ARQUITETURA FIELDBUS

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FIELDBUS
O Foundation Fieldbus é um sistema da comunicação totalmente digital, em série e bidirecional que conecta equipamentos “Fieldbus” tais como sensores, atuadores e controladores. O fieldbus é uma rede local (LAN) para automação e instrumentação de controle de processos, com capacidade de distribuir o controle no campo.
Ao contrário dos protocolos de rede proprietários, o Fieldbus não pertence à nenhuma empresa, ou é regulado por um único organismo ou nação.
A tecnologia é controlada pela Fieldbus Foundation uma organização não lucrativa que consiste em mais de 100 dos principais fornecedores e usuários de controle e instrumentação do mundo. O Foundation Fieldbus mantém muitas das características operacionais do sistema analógico 4-20 mA, tais como uma interface física padronizada da fiação, os dispositivos alimentados por um único par de fios e as opções de segurança intrínseca, mas oferece uma série de benefícios adicionais aos usuários.
 
Benefícios
Interoperabilidade
Com a interoperabilidade, um dispositivo Fieldbus pode ser substituído por um dispositivo similar com maior funcionalidade de um outro fornecedor na mesma rede do Fieldbus, mantendo as características originais. Isto permite aos usuários mesclar dispositivos de campo e sistemas de vários fornecedores. Dispositivos individuais Fieldbus podem também transmitir e receber a informação de multivariáveis, comunicando-se diretamente um com o outro sobre o barramento Fieldbus, permitindo que novos dispositivos sejam adicionados ao barramento sem interromper o controle.
Dados de Processo Mais Completos
Com o Foundation Fieldbus, as variáveis múltiplas de cada dispositivo podem ser trazidas ao sistema de controle da planta para a análise, arquivo, análise de tendência, estudos de otimização de processo e geração de relatórios. Este acesso aos dados mais exatos e de alta resolução, permite um ajuste fino do processo para melhor operação, reduzindo o tempo ocioso da planta. Estas características permitem um maior desempenho e lucratividade mais elevada da planta.
Vista expandida do processo
Dispositivos modernos Fieldbus, com comunicação poderosa microprocessada permitem que os erros de processo possam ser reconhecidos mais rapidamente e com uma maior certeza. Como conseqüência, os operadores de planta são notificados de condições anormais ou da necessidade de manutenção preventiva, e podem tomar melhores decisões sobre a produção. Os problemas que diminuem a eficiência operacional são corrigidos mais rapidamente, permitindo um aumento no rendimento enquanto que o custo de matéria prima e os problemas de emissões perigosas diminuem.
Melhor Segurança Da Planta
A tecnologia Fieldbus ajuda as plantas a manter as exigências de segurança, cada vez mais restritas. Fornecendo operadores com notificação e aviso antecipados de circunstâncias perigosas pendentes e atuais, o Fieldbus permite a ação corretiva antes de uma parada não planejada. As potencialidades de diagnóstico ampliadas da planta reduzem também a necessidade do acesso freqüente às áreas perigosas, minimizando assim os riscos do pessoal no campo.
Manutenção Proativa Mais Fácil
As potencialidades ampliadas de diagnóstico dos dispositivos de campo possibilitam monitorar e registrar condições como o desgaste da válvula e entupimento do transmissor. O pessoal da planta pode executar a manutenção proativa sem esperar uma parada programada, evitando ou reduzindo assim o tempo ocioso da planta.
Redução de Custos de fiação e de Manutenção
O Foundation Fieldbus usa a fiação existente e as conexões multi-drop fornecem economias significativas nos custos de instalação. Isto inclui reduções nos custos de barreira de segurança intrínseca e de cabos, particularmente nas áreas onde a fiação está já no lugar. Redução de custo adicional pode ser conseguida com a redução do tempo necessário para a construção e partida, bem como com a simplificação da programação das funções do controle e da lógica, usando os blocos de função embutidos nos dispositivos. De acordo com estimativas atuais, há agora sistemas Foundation Fieldbus em operação em mais de 25 países. Estima-se hoje que aproximadamente 80 por cento de todas as novas instalações de sistemas de controle de planta que utilizam a tecnologia fieldbus são compatíveis com o Foundation Fieldbus.
 A tecnologia fieldbus, que já percorreu mais de 10 anos de desenvolvimento, está mais para uma saga de proporções bíblicas do que para um padrão de automação industrial. 
    Tudo isto porque até hoje ainda não foi decidido qual é o padrão (único) que deverá ser seguido por todos os fabricantes no mundo.
    Tudo começou em meados da décade de 80, quando a ISA formou o SP50 fieldbus committee para desenvolver um padrão de automação industrial que integrasse os vários tipos de dispositivos de campo digitais que estavam surgindo na época. 
    O comitê, envolvido com um padrão de grandes proporções e com centenas de membros divididos pelos seus próprios interesses (na época já haviam alguns sistemas digitais, mas ainda sem nenhum padrão e interoperabilidade), não conseguia lançar o padrão. 
    Daí, em 1992, surgiram duas propostas comerciais de fieldbus (mesmo sem um padrão), a ISP (Interoperable Systems Project) e a WorldFIP (World Factory Instrumentation Protocol), cada uma delas amparadas por grandes empresas comerciais da época (Siemens e Fisher, por parte da ISP; Honeywell e Allen Bradley, por parte da WorldFIP). 
    Entretanto, ambas (ISP e WorldFIP) não eram compatíveis e por serem as líderes do mercado (sim, apareceram outras propostas de fieldbus), resolveram em 1993 se juntar, criando a Fieldbus Foundation e tentar a unificação dos padrões. Esta união resultou na extinção da ISP. 
    Mas, quando tudo parecia caminhar para a unificação, um outro grupo, no ano seguinte (94), lançou um sistema fieldbus denominado Profibus (Process Field Bus - baseado no padrão europeu EN50170). 
    O Profibus reune características tanto do ISP quanto do WorldFIP e é atualmente a líder de mercado na Europa (principalmente na Alemanha).
    Em suma, temos hoje produtos comerciais Profibus e WorldFIP. A Fieldbus Foundation lançou este ano (97)o seu padrão, mas devido ao seu trabalho de testes e certificação ainda não estar implementado, não há produtos comerciais. O SP50 ainda não concluiu todos os protocolos utilizados pelo seu futuro padrão fieldbus e embora seja formado pela IEC e a ISA, é esta última que está aprovando os padrões provisórios do SP50 (o que parece ser uma certa "quebra" no comitê). 
    Na próxima seção temos uma descrição de cada um dos padrões fieldbus supracitados.
	Para uma rede aplicada à interligação de elementos a nível de chão-de-fábrica (CLPs, válvulas, indicadores dedicados, sensores, transdutores, atuadores, etc) é utilizada a denominação genérica de "barramento de campo", ou Fieldbus.
 
    O termo fieldbus descreve uma rede de comunicação digital que veio substituir o sistema de sinal analógico 4 - 20mA existente ainda hoje nas indústrias (e muito difundido devido a sua imunidade à interferências eletromagnéticas, apesar de sua tecnologia ultrapassada desenvolvida na década de 60). 
    O fieldbus pode ser definido como uma rede digital, bidirecional (de acesso compartilhado), multiponto e serial, utilizado para interligar os dispositivos primários de automação (dispositivos de campo) a um sistema integrado de automação e controle de processos. Cada dispositivo de campo pode possuir uma "inteligência" (microprocessado), o que o torna capaz de executar funções simples em si mesmo, tais como diagnóstico, controle e funções de manutenção, além de possibilitar a comunicação entre dispositivos de campo (não apenas entre o engenheiro e o dispositivo de campo). Em outras palavras, o fieldbus veio para substituir o controle centralizado pelo distribuído. 
    Portanto o fieldbus é muito mais que um mero substituto do padrão analógico 4 - 20mA, pois promove a melhora de qualidade, a redução de custos eo aumento de eficiência. 
    Vale ressaltar que o fieldbus baseia-se no modelo ISO/OSI e que os níveis implementados são o 1,2 e 7. O modelo é reduzido para atender aos requisitos de tempo de resposta.
 WorldFIP  
  
     O World Factory Instrumentation Protocol (WorldFIP) foi desenvolvido a partir da norma francesa, a NFC 46-600. A proposta procurou levar em consideração as restrições de tempo real impostas por um grande número de aplicações a nível de chão-de-fábrica.  
     Para este fieldbus exitem circuitos integrados que inplentam as funções das 3 camadas (modelo ISO/OSI), o que facilita sua utilização.  
     Atualmente, o WorldFIP é um padrão europeu (EN50170 Parte 3) e utiliza o padrão da camada física IEC 1158-2, possuindo ainda um padrão de mensagem MMS da ISO.  
     O WorldFIP suporta topologia em barramento, e transmissões por fibra ótica e par-trançado (blindado ou não). Para o par-trançado estão padronizadas 3 velocidades de transmissão de dados: 
S1: 31,25 Kbps, distância de até 1900 m;
S2: 1 Mbps, distância de até 750 m, par-trançado blindado;
S3: 2,5 Mbps, distância de até 500 m, par-trançado blindado.
     A velocidade padrão é a S2. As velocidades S1 e S3 são utilizadas apenas para aplicações especiais.  
     Para uso em fibra ótica, a velocidade permitida é de 5 Mbps.  
     Os bits a serem enviados são codificados em Manchester, que permite o envio simultâneo do sinal de sincronização e dos dados propriamente ditos.  
     São suportadas até 256 estações e o barramento principal pode ser decomposto em segmentos, que por sua vez são interligados por repetidores (cada segmento pode ter até 32 estações). 
     A camada de enlace do WorldFIP não faz uma distinção formal entre as subcamadas LLC e MAC, como proposto na norma IEEE 802.  
     O método de acesso ao meio é baseado na difusão (broadcasting). A difusão é organizada por uma entidade centralizada denominada "árbitro do barramento". O WorldFIP baseou-se no fato de que, nas redes industriais, uma informação gerada em um determinado ponto pode interessar a várias outras estações (por exemplo, o dado gerado por um sensor de temperatura pode interessar ao controlador, ao atuador e ao terminal de vídeo do operador, simultaneamente).  
     A maioria dos dados transmitidos pelo barramento é representado por objetos (variáveis). Cada objeto é representado por um "nome" único no sistema. Um objeto é, por definição, elaborado por um único transmissor (produtor) e levado em conta por quaquer número de receptores (consumidores). Devido ao uso da difusão, os endereços de transmissores e receptores não precisam ser conhecidos pelas aplicações.  
     A comunicação transcorre da seguinte forma (figura 1): 
em uma primeira fase, o árbrito difunde na rede o nome da variável (objeto) a ser transmitida (quadro de identificação);
o produtor da variável difunde, em seguida, a informação ligada ao identificador (quadro de dados);
todos os consumidores interessados passam a copiá-la na fase final.
     Cada estação é completamente autônoma. O único requisito imposto às estações é o de difundir, por solicitação do árbrito de barramento, a variável ou variáveis por elas produzidas. Naturalmente, as estações devem também aceitar as variáveis que lhe são enviadas. A varredura das variáveis periódicas é feita a partir de uma lista implementada no árbitro na fase de inicialização e que, em geral, não é alterada posteriormente.  
 
 Profibus  
  
   O Profibus (PROcess FIeld BUS), padrão fieldbus líder na Europa, é governado pelo volume 2 do padrão europeu EN50170 e pelas partes 1 a 4 do DIN 19245 (padrão alemão, sua origem).  
   O Profibus, segundo sua própria definição, especifica as características técnicas e funcionais de um sistema fieldbus serial no qual controladores digitais descentralizados podem ser interligados do nível de campo ao nível de célula.  
   Sua tecnologia é desenvolvida e administrada pela Profibus User Organization, cujos membros ao redor do mundo formam a Profibus International (PI).  
   A arquitetura do Profibus é orientada no modelo de referência ISO/OSI, sendo utilizadas apenas as camadas física, enlace e de aplicação.  
   O padrão possui uma família de 3 membros: Profibus-DP, Profibus-PA e Profibus-FMS.  
   Embora seja bem aceito na Europa, não possui a mesma popularidade nos Estados Unidos.  
  
 Profibus-DP   
  
   Utilizado principalmente para transferência rápida de dados cíclicos entre controladores centrais (PCs e CLPs) e dispositivos de I/O descentralizados e “inteligentes” (válvulas, drives, etc).  
    Permite topologia em barramento, 32 estações por segmento e um máximo de 127 estações (com repetidores).  
    O quadro abaixo ilustra as velocidades possíveis e as distâncias correspondentes:  
  
 
	taxa (Kbps)
	9,6
	19,2
	93,75
	187,5
	500
	1500
	12000
	distância/segmento (m) 
	1200
	1200
	1200
	1000
	400
	200
	100
   O meio físico empregado pode ser o par-trançado blindado (RS-485) ou ainda a fibra ótica. 
   Esta última pode ser usada para aplicações em ambientes com alta interferência eletromagnética e para aumentar a distância máxima para altas velocidades de transmissão. 
Profibus-PA  
   Utilizado para conectar sistemas de automação e sistemas de controle de processo com os dispositivos “burros” de campo (tais como transmissores de pressão, temperatura e nível). É um substituto direto da tecnologia 4-20 mA.  
   Seu meio físico está de acordo com o IEC 1158-2, que permite a alimentação de dispositivos pelo próprio barramento.  
   Permite topologia em barramento ou árvore, utiliza par-trançado blindado ou não.  
   Emprega velocidade de 31,25 Kbps, com até 32 estações por segmento e um máximo de 127 estações (com repetidores). 
Profibus-FMS  
   Utilizado para comunicação a nível de célula.  
   Neste nível, os controladores programáveis (PCs e CLPs) comunicam-se apenas entre eles.  
   Por fugir da definição de fieldbus, não será detalhado neste trabalho.  
  
Acesso ao Meio  
   O protocolo usado é uma mistura de token-passing com o mestre-escravo.  
   Entre os dispositivos controladores (PCs e CLPs), um token fica circulando, criando um anel lógico.  
   E cada dispositivo controlador comanda os outros dispositivos (ditos passivos) através do método mestre-escravo.  
   A figura 6-2 ilustra este processo. 
 
 SP50 
     A proposta da ISA, IEC e de outras "grandes" deverá ser o padrão mundial para o fieldbus. Mas por contar com membros de outras entidades, que já possuem produtos comerciais e querem que a versão final do padrão seja parecida com a sua proposta, ainda não conseguiu fechar todos os protocolos do SP50.  
     Como características chave, a proposta estabelece: 
barramento multiponto com facilidades de comunicação multicast;
capacidade de comunicação em situações críticas com relação ao tempo;
alta integridade dos dados e segurança em ambientes hostis;
variante de baixa potência para uso em ambientes inflamáveis e explosivos;
redundância para manuseio de causas comuns de falha (meio físico quebrado, estação mestre defeituosa, etc).
     O modelo suporta 3 meios de transmissão (camada física): 
par-trançado (blindado): com comunicação half duplex; clock embutido (codificação Manchester); 32 dispositivos por segmento; sinalização por corrente (31,25 Kbps para até 1900 m de fio, 1 Mbps para até 750 m e 2,5 Mbps para até 500 m) e por corrente (1 Mbps para até 750 m a 200 mA, 1 Mbps para até 400 m a 1 A);
ótico: fibra ótica para velocidades até 2,5 Mbps;
RF: half duplex com 4800 bps até 4000 m , 31,25 kbps e 1 Mbps.
     A camada de enlace oferece quatro classes de funções, a serem implementadas nas estações de acordo com as necessidades: 
funções de Responder: estação só transmite dados em resposta a uma solicitação (estação escrava);
funções de Initiator: estação pode se apoderar do direito de acesso ao meio (token), podendo enviar e requisitar dados a outras estações por iniciativaprópria;
funções de Linkmaster: inclui as funções de Responder e Initiator, mas a estação pode exercer o papel de escalonador de enlace, administrando o token e gerenciando o tempo interno do sistema;
funções de Bridge: estação capaz de interligar entidades de enlace diferentes.
     Se há mais de uma estação com as funcionalidades de um Linkmaster no sistema, estas disputam entre si, na inicialização, o papel de escalonador de enlace (árbitro). A estação vencedora é chamada LAS (Link Active Scheduler). Existem, para isto, 3 tipos de token (figura 2): 
token de escalonamento: disputado na inicialização por todas as estações Linkmaster, define a estação LAS;
token circulado: distribuído pela estação LAS às demais estações com funcionalidade de Linkmaster, que formam um anel lógico conforme a norma IEEE 802.4;
token delegado: enviado pela estação LAS a uma estação qualquer por solicitação desta ou para atender às necessidades de um serviço de comunicação escalonado pela LAS.
É o método de acesso ao meio denominado comando central ou multiplexação por divisão de tempo da resposta de comando. 
     Uma proposta inovadora no SP50 é a definição de uma camada do usuário, situada acima da camada de aplicação, destinada a aliviar o programador de detalhes de acesso ao sistema de comunicação e a oferecer serviços adequados a diversos tipos diferentes de aplicações.
Fieldbus Foundation 
  
   Como dito anteriormente, a Fieldbus Foundation é uma organização que surgiu em 1993 como um esforço dos maiores fornecedores de produtos fieldbus da época (WorldFIP e ISP) para se chegar num padrão único e interoperável.  
    É formado atualmente pelos maiores fabricantes, fornecedores e usuários finais de controle de processo e automação fabril, tendo sido apresentado, na sua versão completa de padrão, apenas no ano de 97. 
    A fase atual está na utilização do padrão em plantas industriais e químicas ao redor do mundo para testes e validações finais.  
   Por ser um profundo contribuidor ao padrão ISA/IEC SP50 é provável que a versão final do ISA/IEC tenha muito a ver com o padrão da Fieldbus Foundation.  
  
 Protocolo  
   O protocolo da Fieldbus Foundation, denominado de Foundation Fieldbus, especifica a utilização de 3 das 7 camadas do modelo de referência ISO/OSI (física, enlace e aplicação), mais a camada de usuário (também encontrado no modelo ISA/IEC SP50). 
 Camada Física  
 A Fieldbus Foundation baseia-se apenas na utilização de pares-trançados de cobre como meio físico, havendo divisão quanto a velocidade de comunicação:  
 
H2, denominado de higher-speed fieldbus, emprega 1 Mbps e 2,5 Mbps (para interligar equipamentos de usuário - PCs por exemplo - e os dispositivos mais rápidos do chão-de-fábrica);
H1, denominado de lower-speed fieldbus, emprega 31,25 Kbps (para interligar dispositivos mais lentos de chão-de-fábrica).
  
    O tamanho do cabo é função da qualidade do mesmo:  
 
	Tipo
	31,25 Kbps
	1 MHz
	2,5 MHz
	Comentários
	"A"
	1900 m
	750 m
	500 m
	apenas 1 par-trançado num cabo blindado 
	"B"
	1200 m
	
	
	múlitplos pares-trançados com uma blindagem externa 
	"C"
	400 m
	
	
	 um ou vários pares-trançados, mas sem blindagem
	"D"
	200 m
	
	
	múltiplos condutores sem ser par-trançado
 
   A versão de 31,25 Kbps pode operar nas mesmas instalações do padrão 4-20 mA, o que é útil para atualizações graduais de plantas industriais.  
   O padrão permite o uso de até 32 dispositivos conectados ao barramento, entretanto este número cai de acordo com o comprimento do cabo, se o mesmo fornece energia aos dispositivos junto com os dados, etc. 
Enlace de Dados  
   O acesso ao fieldbus é gerenciado por um escalonador de barramento centralizado e determinístico denominado de LAS, Link Active Scheduler (muito parecido com o da ISA/IEC SP50).  
   O padrão estabelece 2 tipos de dispositivos: Basic e LinkMaster.  
   O LinkMaster é o LAS, podendo controlar as comunicações no barramento; e o Basic são todos os outros dispositivos.  
   Durante a configuração do fieldbus, a estação LAS recebe uma lista de todos os dispositivos no barramento e qual dados devem ser disponibilizados por cada um e a que instante.  
   Quando chegar a hora de um determinado dispositivo fornecer os dados, o LAS diz ao mesmo para efetuar um broadcast dos dados no barramento. Aqueles dispositivos configurados para utilizar os dados irão recebê-los simultaneamente (conforme exemplo da figura 6-4). 
 
Figura 6-4.  Exemplo de método de acesso ao meio da Fieldbus Foundation
   Esta descrição cobre as mensagens escalonadas, no qual os dados são requisitados com intervalos regulares.  
   Para os outros tipos de mensagens, as não-escalonadas, tais como os pedidos eventuais de dados e alarmes, o LAS deve deixar espaços vagos no escalonamento para poder atender a esses pedidos.  
   LAS redundantes podem ser incluídos para garantir a operação contínua ainda com a ocorrência de uma eventual falha ou remoção do dispositivo escalonador. 
Camada de Aplicação  
   É de interesse principalmente de desenvolvedores.  
   Permite a comunicação entre dispositivos através de uma interface padronizada (por meio de nomes, índices e/ou endereços reunidos num dicionário de objetos). 
Camada de Usuário  
   Realiza o gerenciamento da rede (configuração do LAS, monitoramento), o gerenciamento do sistema (clock, endereços, etc.) e suporta a aplicação do usuário (blocos ou objetos que dão a funcionalidade da aplicação).  
   O Fieldbus Foundation tem a vantagem de utilizar um device description (DD) para cada dispositivo. Esta descrição serve como se fosse um driver, fornecendo todas as opções de atuação e comunicação do mesmo. Com isso, pode-se, numa mesma rede, substituir e misturar dispositivos de fabricantes diferentes mas de mesma funcionalidade, sem nenhum problema de comunicação e de forma transparente para o usuário (interoperabilidade).  
   Por ainda não possuir um laboratório para verificar a conformidade de produtos fabricados segundo a norma fieldbus foundation, poucos foram os fabricantes que se arriscaram e se arriscam a produzir protótipos desses dispositivos.  
  
 
CAN 
 
 O CAN, utilizado no Devicenet, é uma tecnologia não-proprietária, desenvolvida originalmente pela BOSCH e utilizada principalmente para interligar elementos inteligentes de veículos (eletrônica embarcada), e que especifica o meio de sinalização do suporte de trannsmissão e o protocolo de enlace de dados do Devicenet (normas ISO 11898 e 11519-1). 
  
 O CAN, por suportar extremos de temperatura e choque, ambientes de alto ruído (típicos de automóveis) e por ser amplamente “comprovada”, foi uma escolha direta para emprego no ambiente fabril. 
  
 Atualmente, 6 vendedores fabricam chips CAN e dentre eles destacamos a Intel, a Motorola, a Philips e a Siemens.
ETHERNET INDUSTRIAL
As Redes Ethernet foram inventadas em 1973, por Robert Metcalfe em um projeto atribuído a Xerox Palo Alto, hoje sendo o padrão mais aceito no mundo para intercomunicação de dados em rede.
O Padrão Ethernet define o meio físico de conexão do cabeamento, define o controle de acesso do dado na rede e define o quadro (frame) de informação, tudo isso baseado na norma IEEE 802-2 e IEEE 802-3, que em suas subdivisões, estabelece características técnicas dos padrões de rede, não é nosso foco entender a IEEE 802-2 e 3, sugerimos que pesquisem sobre tal modelo.
As Redes Ethernet oferecem diversos benefícios em suas aplicações, podemos descrever abaixo alguns principais:
Rede simples de projetar e implantar;
Componentes de baixo custo, comparados a outras redes;
Permite diversos Protocolos dentro do Padrão;
Rede padronizada por normas em constante evolução;
Pode ser aplicada desde ambientes domésticos até industriais (componentes especiais);
Rede interoperável e escalar.
Para entender e até relembrar como estas redes evoluíram, podemos descrever desde seu surgimento as mídias de conexão que permitem acesso ao meio,por exemplo:
No início, cabo coaxial;
Conexão de cabo RJ-45;
Fibra Óptica;
E as redes Sem Fio Wi-Fi.
Nosso foco de entendimento e a aplicação da Rede Ethernet são no ambiente industrial, isto é, no chão-de-fábrica, pois seu invento foi utilizado em níveis administrativos de dados e até então, não se pensava na aplicação em máquinas e equipamentos, pois havia limites técnicos e já existiam redes industriais para estas funções.
Para aplicações na indústria, foi necessário um desenho da rede que pudessem atender esta nova realidade, todavia, não poderiam mudar o padrão de acordo com a IEEE 802-3, sendo estas características abaixo, necessárias para esta realidade na indústria:
Aplicação em Ambientes Severos (Hardware);
Temperatura 75º C a -35º C (exemplo);
Proteção Mecânica Especial;
IP (Grau de Proteção Alto);
Suportar Vibração e Impacto;
Alta Imunidade a Ruídos (EMI);
Arranjos de Alta Disponibilidade (Redundâncias);
Uso de Protocolos Industriais.
As Redes Ethernet, se baseiam no princípio de funcionamento do CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection ), na prática, o padrão trabalha enviando dados na rede e detectando colisões de pacotes, abaixo um descritivo básico do seu funcionamento:
<1> – Se o canal está livre, inicia-se a transmissão, senão vai para o passo <4>;
<2>- [transmissão da informação] se colisão é detectada, a transmissão continua até que o       tempo mínimo para o pacote seja alcançado (para garantir que todos os outros transmissores e receptores detectem a colisão), então segue para o passo <4>;
<3>- [fim de transmissão com sucesso] informa sucesso para as camadas de rede superiores, sai do modo de transmissão;
<4>- [canal está ocupado] espera até que o canal esteja livre;
<5>- [canal se torna livre] espera-se um tempo aleatório, e vai para o passo <1>, a menos que o número máximo de tentativa de transmissão tenha sido excedido;
<6>- [número de tentativa de transmissão excedido] informa falha para as camadas de rede superiores, sai do modo de transmissão.
Entendido que, a rede funciona baseada no envio de pacotes, e estes são tratados através das colisões, temos o conceito de encaminhamento, que demonstra os princípios de envio das informações, sendo abaixo o funcionamento básico:
A origem (informação) é sempre UNICAST (Único Ponto);
O destino é BROADCAST (Informação em Toda Rede);
O destino pode ser MULTCAST (Múltiplos Locais, mas com Informação Dirigida);
O destino pode ser UNICAST (Único Local);
ANYCAST tem o destino definido em um ROUTER;
Desta forma, podemos entender que é necessário um controle para gerenciar estas informações na Rede Ethernet, sendo o Switch o principal equipamento que tem essa atribuição como componente de rede, onde vamos ver mais a frente, o funcionamento destes.
Uma das maiores questões técnicas que foram barreiras quanto à aplicação da Ethernet na indústria, se refere ao determinismo de rede, pois o principio de colisão de dados não permite a certeza de entrega e recebimento de uma informação em uma base de tempo conhecida, para sistemas de controle, por exemplo, isso é fator fundamental.
Sendo assim, a característica de entrega e recebimento de uma mensagem na rede é baseada no tempo, isto é, a certeza de entrega e no tempo programado.
As Redes Ethernet se baseiam no CSMA/CD e não permite determinismo, pois trabalham com colisão de dados, os switches permitem o gerenciamento Broadcast para Multcast ou Unicast.
Ethernet Industrial para Controle (determinística) utiliza características de controle de sincronismo dentro de seu Protocolo, sem alterar características do Padrão, por exemplo, (Profinet, Ethernet/IP).
Como vimos, Ethernet é um padrão e tem seu principio no envio e recebimento de pacotes de dados, para que tudo isso funcione dentro de um sistema, é necessário uma arquitetura que tenha alguns componentes, tais como, switches, gateways, firewall entre outros, desenhados de forma a obter um arranjo que haja integridade, segurança, disponibilidade e sincronismo.
De acordo com o modelo OSI (Open Systems Interconnect), um sistema de rede de comunicação é dividido em 7 camadas, como vemos abaixo:
Camada Física
Camada de Ligação de Dados ou Enlace de Dados
Camada de Rede
Camada de Transporte
Camada de Sessão
Camada de Apresentação
Camada de Aplicação
Não faz parte nosso escopo estudar as camadas, vamos focar no Padrão Ethernet com visão de infraestrutura, para isso os componentes de rede serão aplicados nas camadas (1) física, (2) enlace, (3) rede e (4) transporte, ainda existindo outras aplicações dentro do contexto, vamos entender estas principais.
Os switches são os principais componentes de uma Rede Ethernet, na prática eles controlam os encaminhamentos de rede, conforme vimos acima, são as chaves de conexão, que controlam o trafego de dados.
Eles podem ser gerenciáveis ou não, sendo que, os nãos gerenciáveis, possuem funções básicas, que controlam o direcionamento dos dados (origem e destino) e gerenciam colisões, de forma a não “travar” a rede.
Os gerenciáveis, além das funções básicas, possuem funções de segurança e gerenciamento individual de portas e informações, por exemplo, criação de VLAN Redes Virtuais.
As principais funções dos switches, podemos destacar abaixo algumas características:
Automação das redes;
Localização física (porta/segmento);
Localização lógica (rede/sub-rede);
Priorização de mensagens;
Identificação dos tipos de mensagem;
Gerenciar a qualidade mensagem QoS;
Tratar erros e falhas;
Gerenciar tempos e sincronismo.
Vamos descrever abaixo, as principais características dos switches e componentes de uma arquitetura Ethernet para aplicações nos níveis do modelo OSI que vimos anteriormente, dado a extensão do assunto, somente vamos referenciar e apresentar as principais características para entendimento do conceito e sugerimos um estudo aprofundado.
Switch Layer 2
Trabalham com Endereçamento MAC (de equipamento);
Possuir gerenciamento de VLAN (dentro da rede) – gerenciável;
Gerencia pacote de erros, mas não bloqueia Broadcast;
Podem possuir funções para Profinet (RT/IRT) e Ethernet/IP (IGMP);
* VLAN Rede Virtual
* RT Real Time
* IRT Isochronous Real-Time
* IGMP Internet Group Management Protocol
Switch Layer 3
Todas as funções do L2;
Gerenciam rotas de endereços lógicos (IP);
Intercomunicam VLAN;
Gerenciam banda de comunicação e latência;
Gerencia múltiplos serviços na rede (liberação de acesso);
Switch Layer 4
Possui todas as funções do L2 e L3;
Tem capacidade de distinguir serviços (HTTP, FTP…)
Configurável para tomada de decisões pelo UDP (User Datagram Protocol);
Gerencia tráfico de rede baseado no QoS (Qualidade do Serviço);
Podem-se tomar decisões de rota, baseado em erros, latência e demanda;
É a base das SDN (Redes Baseada em Software).
Quando pensamos em redes, devemos entender que é necessário em muitos projetos a segmentação destas, com objetivo de segurança, organização e elevação de desempenho de tráfego, estas sub-redes, podem ser físicas ou lógicas.
Com o advento dos Switches gerenciáveis, podemos criar diversas redes e sub-redes de forma virtual, chamadas de VLAN, e com isso obter algumas funções avançadas para controle e gerenciamento, como vimos abaixo:
Controle de Broadcast na rede;
Priorização de tráfego de dados (informação e controle);
Elevação da segurança de acesso.
Como item da Rede Ethernet, a característica de segurança é fundamental para o funcionamento do sistema, para isso em uma arquitetura, utilizamos os Firewalls, que são equipamentos de hardware e software que tem por objetivo proteger a rede contra acessos não autorizados, ele gerencia permissões de acesso e a origem e destino de dados e permite criptografia de dados para interconexão de serviços entre dispositivos.
A Rede Ethernet é um padrão de comunicação de dados, vamos entender que são as vias de informação, agora vamos aplicar para o uso na automação, para isso precisamos entender o que são os Protocolos de Rede, onde:
Um Protocolode Comunicação são as “regras” que controlam a troca de informações em uma rede;
O Protocolo caracteriza a sintaxe, semântica e a sincronização do dado na rede;
O Protocolo deve ser igual (inclusive em sua versão), dentro de uma rede, mesma “linguagem”.
Vamos descrever abaixo os principais Protocolos Industriais para o Padrão Ethernet, utilizados no Controle e Automação Industrial, limitamos tanto em quantidade de Protocolos, quanto em sua descrição, uma vez que para isso, merecem um texto focado e completo de cada um, além da descrição de todos no mercado.
Todavia, vamos caracterizar alguns, para efeito de conceito, onde não temos também, a intenção de formar opinião sobre o uso, vantagens e especificidades de cada um deles.
TCP/IP
Conjunto de protocolos de comunicação entre computadores em rede;
TCP (Transmission Control Protocol – Protocolo de Controle de Transmissão) e o IP (Internet Protocol – Protocolo de Internet, ou ainda, protocolo de interconexão);
Vantagens:
Padronização;
Interconectividade;
Roteamento;
Robustez;
Internet.
Modbus/TCP
Protocolo de comunicação industrial, originalmente desenvolvido para RS-232/485;
Para trabalhar em redes Ethernet, os dados são encapsulados em TCP, trabalha em CSMA-CD e tem modelo Cliente-Servidor;
Vantagens:
Protocolo consolidado;
Simples de configurar;
Frame simplificado;
Fácil conversão de padrão.
PROFINET
PROFINET é uma rede baseada em um padrão de comunicação Ethernet Industrial padronizado pelas normas IEC 61158-5 e IEC 61158-6;
100% compatível com a tecnologia Ethernet ( IEEE 802.3 ) adotada pela associação PI – PROFIBUS & PROFINET International.
Vantagens:
Protocolo aberto;
Manutenção inteligente;
Alta disponibilidade e segurança;
Tempo real e Sincronismo.
Ethernet/IP
É um protocolo industrial baseado em Ethernet que combina a função CIP (Common Industrial Protocol), gerido pela ODVA (Open DeviceNet Vendors Association);
A função CIP trabalha baseado no IGMP (Internet Group Management Protocol), onde a informação da rede e gerenciada em grupos Multicast;
Vantagens:
Múltiplos serviços TI e TA;
Gerenciamento da Rede na TA;
Diagnóstico Avançado;
Sincronismo e Segurança.
IEC-61850
É um padrão de comunicação para sistemas de automação elétrica;
Os modelos de dados abstratos definidos na norma IEC 61850 pode ser mapeado para um número de protocolos, mapeamentos atuais do padrão devem ser:
MMS (Manufacturing Message Specification);
GOOSE (Generic Object Oriented Subestação Event);
SMV (Amostras de Valores Medidos) e Web Services;
Estes protocolos podem ser executados através de TCP/IP ou redes LANs subestação utilizando alta velocidade Ethernet comutada para obter os tempos de resposta necessários abaixo de milissegundos para sistemas de proteção.
Quando tempos múltiplos protocolos na arquitetura da Rede Ethernet e é necessário fazer tudo se comunicar no único padrão, por exemplo, imagine que você tenha um Centro de Controle de Motores (CCM), em uma rede Ethernet/IP e o seu sistema de controle seja um PLC com I/O Controler em Profinet, então se faz necessário a implantação de um Gateway de rede, que na prática converte o Protocolo.
É sabido que muitos Protocolos Industriais já suportam perfis de segurança, para máquinas e processos, mas e o padrão Ethernet? Sim, também suporta perfil de Safety, por exemplo, o Protocolo Profinet suporta o perfil Profisafe para sistemas de segurança, podendo na mesma Rede Ethernet, trafegar dados de informação, controle e segurança.
Para projetos e implantação de Redes Ethernet, devemos seguir boas práticas de redes, existem diversos manuais e guias, que dão muitas ideias e roteiros de sucesso, segue abaixo uma relação de alguns itens de grande importância a se observar em uma implantação, lembrando que questões como Cabeamento Estruturado e Certificação de Redes, fazem parte de um escopo de Projeto de Redes Ethernet:
Entenda as necessidades operacionais de sua planta, por exemplo, COI Centro de Operações Integradas e todo fluxo de trabalho;
Defina pelo protocolo (principalmente o industrial), que melhor atenda as suas necessidades de serviços de operação e manutenção;
Viabilize o projeto baseado em TCO, Custo Total de Propriedade, manutenção e aquisição de hardware e software, durante um período de tempo;
Contrate uma empresa especializada em soluções técnicas e discutam juntos cenários de tecnologia e viabilidades técnicas e financeiras;
Projete e implante uma infraestrutura de redes que suportem as convergências da Indústria 4.0 e que gere valor para seu negócio.
As Redes Ethernet continuam em evolução desde sua invenção, além das tecnologias que se agregam, com objetivo de formar sistemas de comunicação, com isso descrevemos abaixo as principais tendências na continuidade e evolução desta tecnologia:
As redes Ethernet aplicadas na Indústria são uma realidade, ainda que haja muito legado de outros padrões, mas o crescimento é dado pela simplicidade, robustez e baixo custo da rede;
Infraestrutura de rede Ethernet, baseado na tecnologia SDN (Redes Definidas por Software), tendem a ser uma nova fronteira, uma vez que é a automação dos dados e serviços dentro da infraestrutura;
Convergência de TI e TA é uma realidade, todavia ainda não está amadurecido a questão da segurança e a geração de valor das informações em conjunto para tomada de decisões, somando a este conjunto, temos agora as informações vindas do IIoT (Internet Industrial das Coisas), tendendo a evoluir a necessidade de redes cada vez mais estruturadas.