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REDES ETHERNET INDUSTRIAL Conceito e Aplicação da Rede Ethernet na Automação e Controle Industrial

1 MÁRCIO VENTURELLI

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Márcio Venturelli

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.



SOBRE O AUTOR

• Márcio Venturelli trabalha no Mercado de Automação Industrial há 20 anos, tendo trabalhado em departamentos, tais como, Assistência Técnica, Treinamentos, Engenharia e Negócios.

• Trabalhou em diversos Projetos de Implantação de Sistemas e Automação e Controle Operacional de Plantas de Bioenergia, Transformação e Manufatura, no Brasil e no Exterior.

• Atualmente trabalha em Desenvolvimento de Mercados e Tecnologias para o Setor Sucroenergético e Bioenergia, com foco em Arquitetura de Soluções de Conectividade e Redes Industriais, tendo como Principal Diretriz a Geração de Valor para o Cliente, nas Dimensões: Aumento da Produção, Redução de Custos e Elevação da Segurança Funcional, em Soluções que sejam aderentes à Indústria 4.0.

• Professor Universitário de Pós-Graduação de

Automação Industrial e Gerenciamento de Projetos.

• Membro Sênior da ISA (Sociedade Internacional

de Automação), Diretor de Tecnologia da ISA Distrito 4 (América do Sul) e Diretor de Tecnologia Safety Bus da PI (Profibus/Profinet Internacional).

• Graduado em Ciência da Computação, com

Especialização em Controle e Automação Industrial, Pós-Graduado em Gestão Industrial, Pós-Graduado em Tecnologia do Petróleo e Gás e Possui MBA em Estratégia de Negócios. Técnico nas Áreas de Eletrônica e Eletrotécnica.

ATUALIZADO MAI/2016

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