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REDES ETHERNET INDUSTRIAL

Conceito e Aplicação da Rede Ethernet na Automação e Controle Industrial

As Redes Ethernet se consolidaram como padrão de comunicação entre computadores desde sua invenção, como a Automação Industrial se convergiu ao longo dos últimos anos com a TI Tecnologia da Informação, as Redes Ethernet se desenvolveram dentro do universo da TA Tecnologia da Automação, ganhando características que delinearam um cenário de total aderência aos novos projetos e atualização de sistemas legados de rede para automação e controle.

Em nosso texto, temos a intenção de descrever esta tecnologia, que cresceu no meio da TA, o assunto é muito extenso e observamos grande dificuldade em encontrar materiais que pudessem expor de forma simples, com termos de pesquisa, para que o leitor pudesse continuar seus estudos, uma vez que não temos a pretensão de esgotar o assunto, dado a quantidade de informações necessária para o desenvolvimento de projetos de infraestrutura de automação.

Para isso, vamos delimitar nosso estudo, onde teremos três diretrizes, que se refere ao que vamos falar:

  • O que é uma Rede Ethernet;
  • Como a Rede Ethernet está sendo Aplicada no Chão de Fábrica;
  • Quais das Diretrizes para Projetos e Implantação de Redes Ethernet na Indústria.

Para âmbito de aplicações, também vamos desenhar três cenários, normalmente comuns em projetos de rede Ethernet na indústria:

  • Preciso elaborar um Projeto de Automação na Planta, mas tenho dúvidas quanto ao funcionamento da Ethernet Industrial;
  • No Projeto do COI Centro de Operações Integradas, há uma Infraestrutura de Rede Ethernet, o que preciso levar em consideração de maior relevância;
  • Quais os Protocolos Industriais principais que funcionam no Padrão Ethernet e o que devo entender para Conceituar uma Solução.

As Redes Ethernet foram inventadas em 1973, por Robert Metcalfe em um projeto atribuído a Xerox Palo Alto, hoje sendo o padrão mais aceito no mundo para intercomunicação de dados em rede.

O Padrão Ethernet define o meio físico de conexão do cabeamento, define o controle de acesso do dado na rede e define o quadro (frame) de informação, tudo isso baseado na norma IEEE 802-2 e IEEE 802-3, que em suas subdivisões, estabelece características técnicas dos padrões de rede, não é nosso foco entender a IEEE 802-2 e 3, sugerimos que pesquisem sobre tal modelo.

As Redes Ethernet oferecem diversos benefícios em suas aplicações, podemos descrever abaixo alguns principais:

  • 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.

Para entender e até relembrar como estas redes evoluíram, podemos descrever desde seu surgimento as mídias de conexão que permitem acesso ao meio, por exemplo:

  • No início, cabo coaxial;
  • Conexão de cabo RJ-45;
  • Fibra Óptica;
  • E as redes Sem Fio Wi-Fi.

Nosso foco de entendimento e a aplicação da Rede Ethernet são no ambiente industrial, isto é, no chão-de-fábrica, pois seu invento foi utilizado em níveis administrativos de dados e até então, não se pensava na aplicação em máquinas e equipamentos, pois havia limites técnicos e já existiam redes industriais para estas funções.

Para aplicações na indústria, foi necessário um desenho da rede que pudessem atender esta nova realidade, todavia, não poderiam mudar o padrão de acordo com a IEEE 802-3, sendo estas características abaixo, necessárias para esta realidade na indústria:

  • 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.

As Redes Ethernet, se baseiam no princípio de funcionamento do CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection ), na prática, o padrão trabalha enviando dados na rede e detectando colisões de pacotes, abaixo um descritivo básico do seu funcionamento:

<1> – Se o canal está livre, inicia-se a transmissão, senão vai para o passo <4>;

<2>- [transmissão da informação] se colisão é detectada, a transmissão continua até que o       tempo mínimo para o pacote seja alcançado (para garantir que todos os outros transmissores e receptores detectem a colisão), então segue para o passo <4>;

<3>- [fim de transmissão com sucesso] informa sucesso para as camadas de rede superiores, sai do modo de transmissão;

<4>- [canal está ocupado] espera até que o canal esteja livre;

<5>- [canal se torna livre] espera-se um tempo aleatório, e vai para o passo <1>, a menos que o número máximo de tentativa de transmissão tenha sido excedido;

<6>- [número de tentativa de transmissão excedido] informa falha para as camadas de rede superiores, sai do modo de transmissão.

Entendido que, a rede funciona baseada no envio de pacotes, e estes são tratados através das colisões, temos o conceito de encaminhamento, que demonstra os princípios de envio das informações, sendo abaixo o funcionamento básico:

  • A origem (informação) é sempre UNICAST (Único Ponto);
  • O destino é BROADCAST (Informação em Toda Rede);
  • O destino pode ser MULTCAST (Múltiplos Locais, mas com Informação Dirigida);
  • O destino pode ser UNICAST (Único Local);
  • ANYCAST tem o destino definido em um ROUTER;

Desta forma, podemos entender que é necessário um controle para gerenciar estas informações na Rede Ethernet, sendo o Switch o principal equipamento que tem essa atribuição como componente de rede, onde vamos ver mais a frente, o funcionamento destes.

Uma das maiores questões técnicas que foram barreiras quanto à aplicação da Ethernet na indústria, se refere ao determinismo de rede, pois o principio de colisão de dados não permite a certeza de entrega e recebimento de uma informação em uma base de tempo conhecida, para sistemas de controle, por exemplo, isso é fator fundamental.

Sendo assim, a característica de entrega e recebimento de uma mensagem na rede é baseada no tempo, isto é, a certeza de entrega e no tempo programado.

As Redes Ethernet se baseiam no CSMA/CD e não permite determinismo, pois trabalham com colisão de dados, os switches permitem o gerenciamento Broadcast para Multcast ou Unicast.

Ethernet Industrial para Controle (determinística) utiliza características de controle de sincronismo dentro de seu Protocolo, sem alterar características do Padrão, por exemplo, (Profinet, Ethernet/IP).

Como vimos, Ethernet é um padrão e tem seu principio no envio e recebimento de pacotes de dados, para que tudo isso funcione dentro de um sistema, é necessário uma arquitetura que tenha alguns componentes, tais como, switches, gateways, firewall entre outros, desenhados de forma a obter um arranjo que haja integridade, segurança, disponibilidade e sincronismo.

De acordo com o modelo OSI (Open Systems Interconnect), um sistema de rede de comunicação é dividido em 7 camadas, como vemos abaixo:

  1. Camada Física
  2. Camada de Ligação de Dados ou Enlace de Dados
  3. Camada de Rede
  4. Camada de Transporte
  5. Camada de Sessão
  6. Camada de Apresentação
  7. Camada de Aplicação

Não faz parte nosso escopo estudar as camadas, vamos focar no Padrão Ethernet com visão de infraestrutura, para isso os componentes de rede serão aplicados nas camadas (1) física, (2) enlace, (3) rede e (4) transporte, ainda existindo outras aplicações dentro do contexto, vamos entender estas principais.

Os switches são os principais componentes de uma Rede Ethernet, na prática eles controlam os encaminhamentos de rede, conforme vimos acima, são as chaves de conexão, que controlam o trafego de dados.

Eles podem ser gerenciáveis ou não, sendo que, os nãos gerenciáveis, possuem funções básicas, que controlam o direcionamento dos dados (origem e destino) e gerenciam colisões, de forma a não “travar” a rede.

Os gerenciáveis, além das funções básicas, possuem funções de segurança e gerenciamento individual de portas e informações, por exemplo, criação de VLAN Redes Virtuais.

As principais funções dos switches, podemos destacar abaixo algumas características:

  • Automação das redes;
  • Localização física (porta/segmento);
  • Localização lógica (rede/sub-rede);
  • Priorização de mensagens;
  • Identificação dos tipos de mensagem;
  • Gerenciar a qualidade mensagem QoS;
  • Tratar erros e falhas;
  • Gerenciar tempos e sincronismo.

Vamos descrever abaixo, as principais características dos switches e componentes de uma arquitetura Ethernet para aplicações nos níveis do modelo OSI que vimos anteriormente, dado a extensão do assunto, somente vamos referenciar e apresentar as principais características para entendimento do conceito e sugerimos um estudo aprofundado.

SWITCH LAYER 2

  • Trabalham com Endereçamento MAC (de equipamento);
  • Possuir gerenciamento de VLAN (dentro da rede) – gerenciável;
  • Gerencia pacote de erros, mas não bloqueia Broadcast;
  • Podem possuir funções para Profinet (RT/IRT) e Ethernet/IP (IGMP);

* VLAN Rede Virtual

* RT Real Time

* IRT Isochronous Real-Time

* IGMP Internet Group Management Protocol

SWITCH LAYER 3

  • Todas as funções do L2;
  • Gerenciam rotas de endereços lógicos (IP);
  • Intercomunicam VLAN;
  • Gerenciam banda de comunicação e latência;
  • Gerencia múltiplos serviços na rede (liberação de acesso);

SWITCH LAYER 4

  • Possui todas as funções do L2 e L3;
  • Tem capacidade de distinguir serviços (HTTP, FTP…)
  • Configurável para tomada de decisões pelo UDP (User Datagram Protocol);
  • Gerencia tráfico de rede baseado no QoS (Qualidade do Serviço);
  • Podem-se tomar decisões de rota, baseado em erros, latência e demanda;
  • É a base das SDN (Redes Baseada em Software).

Quando pensamos em redes, devemos entender que é necessário em muitos projetos a segmentação destas, com objetivo de segurança, organização e elevação de desempenho de tráfego, estas sub-redes, podem ser físicas ou lógicas.

Com o advento dos Switches gerenciáveis, podemos criar diversas redes e sub-redes de forma virtual, chamadas de VLAN, e com isso obter algumas funções avançadas para controle e gerenciamento, como vimos abaixo:

  • Controle de Broadcast na rede;
  • Priorização de tráfego de dados (informação e controle);
  • Elevação da segurança de acesso.

Como item da Rede Ethernet, a característica de segurança é fundamental para o funcionamento do sistema, para isso em uma arquitetura, utilizamos os Firewalls, que são equipamentos de hardware e software que tem por objetivo proteger a rede contra acessos não autorizados, ele gerencia permissões de acesso e a origem e destino de dados e permite criptografia de dados para interconexão de serviços entre dispositivos.

A Rede Ethernet é um padrão de comunicação de dados, vamos entender que são as vias de informação, agora vamos aplicar para o uso na automação, para isso precisamos entender o que são os Protocolos de Rede, onde:

  • Um Protocolo de Comunicação são as “regras” que controlam a troca de informações em uma rede;
  • O Protocolo caracteriza a sintaxe, semântica e a sincronização do dado na rede;
  • O Protocolo deve ser igual (inclusive em sua versão), dentro de uma rede, mesma “linguagem”.

Vamos descrever abaixo os principais Protocolos Industriais para o Padrão Ethernet, utilizados no Controle e Automação Industrial, limitamos tanto em quantidade de Protocolos, quanto em sua descrição, uma vez que para isso, merecem um texto focado e completo de cada um, além da descrição de todos no mercado.

Todavia, vamos caracterizar alguns, para efeito de conceito, onde não temos também, a intenção de formar opinião sobre o uso, vantagens e especificidades de cada um deles.

TCP/IP

Conjunto de protocolos de comunicação entre computadores em rede;

TCP (Transmission Control Protocol – Protocolo de Controle de Transmissão) e o IP (Internet Protocol – Protocolo de Internet, ou ainda, protocolo de interconexão);

VANTAGENS:

  • Padronização;
  • Interconectividade;
  • Roteamento;
  • Robustez;
  • Internet.

MODBUS/TCP

Protocolo de comunicação industrial, originalmente desenvolvido para RS-232/485;

Para trabalhar em redes Ethernet, os dados são encapsulados em TCP, trabalha em CSMA-CD e tem modelo Cliente-Servidor;

VANTAGENS:

  • Protocolo consolidado;
  • Simples de configurar;
  • Frame simplificado;
  • Fácil conversão de padrão.

PROFINET

PROFINET é uma rede baseada em um padrão de comunicação Ethernet Industrial padronizado pelas normas IEC 61158-5 e IEC 61158-6;

100% compatível com a tecnologia Ethernet ( IEEE 802.3 ) adotada pela associação PI – PROFIBUS & PROFINET International.

VANTAGENS:

  • Protocolo aberto;
  • Manutenção inteligente;
  • Alta disponibilidade e segurança;
  • Tempo real e Sincronismo.

ETHERNET/IP

É um protocolo industrial baseado em Ethernet que combina a função CIP (Common Industrial Protocol), gerido pela ODVA (Open DeviceNet Vendors Association);

A função CIP trabalha baseado no IGMP (Internet Group Management Protocol), onde a informação da rede e gerenciada em grupos Multcast;

VANTAGENS:

  • Múltiplos serviços TI e TA;
  • Gerenciamento da Rede na TA;
  • Diagnóstico Avançado;
  • Sincronismo e Segurança.

IEC-61850

É um padrão de comunicação para sistemas de automação elétrica;

Os modelos de dados abstratos definidos na norma IEC 61850 pode ser mapeado para um número de protocolos, mapeamentos atuais do padrão devem ser:

  • MMS (Manufacturing Message Specification);
  • GOOSE (Generic Object Oriented Subestação Event);
  • SMV (Amostras de Valores Medidos) e Web Services;

Estes protocolos podem ser executados através de TCP / IP ou redes LANs subestação utilizando alta velocidade Ethernet comutada para obter os tempos de resposta necessários abaixo de milissegundos para sistemas de proteção.

Quando tempos múltiplos protocolos na arquitetura da Rede Ethernet e é necessário fazer tudo se comunicar no único padrão, por exemplo, imagine que você tenha um CCM Centro de Controle de Motores, em uma rede Ethernet/IP e o seu sistema de controle seja um PLC com I/O Controler em Profinet, então se faz necessário a implantação de um Gateway de rede, que na prática converte o Protocolo.

É sabido que muitos Protocolos Industriais já suportam perfis de segurança, para máquinas e processos, mas e o padrão Ethernet? Sim, também suporta perfil de Safety, por exemplo, o Protocolo Profinet suporta o perfil Profisafe para sistemas de segurança, podendo na mesma Rede Ethernet, trafegar dados de informação, controle e segurança.

Para projetos e implantação de Redes Ethernet, devemos seguir boas práticas de redes, existem diversos manuais e guias, que dão muitas ideias e roteiros de sucesso, segue abaixo uma relação de alguns itens de grande importância a se observar em uma implantação, lembrando que questões como Cabeamento Estruturado e Certificação de Redes, fazem parte de um escopo de Projeto de Redes Ethernet:

  • Entenda as necessidades operacionais de sua planta, por exemplo, COI Centro de Operações Integradas e todo fluxo de trabalho;
  • Defina pelo protocolo (principalmente o industrial), que melhor atenda as suas necessidades de serviços de operação e manutenção;
  • Viabilize o projeto baseado em TCO, Custo Total de Propriedade, manutenção e aquisição de hardware e software, durante um período de tempo;
  • Contrate uma empresa especializada em soluções técnicas e discutam juntos cenários de tecnologia e viabilidades técnicas e financeiras;
  • Projete e implante uma infraestrutura de redes que suportem as convergências da Indústria 4.0 e que gere valor para seu negócio.

As Redes Ethernet continuam em evolução desde sua invenção, além das tecnologias que se agregam, com objetivo de formar sistemas de comunicação, com isso descrevemos abaixo as principais tendências na continuidade e evolução desta tecnologia:

  • As redes Ethernet aplicadas na Indústria são uma realidade, ainda que haja muito legado de outros padrões, mas o crescimento é dado pela simplicidade, robustez e baixo custo da rede;
  • Infraestrutura de rede Ethernet, baseado na tecnologia SDN (Redes Definidas por Software), tendem a ser uma nova fronteira, uma vez que é a automação dos dados e serviços dentro da infraestrutura;
  • Convergência de TI e TA é uma realidade, todavia ainda não está amadurecido a questão da segurança e a geração de valor das informações em conjunto para tomada de decisões, somando a este conjunto, temos agora as informações vindas do IIoT (Internet Industrial das Coisas), tendendo a evoluir a necessidade de redes cada vez mais estruturadas.

Concluímos que as redes Ethernet permitem a convergência, simplicidade, rapidez e alta capacidade de informações e alta velocidade na rede, proporcionando tomada de decisões cada vez mais rápidas, do processo, manutenção e segurança funcional da planta.

WIRELESS Industrial – ISA100 e WirelessHART

Aplicações de Redes Sem Fio na Instrumentação e Controle de Processos Industriais

 

Este artigo e apresentação têm como principal objetivo demostrar de forma simplificada e rápida a utilização da tecnologia ISA 100 e WirelessHART nas aplicações de instrumentação e controle de processos industriais.

Este texto não tem a intenção em nenhum momento de descrever detalhes técnicos de funcionamento do protocolo e norma, muito menos de polarizar e formar opinião entre as diferenças de tecnologia, mesmo porque o usuário final é quem “manda”, portanto escolhe o que quer.

Nossa intenção com este trabalho é somar a tantos textos de excelente qualidade que há disponível, tanto em termos tecnológicos quanto de aplicações, os fabricantes de diversos equipamentos desta linha ofertam aos usuários amplo conhecimento da aplicação, seus benefícios e peculiaridades de cada solução.

Como estamos falando duas tecnologias distintas, porém com objetivos únicos, comunicação de instrumentos na indústria, procuramos aqui, tangenciar elementos comuns da aplicação, sendo a escolha de um ou outro, ficando a cargo de cada usuário.

Observamos em diversas pesquisas que muitos usuários, estudantes e engenheiros de aplicações têm dificuldades de uma visão geral da tecnologia e ter um norte de estudo para iniciar conceitos sobre uma demanda na solução na indústria e nossa intenção e preencher de forma simples esta lacuna.

Em nenhum momento queremos esgotar o assunto, o modelo de nossas apresentações e textos são sucintos e práticos, desde já sugerimos complementações em pesquisas sobre os termos aqui explicitados.

Para orientar nosso texto, vamos falar sobre algumas questões comuns nas aplicações Wireless, lembrando que o nível de aplicação está na instrumentação do processo:

  • Quais justificativas para utilização de Wireless na Indústria;
  • Quais benefícios na utilização de Wireless na Indústria;
  • Quais tecnologias estão no mercado e suas aplicações práticas.

A fim de limitar o escopo de aplicação da tecnologia sem fio, mostramos abaixo os principais cenários e aplicações comuns na indústria destes tipos de soluções:

  • Necessito fazer uma medição de temperatura em um local onde a máquina é rotativa e se desloca, não há como cabear a instrumentação, além de ser um ambiente agressivo;
  • Preciso aquisitar dados de diversos pontos do processo de difícil acesso, com objetivo de gerenciar o ativo da planta;
  • Desenvolver um controle de nível de baixa criticidade, substituindo uma operação manual remota, apenas colocando medição e atuador Wireless.

O que a tecnologia Wireless na instrumentação e controle é afinal? É importante entender o seu conceito principal quanto à aplicação:

  • Instrumentação Wireless é a tecnologia de medição e controle (sem criticidade) sem utilização fios no processo industrial;
  • Ela não substitui a convencional, esta tecnologia complementa suas aplicações, antes não possível;
  • A implantação é rápida, segura e eficaz, já obtendo benefícios imediatos pós-investimento.

Por conceito o funcionamento da comunicação Wireless é através da propagação das ondas eletromagnéticas, há um arranjo eletrônico nos dispositivos, onde as informações são trocadas através das antenas dos equipamentos, por esta propagação eletromagnética, originada pela onda elétrica (movimento dos elétrons), trafegam informações devidamente codificadas e interpretadas entre os dispositivos, formando a rede de comunicação, através de um protocolo.

A história das telecomunicações se inicia na descoberta da indução eletromagnética por Michael Faraday (1831), percorrendo um longo caminho através do tempo, com diversas pesquisas e evolução tecnológica.

Em 2004 temos a versão do WirelessHART, onde o protocolo HART, já existia, passando a interconectar instrumentos de forma sem fios e, em 2009, a ISA, lança a primeira versão do norma ISA 100.11a, que tem os mesmos objetivos básicos, fazer instrumentação e controle de processos industriais sem fio.

Com esta evolução, seguimos mais um passo tecnológico pós-redes industriais nos barramentos de campo, pois agora utilizamos o meio sem fio com protocolos industriais padrão e aberto, iniciando uma nova fase evolutiva na automação industrial.

Podemos justificar as aplicações Wireless na indústria da seguinte forma, isto é, onde podemos aplicar de forma a obter benefícios:

  • Instrumentação convencional (fiação) não é possível;
  • Viabilidade de medição pela quantidade de instrumentos (função);
  • Facilidade de manutenção e monitoramento (acesso);
  • Disponibilidade da informação em múltiplos locais;
  • Interconexão a longa distância.

Apresemos abaixo alguns dos principais benefícios no uso da tecnologia Wireless:

  • Aplicações Especiais;
  • Mobilidade;
  • Alcance;
  • Flexibilidade;
  • Confiabilidade;
  • Implantação Rápida;
  • Custo de Manutenção;
  • Imunidade a Ruído;
  • Custo Projeto / Instalação (viabilidade);
  • Diagnóstico de Operação, Manutenção e Segurança.

Dentro das aplicações Wireless há enquadramentos quanto a abrangência, tanto de distâncias quanto de pacote de dados, em nosso caso, para ISA 100 e WirelessHART, vamos nos enquadrar na IEEE 802.15, que é a norma que trata das redes WPAN, que são redes locais, onde o protocolo e a norma se encaixam.

As características básicas de uma rede Wireless de instrumentação e controle de processo são:

  • Instrumentos de medição;
  • Adaptadores de instrumentos com fio;
  • Repetidores de comunicação na rede;
  • Gateway de dados;
  • Controlador PLC/DCS;
  • Estação de Engenharia.

A ISA 100 é uma norma, onde define aplicações desde o nível sensor, que é a instrumentação que é nosso objetivo do texto, até comunicações em backbone, isto é, esta norma tem uma abrangência além da instrumentação do campo, por isso temos suas divisões.

A ISA 100.11a, define os padrões para sensores de rede, a instrumentação de medição do processo e a ISA 100.15, define padrões para comunicação Wi-Fi e 3G, por exemplo, é o que se chama de backhaul, que nada mais é do que a integração de diversos níveis, por gateways multiprotocolos na rede.

Nosso principal objetivo é comentar sobre a ISA100.11a , pois trata dos instrumentos no campo, aplicações equivalentes ao WirelessHART.

A ISA 100 define os limites de aplicações para instrumentação e controle de campo através de classes, são 5 classes, onde das classes 2 a 5 pode-se aplicar a tecnologia Wireless de forma satisfatória, atendendo requisitos, logo há restrições quanto a classe 0, que são ações de emergência e classe 1, que é controle regulatório, malha crítica.

Há na ISA 100.11a, a característica da interoperabilidade entre redes, isto é, podemos ter diversos protocolos, FF, Profibus PA, por exemplo, comunicando pelo mesmo backbone, os gateways interpretam as informações e na ponta temos de forma transparente os dados dos instrumentos na rede.

O padrão ISA 100 tem a característica de trabalhar com diversos protocolos, utilizando gateways universais.

O padrão ISA 100.15 tem o principal objetivo de criar um “túnel” de diversos protocolos e redes sem fio, podendo inclusive comunicar em níveis diferentes, a principal ideia é poder convergir os sistemas de comunicação da planta.

As redes WirelessHART seguem as mesma ideia do ISA 100.11a, o que é mais importante entender é que o protocolo é o HART, já conhecimento e amadurecido no mercado, muito conhecido no meio dos instrumentos com fio, agora comunicando de forma sem fio.

Algumas características do WirelessHART:

  • Taxa de comunicação de 250 Kb/s em 2.4 GHz;
  • 16 Canais de Rádio;
  • Modulação Digital baseada em DSSS;
  • Operação Ponto-a-Ponto para permitir a formação de rede Mesh;
  • “Ouvir antes de Falar” para acesso ao canal (CSMA-CA );
  • Endereçamento dinâmico e flexível dos devices;
  • Protocolo amigável para confiabilidade na transferência;
  • Baixo consumo de energia.

Comparações entre WirelessHART e ISA 100.11a, são comuns, todavia é sempre importante se ater a aplicação, isto é, a necessidade e a solução de sua demanda, todas as tecnologias tem suas característica, observe o quadro da apresentação.

Outra discussão comum é quanto ao controle, se é possível e prudente efetuar controle com redes Wireless, já apresentamos anteriormente esta questão dentro das classes que a própria ISA 100 define, todavia podemos afirmar que é totalmente possível sim efetuar controles, sempre observando criticidade e segurança.

Muitas aplicações de controle Wireless comum são substituições de comandos em campo manuais, por exemplo, de abertura e fechamento de válvulas e desligamentos de segurança de processo, não críticos, eliminando operações manuais, inclusive elevando o padrão de segurança do processo.

O gerenciamento de ativos já é comum e de grande destaque no uso de protocolos industriais e com as redes Wireless, potencializa sua aplicação.

Em muitos casos não há automação para obtenção de informações na rede de controle para fazer a gestão dos ativos, a rede Wireless passa a ser uma opção de aplicação rápida e consistente para levar informações do campo para a manutenção e operação, ganhando em informações preditivas dos equipamentos e processos.

A questão da segurança também remete a muitas preocupações, pois é uma rede que está “aberta”, todavia há nos protocolos a tecnologia capaz de gerenciar as informações que trafegam por esta rede.

De acordo com a segurança da rede industrial, existem três aspectos que devem ser considerados: confidencialidade, integridade e disponibilidade.

  • Confidencialidade: Garantia da informação somente para usuário autorizado;
  • Integridade: Informação somente pode ser modificada por usuário autorizado;
  • Disponibilidade: Acesso permanente as informação pelos usuários autorizados.

A montagem de uma rede sem fio é simples no entendimento da conexão mecânica, uma vez que não há cabeamento, logo a questão da topologia está ligada ao conexão lógica da rede, isto é, ao seu arranjo que é efetuado no comissionamento e configuração do sistema de comunicação.

As redes WirelessHART e ISA100 permitem alguns arranjos de topologia, normalmente Mesh e Estrela, para esta definição há de considerar variáveis de instalação, bloqueios físicos, limitações de visada, quantidade de instrumentos, distâncias  de comunicação, entre outros, pois a principal variável é a atenuação do sinal, onde no resultado final deve haver uma boa qualidade dos sinais se intercomunicando.

A implantação de uma rede Wireless exige um bom planejamento e projeto, passamos abaixo algumas dicas importantes, não é um roteiro e não abrange todo um projeto, mas são informações que devem ser levadas em consideração:

  • Planeje o projeto, tenha uma visão clara do objetivo de sua rede;
  • Discuta com seu fornecedor a melhor tecnologia a ser aplicada em sua planta, há muitas soluções;
  • Se necessário contrate um serviço de Site Survey, que é o projeto da rede Wireless com todos os detalhes  de sinais, visadas, repetidores, entre outros;
  • Planifique os instrumentos e o Gateway, lembre-se que os instrumentos transmitirão informações e também funcionarão como repetidores;
  • Analise as visadas da planta, pelo menos 25% dos instrumentos devem ter conexão direta com o Gateway, caso não ocorra utilize repetidores;
  • Cada instrumento deve se comunicar com no mínimo 3 vizinhos e o Gateway com 5 instrumentos (redes grandes);
  • Verifique se precisam acoplar outros protocolos ou instrumentos com fio, use os conversores Wireless;
  • Configure as taxas de atualização, lembre-se que a durabilidade da bateria depende desta configuração;
  • Após comissionamento aguarde 4 horas e analise as interconexões dos instrumentos, se está minimamente em quantidade de acoplamentos e qualidade de sinais;

Outros pontos a considerar:

  • Área Classificada: As soluções Wireless são aplicadas em áreas Ex, analise das instalações do Gateway na planta;
  • Baterias: O que define sua vida útil é principalmente as taxas de atualização, planeje otimamente o uso da informação;
  • Controle e Criticidade: Informações para controle de processos e informações críticas devem ser analisadas se podem ser colocada em Wireless, normalmente não se aplicam, todavia um estudo de impactos é necessário.

Podemos comentar sobre algumas tendências em redes Wireless em função das tecnologias atuais e sinais de evolução tecnológicas atuais:

  • Ampla utilização das redes Wireless para Instrumentação, com objetivo de Gerenciamento de Ativos On-Line;
  • Entrega de Informações no Cloud e Big Data, para armazenamento e análise de dados da Operação e Manutenção;
  • Convergência de Protocolos e Camadas de informações, horizontalizando as informações para a Indústria 4.0.

Concluímos que as redes sem fio para aplicação industrial estão em crescimento, para instrumentação e controle é um grande avanço, complementando soluções antes não possíveis. Somado ao fato que o aumento das informações de planta permitem soluções que remetem ao conceito da Indústria 4.0.

CONVERGÊNCIA DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Como Unir as Redes de TA, TI e IIoT com Infraestrutura para Indústria 4.0

Estamos em um momento onde há grandes discussões a respeito da Indústria 4.0, é natural, pois existe uma expectativa de uma grande mudança na forma de como vamos lidar com a produção no futuro, todavia ainda existem questões básicas, uma vez que a base da Indústria 4.0 é unir as informações, pessoas e máquinas em um único ambiente (cibernético) e com isso nos perguntamos:

Como unir física e logicamente todas as informações de um ambiente empresarial para pavimentar esta Quarta Revolução?

Para delimitar nosso texto, vamos escrever sobre três questões de muita relevância neste momento de transição, que é a convergência das informações:

  • O que é unir informações da TA (Tecnologia da Automação), TI (Tecnologia da Informação) e IIoT (Internet Industrial das Coisas);
  • Como montar uma infraestrutura de Convergência de TI, TA e IIoT;
  • Como gerar Valor na produção industrial com a Convergência das informações.

Estes itens darão um formato para as respostas que, hoje precisam ser respondidas e aplicadas para que haja sucesso na evolução desta transição para Indústria 4.0.

Para um bom entendimento do que vamos escrever aqui, relacionamos abaixo os principais termos usados no texto, de forma sucinta e direta, não esgotam o assunto pois o objetivo é dar uma ideia e desde já, sugerimos uma pesquisa mais aprofundada em cada item:

  • TI – Tecnologia da Informação – todo o conjunto de Hardware e Software para gestão da unidade empresarial;
  • TA – Tecnologia da Automação – todo o conjunto de Hardware e Software responsável pela medição, controle, automação e segurança da planta / máquina na unidade produtiva;
  • IIoT – (Industrial Internet of Things) – Rede de comunicação que produz e consome informações da unidade industrial através das pessoas, máquinas, equipamentos e dispositivos;
  • Cloud – Conceito de disponibilizar as informações na “Nuvem” (Internet), como principal objetivo de centralizar, proteger e distribuir informações;
  • Big Data – Banco de dados com características de (Volume, Velocidade e Variedade) onde se centraliza, grava e analisa todas as informações da unidade empresarial.

Dado o entendimento do tema e sua importância, vamos imaginar um cenário, que é muito real no dia a dia das industrias:

  • O departamento de TI faz gestão de dados off-line (planilhas) do setor de produção;
  • A operação (automação) somente foca comando e controle, mas não “enxerga” a produção;
  • As tomadas de decisões de produção são reativas (lentas) e não são alinhadas ao negócio de forma estratégica.

Cenários como os descritos acima são comuns e serão nossos direcionares para entender a importância da convergência das informações da empresa no âmbito de TI, TA e IIoT.

Como toda tecnologia o conhecimento de sua evolução nos mostra os impactos que provocam em seu ambiente de aplicação, em nosso caso, entendendo que TI e TA se convergiram ao longo do tempo, em seu início não houveram nenhuma relação entre as duas, porém hoje pensamos praticamente em um único ambiente, unindo as informações de forma transparente e inter-relacionada.

O entendimento de unir as informações, através das redes, da TI e TA é de fácil entendimento no tocante a coletar dados, porém quando pensamos nos desafios técnicos, é importante saber que estes mesmos desafios são diferentes entre estas duas áreas, com isso é importante dar a devida atenção na solução de cada uma, uma vez que o resultado final é atender os dois ambientes de forma a ser uma única rede de informações, então segue abaixo os desafios da TI e TA:

  • Prioridade da TI: Proteger Dados
  1. Confidencialidade
  2. Integridade
  3. Disponibilidade

 

  • Prioridade da TA: Proteger o Processo
  1. Integridade
  2. Disponibilidade
  3. Confidencialidade

Com o entendimento acima, podemos agora então conceituar o que é convergência:

Convergência é a tecnologia e a técnica de interligar as redes de informação de toda a cadeia produtiva industrial, com objetivo de formar dados inteligentes para tomada de decisões.

A convergência das informações, no ambiente industrial, traz benefícios para a produção e a empresa como negócio e seu conjunto empresarial, relacionamos abaixo alguns dos principais:

  • Decisões Estratégicas
  • Regras de Negócio
  • Menor Tempo de Colocação Produto no Mercado
  • Flexibilidade na Produção
  • Padronização da Operação
  • Manutenção Inteligente
  • Menor Custo de Propriedade
  • Redução de Custos
  • Economia de Energia
  • Aumento da Segurança
  • Eliminação de Erros
  • Melhoria do uso do Ativo
  • Redução do Desperdício
  • Transparência nos Negócios
  • Gerenciamento do Risco do Negócio

A infraestrutura que permite todas estas conexões se dá por 3 redes básicas, como vimos, da TI, TA e IIoT, cada uma destas redes funcionam de forma independente dentro de seu ambiente, porém é importante entender que elas serão unidas dentro do Big Data e poderão ficar disponíveis através do Cloud, tudo isso com estrutura de segurança de dados, lembrando que o resultado final é um ambiente cibernético, onde as informações, as pessoas e as máquinas (equipamentos) trocaram informações entre si, de forma segura, consistente e com objetivos definidos.

De tudo que falamos, entendemos que com todo este ambiente interligado, naturalmente tenho uma quantidade de informações que antes não era possível, sem esta interconexão, um operador se limita a apenas ligar ou desligar um motor, por exemplo, mas em um ambiente interconectado, as informações que chegam ao operador fazem com que haja interação com a manutenção, produção e custos, tudo isso em tempo real e com tomada de decisões precisas.

Com todas as informações trafegando pela rede, passamos a operar plantas com informações On-Line, isto é, exatamente no momento que está acontecendo eu tenho a informação e de diversas formas, tanto na tela do computador, com em um Tablet ou celular, tanto no ambiente local, quanto remoto, em formatos de gráficos, e-mail, SMS e tantos mais meios eletrônicos e amigáveis que existirem.

Com este novo ambiente eu customizo minha gestão, isto é, eu crio um ambiente onde podemos dirigir a produção com indicadores que impactam na eficiência produtiva, no custo e na segurança, por exemplo, com isso a energia de operação fica em indicadores focados com metas e estes estão relacionados no grande ambiente de negócios, onde tudo se impacta na alteração destes indicadores.

Quando falamos em decisões estratégicas, devemos pensar no impacto de qualquer variável no processo que cause um efeito na ponta do negócio, com a convergência é possível, por exemplo, entender que quando um equipamento oscila na produção o mesmo pode ocasionar variabilidade no processo, elevando custos energéticos e de manutenção, elevando o custo total do produto, alterando o custo especifico e impactando na ponta a satisfação do cliente.

Esta nova forma de analisar, não tem novidade, uma vez que os sistemas de gestão podem fazer isso já há algum tempo, todavia quanto trazemos as melhores práticas de gestão e colocamos as informações em tempo real de todos os processos e relacionamos todas as variáveis, analisamos com antecedência todo e qualquer variação no negócio como um todo, isso é gestão estratégica.

Como vimos, a convergência é a união, física e lógica das redes, mas como funciona toda esta troca de informações neste ambiente cibernético?

Primeiro temos que entender a tecnologia, vou falar sobre um dos modelos mais utilizados, da mesma forma não esgota o assunto, pois há muita tecnologia envolvida, mas vamos passar como é uma estrutura básica.

Quando pensamos em potencializar as informações de todas as redes, precisamos entender um conceito básico que é produzir a informação e outro que é consumir esta informação, para isso todo o conjunto de redes deve estar preparado para isso, hoje temos os WebService que é uma tecnologia de troca de informações, onde programamos blocos que vão gerar e consumir dados, através de um padrão e um objetivo específico.

Nas redes industriais hoje temos o OPC-UA, que é o padrão de comunicação industrial com Arquitetura Unificada, que permite usar linguagem para WebService, pois utiliza a o XML, que é um padrão de linguagem que permite todas as trocas de informações entre todas as redes.

Tudo isso conectado numa arquitetura física e lógica, utiliza-se um protocolo chamado de SOAP (Protocolo Simples de Acesso a Objetos), que permite esta produção e consumo de informações dentro de um ambiente definido, de conexão via Internet.

Todo este conjunto de hardware, softwares e linguagem de troca de informações, chamamos de arquitetura em SOA, Arquitetura Orientada a Serviços, onde independente dos equipamentos, utilizamos padrões de informações e troca de dados.

Para dar um exemplo de fácil entendimento, os sistemas de pagamento de cartões de crédito, onde se conecta a parte fiscal, ao banco e a administradora do cartão, com diversos tipos de hardware que produzem e consomem informações referentes a compra, ao cliente, ao fornecedor, ao fisco, ao comércio, tudo num único ambiente de internet, é o mesmo conceito tecnológico de nossa convergência.

Uma vez que agora temos um ambiente de informações, conectados de forma interna e externa, as ameaças se segurança, que antes eram de preocupação exclusive da TI, passam para este ambiente, onde inclui-se a TA e o IIoT.

Todo este ambiente deve ser protegido de acessos não autorizados, ameaças lógicas, intrusos, definições de políticas de acesso, não só no ambiente corporativo, mas também no industrial, uma vez que temos informações de máquinas e processo no mesmo ambiente de rede.

Não é objeto de nossa apresentação falar de Cibersegurança, trataremos este tema numa outra oportunidade, todavia é importante colocar este item como parte fundamental do projeto de convergência.

Para implantar o projeto de convergência, relacionamos abaixo alguns itens fundamentais que devem ser observados, também não é um roteiro fixo e nem pronto, é necessário um projeto multidisciplinar com a TI e TA, mas apontamos alguns itens a observar:

  • 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;
  • Treine as pessoas para o uso do Valor do conhecimento da planta que está no Big Data, trazendo os benefícios para o Negócio.

Como estamos em uma transição, a Cultura é uma questão importante para entender tanto o impacto no uso, como nas barreiras a sua implantação:

  • Vivemos a transição do dado físico para o virtual, a capacidade de absorção está no profissional;
  • A mudança dos índices de produtividade no Brasil passará necessariamente pelo investimento na educação profissional e inovação tecnológica;
  • A nova geração habituada as redes sociais, informação onipresente e decisões instantâneas, serão os novos operadores da Fábrica Inteligente.

As novas tecnologias e a convergência mudarão alguns formatos tecnológicos que temos em nossas plantas, descrevemos abaixo algumas tendências que entendemos que, terão grande impacto num futuro próximo:

  • Assim como a convergência das informações, há tendência da convergência dos sistemas de gestão, não haverá diferença entre ERP, MES, BI, CRM e tudo mais;
  • A gestão de Operação e Manutenção caminha para Decisões baseada em Eventos, os procedimentos e ações serão automatizados, dando cognição a cada ação tomada;
  • As infraestruturas de TA caminham para serem administradas igual a TI – SaaS – Software as a Service (Software como Serviço), IaaS – Infrastructure as a Service (Infraestrutura como Serviço); PaaS – Platform as a Service (Plataforma como Serviço).

Concluímos que, quando pensamos em convergência, temos que pensar em simplificação e potencialização, em nosso caso juntar TI e TA é aumentar o valor destes ativos de forma a obter ganhos de produtividade na indústria nunca antes vistos.

PROFINET – TECNOLOGIA E APLICAÇÕES

Protocolo de Comunicação Industrial no Padrão Ethernet – A Evolução do Profibus

A evolução dos protocolos de comunicação que se convergem no Padrão Ethernet são uma realidade na indústria.

O Protocolo PROFINET é a própria evolução da comunicação industrial, é a evolução do Protocolo Profibus, mas em um outro formato, bem mais completo, que atende uma gama variada de aplicações que hoje são demandadas pela indústria, numa única solução.

Vocês vão ver nesta apresentação a capacidade de utilização do Protocolo para a Informação de Planta, Controle dos Processos, Sincronismo, Segurança e Alta Disponibilidade, fazendo com que na ponta, tenhamos ganhos de produtividade industrial.

Também mostramos um case de aplicação pontuando as vantagens do uso do Profinet, além de mostrar seu “convívio” com outros Protocolos Industriais.

O Protocolo Profinet é uma das soluções que atendem a demanda por soluções em Ethernet na indústria, além de estar preparado para a nova realidade, num futuro próximo, para a Indústria 4.0.

Disponibilizamos o vídeo que é uma palestra do tema, além de uma apresentação que se refere ao mesmo conteúdo.

DESCRIÇÃO TÉCNICA PROFINET – CONHEÇA A TECNOLOGIA EM DETALHES