADRÕES
    • RS-232
    • RS-485
    • ETHERNET

São esperados alguns principais benefícios no uso do Padrão IEC 61850, uma vez que este padrão possibilita a integração e padronização dos sistemas, tanto de supervisão, quanto de controle, podemos ver abaixo os principais:

  • Usar o Padrão de Rede Ethernet em todo sistema Elétrico;
  • Comando, Controle e Supervisão na Própria Rede;
  • Análise de Alarmes e Oscilografia em Tempo Real;
  • Operação Remota e Integração com Processo;
  • Diagnósticos Avançados de Sistema e Dispositivos;
  • Padronização para Integração, Comissionamento e Partida.

O Padrão IEC 61850 permite comando, controle, supervisão, compartilhamento de dados em toda a rede, é uma grande evolução, utilizando-se por exemplo, do padrão Ethernet, para que isto ocorra, a Norma prevê alguns tipos de Mensagem, que são trafegadas dentro da rede, através do protocolo, abaixo listamos o tipo e seu principal uso:

  • MMS – (Manufacturing Message Specification) Informações Unicast – o objetivo é somente informação, na estação supervisora;
  • GOOSE – (Generic Object Oriented Substation Event) – Informações Multicast – responsável pelo comando entre IEDs;
  • SV – (Sampled Variables) – responsável pelo tráfego de valores analógicos entre os IEDs, utilizado para proteção;
  • XML – (eXtensible Markup Language) padrão de comunicação para WebServices, responsável pelo compartilhamento de informações entre todo o sistema conectado na rede.

Com a integração de todas estas mensagens e suas funções, é esperado funcionalidades nos sistemas, que apoiarão a operação e gestão da planta elétrica, podemos listar abaixo alguns tipos, lembrando que depende da ferramenta a ser implantada:

  • Supervisão do sistema e equipamentos;
  • Medições de grandezas em tempo real;
  • Alarmes e sequência de eventos;
  • Operação segura por simulação;
  • Parametrização de IEDs;
  • Análise de Oscilografia;
  • Rejeição de Carga;
  • Relatórios e Histórico geral.

Para construir uma automação de um sistema elétrico, baseado na Norma IEC 61850, vamos dirigir a aplicação a uma rede Ethernet, portando há de se observar os principais componentes e suas principais características:

  • Redes compostas por:
    • Switches Ethernet IEC 61850;
    • Firewall e VPN para Cibersegurança;
    • Terminal Service;
    • I/O Remoto e Tele proteção;
    • UTR Unidade Terminal Remota;
    • Computadores para Missão Crítica
  • Alguns requisitos essenciais:
    • Quality of Service (QoS): Priority Tagging
    • Protocolo de Recuperação de Rede: Rapid Spanning Tree (RST)
    • Gerenciamento de VLAN (para GOOSE)
    • Robustez de ambiente, suportar grandes faixas de temperaturas
    • Não haver partes móveis
    • Recuperação de anel RST (<50 a 100ms)

Quanto aos aspectos integração, podemos ter três cenários dentro da indústria, como ocorre de forma mais comum:

  • Um cenário onde a automação e a elétrica não se comunicam, isto é, há uma barreira na integração, são sistemas separados;
  • Um outro cenário onde se tem a convergência, este é mais comum, pois todas as redes são tratadas de forma separada e depois são unidas, por um gateway, por exemplo, ou um sistema OPC para troca de dados e informações;
  • E temos um cenário mais atual (graças a evolução da tecnologia), que é a integração total, o projeto quando “nasce” não tem separação de infraestrutura, toda a parte de comando e controle de processo e elétrica estão em uma única rede (há requisitos para isso), mas todo o sistema já é horizontal e vertical do ponto de vista da informação.

As arquiteturas de sistemas elétricos, seguem o mesmo conceito da automação, uma vez que utilizam a tecnologia Ethernet, o Padrão IEC 61850, já trata os blocos dentro da automação e elétrica para troca de informações e controle, portanto podemos concluir que já há uma convergência tecnológica.

Listamos abaixo alguns passos importantes para elaboração de um projeto e integração do sistema de automação elétrica, é apenas uma visão geral, deve-se aprofundar em detalhes, visto ser um projeto complexo:

  • Crie o projeto utilizando todos os dispositivos em Ethernet e IEC 61850 (use protocolo aberto);
  • Faça um projeto de Infraestrutura único, faça a convergência com o sistema de automação;
  • Projeto a rede Ethernet com conceito de VLAN, acesso externo com Firewall (Cibersegurança), foque no GOOSE (Multcast);
  • Crie as estações de operações exclusivas e integre informações importantes para todos operadores;
  • Crie as estações de engenharia separadas (automação e elétrica, mas em único ambiente e rede;
  • Treine a equipe, operação e manutenção.

Para finalizar e concluir, passamos algumas informações que não podem passar desapercebidas neste assunto:

  • A Norma IEC 61850 possibilitou Padronização e Facilidade de Engenharia;
  • Os principais Protocolos Industriais, suportam a Norma, exemplo Profinet (facilitando Integração);
  • Reformas e projetos Novos, devem suportar integração (Convergência) de Controle do Processo e Automação Elétrica;
  • Integração com Cloud, uso de WebServices, complementam a solução para os Desafios da Indústria 4.0, suportadas pela Norma.