Redes Industriais Avançadas

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APOSTILA TÉCNICA APROFUNDADA
Redes Industriais
Tema 6
Aplicações em Redes Industriais
Engenharia Elétrica - 8º semestre
Resumo completo por módulos, com teoria, cálculos, diagramas e aplicação
Módulos deste tema
Módulo 1 - Inteligência artificial e computação em nuvem
Módulo 2 - Redes sensíveis ao tempo (TSN)
Módulo 3 - Redes industriais na Indústria 4.0
Redes Industriais Tema 6 - Aplicações em Redes Industriais
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Objetivos e mapa de estudo
Propósito do material da faculdade
Compreender a evolução nos sistemas industriais e como os profissionais da área técnica devem lidar com os
avanços tecnológicos relacionados à inteligência artificial e à computação na nuvem, além de compreender a
importância dos princípios das redes sensíveis ao tempo (TSN) para a implementação dos sistemas de troca
de dados modernos. Objetivos • Reconhecer os conceitos de inteligência artificial e de computação em
nuvem. • Identificar o conceito de redes sensíveis ao tempo (TSN). • Reconhecer o conceito de redes
industriais na Indústria 4.0.
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 inteligência artificial e
computação em nuvem?
Analisar, calcular quando aplicável e justificar
uma decisão de engenharia.
2 Como compreender e aplicar redes sensíveis ao tempo
(tsn)?
Analisar, calcular quando aplicável e justificar
uma decisão de engenharia.
3 Como compreender e aplicar redes industriais na
indústria 4.0?
Analisar, calcular quando aplicável e justificar
uma decisão de engenharia.
Redes Industriais Tema 6 - Aplicações em Redes Industriais
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Módulo 1 - Inteligência artificial e computação
em nuvem
Fundamento → compreensão → funcionamento → análise → aplicação de engenharia
1. Visão geral
O módulo trata de inteligência artificial e computação em nuvem. 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 histórico e análise corporativa.
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: Computação em nuvem
Definição técnica: Recursos escaláveis de processamento e armazenamento acessados por rede.
Explicação simples: Transfere parte da análise para serviços remotos.
Importância: Facilita histórico e análise corporativa.
Conceito: Edge computing
Definição técnica: Processamento próximo ao processo.
Explicação simples: Decide localmente e envia o necessário.
Importância: Reduz latência e dependência do enlace.
Conceito: IA industrial
Definição técnica: Modelos que detectam padrões, estimam estados ou apoiam decisões.
Explicação simples: Aprende relações a partir de dados.
Importância: Suporta manutenção e otimização.
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.
Processamento de linguagem natural
Relaciona-se com a compreensão e interpretação da linguagem natural (linguagem dos seres humanos), que é
um dos grandes desafios da inteligência artificial.
Como funciona a inteligência artificial
Como funciona a inteligência artificial? Muitas vezes, o conceito de inteligência artificial no meio industrial é
confundido com sistemas mais complexos de controle, ou com partes isoladas do complexo quebra-cabeça que
envolve a inteligência artificial como um todo.
A implementação de um sistema dotado de IA necessita de dispositivos específicos e programas especializados
para escrever e treinar algoritmos tendo como foco o aprendizado de máquinas. Desse modo, não se deve
confundir o conceito de inteligência artificial com um equipamento ou programa, embora diversas linguagens de
programação sejam bastante populares no desenvolvimento de programas aplicados a IA, tais como Python,
Java e R.
Aprendizado
O processo de aprendizagem se concentra na aquisição de dados e na criação de regras que permitam
transformar esses dados em informações utilizáveis. Os algoritmos fazem com que o dispositivo seja capaz de
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aprender e desenvolver instruções para a conclusão de uma tarefa específica.
Qual é a importância da inteligência artificial
Qual é a importância da inteligência artificial? A IA é capaz de fornecer às empresas informações sobre as quais
estas, talvez, não tenham conhecimento, por meio da percepção de padrões e informações que podem passar
despercebidas pelos operadores humanos. De maneira similar, a IA pode permitir a execução de tarefas de
maneira mais apropriada e mais precisa (maior eficácia e eficiência) do que os seres humanos.
Em atividades específicas - como a execução de tarefas repetitivas e detalhadas, a análise de um grande
número de dados ou de documentos legais, para garantir que determinados campos relevantes sejam
preenchidos corretamente -, as ferramentas derivadas da IA são capazes de concluir esses trabalhos
rapidamente e com poucos erros, de maneira relativa.
As vantagens e desvantagens da IA As redes neurais e as tecnologias de inteligência artificial vêm apresentando
um processo evolutivo muito rápido. Isso se deve, em parte, à capacidade de processamento de dados da IA,
muito maior do que a capacidade humana.
Vantagens Desvantagens
Excelente detalhamento das informações; Preço pouco acessível; necessidade de redução significativa de tempo
na execução de profissionais altamente qualificados para o atividades, ainda que complexas ou com muitos
desenvolvimento e atualização; limitações na dados; produção de resultados consistentes; e capacidade de
aprendizagem; limitações na fácil disponibilidade dos agentes que utilizam capacidade de tomada de decisões.
IA.
Tipo 4
Autoconsciência: os sistemas de IA desse tipo possuiriam senso de identidade. A máquina apresentaria uma
autoconsciência, entendendo sua própria essência. Esse tipo ainda não existe.
Aplicativos de armazenamento de dados Bancos de dados
No lugar de discos rígidos próprios ou dispositivos de armazenamento locais, o armazenamento de dados
baseado em nuvem permite que estes sejam salvos em um banco de dados remoto. Desse modo, um dispositivo
eletrônico que tenha acesso à rede de internet é capaz de acessar dados e executar programas.
A computação em nuvem pode ser pública e privada
A computação em nuvem pode ser pública e privada. Os serviços de nuvem pública fornecem seus serviços pela
internet mediante o pagamento de uma taxa. Os serviços de nuvem privada, por outro lado, fornecem serviços
apenas para um número de pessoas. Esses serviços são um sistema de redes que fornecem serviços
hospedados. Há também uma opção híbrida, que combina elementos dos serviços públicos e privados.
A computação em nuvem ainda é um serviço relativamente novo, mas está sendo usado por várias organizações
diferentes, de grandes corporações a pequenas empresas, de organizações sem fins lucrativos a agências
governamentais, e até por consumidores individuais.
Infraestrutura como um serviço
Também conhecido como infrastructure-as-a-service (IaaS), envolve um métodopara fornecer tudo, desde
sistemas operacionais a servidores e armazenamento, por meio de conectividade baseada em IP como parte de
um serviço sob demanda. Os clientes podem evitar a necessidade de comprar software ou servidores e, em vez
disso, adquirir esses recursos em um serviço terceirizado e sob demanda.
3 Acesso à tecnologia de ponta Antes que a nuvem se tornasse uma alternativa viável, as empresas precisavam
comprar, construir e manter tecnologia e infraestrutura de gerenciamento de informações caras. As empresas
podem trocar os caros centros de servidores e departamentos de TI por conexões rápidas com a internet, em
que os funcionários interagem com a nuvem on-line para concluir suas tarefas.
1 Segurança Com toda a velocidade, eficiência e inovações que vêm com a computação em nuvem,
naturalmente há riscos. A segurança sempre foi uma grande preocupação com a nuvem, especialmente quando
se trata de registros médicos e informações financeiras confidenciais. Embora os regulamentos obriguem os
serviços de computação em nuvem a reforçar suas medidas de segurança e conformidade, isso continua sendo
um problema contínuo. A criptografia protege informações vitais, no entanto, se essa chave de criptografia for
perdida, os dados desaparecerão.
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.
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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
latência E2E = aquisição + rede + processamento + retorno
Variáveis e unidades: ms/s.
Significado físico: Prazo total da aplicação.
acurácia = acertos/total
Variáveis e unidades: %.
Significado físico: Métrica simples, insuficiente para classes desbalanceadas.
Condições de validade
• Unidades coerentes no SI.
• Hipóteses e condições de contorno explicitadas.
• Resultados validados contra limites do equipamento e do processo.
5. Componentes, elementos ou equipamentos
Elemento/equipamen
to
Função Princípio Características e limitações
Edge gateway Coletar e pré-processar. Protocolos e computação
local.
Recursos e segurança.
Plataforma de dados Armazenar e
contextualizar.
Banco, fila e
processamento.
Custos e governança.
Modelo de IA Inferir condição. Treinamento e inferência. Drift e explicabilidade.
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.
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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.
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
• Controle crítico deve tolerar perda de nuvem.
• Edge reduz latência e volume.
• Dados precisam de contexto e qualidade.
• Modelo deve ser validado continuamente.
• Cibersegurança cobre dispositivo, enlace e serviço.
• latência E2E = aquisição + rede + processamento + retorno - Prazo total da aplicação.
• acurácia = acertos/total - Métrica simples, insuficiente para classes desbalanceadas.
12. Resumo final do módulo
• O assunto central é Inteligência artificial e computação em nuvem.
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• Computação em nuvem: Recursos escaláveis de processamento e armazenamento acessados por rede.
• Edge computing: Processamento próximo ao processo.
• IA industrial: Modelos que detectam padrões, estimam estados ou apoiam decisões.
• Controle crítico deve tolerar perda de nuvem.
• Edge reduz latência e volume.
• Dados precisam de contexto e qualidade.
• Modelo deve ser validado continuamente.
• Cibersegurança cobre dispositivo, enlace e serviço.
Checklist de domínio
□ Consigo explicar, sem consultar o texto, o que é inteligência artificial e computação em nuvem e por que
esse assunto é usado?
□ Consigo diferenciar Computação em nuvem de Edge computing 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?
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Módulo 2 - Redes sensíveis ao tempo (TSN)
Fundamento → compreensão → funcionamento → análise → aplicação de engenharia
1. Visão geral
O módulo trata de redes sensíveis ao tempo (tsn). 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 combina convergência e determinismo.
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: TSN
Definição técnica: Conjunto de extensões IEEE 802.1 para comunicação Ethernet previsível.
Explicação simples: Agenda e prioriza tráfego crítico.
Importância:Combina convergência e determinismo.
Conceito: Sincronização temporal
Definição técnica: Distribuição de relógio comum com alta precisão.
Explicação simples: Dispositivos compartilham referência de tempo.
Importância: Permite ações coordenadas.
Conceito: Agendamento
Definição técnica: Reserva de janelas para classes de tráfego.
Explicação simples: Evita que tráfego comum atrase o crítico.
Importância: Controla latência e jitter.
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.
A importância das redes sensíveis ao tempo
Redes TSN Todas as tecnologias utilizadas no desenvolvimento e na modernização dos processos produtivos
possuem os seus próprios requisitos e suas necessidades específicas. Entre esses requisitos, a sensibilidade ao
tempo representa um desafio aos projetistas, uma vez que os sistemas apresentam a necessidade de
transmissão de dados em redes compartilhadas.
O que são as TSN
O que são as TSN? Considere os sistemas de monitoramento e controle distribuídos que contemplam diversos
dispositivos, como os chãos de fábrica das indústrias modernas, que contam com um grande número de
periféricos conectados, mas que podem apresentar diferentes objetivos. Em alguns casos, as trocas de
informações entre esses diversos dispositivos podem ser conflitantes, o que dificulta ou impossibilita a
comunicação entre esses componentes da rede.
Tecnologia da informação (TI) Tecnologia operacional (TO)
É uma área que utiliza a computação como Consiste no uso de hardware e meio de produzir, transmitir,
armazenar e software para controlar equipamentos usar diversas informações. industriais.
No entanto, o padrão Ethernet não foi originalmente projetado para atender aos requisitos da automação
industrial moderna, principalmente no que tange à estabilidade de comunicação e às atualizações em tempo
real dos dados. Isso levou ao desenvolvimento de diversos padrões que evoluíram do Ethernet (utilizando esse
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padrão apenas como nível físico) e que permitiram a implementação de variados protocolos proprietários em
tempo real no topo da camada.
Vários métodos de comunicação em tempo real - como Profibus ou Profinet IRT - foram especialmente
desenvolvidos para fornecer tempos de ciclo garantidos. Embora sejam baseados em Ethernet convencional,
eles não são compatíveis entre si. Essa incompatibilidade resultou em redes fragmentadas, o que contraria a
ideia de integração necessária para os sistemas modernos.
Na pirâmide, é possível identificar os diversos níveis de comunicação da automação industrial:
Nível 2 É o nível em que se enquadram os equipamentos responsáveis pelo monitoramento e controle
(centralizado ou distribuído) de todos os elementos e atividades da planta, tais como: controladores lógicos
programáveis (CLPs), controladores digitais, controles numéricos computadorizados (CNCs) e SDCDs. Entre as
redes de comunicação desse nível 2 com o nível 3, pode-se considerar: ControlNet, Ethernet IP, Profibus DP,
Profinet, entre outras.
A TI inclui a comunicação clássica de escritório com dispositivos finais típicos - como impressoras e
computadores pessoais -, envolvendo principalmente os níveis 3, 4 e 5 da pirâmide. A TO é composta por
sistemas, máquinas e programas utilizados para controle e automação de processos, que são encontrados,
essencialmente, nos níveis 1 e 2 da pirâmide.
Como resultado, cada nível usa um padrão de comunicação específico
Como resultado, cada nível usa um padrão de comunicação específico. Embora o sistema de barramento
Ethernet com TCP/IP tenha prevalecido amplamente no nível de TI, vários sistemas de barramento - também
conhecidos como sistemas de barramento de campo -, que atendem particularmente aos requisitos de tempos
de latência garantidos, são difundidos no nível de TO.
Nesse processo de modernização, a automação industrial vem passando por uma fase de reestruturação
baseada no estabelecimento de uma manufatura flexível e inteligente, muitas vezes descrita ou já
implementada no contexto da Indústria 4.0 ou da internet das coisas (IoT). A produção inteligente inclui
componentes, máquinas e fábricas que estão em constante comunicação entre si para otimizar e dar suporte
aos processos de forma automatizada. Essas mudanças também estão afetando os modelos de automação
vigentes.
A estruturação de uma TSN Entre as vantagens de uma TSN em relação à Ethernet tradicional, pode-se citar:
Tempos de latência são garantidos para dados críticos em tempo real em toda a rede. • O tráfego de dados
críticos e não críticos pode ser transmitido por uma rede convergente (permitem a transmissão de dados de
diferentes naturezas em uma única rede). • Camadas de protocolo de nível superior podem compartilhar uma
infraestrutura de rede comum. • O controle em tempo real também pode ser aplicado fora da área operacional
(TO). • Não há dependência de fornecedor, por adotarem protocolos abertos.
Primeira abordagem A primeira abordagem é baseada no padrão IEEE 1588-2008-Protocolo de Tempo de
Precisão e utiliza um algoritmo dentro da rede. O padrão IEEE 1588-2008 solicita o fornecimento do relógio com
o horário mais preciso para ser designado como relógio de referência.
Oito classes de tráfego já estabelecidas, conforme IEEE 802 1Q, são utilizadas para priorizar diferentes tipos de
tráfego de dados. No entanto, a qualidade de serviço (QoS) definida pelo padrão não foi projetada para enviar
tráfego de dados críticos e não críticos em paralelo. Devido aos mecanismos de buffer em switches utilizados na
rede Ethernet, um pacote de dados Ethernet de baixa prioridade pode atrasar até mesmo os fluxos de dados
com a prioridade mais alta ao longo do caminho de transmissão.
IEEE 802.1Qav - Agendador com reconhecimento de tempo
Esse mecanismo define a criação de um escalonador cuja função básica é criar períodos de tempo discretos
iguais. Esses ciclos ou intervalos de tempo são então atribuídos às classes de tráfego. A modelagem com
reconhecimento de tempo fornece um cronograma fixo para diferentes classes de tráfego de dados para
predeterminar os horários de início e de chegada. Isso torna possível cumprir os tempos de transmissão
definidos e sincronizar vários fluxos de dados.
Como o agendador requer sincronização, todos os elementos incluídos na rede sabem quando e qual prioridade
pode ser enviada e processada. Além da sincronização de tempo e vários mecanismos de modelagem e
agendamento de tráfego, outros subpadrões estão atualmente em processo de desenvolvimento.
São flexíveis, expansíveis e reprogramáveis
Como alguns padrões TSN ainda estão sendo revisados e alterados, a possibilidade de expansão e
reprogramação é um fator crítico na sua implementação.
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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
jitter = variação da latência
Variáveis e unidades: s.
Significado físico: Previsibilidade temporal.
latência máxima ≤ prazo da aplicação
Variáveis e unidades: s.
Significado físico: Critério de tempo real.
erro de sincronismo = |tlocal - treferência|
Variáveis e unidades: s.
Significado físico: Qualidade temporal.
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/equipamento
Função Princípio Características e limitações
Grandmaster Fornecer referência
temporal.
Sincronização de relógios. Redundância e precisão.
Switch TSN Aplicar filas e agenda. Shapers e gates. Configuração fim a fim.
End station Produzir/consumir fluxo. Timestamp e agenda. Compatibilidade de perfil.
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.
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7. Exemplo de engenharia
Orçamento de latência TSN
Problema: O controle admite 1 ms fim a fim; aquisição usa 150 µs, processamento 250 µs e atuação 150 µs.
Resolução passo a passo
1. Tempo não pertencente à rede=150+250+150=550 µs.
2. Orçamento de rede=1000-550=450 µs.
3. Agenda, sincronismo e filas devem garantir latência máxima abaixo de 450 µs.
Resultado: Orçamento máximo de rede=450 µs.
Interpretação de engenharia: O valor médio não é suficiente; deve-se provar o pior caso e o jitter.
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.
11. O que realmente precisa ser memorizado
• TSN é um conjunto de padrões.
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• Sincronização e agenda são pilares.
• Determinismo exige projeto fim a fim.
• Jitter é tão importante quanto média.
• Perfis de aplicação garantem interoperabilidade.
• jitter = variação da latência - Previsibilidade temporal.
• latência máxima ≤ prazo da aplicação - Critério de tempo real.
• erro de sincronismo = |tlocal - treferência| - Qualidade temporal.
12. Resumo final do módulo
• O assunto central é Redes sensíveis ao tempo (TSN).
• TSN: Conjunto de extensões IEEE 802.1 para comunicação Ethernet previsível.
• Sincronização temporal: Distribuição de relógio comum com alta precisão.
• Agendamento: Reserva de janelas para classes de tráfego.
• TSN é um conjunto de padrões.
• Sincronização e agenda são pilares.
• Determinismo exige projeto fim a fim.
• Jitter é tão importante quanto média.
• Perfis de aplicação garantem interoperabilidade.
Checklist de domínio
□ Consigo explicar, sem consultar o texto, o que é redes sensíveis ao tempo (tsn) e por que esse assunto é
usado?
□ Consigo diferenciar TSN de Sincronização temporal 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?
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Módulo 3 - Redes industriais na Indústria 4.0
Fundamento → compreensão → funcionamento → análise → aplicação de engenharia
1. Visão geral
O módulo trata de redes industriais na indústria 4.0. 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 melhora rastreabilidade e decisão. 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: Integração vertical
Definição técnica: Fluxo de dados do campo aos sistemas corporativos.
Explicação simples: Conecta produção e gestão.
Importância: Melhora rastreabilidade e decisão.
Conceito: Integração horizontal
Definição técnica: Conexão entre máquinas, linhas e cadeia de valor.
Explicação simples: Coordena etapas e parceiros.
Importância: Aumenta flexibilidade.
Conceito: Interoperabilidade
Definição técnica: Capacidade de sistemas trocar e interpretar dados.
Explicação simples: Não basta conectar: é preciso entender o significado.
Importância: Evita ilhas digitais.
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.
Os sistemas inteligentes - que incluem a internet das coisas, a computação na nuvem, a aprendizagem de
máquinas, as novas redes de comunicação (TSN e SDN), entre outras inovações tecnológicas - formam a base da
Indústria 4.0, materializados nas máquinas inteligentes, por exemplo.
Esses periféricos usam sistemas de controle modernos, possuem programas embutidos (sistemas embarcados)
e dispõem de comunicação com as redes de dados (intranet e internet) para se conectarem e serem
endereçados via IoT (internet das coisas). Dessa forma, produtos e meios de produção se conectam em rede e
podem estabelecer comunicações, possibilitando novas formas de produção, criação de valor e otimização dos
processos em tempo real.
Um processo de automatização mais intenso do que a Terceira Revolução Industrial. • Uma relação mais
próxima entre os sistemas físicos e virtuais por meio de sistemas integrados, tais como a IoT industrial e a
computação em nuvem. • Uma mudança de um sistema de controle industrial centralizado para um sistema
inteligente e distribuído.
Conceitos fundamentais A Indústria 4
Conceitos fundamentais A Indústria 4.0 pode ser vista como uma transformação intensa de informações da
manufatura (e processos industriais relacionados) em um ambiente conectado de big data (grande quantidade
de dados diversificados que chegam a velocidades cada vez mais intensas). Operadores, processos, serviços,
sistemas e ativos industriais são habilitados para integrarem um ambiente moderno com geração,alavancagem
Redes Industriais Tema 6 - Aplicações em Redes Industriais
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e utilização de dados e informações como uma forma e meios para concretizar o conceito de indústria
inteligente.
Computação na borda das redes
Processamento, análise e armazenamento de dados mais perto de onde estão os periféricos dos quais são
gerados e dentro de uma rede.
Também é importante destacar as necessidades de modificações no meio gerencial e organizacional, uma vez
que as mudanças nos meios produtivos levaram a uma nova realidade gerencial, provocada pelo aumento na
quantidade de dados disponíveis, pelas possibilidades de acessos remotos e pela necessidade de interação com
sistemas cada vez mais inteligentes e independentes da ação dos operadores.
Esses recursos também possibilitam a adoção de novas ferramentas que permitem a personalização dos
processos industriais, o desenvolvimento de novos sistemas de alertas, paradas de emergência e intervenções
em tempo real, modelos de serviço inovadores, a melhoria na dinâmica do desenvolvimento de produtos, p
aumento de produtividade, a redução no tempo de produção e um novo modelo de negócios.
Sendo assim, é fácil observar que a Indústria 4
Sendo assim, é fácil observar que a Indústria 4.0 se baseia na troca contínua de dados, bem como no
mapeamento e na análise dos dados trocados e armazenados em todo o ciclo de vida de um produto, de ponta a
ponta. Todas as tecnologias da Indústria 4.0 precisam ser vistas na perspectiva de que a integração é
fundamental.
Resumindo Pode-se dizer que a convergência de TI, TO e seus backbones - redes e infraestrutura em que
também é possível adicionar as tecnologias de comunicação - resume-se, essencialmente, a uma aplicação
avançada e aprimorada da internet, das tecnologias de TI e da infraestrutura de TI impactadas por dados de IoT
- infraestrutura de nuvem, infraestrutura de servidor, infraestrutura de armazenamento e de computação de
borda etc.
Primeira integração A primeira integração é conhecida como integração vertical
Primeira integração A primeira integração é conhecida como integração vertical. É nela que todos os sistemas
da pirâmide tradicional da automação tradicional são afetados, desde os níveis de campo e de controle até os
níveis de produção, de operações e de planejamento empresarial.
A tendência é a utilização, em larga escala, de novas plataformas de fabricação e outras plataformas verticais,
que possibilitem a realização de várias tarefas nas mais diferentes camadas. Além disso, espera-se que essas
plataformas sejam dotadas de cada vez mais recursos que possam ser combinados em uma abordagem
interoperável (entre múltiplos sistemas), bem como por plataformas de transformação digital e aplicativos de
negócios em que funcionalidades de IoT estejam integradas.
Segunda integração A segunda integração é a integração horizontal
Segunda integração A segunda integração é a integração horizontal. Ela não trata de uma visão hierárquica
(camadas) de vários sistemas como na integração vertical, mas da referida cadeia de dados de ponta a ponta.
Essa cadeia vai desde o fornecedor e os processos, passando pelos fluxos de informação e sistemas de TI na
fase de desenvolvimento e produção do produto, até a logística, distribuição e, finalmente, o cliente.
A Indústria 4
A Indústria 4.0 também tem um forte foco em segurança. Isso não significa apenas segurança no sentido de
proteção e segurança dos trabalhadores, ativos industriais, infraestruturas críticas e segurança física. Também é
fundamental a discussão em torno da segurança de dados e redes de comunicação, proteção de dados,
incluindo proteção de dados pessoais - especialmente desde a chegada do Regulamento Geral de Proteção de
Dados, o Regulamento de Privacidade Eletrônica e as regras vindouras em diversas áreas -, cibersegurança e
segurança de sistemas de controle industrial.
À medida que os ativos industriais e a infraestrutura crítica (fontes de energia, redes de dados e muito mais) se
conectam nas redes de comunicação, os riscos de ataques nos ambientes industriais, tradicionalmente isolados,
aumentam. Os perigos de vulnerabilidades e ataques são consideráveis na Indústria 4.0, exigindo uma
abordagem de segurança, desde a concepção da matéria-prima até o atendimento ao cliente (ponta a ponta).
Entre tais tecnologias, podemos citar
Entre tais tecnologias, podemos citar: IoT, big data, TI, TO, as diversas tecnologias de segurança
(cibersegurança industrial e monitoramento visual de instalações críticas), inteligência artificial, computação na
nuvem, computação de borda, manufatura aditiva, impressão 3D, gêmeos digitais, realidade virtual, realidade
aumentada, robótica avançada, robótica colaborativa (cobots), produção autônoma, desenvolvimento rápido de
aplicativos, produção autônoma, engenharia consistente em toda a cadeia de valor, coleta e provisionamento
completo de dados, integração de sistemas (integrações vertical e horizontal), além de uma vasta gama de
Redes Industriais Tema 6 - Aplicações em Redes Industriais
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tecnologias de rede e comunicação, padrões de integração e conectividade/protocolos (maneiras de tornar
vários protocolos de TI e OT interoperáveis), blockchain e outras.
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
OEE = disponibilidade·desempenho·qualidade
Variáveis e unidades: Fatores adimensionais.
Significado físico: Indicador de efetividade.
latência ≤ requisito do processo
Variáveis e unidades: s.
Significado físico: Define onde processar dados.
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
IIoT gateway Integrar ativos. Protocolos e edge. Segurança e legado.
Modelo de
informação
Dar significado aos
dados.
Semântica e contexto. Governança.
Digital twin Representar
ativo/processo.
Modelo atualizado por
dados.
Validade depende da qualidade do
modelo.
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.
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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.
Erros e modos de falha recorrentes
Erro/modo de falha Consequência Prevenção ou verificação
Rede plana Propagaçãode 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
• Indústria 4.0 depende de integração e contexto.
• Interoperabilidade inclui semântica.
• OT e TI mantêm requisitos diferentes.
Redes Industriais Tema 6 - Aplicações em Redes Industriais
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• Edge e nuvem são complementares.
• Segurança deve acompanhar o ciclo de vida.
• OEE = disponibilidade·desempenho·qualidade - Indicador de efetividade.
• latência ≤ requisito do processo - Define onde processar dados.
12. Resumo final do módulo
• O assunto central é Redes industriais na Indústria 4.0.
• Integração vertical: Fluxo de dados do campo aos sistemas corporativos.
• Integração horizontal: Conexão entre máquinas, linhas e cadeia de valor.
• Interoperabilidade: Capacidade de sistemas trocar e interpretar dados.
• Indústria 4.0 depende de integração e contexto.
• Interoperabilidade inclui semântica.
• OT e TI mantêm requisitos diferentes.
• Edge e nuvem são complementares.
• Segurança deve acompanhar o ciclo de vida.
Checklist de domínio
□ Consigo explicar, sem consultar o texto, o que é redes industriais na indústria 4.0 e por que esse assunto é
usado?
□ Consigo diferenciar Integração vertical de Integração horizontal 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?
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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
• BORGES NETO, J. B.; RIBEIRO NETO, P. F.; ANDRADE, R. M. C. Um protocolo de roteamento sensível ao tempo
para redes de sensores sem fio. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE TELECOMUNICAÇÕES-SBrT, 27., Blumenau-SC,
2009. Anais […]. Blumenau-SC., 2009.
• LEE, K-F. Inteligência artificial. Porto Alegre: Globo Livros, 2019.
• NASCIMENTO JR, C. L.; YONEYAMA, T. Inteligência artificial em controle e automação. São Paulo: Edgard
Blücher Ltda, 2000.
• PEDROSA, P. H. C.; NOGUEIRA, T. Computação em nuvem. Instituto de Computação, Unicamp, 2011.
Consultado na internet em: 10 maio 2022.
• PESSIS-PASTERNAK, G. Do caos à inteligência artificial. São Paulo: Unesp, 1993.
• SOUZA, F. H. N. de. Rede sensível ao tempo: um estudo do mapeamento sistemático. Trabalho de conclusão
de curso (Bacharelado em ciência da computação) - Centro de Informática, Universidade Federal da Paraíba,
João Pessoa, 2019. Consultado na internet em: 10 maio 2022.
• TAURION, C. Cloud computing - computação em nuvem. Rio de Janeiro: Brasport, 2009.
• TEIXEIRA, J. O que é inteligência artificial. [S. l.]: E-Galáxia, 2019.