Redes Industriais Avançadas

Prévia do material em texto

1
APOSTILA TÉCNICA APROFUNDADA
Redes Industriais
Tema 5
Tecnologias em Redes Industriais
Engenharia Elétrica - 8º semestre
Resumo completo por módulos, com teoria, cálculos, diagramas e aplicação
Módulos deste tema
Módulo 1 - Redes AS-i
Módulo 2 - Redes Profibus e Profinet
Módulo 3 - Rede definida por software
Redes Industriais Tema 5 - Tecnologias em Redes Industriais
2
Objetivos e mapa de estudo
Propósito do material da faculdade
As redes Profibus e Profinet são amplamente utilizadas no meio industrial, com grande relevância na
implementação dos sistemas inteligentes e da indústria 4.0. Por isso, compreender as tecnologias aplicadas
às redes industriais é fundamental ao profissional atuante na respectiva área. Objetivos • Identificar as redes
AS-I. • Distinguir as redes Profibus e Profinet. • Reconhecer o conceito de rede definida por software.
O que você deve dominar ao terminar este tema
• Explicar os conceitos com terminologia técnica correta e linguagem simples.
• Interpretar o funcionamento e os diagramas associados.
• Aplicar as equações dentro de suas hipóteses e unidades.
• Comparar componentes, topologias e tecnologias.
• Reconhecer limitações, falhas, riscos e critérios de seleção.
Mapa progressivo dos módulos
Módu
lo
Questão central Resultado esperado
1 Como compreender e aplicar redes as-i? Analisar, calcular quando aplicável e justificar
uma decisão de engenharia.
2 Como compreender e aplicar redes profibus e profinet? Analisar, calcular quando aplicável e justificar
uma decisão de engenharia.
3 Como compreender e aplicar rede definida por
software?
Analisar, calcular quando aplicável e justificar
uma decisão de engenharia.
Redes Industriais Tema 5 - Tecnologias em Redes Industriais
3
Módulo 1 - Redes AS-i
Fundamento → compreensão → funcionamento → análise → aplicação de engenharia
1. Visão geral
O módulo trata de redes as-i. Sua finalidade é permitir que o estudante reconheça o fenômeno, equipamento
ou arquitetura, modele seu comportamento e utilize os resultados em decisões de projeto, operação,
diagnóstico e proteção.
Dentro de Redes Industriais, esse conhecimento é importante porque reduz cabeamento no nível de campo.
Ele aparece em aplicações como: Problema: integrar dispositivos industriais com prazo, disponibilidade e
segurança. Solução: especificar arquitetura, meio, protocolo, endereçamento, tempo de ciclo e modo de
falha.
Dispositivo de campo → Quadro / mensagem → Meio e infraestrutura →
Controlador /
aplicação
Figura conceitual - caminho funcional do assunto estudado.
2. Conceitos fundamentais
Conceitos centrais explicados
Conceito: AS-i
Definição técnica: Rede de sensores e atuadores simples em cabo de dois condutores.
Explicação simples: Leva energia e dados pelo mesmo perfil de cabo.
Importância: Reduz cabeamento no nível de campo.
Conceito: Mestre AS-i
Definição técnica: Controla ciclo e integra escravos.
Explicação simples: Consulta os nós de forma organizada.
Importância: Conecta a rede ao controlador superior.
Conceito: Segurança AS-i
Definição técnica: Extensão para funções de segurança com monitoramento dedicado.
Explicação simples: Transmite estados seguros na rede.
Importância: Reduz fiação mantendo requisitos certificados.
Desenvolvimento dos subassuntos do material-base
Os blocos abaixo reorganizam os pontos teóricos distribuídos nas páginas do módulo. Foram removidas chamadas de vídeo,
alternativas de questões e repetições, mas preservado o desenvolvimento conceitual necessário ao estudo.
Sensores digitais Atuadores digitais
Capazes de fornecerem sinais estritamente Capazes de receberem sinais estritamente lógicos (0 ou 1). lógicos
(0 ou 1).
Esse tipo de rede se popularizou rapidamente ao utilizar, de maneira eficiente, apenas um par de fios para
controlar e energizar os dispositivos. Dessa forma, é possível observar que a rede AS-I passou a representar uma
excelente opção em aplicações mais simples envolvendo dispositivos de pequeno porte.
A rede de interface entre o atuador e o sensor (AS-I) permite que essa ligação entre os elementos seja
implementada a um baixo custo e de maneira simples. Além disso, outro fator positivo na utilização dessa rede é
a baixa susceptibilidade a interferências eletromagnéticas.
Na prática, os sistemas projetados para uso de uma rede AS-I podem ser montados nas instalações elétricas já
existentes. Por causa da sua robustez, essa rede não apresenta limitações em relação às topologias já
encontradas. Vejamos que topologias são essas!
Barramento
Nessa topologia, um barramento de dados é utilizado para envio e recebimento de todas as informações do
processo, permitindo a intercomunicação entre os diversos elementos.
Redes Industriais Tema 5 - Tecnologias em Redes Industriais
4
Anel
Nessa topologia, os instrumentos são interligados ao controlador em um formato de anel. Essa topologia
apresenta a vantagem de quase todos os elementos terem dois vizinhos, tornando mais fácil e rápida a conexão
entre eles.
Em caso de remoção dos equipamentos, ocorre uma regeneração do revestimento e a permanência em
condições operacionais. Dessa forma, os elementos de entrada e saída podem ser facilmente conectados e
desconectados, para remoção ou mudanças de local, garantindo uma grande flexibilidade nas instalações.
O ciclo de comunicação da rede AS-I leva um máximo de 5ms, mesmo nas situações em que a rede está
completa (todos os endereços preenchidos). Dessa maneira, os dispositivos ligados à rede (botoeiras, motores,
válvulas, entre outros) apresentam uma boa velocidade de comunicação dentro do processo produtivo.
CB - Representa o bit de controle, podendo ser
CB - Representa o bit de controle, podendo ser: 0 no caso de transferência de dados, parâmetros ou endereços;
e 1 no caso de transferência de comandos.
A4 ... A0 - Representa os bits de endereçamento do escravo: como são 5bits (A4 A3 A2 A1 A0): endereços =
2bits = 32 endereços possíveis. Sendo 31 escravos, 5 bits são suficientes para todos os endereços.
EB - Representa o bit final (end bit) que finaliza a transmissão. Esse bit sempre será 1.
Troca de dados É a mensagem básica para leitura da resposta de um escravo e transferência de bits. Em
negrito, estão os valores dos bits efetivamente enviados (de A4 a A0 e PB - informação vinda do escravo).
Escrita de parâmetros Escreve um determinado dado para o escravo:
Endereçamento de um escravo Consiste na definição de um novo endereço para um escravo. Em um primeiro
momento, deve-se apagar o endereço do escravo. Isso é necessário, pois um escravo deve possuir um endereço
do tipo 0000 para poder receber um novo endereçamento.
Leitura e reset dos dados da memória Permite apagar os dados de toda a rede:
Expansão da rede O comprimento máximo de uma rede AS-I é de 100 metros. Para que seja possível a sua
expansão, é necessário o uso de repetidores. Com o uso dos repetidores, uma rede de até 300 metros é
possível.
Vem que eu te explico
Vem que eu te explico! Os vídeos a seguir abordam os assuntos mais relevantes do conteúdo que você acabou
de estudar.
3. Funcionamento
A sequência funcional deve ser lida do estímulo ou entrada até a resposta do sistema. Em cada etapa, o
engenheiro observa as variáveis de estado, conversões, atrasos, perdas e condições de falha.
1. O dispositivo produz dados do processo.
2. O meio e o protocolo transportam quadros/mensagens.
3. Equipamentos de rede encaminham e priorizam o tráfego.
4. A aplicação interpreta o dado, atua e registra diagnóstico.
4. Equações e relações matemáticas
tempo de ciclo depende do número de escravos
Variáveis e unidades: ms.
Significado físico: Mais nós aumentam o ciclo dentro dos limites da tecnologia.
queda de tensão = I·R
Variáveis e unidades: V.
Significado físico: Verifica alimentação no cabo.
Condições de validade
• Taxa nominal não equivale à taxa útil.
• Latência deve ser avaliada no pior caso.
• Timeout, redundância e estado seguro fazem parte do requisito.
Redes Industriais Tema 5 - Tecnologias em Redes Industriais
5
5. Componentes,elementos ou equipamentos
Elemento/equipamen
to
Função Princípio Características e limitações
Mestre Gerenciar rede. Ciclo de polling. Capacidade e diagnóstico.
Escravo/módulo Conectar
sensor/atuador.
Endereçamento AS-i. Quantidade de E/S.
Cabo perfilado Levar dados e energia. Conexão por perfuração. Queda de tensão e instalação.
A tabela resume a função principal. A seleção final deve considerar tensão, corrente, frequência, ambiente, tolerância,
proteção, manutenção e vida útil conforme a natureza do elemento.
6. Aplicação prática
Problema integrar dispositivos industriais com prazo, disponibilidade e segurança.
Solução especificar arquitetura, meio, protocolo, endereçamento, tempo de ciclo e
modo de falha.
Funcionamento O dispositivo produz dados do processo. O meio e o protocolo transportam
quadros/mensagens. Equipamentos de rede encaminham e priorizam o
tráfego.
Resultado esperado Resultado tecnicamente verificável, dentro dos limites de desempenho,
segurança e operação.
7. Exemplo de engenharia
Orçamento de latência industrial
Problema: Uma aplicação admite 20 ms; sensor usa 3 ms, controlador 5 ms e atuador 4 ms.
Resolução passo a passo
1. Tempo local=3+5+4=12 ms.
2. Resta 8 ms para rede, filas e margem.
3. O projeto deve medir o pior caso sob carga e durante recuperação de falha.
Resultado: Orçamento bruto de rede=8 ms.
Interpretação de engenharia: O prazo deve ser distribuído entre todos os elementos do caminho.
8. Pontos críticos e cuidados
• Separar disponibilidade, latência média e pior caso.
• Documentar endereços e mapa de dados.
• Planejar segmentação e redundância.
• Validar instalação contra EMI e ambiente.
• Definir timeout, diagnóstico e estado seguro.
Redes Industriais Tema 5 - Tecnologias em Redes Industriais
6
Erros e modos de falha recorrentes
Erro/modo de falha Consequência Prevenção ou verificação
Rede plana Propagação de falhas e ataques Segmentar zonas e conduítes
Timeout sem pior caso Paradas falsas ou reação lenta Medir latência e jitter sob carga
Mapa de dados ambíguo Comando ou escala incorretos Documentar tipo, unidade, endianess e
qualidade
9. Relação com outros assuntos
• Automação e sistemas supervisórios.
• Cibersegurança industrial.
• Controle distribuído e instrumentação.
A relação entre disciplinas é importante porque o comportamento elétrico, a instrumentação, o controle, a
comunicação e a proteção formam um único sistema na aplicação real.
10. Complementos técnicos
Complemento técnico: uma rede industrial deve ser validada pelo comportamento de pior caso e pela
resposta a falhas; alta taxa nominal, isoladamente, não garante determinismo.
Complemento: throughput médio não demonstra tempo real. O projeto precisa de pior latência, jitter,
recuperação de redundância, qualidade do dado, segmentação e resposta segura à perda de comunicação.
Normas e referências normativas relacionadas
• IEC 62443 - segurança cibernética para sistemas de automação e controle industrial. Consultar a edição
vigente e o escopo aplicável.
• IEC 61158 e IEC 61784 - tecnologias e perfis de comunicação industrial, quando aplicáveis. Consultar a
edição vigente e o escopo aplicável.
11. O que realmente precisa ser memorizado
• AS-i atua no nível sensor/atuador.
• Dados e energia podem compartilhar cabo.
• Mestre organiza o ciclo.
• Calcular queda de tensão.
• Funções de segurança exigem componentes certificados.
• tempo de ciclo depende do número de escravos - Mais nós aumentam o ciclo dentro dos limites da
tecnologia.
• queda de tensão = I·R - Verifica alimentação no cabo.
12. Resumo final do módulo
• O assunto central é Redes AS-i.
• AS-i: Rede de sensores e atuadores simples em cabo de dois condutores.
• Mestre AS-i: Controla ciclo e integra escravos.
• Segurança AS-i: Extensão para funções de segurança com monitoramento dedicado.
• AS-i atua no nível sensor/atuador.
• Dados e energia podem compartilhar cabo.
• Mestre organiza o ciclo.
• Calcular queda de tensão.
• Funções de segurança exigem componentes certificados.
Redes Industriais Tema 5 - Tecnologias em Redes Industriais
7
Checklist de domínio
□ Consigo explicar, sem consultar o texto, o que é redes as-i e por que esse assunto é usado?
□ Consigo diferenciar AS-i de Mestre AS-i e dar uma aplicação de cada um?
□ Consigo identificar as unidades, hipóteses e significado físico das equações principais?
□ Consigo refazer o exemplo numérico e interpretar o sinal, a ordem de grandeza e o limite do resultado?
□ Consigo reconhecer os três principais erros de projeto ou operação discutidos no módulo?
Redes Industriais Tema 5 - Tecnologias em Redes Industriais
8
Módulo 2 - Redes Profibus e Profinet
Fundamento → compreensão → funcionamento → análise → aplicação de engenharia
1. Visão geral
O módulo trata de redes profibus e profinet. Sua finalidade é permitir que o estudante reconheça o fenômeno,
equipamento ou arquitetura, modele seu comportamento e utilize os resultados em decisões de projeto,
operação, diagnóstico e proteção.
Dentro de Redes Industriais, esse conhecimento é importante porque integra e/s e instrumentos legados. Ele
aparece em aplicações como: Problema: integrar dispositivos industriais com prazo, disponibilidade e
segurança. Solução: especificar arquitetura, meio, protocolo, endereçamento, tempo de ciclo e modo de
falha.
Dispositivo de campo → Quadro / mensagem → Meio e infraestrutura →
Controlador /
aplicação
Figura conceitual - caminho funcional do assunto estudado.
2. Conceitos fundamentais
Conceitos centrais explicados
Conceito: Profibus
Definição técnica: Família fieldbus serial para automação e processo.
Explicação simples: Comunicação determinística em barramento.
Importância: Integra E/S e instrumentos legados.
Conceito: Profinet
Definição técnica: Ethernet industrial para automação em tempo real.
Explicação simples: Usa infraestrutura Ethernet com perfis industriais.
Importância: Oferece integração e diagnóstico modernos.
Conceito: Perfil
Definição técnica: Conjunto padronizado de comportamento de dispositivo.
Explicação simples: Vai além do simples transporte de bytes.
Importância: Melhora interoperabilidade.
Desenvolvimento dos subassuntos do material-base
Os blocos abaixo reorganizam os pontos teóricos distribuídos nas páginas do módulo. Foram removidas chamadas de vídeo,
alternativas de questões e repetições, mas preservado o desenvolvimento conceitual necessário ao estudo.
2. As redes Profibus e Profinet
A rede Profibus DP A troca de dados entre equipamentos e sistemas se tornou fundamental para o
desenvolvimento dos processos produtivos nas mais diversas plantas industriais e na automatização dos mais
diferentes sistemas domésticos. É por meio dessa troca de dados que os equipamentos conseguem compartilhar
informações e realizar a integração dos mais diferentes processos produtivos.
O Profibus DP O Profibus Periférico Descentralizado (Profibus DP) possui como uma de suas principais vantagens
a velocidade de comunicação, podendo alcançar uma taxa de transmissão e recebimento de 12Mb/s. O tempo
de reação também é reduzido, na faixa de 1ms a 5ms, sendo ideal para sistemas que demandam alta
velocidade de comunicação.
1 Controladores lógicos programáveis (CLPs) São utilizados como o cérebro de alguns sistemas, recebendo as
informações dos sensores e encaminhando as instruções aos periféricos.
3 Conversores analógico-digital e digital-analógico São funcionais na conversão de sinais analógicos oriundos do
campo para sinais digitais (para os controladores e dispositivos digitais). Também atuam na conversão dos
sinais digitais em analógicos.
Mestre DP classe 1 Mestre DP Classe 2
Os mestres dessa classe são os controladores Os mestres classe 2 são os programadores e centralizados que
Redes Industriais Tema 5 - Tecnologias em Redes Industriais
9
trocam informações com os dispositivos supervisórios. São empregados na escravos dentro dos ciclos de
mensagem, tais supervisão, no monitoramento e na operação como os CLPs e os controladores digitais. dos
processosprodutivos.
Permite definir as funções para troca de dados acíclicos entre mestres e escravos, tais como: alarmes, blocos
funcionais, comunicação com dispositivos de segurança (PROFIsafe - perfil de segurança da rede Profibus) e
ferramentas de integração do tipo EDD (descrição de dispositivo eletrônico) e FDT (ferramenta de dispositivos
de campo) - possibilitam a integração com periféricos dos mais diversos fabricantes.
O padrão RS-485 define que cada dispositivo da rede consiste em uma carga, permitindo uma rede limitada a 32
unidades. Uma vantagem do barramento RS-485 é o fato de permitir adição e remoção de dispositivos sem a
influência nos dispositivos em operação. É importante destacar que, no padrão RS-485, o início e o fim do
barramento devem ser conectados a terminadores de rede.
Os terminadores são importantes para promover o casamento de impedância de uma rede. Quanto maior o
comprimento de uma rede, maior é a distorção dos sinais. Essa distorção é atenuada pela utilização dos
terminadores, que são compostos basicamente por dois componentes: um resistor de aproximadamente
100ohms e um capacitor de cerca de 1µF conectados em série. Esses componentes da rede Profibus têm
essencialmente duas funções: desviar a corrente referente ao sinal de comunicação e proteger a rede contra
reflexões de sinal. Vale dizer que, em distâncias de até 1.200 metros, os dispositivos podem ser interligados sem
o uso de repetidores.
O Profibus PA possui um protocolo de comunicação bidirecional e a comunicação é realizada, assim como ocorre
no Profibus DP e no AS-I, pelos cabos de alimentação dos próprios dispositivos. Essa característica reforça a
simplicidade de conexão entre os elementos dessa rede. Cabe destacar que, em casos específicos, fontes de
alimentação alternativas são destinadas à energização dos equipamentos fora dos cabos de comunicação.
Comunicação A alimentação dos dispositivos adequados para instalação em redes Profibus PA é realizada por
meio de tensões e correntes contínuas (alimentação CC ou DC). Isso permite que os sinais de comunicação,
alternados e com amplitudes que variam entre 750mV e 1.000mV, sejam sobrepostos aos sinais de alimentação.
O Profinet O padrão Profinet surgiu diante da necessidade de expansão dos processos industriais, com o
aumento significativo do uso de novos recursos e equipamentos, ampliando consideravelmente o volume de
dados em redes de alta velocidade. Ele partiu da evolução da rede Ethernet, representando uma modernização
nos protocolos de comunicação. Sua grande vantagem e facilidade para sua popularização foi a utilização de
recursos e funcionalidades existentes no padrão Ethernet.
O padrão Profinet garante ao sistema a velocidade e a precisão necessárias na troca de dados entre os
controladores e os instrumentos, tornando a produção mais eficiente, segura e rápida. Além disso, oferece ao
sistema as ferramentas para um bom desempenho em tempo real (real time) e as funcionalidades de controle e
gerenciamento inerentes ao padrão Ethernet. Assim como o Ethernet, o Profinet oferece a possibilidade de
comunicação sem fio através de redes wi-fi e bluetooth.
Assim como o Profibus, o Profinet foi desenvolvido pela Profibus e Profinet International, que consiste em uma
entidade privada de associação voluntária focada na disseminação de informações sobre os padrões Profibus,
Profinet e AS-I.
Como já falado, uma das maiores vantagens da Profinet é a velocidade de transmissão. Essas redes podem
alcançar velocidades que variam de 100Mbit/s a 1Gbit/s. Além disso, suas mensagens podem chegar a 1440
bytes. Isso faz com que as redes Profinet sejam mais rápidas e tenham maior largura de banda que as Profibus,
que apresentam velocidades que chegam a 12Mbit/s e podem chegar a 244 bytes.
Camada de transporte
É a camada responsável pelo empacotamento dos dados e verificação da consistência da informação (se os
dados transmitidos chegaram corretamente ao destino).Embora utilize o protocolo TCP/IP, a rede Profinet pode
"decidir" não executar essas instruções e passar diretamente para a próxima camada. Isso é feito quando
determinadas necessidades dos processos industriais precisam ser atendidas e segue um desempenho
determinístico. Essa ação pode ser importante em casos de ações urgentes e para evitar acidentes.
3. Funcionamento
A sequência funcional deve ser lida do estímulo ou entrada até a resposta do sistema. Em cada etapa, o
engenheiro observa as variáveis de estado, conversões, atrasos, perdas e condições de falha.
1. O dispositivo produz dados do processo.
Redes Industriais Tema 5 - Tecnologias em Redes Industriais
10
2. O meio e o protocolo transportam quadros/mensagens.
3. Equipamentos de rede encaminham e priorizam o tráfego.
4. A aplicação interpreta o dado, atua e registra diagnóstico.
4. Equações e relações matemáticas
tempo de ciclo ≥ soma de transmissão e processamento
Variáveis e unidades: ms.
Significado físico: Limite de atualização.
utilização = tráfego/capacidade
Variáveis e unidades: %.
Significado físico: Planejamento de enlace.
Condições de validade
• Taxa nominal não equivale à taxa útil.
• Latência deve ser avaliada no pior caso.
• Timeout, redundância e estado seguro fazem parte do requisito.
5. Componentes, elementos ou equipamentos
Elemento/equipamen
to
Função Princípio Características e limitações
Mestre/controlador Coordenar E/S. Ciclo configurado. Carga e redundância.
Dispositivo de campo Fornecer dados. Perfil e arquivo de
descrição.
Compatibilidade de versão.
Infraestrutura Transportar
comunicação.
RS-485/fibra ou Ethernet. Terminação, switches e instalação.
A tabela resume a função principal. A seleção final deve considerar tensão, corrente, frequência, ambiente, tolerância,
proteção, manutenção e vida útil conforme a natureza do elemento.
6. Aplicação prática
Problema integrar dispositivos industriais com prazo, disponibilidade e segurança.
Solução especificar arquitetura, meio, protocolo, endereçamento, tempo de ciclo e
modo de falha.
Funcionamento O dispositivo produz dados do processo. O meio e o protocolo transportam
quadros/mensagens. Equipamentos de rede encaminham e priorizam o
tráfego.
Resultado esperado Resultado tecnicamente verificável, dentro dos limites de desempenho,
segurança e operação.
7. Exemplo de engenharia
Orçamento de latência industrial
Problema: Uma aplicação admite 20 ms; sensor usa 3 ms, controlador 5 ms e atuador 4 ms.
Resolução passo a passo
1. Tempo local=3+5+4=12 ms.
2. Resta 8 ms para rede, filas e margem.
Redes Industriais Tema 5 - Tecnologias em Redes Industriais
11
3. O projeto deve medir o pior caso sob carga e durante recuperação de falha.
Resultado: Orçamento bruto de rede=8 ms.
Interpretação de engenharia: O prazo deve ser distribuído entre todos os elementos do caminho.
8. Pontos críticos e cuidados
• Separar disponibilidade, latência média e pior caso.
• Documentar endereços e mapa de dados.
• Planejar segmentação e redundância.
• Validar instalação contra EMI e ambiente.
• Definir timeout, diagnóstico e estado seguro.
Erros e modos de falha recorrentes
Erro/modo de falha Consequência Prevenção ou verificação
Rede plana Propagação de falhas e ataques Segmentar zonas e conduítes
Timeout sem pior caso Paradas falsas ou reação lenta Medir latência e jitter sob carga
Mapa de dados ambíguo Comando ou escala incorretos Documentar tipo, unidade, endianess e
qualidade
9. Relação com outros assuntos
• Automação e sistemas supervisórios.
• Cibersegurança industrial.
• Controle distribuído e instrumentação.
A relação entre disciplinas é importante porque o comportamento elétrico, a instrumentação, o controle, a
comunicação e a proteção formam um único sistema na aplicação real.
10. Complementos técnicos
Complemento técnico: uma rede industrial deve ser validada pelo comportamento de pior caso e pela
resposta a falhas; alta taxa nominal, isoladamente, não garante determinismo.
Complemento: throughput médio não demonstra tempo real. O projeto precisa de pior latência, jitter,recuperação de redundância, qualidade do dado, segmentação e resposta segura à perda de comunicação.
Normas e referências normativas relacionadas
• IEC 62443 - segurança cibernética para sistemas de automação e controle industrial. Consultar a edição
vigente e o escopo aplicável.
• Família IEEE 802 - Ethernet, bridging, sincronização e extensões TSN conforme a função. Consultar a edição
vigente e o escopo aplicável.
• IEC 61158 e IEC 61784 - tecnologias e perfis de comunicação industrial, quando aplicáveis. Consultar a
edição vigente e o escopo aplicável.
11. O que realmente precisa ser memorizado
• Profibus é fieldbus serial; Profinet usa Ethernet.
• Perfis padronizam dispositivos.
• Configuração e arquivos de descrição importam.
• Determinismo depende da classe e projeto.
• Instalação física continua crítica.
• tempo de ciclo ≥ soma de transmissão e processamento - Limite de atualização.
• utilização = tráfego/capacidade - Planejamento de enlace.
Redes Industriais Tema 5 - Tecnologias em Redes Industriais
12
12. Resumo final do módulo
• O assunto central é Redes Profibus e Profinet.
• Profibus: Família fieldbus serial para automação e processo.
• Profinet: Ethernet industrial para automação em tempo real.
• Perfil: Conjunto padronizado de comportamento de dispositivo.
• Profibus é fieldbus serial; Profinet usa Ethernet.
• Perfis padronizam dispositivos.
• Configuração e arquivos de descrição importam.
• Determinismo depende da classe e projeto.
• Instalação física continua crítica.
Checklist de domínio
□ Consigo explicar, sem consultar o texto, o que é redes profibus e profinet e por que esse assunto é usado?
□ Consigo diferenciar Profibus de Profinet e dar uma aplicação de cada um?
□ Consigo identificar as unidades, hipóteses e significado físico das equações principais?
□ Consigo refazer o exemplo numérico e interpretar o sinal, a ordem de grandeza e o limite do resultado?
□ Consigo reconhecer os três principais erros de projeto ou operação discutidos no módulo?
Redes Industriais Tema 5 - Tecnologias em Redes Industriais
13
Módulo 3 - Rede definida por software
Fundamento → compreensão → funcionamento → análise → aplicação de engenharia
1. Visão geral
O módulo trata de rede definida por software. Sua finalidade é permitir que o estudante reconheça o
fenômeno, equipamento ou arquitetura, modele seu comportamento e utilize os resultados em decisões de
projeto, operação, diagnóstico e proteção.
Dentro de Redes Industriais, esse conhecimento é importante porque facilita automação e consistência. Ele
aparece em aplicações como: Problema: integrar dispositivos industriais com prazo, disponibilidade e
segurança. Solução: especificar arquitetura, meio, protocolo, endereçamento, tempo de ciclo e modo de
falha.
Dispositivo de campo → Quadro / mensagem → Meio e infraestrutura →
Controlador /
aplicação
Figura conceitual - caminho funcional do assunto estudado.
2. Conceitos fundamentais
Conceitos centrais explicados
Conceito: SDN
Definição técnica: Separação lógica entre plano de controle e plano de dados.
Explicação simples: A política de rede é programada centralmente.
Importância: Facilita automação e consistência.
Conceito: Controlador SDN
Definição técnica: Entidade que calcula e distribui políticas.
Explicação simples: É o cérebro lógico da rede.
Importância: Habilita visão global.
Conceito: Plano de dados
Definição técnica: Equipamentos que encaminham tráfego.
Explicação simples: Executam as regras recebidas.
Importância: Precisam manter operação segura em falhas.
Desenvolvimento dos subassuntos do material-base
Os blocos abaixo reorganizam os pontos teóricos distribuídos nas páginas do módulo. Foram removidas chamadas de vídeo,
alternativas de questões e repetições, mas preservado o desenvolvimento conceitual necessário ao estudo.
3. Rede definida por software
O que é SDN? Uma rede definida por software (software defined networking - SDN) é uma variação das redes
tradicionais que utiliza controladores baseados em programas ou interfaces de programação de aplicativos
(APIs) para estabelecer uma comunicação com a infraestrutura de hardware subjacente e um direcionamento
para o tráfego de informações em uma rede de dados.
A criação de uma rede virtual (denominada virtualização de redes) permite que as SDNs conectem diferentes
redes virtuais em uma única rede física ou fragmentem uma rede física em diferentes redes virtuais. De maneira
similar, também permitem que diferentes dispositivos em diferentes redes físicas sejam conectados para
criarem uma única rede virtual. Assim, uma rede definida por software possibilita uma maneira diferente de
controlar o roteamento de pacotes de dados por meio de um servidor centralizado.
2 Maior controle e maior velocidade Na rede SDN, não é necessário programar diretamente (manualmente)
diversos dispositivos de hardware (periféricos) que podem ou não ser de diferentes fornecedores. Na prática, os
programadores podem controlar o fluxo de dados da rede virtual apenas programando um controlador baseado
em um programa aberto.
4 Segurança Nas redes definidas por software permitem que toda a rede seja visualizada o tempo todo (alta
visibilidade), proporcionando uma visão mais ampla de possíveis ameaças à segurança. Essa característica é
particularmente interessante, pois, com o avanço da indústria 4.0 e das tecnologias inteligentes, os dispositivos
Redes Industriais Tema 5 - Tecnologias em Redes Industriais
14
periféricos estão cada vez mais conectados ao mundo virtual e à rede de computadores (internet). Assim, a SDN
oferece vantagem de criar zonas de segurança específicas para os dispositivos mais sensíveis ou que
necessitem de mais proteção. Também possibilitam que dispositivos contaminados sejam colocados em
isolamento (quarentena) de maneira imediata, de modo que não comprometam os demais - não permitindo a
infecção do restante da rede - sem afetar o funcionamento da rede de dados.
Como funciona uma SDN
Como funciona uma SDN? Em uma SDN, o programa é desacoplado do periférico (hardware). Assim, em uma
SDN, o plano de controle que define para onde enviar o tráfego de dados é executado pelo programa, e não pelo
hardware como em uma rede tradicional. O hardware fica limitado ao fluxo real de dados, ao caminho a ser
seguido.
Aplicativos Controladores
São utilizados para a comunicação e solicitação São os periféricos que utilizam os programas ou de recursos e
informações sobre a rede como as informações dos aplicativos para decidir um todo. como rotear um pacote de
dados.
É interessante observar que os dispositivos da rede que existem fisicamente ou virtualmente promovem de
forma efetiva a movimentação dos dados por meio da rede.
Outra característica das redes SDN que as torna vantajosas em relação às redes tradicionais é a capacidade de
divisão de uma rede virtual em diferentes seções. Essa técnica, denominada virtualização de funções de rede
(network functions virtualization - NFV), permite que os provedores de dados e comunicações movam o
atendimento ao cliente para servidores mais acessíveis e baratos ou até mesmo para os próprios servidores dos
clientes.
Além disso, os provedores de serviços podem usar uma infraestrutura de rede virtual para a transferência de
cargas de trabalho de infraestruturas de nuvens privadas para nuvens públicas, conforme necessário, e
disponibilizar novos serviços aos clientes de maneira instantânea.
Assim, por causa da velocidade e da flexibilidade desse tipo de rede, é possível suportar as diferentes evoluções
pelas quais a tecnologia vem passando e comportar as tecnologias emergentes, incluindo-se a computação em
nuvem, a computação de borda e a internet das coisas, além de comportarem as transferências de dados de
maneira muito mais rápida e um fácil controle de locais considerados remotos.
Como nas redes definidas por software um controlador centralizado é utilizado para gerenciamento de toda a
rede, é essencial proteger esse controlador para manter a rede segura.
SDN aberto
No SDN aberto, osadministradores de rede usam um protocolo aberto, do topo OpenFlow (fluxo aberto), para
controlar o comportamento dos switches virtuais e físicos no nível de plano de dados.
SDN híbrida
Na rede SDN, combinam-se redes de programas (softwares) e redes físicas (hardwares). Essencialmente, essa
rede combina redes definidas por programa (SDN) com protocolos de redes tradicionais formando um ambiente
capaz de fornecer diferentes funções de uma rede. O SDN assume a responsabilidade por outro tráfego, o que
possibilita aos administradores de rede que seja introduzido o SDN em etapas distintas.
1 SD-Wan Consiste em uma rede WAN adaptada para o gerenciamento virtual. Uma de suas maiores vantagens
é a redução de custos de uma WAN, usando linhas alugadas e mais acessíveis no mercado.
2 SD-Lan Consiste em uma rede local (LAN) construída em torno dos princípios da SDN. Embora possua
características da SDN, ela consegue desacoplar os módulos de gerenciamento de controle e os planos de
arquitetura orientada (com ou sem fio) para o gerenciamento de nuvens e conectividade sem fio. É importante
destacar que o gerenciamento pode ser feito sem a ajuda de fios e sem a presença de um controlador.
3. Funcionamento
A sequência funcional deve ser lida do estímulo ou entrada até a resposta do sistema. Em cada etapa, o
engenheiro observa as variáveis de estado, conversões, atrasos, perdas e condições de falha.
1. O dispositivo produz dados do processo.
2. O meio e o protocolo transportam quadros/mensagens.
3. Equipamentos de rede encaminham e priorizam o tráfego.
4. A aplicação interpreta o dado, atua e registra diagnóstico.
Redes Industriais Tema 5 - Tecnologias em Redes Industriais
15
4. Equações e relações matemáticas
latência total = controle + instalação de regra + encaminhamento
Variáveis e unidades: s.
Significado físico: Impacto de decisões reativas.
disponibilidade do controle deve atender ao processo
Variáveis e unidades: %.
Significado físico: Requisito de arquitetura.
Condições de validade
• Taxa nominal não equivale à taxa útil.
• Latência deve ser avaliada no pior caso.
• Timeout, redundância e estado seguro fazem parte do requisito.
5. Componentes, elementos ou equipamentos
Elemento/equipamen
to
Função Princípio Características e limitações
Controlador Programar política. APIs e visão lógica. Escalabilidade e disponibilidade.
Switch programável Aplicar regras. Tabelas de fluxo. Compatibilidade.
Aplicação de rede Expressar intenção. Políticas e automação. Erro pode ter amplo impacto.
A tabela resume a função principal. A seleção final deve considerar tensão, corrente, frequência, ambiente, tolerância,
proteção, manutenção e vida útil conforme a natureza do elemento.
6. Aplicação prática
Problema integrar dispositivos industriais com prazo, disponibilidade e segurança.
Solução especificar arquitetura, meio, protocolo, endereçamento, tempo de ciclo e
modo de falha.
Funcionamento O dispositivo produz dados do processo. O meio e o protocolo transportam
quadros/mensagens. Equipamentos de rede encaminham e priorizam o
tráfego.
Resultado esperado Resultado tecnicamente verificável, dentro dos limites de desempenho,
segurança e operação.
7. Exemplo de engenharia
Orçamento de latência industrial
Problema: Uma aplicação admite 20 ms; sensor usa 3 ms, controlador 5 ms e atuador 4 ms.
Resolução passo a passo
1. Tempo local=3+5+4=12 ms.
2. Resta 8 ms para rede, filas e margem.
3. O projeto deve medir o pior caso sob carga e durante recuperação de falha.
Resultado: Orçamento bruto de rede=8 ms.
Interpretação de engenharia: O prazo deve ser distribuído entre todos os elementos do caminho.
Redes Industriais Tema 5 - Tecnologias em Redes Industriais
16
8. Pontos críticos e cuidados
• Separar disponibilidade, latência média e pior caso.
• Documentar endereços e mapa de dados.
• Planejar segmentação e redundância.
• Validar instalação contra EMI e ambiente.
• Definir timeout, diagnóstico e estado seguro.
Erros e modos de falha recorrentes
Erro/modo de falha Consequência Prevenção ou verificação
Rede plana Propagação de falhas e ataques Segmentar zonas e conduítes
Timeout sem pior caso Paradas falsas ou reação lenta Medir latência e jitter sob carga
Mapa de dados ambíguo Comando ou escala incorretos Documentar tipo, unidade, endianess e
qualidade
9. Relação com outros assuntos
• Automação e sistemas supervisórios.
• Cibersegurança industrial.
• Controle distribuído e instrumentação.
A relação entre disciplinas é importante porque o comportamento elétrico, a instrumentação, o controle, a
comunicação e a proteção formam um único sistema na aplicação real.
10. Complementos técnicos
Complemento técnico: uma rede industrial deve ser validada pelo comportamento de pior caso e pela
resposta a falhas; alta taxa nominal, isoladamente, não garante determinismo.
Complemento: throughput médio não demonstra tempo real. O projeto precisa de pior latência, jitter,
recuperação de redundância, qualidade do dado, segmentação e resposta segura à perda de comunicação.
Normas e referências normativas relacionadas
• IEC 62443 - segurança cibernética para sistemas de automação e controle industrial. Consultar a edição
vigente e o escopo aplicável.
11. O que realmente precisa ser memorizado
• SDN separa controle e dados.
• Centralização é lógica, não necessariamente física.
• APIs permitem automação.
• Planejar alta disponibilidade.
• Mudanças precisam de governança e rollback.
• latência total = controle + instalação de regra + encaminhamento - Impacto de decisões reativas.
• disponibilidade do controle deve atender ao processo - Requisito de arquitetura.
12. Resumo final do módulo
• O assunto central é Rede definida por software.
• SDN: Separação lógica entre plano de controle e plano de dados.
• Controlador SDN: Entidade que calcula e distribui políticas.
• Plano de dados: Equipamentos que encaminham tráfego.
• SDN separa controle e dados.
Redes Industriais Tema 5 - Tecnologias em Redes Industriais
17
• Centralização é lógica, não necessariamente física.
• APIs permitem automação.
• Planejar alta disponibilidade.
• Mudanças precisam de governança e rollback.
Checklist de domínio
□ Consigo explicar, sem consultar o texto, o que é rede definida por software e por que esse assunto é usado?
□ Consigo diferenciar SDN de Controlador SDN e dar uma aplicação de cada um?
□ Consigo identificar as unidades, hipóteses e significado físico das equações principais?
□ Consigo refazer o exemplo numérico e interpretar o sinal, a ordem de grandeza e o limite do resultado?
□ Consigo reconhecer os três principais erros de projeto ou operação discutidos no módulo?
Redes Industriais Tema 5 - Tecnologias em Redes Industriais
18
Referências e orientação de uso
Fonte principal: PDF do tema fornecido pela Universidade Estácio de Sá. O texto foi reorganizado e
complementado tecnicamente para estudo; chamadas interativas, alternativas de exercícios e repetições
foram excluídas.
Para projeto e operação reais, consultar as edições vigentes das normas, requisitos da
concessionária/empresa, estudos do sistema e documentação dos fabricantes. A apostila não substitui
procedimento de segurança, estudo executivo ou responsabilidade técnica.
Referências apresentadas no material-fonte
• FORMIGA, D. A. Implementação de um laboratório remoto para um sistema supervisório utilizando as redes
industriais AS-i e Profibus-DP. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) -
Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, 2017.
• HAESBAERT, R. Sobre as i-mobilidades do nosso tempo (e das nossas cidades). Mercator, v. 14, n. 4, p.
83-92, fev. 2016.
• PINHEIRO, B. A. Uma abordagem SDN para virtualização de redes. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica)
- Instituto de Tecnologia, Universidade Federal do Pará, Belém, 2016.