Definição

A história da Ethernet remonta a década de 70, quando o engenheiro Robert Metcalfe e sua equipe da XEROX na Califórnia buscavam criar uma nova tecnologia que permitiria a conexão de vários computadores a longas distâncias por meio de cabos coaxiais. Após sua padronização na década seguinte pelo Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), com o sucesso do modelo TCP/IP (Transport Control Protocol / Internet Protocol) e da web, tornou-se uma tecnologia quase onipresente nos ambientes acadêmicos, corporativos e domésticos.

Em vista de sua grande disseminação e grande potencial, pensou-se em aplicá-la em ambientes industriais, no entanto, dadas as condições mais adversas e requisitos de desempenho mais específicos, era imperativo adaptá-la, e, assim surgiu a Ethernet Industrial.

De acordo com [1], a Ethernet Industrial pode ser definida como:

{...} a aplicação bem-sucedida dos padrões IEEE 802.3 com cabeamento, conectores e hardware que atendem aos requisitos de ruído elétrico, vibração, temperatura e durabilidade de equipamentos de fábrica, e protocolos de rede que fornecem interoperabilidade e controle crítico de tempo de dispositivos e máquinas inteligentes (Tradução livre).

Além disso, ela incorpora recursos adicionais para garantir a confiabilidade, a segurança e o desempenho necessários.

Alguns do possíveis requisitos são:

• Cabos resistentes a variações de temperatura, a ruídos elétricos, vibrações, corrosão e certos gases
• Prover energia pelo próprio cabo de rede
• Menor suscetibilidade a inatividade da rede
• Suportar o uso de dispositivos legados
• Interoperabilidade
• Informação em tempo real e determinística

Para o seu uso há protocolos específicos como o PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT e Modbus TCP, que são amplamente utilizados em sistemas de automação industrial. Esses protocolos fornecem recursos avançados, como sincronização de tempo, priorização de tráfego, diagnósticos e redundância de rede, garantindo a confiabilidade e a disponibilidade dos sistemas em tempo integral.

Ela oferece vantagens significativas para a automação industrial e a Internet das Coisas (IoT) em ambientes de fabricação, transporte, energia, petróleo e gás, entre outros. Além disso, permite a conexão de uma ampla variedade de dispositivos, como sensores, atuadores, controladores, câmeras e sistemas de monitoramento, facilitando a troca de dados em tempo real e o controle eficiente dos processos industriais.

Fieldbus

Antes da disseminação da Ethernet Industrial, um dos padrões mais famosos e amplamente utilizados era o Fieldbus. Essas redes Fieldbus eram projetadas para fornecer comunicação confiável e determinística em ambientes industriais, permitindo a interconexão de dispositivos e sensores em processos de controle e automação.

No entanto, com o avanço da tecnologia Ethernet e a necessidade crescente por flexibilidade e integração com sistemas de TI, a Ethernet Industrial ganhou popularidade, oferecendo uma solução mais abrangente e escalável para as necessidades de comunicação industrial. Além dela oferecer velocidades de transferência de dados ordens de magnitude maior, um dos protocolos do Fieldbus, Profibus, pode chegar a até 12Mbit/s, enquanto que a Ethernet pode passar de gigas.

Apesar disso, Fieldbus ainda tem seu espaço, dado que sua instalação pode ser menos complexa, mais barata e o determinismo é mais fácil de ser garantido.

Exemplo de arquitetura da rede

A arquitetura específica das redes industriais irá depender das necessidades de cada indústria, dos requisitos, dos protocolos usados, etc, entretanto o seguinte diagrama pode mostrar pelo menos uma ideia geral:

Nesse exemplo, é utilizado o protocolo de Ethernet Industrial PROFINET, juntamente com outros protocolos Fieldbus, como PROFIBUS. Essa abordagem de rede permite a integração de diversos sistemas de controle e sensores, possibilitando que diferentes protocolos coexistam sem complicações significativas. Isso oferece a vantagem de permitir uma transição gradual para uma rede Ethernet Industrial, enquanto partes da rede antiga podem ser mantidas em funcionamento.

Importância: Industria 4.0

A Indústria 4.0 é uma revolução tecnológica que está transformando profundamente os processos industriais, impulsionando a automação e a digitalização das fábricas. Nesse contexto, a Ethernet Industrial desempenha um papel fundamental, pois se tornou a espinha dorsal das redes de comunicação em ambientes industriais.

A Ethernet Industrial permite a alta velocidade de troca de um elevado volume de informação, dado que a dinâmica de comunicação ágil entre os elementos que atuam nos processos das indústrias é essencial. A utilização de protocolos baseados em Ethernet também possibilita que múltiplas ações, com propósitos completamente diferentes, sejam aplicadas simultaneamente e coexistam no mesmo cabo, compartilhando dados entre si sem perdas de funcionalidade ou de desempenho.

No quesito comunicação, a Ethernet Industrial permite a conexão de uma ampla variedade de dispositivos, como sensores, atuadores, controladores, sistemas de monitoramento, sistemas de planejamento de recursos empresariais (ERP) e sistemas de gerenciamento de produção (MES) em uma única rede. Isso facilita a troca de dados em tempo real e fornece uma visão abrangente das operações industriais, o que proporciona uma coordenação e tomada de decisões mais eficientes, rápidas e sincronização precisa entre dispositivos. Ademais, essa tecnologia é altamente flexível e escalável, o que facilita a adição de novos dispositivos e a expansão da rede conforme necessário. Isso é especialmente importante na Indústria 4.0, onde a capacidade de se adaptar rapidamente a mudanças nas demandas de produção e na configuração da fábrica é fundamental.

Além disso, quanto à segurança dos dados e dos sistemas, é de suma importância que os dados estejam visíveis somente para os setores de interesse, ou seja, agentes externos às indústrias não podem ter acesso aos mesmos. A Ethernet Industrial proporciona criptografia de dados, autenticação de dispositivos e mecanismos de controle de acesso, para proteger as redes industriais contra ameaças cibernéticas.

Em resumo, a Ethernet Industrial é significativa na Indústria 4.0 por permitir a conectividade, a integração de sistemas, a flexibilidade, a comunicação em tempo real e a segurança necessárias para alcançar os objetivos da digitalização e automação industrial. Ela desempenha um papel essencial na criação de fábricas inteligentes e na otimização dos processos de produção.

Protocolos

Existem vários protocolos amplamente utilizados no contexto de Ethernet Industrial, os quais fornecem as especificações e diretrizes necessárias para permitir a comunicação confiável e eficiente entre os dispositivos industriais em uma rede Ethernet. Neste documento, serão abordados os mais comumente usados: EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET e Modbus TCP/IP.

É importante observar que, embora todas essas especificações diferentes usem quase o mesmo método de comunicação física e possam operar no mesmo cabo simultaneamente, elas não podem necessariamente se comunicar umas com as outras. Por exemplo, dispositivos Modbus-TCP não podem se comunicar com dispositivos EtherNet/IP porque as mensagens e o protocolo de comunicação foram definidos de forma diferente para esses sistemas, embora a estrutura do meio físico seja a mesma. Vale ressaltar também que a seleção do protocolo dependerá das necessidades específicas do sistema, dos dispositivos envolvidos e dos requisitos de comunicação em tempo real, determinismo e interoperabilidade.

Meio Físico

Requisitos

Em um ambiente industrial os conectores, cabos e hardwares no geral estão submetidos a ambientes não muito convencionais comparados a um ambiente de uma rede comercial, sendo assim há a necessidade de adaptar os padrões do IEEE 802.3 para esse novo ambiente. Tendo noção do ambiente fabril, precisamos que a Ethernet Industrial siga os seguintes requisitos:

Disponibilidade Para um ambiente industrial a paralisação da operação pode gerar prejuízos tanto pela redução da produtividade quanto na perda de dados importantes para um dado processo produtivo. Isso faz com que haja o requisito de que a planta industrial não sofra com problemas de conexão.

Ambiente Hostil: As plantas industriais geralmente são ambientes hostis quando se trata de extremos de temperatura e vibração, o que apresenta ameaça para hardwares, cabos e conectores comuns. Logo, dispositivos resistentes a esses ambientes são essenciais para a operação da planta.

Interferências elétricas:Circuitos comuns de 110 VCA não são a norma em fábricas. Dispositivos de Ethernet Industrial são frequentemente utilizados com linhas de alimentação de corrente alta de 480 VCA, cargas reativas, rádios, acionamentos de motores e equipamentos de alta tensão. A comunicação feita através dessas redes industriais devem continuar confiáveis apesar dos ruídos elétricos.

Alimentação dos dispositivos:Alguns dispositivos devem ser alimentados pelo próprio cabo de rede. Muitos dispositivos de automação operam em 24 VCC. Novos métodos estão em desenvolvimento para alimentar esses dispositivos através do cabo Ethernet.

Dispositivos legados:Os sistemas de automação lidam com equipamentos dos mais novos aos mais antigos. A Ethernet industrial deve ser capaz de interligar todos esses dispositivos.

Interoperabilidade:Os dispositivos Ethernet devem se comunicar entre si, com PCs e possivelmente com aplicativos de Internet/Web. A Interoperabilidade é a capacidade de diversos sistemas e organizações trabalharem em conjunto (interoperar) de modo a garantir que pessoas, organizações e sistemas computacionais interajam para trocar informações de maneira eficaz e eficiente, o que faz um requisito fundamental para as Redes Industriais.

Níveis de prioridade:Algumas informações de controle de máquina exigem respostas em tempo real e determinísticas. Outros dados são muito menos urgentes. É importante avaliar cada cenário e adequar os níveis de prioridade para os diferentes tipos de dados e também o uso de diferentes protocolos.

Desempenho:Além da robustez física, existem características sutis nos drivers de software, roteadores e switches, como latências ocultas, variação de tempo (jitter - variação do atraso entre os pacotes sucessivos de dados), número limitado de conexões e comportamento em ambientes adversos.

Conectividade com outras redes locais (LANs):A maioria dos sistemas de Ethernet Industrial deve ser interconectada às intranets empresariais e à Internet. Problemas graves podem surgir em ambos os lados se isso não for feito com cuidado.

Segurança:Os dados de uma fábrica precisam estar seguros assim como dados de um escritório comum, porém as ameaças são diferentes. Os equipamentos de fábrica são vulneráveis a hackers, por isso precauções específicas devem ser tomadas.

Cabos

Os cabos Ethernet comerciais prontos para uso não atendem aos requisitos de um ambiente industrial, os quais citamos anteriormente. Cabos para Ethernet Industrial, como os que usam revestimento de TPE (Elastômeros termoplásticos), são projetados para resistir aos ambientes hostis que são comuns a um ambiente industrial. A seguir trataremos dos dois tipos de cabos principais para o uso em Ethernet Industrial.

Par trançado

Os cabos Ethernet industriais comumente utilizam pares trançados, que são fios condutores que fazem parte do mesmo circuito e são trançados juntos. Esse processo é feito para ajudar a cancelar Interferências eletromagnéticas e interferências de outras fontes. Além disso, há um revestimento extrudado que ajuda a proteger e manter os pares trançados juntos.

Cabos de Ethernet comercial não possuem classificações ou aprovações para o uso em ambientes industriais por conta dos diversos fatores citados anteriormente. Apesar disso, os cabos industriais e comerciais de par trançado compartilham do mesmo padrão de cores (ANSI/TIA 568-C.2) que é dividido nos códigos de cores de dois pares e no código de cores de quatro pares.

Os cabos ethernet de par trançado são classificados em categorias específicas de desempenho de frequência, velocidade e blindagem assim como mostra a tabela a seguir:

Blindagem

A blindagem dos cabos para as redes industriais é essencial pois esse recurso evita o crosstalk, que é basicamente a transferência indesejada de sinais entre canais de comunicação. Isso pode acontecer através de Interferências Eletromagnéticas (EMI) e Interferências de Radiofrequência (RFI). O ruído emitido interrompe a transmissão dos pacotes, o que sobrecarrega as informações de sinal dentro do circuito elétrico.

Como visto na tabela anterior a segunda coluna mostra o tipo de blindagem que cada categoria pode possuir e elas são basicamente U/UTP, F/UTP e S/FTP.O cabo F/UTP é um cabo UTP (Unshielded Twisted Pair) comum onde o grupo de 4 pares é envolto numa blindagem tipo FOLHA, onde esta é uma cobertura metálica em alumínio que se estende ao longo de todos os pares do cabo. Por sua vez, um cabo S/FTP (Screened / Foiled Twisted Pair) possui, além de uma blindagem tipo FOLHA internamente, par a par (individualmente) tem ainda, envolvendo todos os pares, desta vez simultaneamente, uma blindagem tipo MALHA. Esta blindagem é feita com uma malha metálica trançada como as dos cabos coaxiais. E, por fim, o cabo U/UTP (ou simplesmente, UTP como é comumente conhecido) sem blindagem alguma.

Tipos de aplicação

Há 3 tipos principais de classificação para cabos de cobre para PROFINET que são diferenciadas pelas suas aplicações. São esses tipos:

Tipo A:Cabos projetados para instalações fixas. Eles não devem sofrer movimento após a instalaçã

Tipo B:Cabos projetados para instalações flexíveis. Esse tipo de cabo permite movimento ou vibrações ocasionais.

Tipo C:Cabos projetados para aplicações especiais. Os cabos do tipo C podem suportar movimento e ambientes dinâmicos, como correntes em movimento ou máquinas rotativas.

Além disso, há diversas outras classes especiais de cabos que são usados para aplicações específicas como: Cabos PE (Para áreas constantemente úmidas), Cabos Enterrados, Cabos não corrosivos retardadores de chama, entre outros.

Conectores

Os conectores para cabos de cobre possuem classificação quanto a proteção que eles oferecem e quais deles vão ser usados em diferentes aplicações. Essas classificações de proteção abrangem desde instalações em áreas protegidas, onde é exigida uma classe de proteção inferior IP20, até instalação em campo, onde há requisitos de proteção mais exigentes como IP68. Essas classes de proteção são denominadas "Índice de Proteção" e o primeiro dígito representa o grau de proteção contra objetos sólidos e o segundo representa o grau de proteção contra líquidos, e quanto maior o número maior o grau de proteção.

Dois padrões de conectores foram estabelecidos em relação à transmissão de dados de Ethernet Industrial e são eles o RJ45 e o M12. O RJ45 é mais conhecido no mundo da tecnologia da informação e é prático pois resolve o problema do cabeamento de 4 ou 8 pinos com o mesmo conector. Por outro lado os conectores M12 utilizam codificação D para cabo de 4 pinos, que pode alcançar taxas de transmissão de até 100Mbit/s, e com codificação X para cabo de 8 pinos, que podem alcançar taxas de transmissão de até 10Gbit/s.

Cabos de Fibra Ótica

A transmissão através de cabos de fibra ótica utiliza o princípio de reflexão interna total para manter a luz guiada através de todo o cabo. Apesar desse princípio de transmissão ser conhecido há bastante tempo, somente há poucas décadas foi possível desenvolver, produzir e utilizar comercialmente cabos de fibra ótica com perdas baixas.

Quanto ao funcionamento os dados que serão transferidos são convertidos de sinais elétricos para sinais ópticos por um componente ativo, como um conversor de mídia ou um switch, antes da transferência que é feita através de duas fibras (estrutura duplex). O núcleo e a cobertura é feito de materiais dielétricos, não metálicos e não condutivos, que possui uma série de benefícios como:

• Ausência de interferência de campos externos/interferência eletromagnética.
• Ausência de problemas de aterramento.
• Ausência de perdas de sinal relacionadas à distância resultantes de efeitos elétricos, como indutância, capacitância e resistência.
• Design leve.
• Alto nível de proteção contra interceptação.
• Nenhuma interferência eletromagnética.
• Longas distâncias percorridas sem a necessidade de um switch.
• Sem perdas potenciais.
• Sem crosstalk (interferência entre canais).

Além disso, como os cabos de cobre, os cabos de fibra ótica possuem classificações quanto aos requisitos das instalações, como Tipo B, Tipo C e outras classes especiais.

Classe de cabos de fibra ótica:

Há quatro principais classes de cabos de fibra ótica, essas classes são POF (Plastic Optical Fiber), GOF multi-mode (Glass Optical Fiber), GOF single-mode (Glass Optical Fiber) e PCF (Plastic Clad Fiber) cada um com suas especificações:

Principais conectores

Conector SC-RJ:

O conector SC-RJ é uma combinação dos conectores SC e RJ (Registered Jack). Ele possui um formato retangular semelhante ao conector RJ-45 usado em cabos de rede Ethernet, mas com o mecanismo de travamento do conector SC. O conector SC-RJ é geralmente utilizado em aplicações de redes locais (LANs) e é conhecido por sua fácil conexão e instalação.

Conector LC

conector LC é um conector pequeno e de alta densidade, usado amplamente em redes de fibra óptica. Ele possui um mecanismo de travamento push-pull, semelhante ao conector SC, mas em um tamanho menor. O conector LC é conhecido por sua alta precisão e baixa perda de sinal, sendo comumente utilizado em aplicações de alta velocidade, como transmissões de dados em redes de telecomunicações e centros de dados.

Cabos de cobre

Os cabos de cobre foram introduzidos no século 19 e se tornaram amplamente populares à medida que a indústria de telecomunicações se desenvolvia. Atualmente os cabos de cobre são as escolhas mais populares em redes industriais, mas cabos de fibra ótica são uma opção comum em determinadas aplicações e em seguida abordaremos alguns fatores a serem considerados durante a seleção.

Distancia

Dependendo do ambiente da fábrica uma rede pode exigir cabeamento em curtas ou longas distâncias entre diferentes seções. Como segmentos de cobre individuais são limitados a 100 metros, distâncias maiores podem ser cobertas adicionando um switch, o que para cabos de fibra ótica não é tão necessário já que podem ser executados em distâncias mais longas sem um switch, de até 2 km.

Custo

O custo dos cabos varia dependendo do tipo e recursos especiais, mas o custo por metro não é o único fator a ser considerado, pois durante a instalação cada cabo exigirá equipamentos de teste, conectores e adaptadores.

Ambiente

Os cabos de cobre e de fibra ótica possuem uma classificação por tipo (Tipo A, Tipo B e Tipo C) que garante o funcionamento adequado e reduz o risco de falhas em diferentes ambientes.

Largura de banda

Embora o cobre seja adequado para a maioria das aplicações, a fibra ótica geralmente oferece um desempenho de largura de banda mais alto. O desempenho da largura de banda também dependerá das diferentes classes de cabos. Anteriormente, o cobre era limitado a 10 Mbps, mas agora a maioria dos tipos pode atingir desempenho de Gigabit.

Sendo assim há uma infinidade de fatores para se levar em consideração na implementação das redes industriais, havendo soluções para diferentes ambientes, diferentes requisitos e especificações.

Como foi visto, os protocolos precisam de cabos especiais para que haja a comunicação entre os dispositivos que compõem a rede, e na próxima seção serão explicitados os protocolos mais usados no âmbito industrial.

Protocolos

A tabela seguinte apresenta as diferenças entre os protocolos EtherCat, EtherNet/IP, PROFINET e Modbus TCP/IP, mostrando suas características, vantagens e desvantagens de uso.

1) EtherCAT

O EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) é um protocolo que fornece potência e flexibilidade para automação industrial, controle de movimento, sistemas de controle em tempo real e sistemas de aquisição de dados. Usa um modelo de comunicação mestre/escravo, permite o processamento de pacotes em tempo real para aplicações de automação e que pode fornecer conectividade escalável para sistemas de automação inteiros. É baseado no padrão IEC 61158-2 que especifica a camada física e a camada de enlace de dados para sistemas de comunicação em tempo real usando Ethernet. Além disso, o EtherCAT também segue o padrão Ethernet IEEE 802.3 para a camada física.

O mestre envia uma sequência de dados pelo barramento, eliminando as colisões de dados e otimizando a velocidade como resultado, sendo o único dispositivo com permissão não somente de transmitir (criar) dados pela rede, como também de ajustar a velocidade do barramento caso algum escravo não tenha o poder de processar os dados enviados para ele, evitando perdas.

Os quadros são recebidos pelos dispositivos escravos ( também chamados de nós) aos quais são endereçados. Os dispositivos escravos processam dados e adicionam de volta o que foi solicitado pelo mestre e enviam o quadro para o próximo nó, o qual repetirá o processo. Portanto, os dados de entrada e saída de mais de um dispositivo na rede são combinados em quadros únicos.

A imagem acima mostra uma arquitetura em anel formada pelo mestre e pelos escravos atuando assim como foi descrito anteriormente.

A velocidade aumentou não somente pelo fato de que há apenas um dispositivo enviando dados, mas também por causa do processamento em tempo real em que o nó lê o cabeçalho e envia os dados simultaneamente, economizando tempo e melhorando a eficiência. No Ethernet convencional, a leitura do cabeçalho, o armazenamento e o processamento acontecem em sequência e não simultaneamente como no protocolo EtherCAT.

O protocolo em questão se adapta à topologia escolhida pelo usuário de forma automática, por exemplo: se a saída do último nó não estiver conectada ao mestre, ou seja, não estiver com uma topologia em anel, os dados são retornados automaticamente na outra direção por meio do protocolo EtherCAT. Logo, este protocolo suporta as configurações em anel, linha, estrela e combinações, assim como é mostrado na tabela.

2) EtherNet/IP

EtherNet/IP é uma implementação do protocolo industrial comum (Common Industrial Protocol - CIP) e foi projetado para se comunicar através do Ethernet (protocolo das camadas de enlace e física) baseado no padrão IEEE 802.3. O “IP” em EtherNet/IP significa protocolo industrial (Industrial Protocol). O Ethernet/IP conecta dispositivos do nível de barramento ao nível de controle e ao nível corporativo por meio de uma interface de aplicação consistente.

O CIP (protocolo da camada de aplicação) engloba um conjunto abrangente de mensagens implícitas e explícitas, serviços para uma variedade de aplicações de manufatura e automação de processos, incluindo controle, segurança, proteção, energia, sincronização, movimento, configuração e informações. O pacote de dados CIP pode ser encapsulado antes que eles sejam enviados via Ethernet e é inserido um cabeçalho no datagrama que depende da característica do serviço. O padrão CIP organiza dispositivos em rede como uma coleção de objetos, definindo acesso, procedimentos e extensões que permitem dispositivos diferentes serem acessados usando-se um protocolo comum.

A figura a seguir mostra como os dados são enviados para rede usando-se o protocolo UDP ou o TCP:

Os Dados de I/O (Input/Output), mostrados na figura acima, usam transferência crítica de dados, tipicamente, trata-se de transferência de pacotes de dados pequenos com conexões implícitas de longo alcance entre um produtor e um consumidor. Essa transferência de dados de I/O usa o protocolo UDP/IP e tem a vantagem da alta velocidade (throughput) do UDP, mas sem as garantias dadas pelo protocolo TCP, como conexão confiável, garantia de integridade dos dados, e assim por diante. Há também uma sincronização em Tempo-Real que é uma sincronização cíclica de dados entre um produtor e um consumidor ou consumidores. Os pacotes de sincronização em Tempo-Real usam o protocolo UDP/IP, já que é necessária a velocidade.

O EtherNet/IP usa Ethernet e switches padrão, portanto, pode ter um número ilimitado de nós em um sistema, permitindo uma rede em muitos pontos finais diferentes em um chão de fábrica, e também permite comunicações peer-to-peer de escravos muito eficientes. No entanto, para oferecer suporte à comunicação em tempo real e evitar latência, é necessário limitar a arquitetura da rede.

A rede é composta de elementos que permitem a comunicação entre os equipamentos e o sistema de controle. EtherNet/IP possui três classes para identificar componentes e como eles são usados, assim como podem ser observadas na figura abaixo:

• Scanner: A classe scanner mapeia as variáveis de entrada e saída de rede em ciclos, definido pelo tempo de atualização. Exemplos: CLPs e controladores;
• Mensagem (Messaging): A classe de mensagem é compatível com mensagem explícita ao invés de dados de entrada e saída em tempo real. Exemplos: diagnóstico, ferramentas de configuração de rede, sistemas SCADA e HMI;
• Adaptador (Adapter): A classe de adaptador oferece recursos específicos para o equipamento com o protocolo EtherNet/IP integrado. Exemplos: sensores, válvulas, gateway (equipamento cuja função básica é estabelecer a comunicação entre múltiplos ambientes).

3) PROFINET

O PROFINET (Process Field Net) é um protocolo de comunicação que está em conformidade com o padrão Ethernet IEEE 802 na IEC 61158 e IEC 61784, é líder na Europa para todas as áreas de tecnologia de automação industrial, e amplamente utilizado pelos principais fabricantes de equipamentos industriais, como Siemens e GE.

É usado para troca de dados entre controladores e dispositivos, como: CLP, sistemas de controle distribuído (DCSs - Distributed Control System) e sistemas de automação programáveis ​​(DDCSs - Data Distribution and Command System), blocos de entrada e saída (I/O), sistemas de visão, leitores de identificação por radiofrequência (RFID - Radio Frequency Identification), drives e instrumentos de processo. Com este protocolo, os dispositivos podem ser alterados de um fornecedor para outro sem interação do usuário.

O PROFINET suporta a integração de um simples dispositivo de campo e aplicações de tempo crítico em comunicações Ethernet, bem como a integração de automação de sistemas distribuídos baseados em componentes. Ele foi concebido para ser um sistema de comunicações para quaisquer fornecedores, capaz de se comunicar com os diferentes sistemas BUS através de um servidor proxy. O Proxy é um conversor de um determinado protocolo em outro, por exemplo: de Profinet para PROFIBUS DP, e vale lembrar que existe um padrão específico para este Proxy e desta forma os únicos existentes até o momento são para o PROFIBUS DP e para o Interbus.

O protocolo PROFINET se assemelha ao EtherNet/IP no quesito do modelo provedor/consumidor para troca de dados, já que possui as 3 seguintes classes: Controlador de Entrada/Saída (E/S) como um PLC; I/O-Devices que são dispositivos de campo I/O distribuído conectados a um ou mais I/O Controllers (controladores) via PROFINET I/O, são provedores de dados de entrada e o consumidor de dados de saída; e por último o I/O-Supervisor, sendo um dispositivo de programação ou computador pessoal. Classes essas análogas a Scanner, Adaptador e Mensagem do protocolo EtherNet/IP.

O Process Field Net possui uma estrutura de design modular que permite aos usuários selecionar as funções em cascata, incluindo TCP/IP padrão para aplicativos que não requerem desempenho em tempo real; Tempo Real (RT - Real Time ou SRT - Soft Real Time) para aplicativos que requerem a transferência de informações críticas; e por fim, Tempo Real Isócrono (IRT - Isochronous Real Time) para aplicativos que requerem sincronização de relógio usando funcionalidades como controle de movimento. A figura a seguir ilustra os conceitos e os tempos associados aos TCP/IP, SRT e IRT respectivamente.

4) Modbus TCP/IP

O Modbus TCP/IP, também chamado de Modbus-TCP, foi o primeiro protocolo Ethernet industrial a ser lançado e é uma variação da família Modbus de protocolos de comunicação desenvolvidos para a supervisão e controle de equipamentos automatizados. Este protocolo transfere dados discretos entre dispositivos de controle usando uma comunicação mestre-escravo simples. Com este tipo de transmissão, o nó “escravo” não pode transferir dados até que seja comandado para fazê-lo pelo nó “mestre”. Este protocolo não é considerado como tempo real.

Modbus TCP é um protocolo que integra a camada de aplicação do modelo OSI e o TCP rodando em Ethernet (padrão Ethernet IEEE 802.3), sendo muito utilizado no ambiente industrial devido à sua facilidade de implantação e manutenção, e por ter sido desenvolvido especificamente para aplicações industriais.

A estação mestre inicia a comunicação solicitando que os escravos enviem seus dados, e os escravos, ao receberem a requisição do mestre, retornam os dados solicitados. Os dados transmitidos podem ser discretos ou numéricos, ou seja, é possível enviar valores numéricos como temperatura e pressão ou enviar um bit para ligar e desligar um motor.

Na figura seguinte podemos observar como é constituído o quadro de mensagens no protocolo Modbus.

Ao utilizar o meio físico Ethernet o protocolo MODBUS opera com o mecanismo de controle de acesso CSMA-CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection – sistema que evita a colisão na emissão de pacotes de dados), próprio da rede EtherNet, com estações do tipo cliente-servidor ou mestre-escravo.

O Modbus do tipo TCP não acrescenta ao quadro um campo de checagem de erros como outras variações de Modbus, entretanto o frame ethernet já utiliza CRC-32 (cyclic redundancy check - é um checksum) tornando desnecessário outro campo de checagem. O cliente Modbus TCP deve iniciar uma conexão TCP com o servidor a fim de enviar as requisições. A porta TCP 502 é a porta padrão para conexão com servidores Modbus TCP.

Futuro das redes industriais

Apesar do seu surgimento mais "recente" nas indústrias antes dominadas principalmente pela tecnologia Fieldbus, ela vem consolidando seu espaço.

De acordo com uma pesquisa da HMS, uma empresa do ramos de automação industrial, em 2018 a Ethernet industrial superou o Fieldbus em termos de uso em novas instalações [2].

Além disso, em uma nova pesquisa, em 2023 [3], a HMS confirmou a tendência de crescimento e encontrou como resultados uma distribuição de 68% para Ethernet Industrial, 24% para Fieldbus e 8% para Wireless, sendo a distribuição específica dos protocolos a seguinte:

Outro dado importante de se observar é que das três tecnologias, a que mais cresceu foi a Wireless indicando o seu muito provável papel de destaque no futuro próximo, especialmente pela potencialização de seus benefícios por conta da disseminação das redes 5G.

Essas tendências são reafirmadas em [4] que também indica o futuro domínio da Ethernet Industrial combinada com a Wireless nas aplicações em que ela se faz necessária, aplicações móveis ou de difícil acesso, por exemplo.

O movimento nessa direção tem sido impulsionado especialmente pela maior largura de banda, flexibilidade, escalabilidade e compatibilidade com os padrões de rede existentes e capacidade de integração entre dispositivos que é vital à indústria 4.0.

Referências

[1] MARSHALL, Perry S.; RINALDI, John S. Industrial Ethernet - How to Plan, Install, and Maintain TCP/IP Ethernet Networks: The Basic Reference Guide for Automation and Process Control Engineers. 2. ed. ISA, 2004.

[2] HMS NETWORKS. Industrial Ethernet is now bigger than fieldbuses. Disponível em: <https://www.hms-networks.com/news-and-insights/news-from-hms/2018/02/27/industrial-ethernet-is-now-bigger-than-fieldbuses>. Acesso em: 12 junho. 2023.

[3] HMS NETWORKS. Industrial Ethernet is now bigger than fieldbuses. Disponível em: <https://www.hms-networks.com/news-and-insights/news-from-hms/2023/05/05/industrial-network-market-shares-2023>. Acesso em: 12 junho. 2023.

[4] ZURAWSKI, Richard. Industrial Communication Technology Handbook (Second ed.)CRC Press, 2014

[5] Automating with PROFINET: Industrial Communication Based on Industrial Ethernet - Raimond Pigan, Mark Metter