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

REDES ETHERNET INDUSTRIAL

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REDES ETHERNET INDUSTRIAL

Conceito e Aplicação da Rede Ethernet na

Automação e Controle Industrial

DO QUE VAMOS FALAR

• O que é um 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.

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CENÁRIO

• Preciso elaborar um Projeto de Automação na Planta, mas tenho dúvidas quanto ao funcionamento da ETHERNET INDUSTRIAL;

• No Projeto do COI Centro de Operações Integrada, 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.

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ETHERNET

• Inventada em 1973;

• Robert Metcalfe;

• Projeto atribuído a Xerox Palo Alto Research Center.

• Define o Meio Físico;

• Define o Controle de Acesso;

• Define o Quadro (Frame);

• Padrão de Rede mais difundido no mundo.

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BENEFÍCIOS

• 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;

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EVOLUÇÃO ATRAVÉS DA MÍDIAS

Coaxial BNC

RJ-45

Fibra Óptica

Wi-Fi

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ETHERNET INDUSTRIAL

• 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.

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FUNCIONAMENTO • Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD)

• 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.

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GERENCIANDO A REDE (ENCAMINHAMENTO)

• 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;

• Os SWITCH possibilitam a GESTÃO da informação.

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DETERMINISMO

• Característica de entrega e recebimento de uma mensagem na rede baseado no tempo (certeza de entrega e no tempo programado);

• Ethernet baseado no CSMA/CD não permite

determinismo, pois trabalha com colisão de dados,

os switches permitem o gerenciamento broadcast

para Multcast ou Unicast;

• Ethernet para Controle (determinística), utiliza características de controle de sincronismo

dentro de seu Protocolo, sem alterar

características do Padrão (Profinet, Ethernet/IP...)

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ARQUITETURA

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CAMADAS DE REDE

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SWITCHES

• São as Chaves de Rede

Direcionam os Dados

• Não Gerenciáveis

funções básicas de

direcionamento e

tratamento de erros;

• Gerenciáveis – funções avançadas de gerenciamento de rede (ex. VLAN);

• HUB (concentradores) estão em desuso, não são capazes de direcionar dados;

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FUNÇÃO DOS SWITCHES

• 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.

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SWITCH L2

• Trabalham com Endereçamento MAC;

• 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

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SWITCH L3 (ROTEADOR)

• 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);

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SWITCH L4

• Possui todas 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);

• Pode-se tomar decisões de rota, baseado em erros, latência e demanda;

• É a base das SDN (Redes Baseada em Software)

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VLAN

• Recurso para Criação de Redes Virtuais, separação lógica;

• Separa as redes, podendo gerenciar individualmente;

• Controle de Broadcast na rede;

• Priorização de tráfego de dados (informação e controle);

• Eleva segurança de acesso.

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FIREWALL

• São dispositivos 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;

• Permite criptografia de dados para interconexão de serviços entre dispositivos;

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O QUE É UM PROTOCOLO

• 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”.

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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.

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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

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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

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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: – Multiplos serviços TI e TA

– Gerenciamento da Rede na TA

– Diagnóstico Avançado

– Sincronismo e Segurança

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IEC 61850

• 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 (amostrados 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.

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GATEWAYS

• Equipamentos que convertem Protocolos de Rede.

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SAFETY

• As redes Ethernet permitem Protocolos Industriais para Aplicações de Segurança, tanto em Processos, quanto em Máquinas.

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BOAS PRÁTICAS

• 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 técnica e financeiras;

• Projete e implante uma infraestrutura de redes que suportem as convergências da Indústria 4.0 e que gere valor para seu negócio.

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TENDÊNCIAS

• As redes Ethernet aplicadas na Indústria são uma realidade, ainda que há muito legado de outros padrões, mas o crescimento é dado pela simplicidade, robustez e baixo custo da rede;

• Infraestrutura de rede Ethernet, baseado da 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 são 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.

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CONCLUSÃO

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.

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AUTOR

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• 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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