Coexistência PROFINET IRT e OPC UA FX

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ANAIS DO SIMPÓSIO INTERNACIONAL DE AUTOMAÇÃO E REDES INDUSTRIAIS | 2026
Análise de Desempenho e Coexistência dos Protocolos
PROFINET IRT e OPC UA FX na Arquitetura Field-to-Cloud
Prof. Dr. Fernando A. Rezende
1
, Eng. Mariana L. Mendes
2
RESUMO
A convergência das redes operacionais (OT) e de TI nas indústrias 4.0 impõe o desafio de integrar protocolos
determinísticos de nível de campo com especificações universais de interoperabilidade. Este artigo apresenta um
estudo comparativo e de coexistência entre o PROFINET Isochronous Real-Time (IRT) e o protocolo emergente
OPC UA Field eXchange (FX) sobre redes Ethernet TSN. Através de bancada experimental composta por CLPs e
módulos de E/S remotos, quantificou-se a latência determinística, a taxa de perda de pacotes e o impacto no
tráfego de monitoramento em nuvem. Constatou-se que o OPC UA FX atinge latências determinísticas comparáveis
ao PROFINET IRT (abaixo de 250 µs), com a vantagem de prover semântica unificada da borda à nuvem.
Palavras-chave: PROFINET IRT, OPC UA FX, TSN, Determinismo, Indústria 4.0.
1. INTRODUÇÃO
Durante décadas, a automação industrial utilizou redes
de barramento de campo proprietárias e,
posteriormente, variações de Ethernet Industrial para
atender aos requisitos de tempo real estrito do chão de
fábrica.
O PROFINET IRT estabeleceu-se como a tecnologia
dominante para acionamentos e controle de alta
velocidade, utilizando multiplexação por divisão de
tempo (TDMA) personalizada integrada em ASICs
proprietários (como o chaveador ERTEC).
Contudo, a proliferação da IIoT e das arquiteturas em
nuvem exigiu um padrão de comunicação
verdadeiramente interoperável que elimine os
*gateways* de tradução de dados. A iniciativa Field
Level Communications (FLC) do OPC Foundation
introduziu o OPC UA Field eXchange (FX), estendendo
o OPC UA para o nível de atuadores e sensores com
suporte nativo a TSN.
2. MAPEAMENTO DE ARQUITETURAS
A principal diferença entre os dois protocolos reside no
empilhamento de camadas e na representação dos
dados na rede.
O PROFINET IRT contorna completamente as
camadas de transporte e rede do modelo OSI,
mapeando os quadros determinísticos diretamente na
camada de enlace Ethernet (EtherType 0x8892),
utilizando fatiamento temporal rígido.
Por outro lado, o OPC UA FX utiliza o modelo
Publish-Subscribe (PubSub) sobre Ethernet TSN (IEEE
802.1Qbv) ou UDP/IP, encapsulando metadados
semânticos completos no próprio pacote, o que reduz a
necessidade de engenharia no recebimento dos dados
na nuvem.
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3. CONFIGURAÇÃO EXPERIMENTAL
Para realizar os testes de coexistência e latência, foi
montada uma topologia de rede em linha contendo 6
nós de E/S industriais e 2 Controladores Lógicos
Programáveis (CLPs) operando em regime cíclico de 1
ms.
CLP Master
Switch TSN
IEEE 802.1Qbv
Remota E/S
PROFINET + OPC UA
Cloud Gateway
Figura 1: Bancada experimental para avaliação de
convergência OT/TI.
O comutador TSN foi configurado com um
escalonador de portas (*Time-Aware Shaper*)
dividindo a janela temporal de 1000 µs em três fases
distintas:
1. Janela Isochronous (PROFINET IRT / OPC UA FX
PubSub - 400 µs);
2. Janela de Comunicação Cíclica Standard (300 µs);
3. Janela Aberta para Tráfego Best-Effort / Cloud
(300 µs).
4. MEDIÇÕES DE LATÊNCIA E JITTER
As amostras de tempo foram capturadas via analisador
lógico de protocolos conectado aos pontos TAP (Test
Access Point) da rede.
Métrica do Ensaio
PROFINET
IRT
OPC UA FX
(TSN)
Latência Média (µs) 124.5 142.1
Jitter Máximo (µs) 0.08 0.45
Tamanho do Header
(Bytes)
28 78
Eficiência de Carga Útil 82 % 64 %
Interoperabilidade
Multivendor
Limitada Nativa / Total
Apesar do PROFINET IRT apresentar um *overhead*
de cabeçalho menor e um *jitter* imperceptível, o OPC
UA FX demonstrou desempenho plenamente
satisfatório para aplicações de automação com tempos
de ciclo abaixo de 500 µs.
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5. COEXISTÊNCIA SOBRE A MESMA
INFRAESTRUTURA
O ensaio mais crítico consistiu em injetar
simultaneamente tráfego PROFINET IRT e OPC UA FX
no mesmo meio físico, juntamente com requisições
HTTP e MQTT em direção à nuvem.
Sem o uso do mecanismo IEEE 802.1Qbv no switch, a
colisão de pacotes de dados provocou a perda de frames
do PROFINET IRT, levando o CLP ao estado de falha de
comunicação (*bus failure*).
Contudo, ao habilitar o escalonamento TSN, ambos
os protocolos operaram de forma perfeitamente isolada
e determinística, comprovando a eficiência do
fatiamento temporal.
IRT / FX (Protected) Cyclic Data Cloud / IIoT Traffic
Ciclo Repetitivo de 1.000 µs (1 ms)
Sem colisões OT
Figura 2: Alocação do ciclo TSN para garantia de
determinismo compartilhado.
6. ANÁLISE DE CUSTO-BENEFÍCIO
SEMÂNTICO
Embora o PROFINET IRT apresente ligeira vantagem
em velocidade pura de transmissão, o processamento
dos dados exige a importação manual de arquivos
GSDML nos sistemas SCADA e supervisórios de nível
superior.
O OPC UA FX elimina esse passo estrutural através
de seus *Information Models* padronizados.
Dispositivos de campo auto-descrevem suas variáveis
(como temperatura, pressão ou status do atuador),
disponibilizando o modelo estruturado para aplicações
analíticas na nuvem sem intermediários.
Fator de Avaliação PROFINET IRT OPC UA FX
Custo de
Engenharia
Médio / Alto Baixo
Dependência de
ASIC
Sim
(ERTEC/TPS)
Não (Standard
Ethernet)
Mapeamento em
Nuvem
Exige Gateway
Direto via
MQTT/JSON
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7. CONCLUSÕES
Este estudo demonstrou que a transição dos sistemas
de redes industriais baseados em arquiteturas
proprietárias para redes abertas convergentes é
tecnicamente viável e altamente benéfica.
O protocolo OPC UA FX sobre Ethernet TSN
comprovou sua capacidade de executar tarefas de
controle dinâmico em tempo real estrito com latências
na ordem de 140 µs, mantendo total convergência com
o tráfego corporativo e de nuvem.
Para instalações existentes (*brownfield*), a
coexistência entre o PROFINET IRT e o OPC UA FX no
mesmo meio físico é garantida com a adoção de
switches habilitados com o padrão IEEE 802.1Qbv.
AGRADECIMENTOS
Trabalho financiado pela Fundação de Amparo à
Pesquisa e pela Associação de Tecnologias de
Automação.
REFERÊNCIAS
[1] PROFIBUS & PROFINET International, "PROFINET
Design and Commissioning Guideline," Version 2.4, 2021.
[2] OPC Foundation, "OPC UA Field eXchange (FX) Technical
White Paper," Part 80, 2023.
[3] Bruckner, D. et al., "TSN Standards and Their Application
in Automation," Proceedings of the IEEE, vol. 107, no. 6, pp.
1110-1122, 2019.
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