Hoje as redes industriais estão no centro da Automação Industrial, Indústria 4.0 e CLP. Para falar do passado ou do futuro da automação, precisamos falar desses protocolos que transportam a informação de um lado para o outro.
O que são Redes Industriais?
Sabemos que Redes Industriais são protocolos usados para que controladores, sensores e atuadores troquem dados de forma confiável e ágil para supervisionar ou controlar plantas industriais.
No entanto, cada uma delas conta com regras específicas que regem a transferência de dados. Por isso, podemos encontrar diversos tipos.
Neste artigo, primeiramente, vamos conhecer um pouco mais sobre essas redes, e depois disso, como elas influenciam em um projeto e os benefícios que podem trazer.
Classificação das Redes Industriais
Ao abordar este tema, automaticamente relacionamos aos seguintes tópicos, ou pelo menos em alguns deles:
- Tecnologia e inovação
- Indústria 4.0
- Conectividade
- Integração entre máquinas e sistema de controle
- Eficiência e cofiabilidade no sistema produtivo
- Segurança de dados
- Agilidade
Não somente esses, mas também outros assuntos relacionados a interconexão de diversos tipos de equipamentos.
Responsáveis pelo sistema de transmissão de informações, as Redes Industriais podem ser divididas entre Fieldbus, Ethernet Industrial, WIFI e Protocolos da Indústria 4.0.
A seguir estão as definições e especificações de cada Rede de Comunicação.
Fieldbuses
Fieldbuses são protocolos desenvolvidos até os anos 80 obedecendo as camadas OSI. Entretanto, a maior parte possui meio físico (topologia, conectores, cabos) diferentes um do outro. Além disso, cada um foi feito por um fabricante para atender uma aplicação. As principais são:
AS-Interface
Feita para ser simples e prática. Dessa maneira, se posiciona como uma das mais simples aplicações para máquinas e equipamentos de pequeno porte.
Na sua instalação, através de cabo chato auto-regenerante de duas vias, trafega a transmissão de dados no mesmo par de fios. Com isso, a Rede AS-Interface carrega velocidade de conexão para pontos analógicos e digitais.
Apesar das afirmações sobre essa rede apontarem que ela estava com seus dias contados no mercado, atualmente o ASi está lançando sua versão 5, sucessora da versão 3.
Com essa reinvenção, garante um futuro com mais vantagens que se comparam a redes baseadas em Ethernet:
- Módulos ASi podem ter mestres IO-Link
- Facilidade de montagem
- Maior segurança
- Economia garantida
CANOpen
O objetivo da CANopen é atender projetos mais exigentes. Por exemplo na área médica, navegação naval, ferrovias, etc.
Normalmente, a topologia Mestre / Escravo consegue suprir as necessidades de uma aplicação, mas nesses casos, é necessário uma operação multimestre, com os mais altos requisitos de complexidade e segurança de dados.
Possui preços razoavelmente competitivos, até por conta dos componentes e equipamentos que a acompanham.
Oferece um bom ganho de performance, mas por ser dotada de uma velocidade de comunicação média, proporciona dificuldades a medida que o painel elétrico fica distante dos nós de rede. Mas se houver uma distancia curta, essa aplicação é a ideal nesses casos.
DeviceNet
É impossível falar dessa rede sem citar intercambialidade e interconectividade. Em outras palavras, o DeviceNet facilitou que diversos fabricantes desenvolvessem dispositivos e componentes preparados para transmissão de dados.
Outra característica importante, é que oferece até 64 nós de conexão em topologia do tipo tronco/derivação.
De acordo com o estudo feito pela HMS Industrial Networks, retratado no nosso artigo “A Evolução da Ethernet Industrial”, a taxa DeviceNet utilizados nas aplicações é de somente 4%. Isso se deve ao fato de que as vantagens contidas nessa rede foram transferidas para a sua evolução, a Ethernet IP. Veremos mais a seguir.
Profibus
Atualmente, uma das maiores redes disponíveis. Foi desenvolvida a partir da necessidade de um Fieldbus específico para a comunicação industrial.
A tecnologia Profibus permite integrar equipamentos de diversos fabricantes em uma mesma rede. É independente de fornecedores e permite uma ampla aplicação em processos. Se destaca por ser parte de um padrão internacional de protocolo aberto, que visa muitos ganhos. Redução de custos, segurança, flexibilidade em diversas aplicações, entre outras coisas.
Para atender sistemas de controle e comunicações entre os sistemas de automação e equipamentos descentralizados, como os módulos de IO, surgiu o PROFIBUS DP, que conta com uma alta velocidade. Essa evolução destaca a flexibilidade dessa rede, pois foi desenvolvida exclusivamente para casos que demandam uma conexão diferenciada. Hoje, cerca de 90% das aplicações envolvendo PROFIBUS utiliza-se PROFIBUS DP.
Também existe a PROFIBUS-FMS e PROFIBUS-PA, que atendem outras seleções de funções, dependendo das necessidades do projeto.
Modbus
Uma das Redes Industriais abertas mais antigos utilizadas em todo o mundo é o Modbus. Adequa-se a diversos meios físicos e possibilita inúmeras aplicações que necessitam de um Fieldbus incorporado, para garantir controle, acionamento e leitura de sinais ao longo de uma instalação.
No entanto, é utilizado em equipamentos que precisam adotar modelos de transmissão de dados com baixo custo. Por isso, sua utilidade é priorizada para empresas que querem construir aplicações padronizadas com comunicação de IO de dispositivos sem se preocupar em ultrapassar o orçamento.
Porém, estima-se que por conta de revisões tecnológicas, o Modbus pode cair no esquecimento em algum tempo.
Os produtos da Murrelektronik são capacitados para atender a tecnologia Fieldbus com diagnósticos completos. O resultado é uma combinação perfeita entre design e desenvolvimento de hardware e software.
Ethernet Industrial
Por obter uma grande disponibilidade de dados com diferentes pontos de acesso em vários locais da linha de produção, a Ethernet Industrial conseguiu atingir um espaço importante entre as aplicações.
Em relação ao ano de 2018, alcançou um crescimento de 22%. Realizamos uma análise sobre isso no artigo “A Evolução da Ethernet Industrial.” (link)
Os protocolos nessa categoria foram desenvolvidos nos anos 2000 e seguem o modelo TCP/IP. Seus meios físicos são os mesmos o que facilitam o projeto e a instação. Iremos conhecer mais sobre eles na listagem abaixo:
Profinet
Baseada no padrão de Ethernet Industrial, a PROFINET, sucessora da PROFIBUS, proporciona comunicação em tempo real, segurança integrada, integração com a web e muito mais.
Inclusive, no nosso texto “Conheça sobre Profinet, Protocolos de Rede Industrial”, foi abordado de forma mais aprofundadas sobre os ganhos declarados em implantar a PROFINET e também algumas versões dessa rede (Profinet IO, Profinet IRT, Profinet Energy e Profinet Safe).
Ethernet/IP
Conta com uma disponibilidade de dados grande de pontos de acessos em diferentes locais da linha de produção.
Pronta para oferecer soluções em nível corporativo e capacidade de conexão no chão de fábrica, a história da origem do EtherNet IP, traz informações importantes sobre a automação.
Substituta da rede Devicenet, atualmente lidera as aplicações entre as redes EthetNet. Isso se deve ao fato de apresentar vantagens como: Dispositivos Ethernet integrados à rede, facilidade de utilizar um único arquivo de configuração para todos os dispositivos de redes, diagnóstico local e via CLP, entre outros benefícios.
Para maiores detalhes, temos um artigo que aborda 6 coisas que você deve saber sobre EtherNet/IP.
Modbus TCP
Por ser um dos protocolos de Redes Industriais mais usado, o Modbus excedeu os limites da automação das indústrias e hoje é requisitado até mesmo para instrumentos e máquinas laboratoriais e automação de navios.
É considerado uma excelente solução por apresentar:
- Possibilidade de utilização da estrutura Ethernet existente
- Diagnóstico rápido e fácil
- Redução de custos com estrutura
Outro ponto referente a ao Modbus, são os conversores. Existem diversos conversores para outras redes que funcionam com facilidade, tanto para EtherNET/IP quanto para Profibus.
EtherCat
Uma excelente oportunidade de instalação em ambientes híbridos, típicos de projetos de grande porte para planta industrial.
A condição de configuração remota dos agentes de rede EtherCat proporciona grande flexibilidade na instalação, substituição de componentes de rede e velocidade de comunicação.
Em relação ao custo, apesar de serem menores em comparação a PROFINET, ainda não se pode afirmar que a EtherCaT tenha um custo baixo de adoção.
Temos um artigo completo com este assunto: “Conheça sobre EtherCat, Protocolo de Rede Industrial”.
Protocolos da Indústria 4.0
A Indústria 4.0 criou novas necessidades. Dispositivos precisam enviar suas informações para a nuvem. A comunicação precisa ficar ainda mais rápida. Para isso estão sendo propostas novas redes industriais. OPC/UA e TSN são duas delas.
OPC/UA
Garante um bom equilíbrio entre sistemas digitais. Baseada no princípio cliente-servidor, permite a comunicação dos sensores até a nuvem.
Com um protocolo independente da plataforma, apresenta um mecanismo de segurança incorporado. Sua independência e flexibilidade o tornam ideal para a indústria 4.0.
O interessante do OPC UA (Unified Architecture) é que os dados são transferidos através de um único protocolo. Em outras palavras, está eliminando a necessidade de Fieldbus tradicionais.
TSN
Além dos protocolos PROFINET e EtherNet/IP, o TSN (Time Senstive Networking) é um conjunto de normas que dará a capacidade para a EtherNet trabalhar em tempo real.
A Siemens, por exemplo, acredita que o Profinet baseado em EtherNet com TSN será a rede utilizada no chão de fábrica, com o auxilio do OPC UA, que será responsável por transmitir os dados para a nuvem.
Onde as Redes Industriais se localizam na Pirâmide da Automação
A pirâmide da automação é a representação hierárquica dos diferentes níveis de controle. Desde os equipamentos e dispositivos em campo até o gerenciamento corporativo da empresa.
Veja a seguir:
PIRÂMIDE ISA:
Os cinco níveis estão divididos em:
- Nível 1 – Aquisição de dados e controle manual: Dispositivos de campo
- Nível 2 – Controle Individual: Equipamentos que realizam o controle automatizado, como CLP (controlador lógico programável), SDCD’s (sistema digital de controle distribuído) e relés.
- Nível 3 – Controle de célula, supervisão e otimização do processo: Supervisão executada por uma determinada célula de trabalho em uma planta. Na maioria dos casos, obtém suporte de um banco de dados.
- Nível 4 – Controle fabril total, produção e programação: Auxilia tanto no controle de processos industriais quanto na logística de suprimentos.
- Nível 5 – Planejamento estratégico e gerenciamento corporativo: Administração dos recursos da empresa. Neste nível encontram-se softwares para gestão de venda, gestão financeira e BI (Business Intelligence)
Você deve estar se perguntando onde as redes se encaixam nessa organização, certo?
Como elas possuem a função de realizar a aquisição dos dados do campo até o CLP, estão entre os controladores e os dispositivos, entre a primeira e a segunda camada.
As múltiplas vantagens das Redes Industriais
Ao contrário do que pode-se imaginar, as Redes Industriais não visam somente a transmissão de dados. Com a indústria 4.0, muitas fábricas irão precisar se readaptar e com certeza as redes industriais serão grandes aliadas neste processo.
As Redes Industriais trazem vantagens que garantem uma maior produtividade:
- Redução de instalações elétricas do tamanho do painel elétrico;
- Modularização de máquinas e equipamentos;
- Possuir diagnóstico real time em supervisório e de local de falhas;
- Flexibilidade da ampliação e modulação
Não somente essas, mas também outras otimizações ocasionadas pela aplicação das redes, simplificam muitos processos de uma planta industrial.
Investir em tecnologia além de ser um diferencial, auxilia na identificação de um possível problema. Dessa forma, até os funcionários são beneficiados. Suas rotinas podem ser dedicadas a outras atividades lucrativas, ao invés de dispor de um tempo para solucionar algum erro que poderia ter sido evitado.
Existem módulos na automação, como o Cube67 e o Impact, que conectados a essas redes, definida de acordo com o CLP do projeto, transmitem informações diretas. Se há alguma falha no painel ou dentro da máquina, ela é identificada e é possível receber essas informações em um Notebook ou celular. Mas não somente isso, até é possível receber um direcionamento de onde esta o problema para que ele possa ser corrigido, evitando que muitas horas de trabalho fossem utilizadas somente para encontrar essa falha.
Com a indústria 4.0, facilidades como essa tendem a ser prioridade. Muitas tecnologias irão surgir para revolucionar o mercado industrial.
Se você quiser se aprofundar e conhecer mais detalhadamente estes pontos, preparamos este artigo sobre as vantagens clássicas das Redes Industriais.
Qual o melhor tipo de Rede Industrial para o meu Projeto?
Após este breve descritivo sobre as definições de tipos de Redes Industriais, você deve estar se perguntando como identificar qual a mais adequada para ser aplicada no seu projeto de máquina e equipamento.
Primeiramente, é preciso focar na tecnologia que controla uma grande parte da operação da máquina ou equipamento: O CLP.
Se já existe uma definição de quais são as marcas e modelos de CLP possíveis de serem utilizados nas suas aplicações, a decisão sobre quais Redes Industriais devem ser avaliadas fica muito mais simples.
Ter esta base como parâmetro facilitará sua busca, devendo somente ficar alerta sobre limitantes críticos de cada Rede Industrial defendida pelo fabricante de CLP que você utiliza.
Porém, se não existe esta definição de marca de CLP a ser utilizado, precisará fazer uma avaliação partindo das variáveis típicas de definição de Redes Industriais que são:
- Quantidade
- Tipo e distribuição dos pontos
- Distância entre os pontos e o painel elétrico
- Latência suportada no comando
- Tecnologia de CLP adotada pelo cliente ou por sua empresa
O Uso de Conectores Industriais para Rede de Dados
Após a aplicação das Redes Industriais, é essencial garantir que os dados transitem com confiabilidade.
Parece óbvio, mas, nada irá acontecer na sua máquina ou equipamento (que use Rede Industrial para a transmissão de dados) se os dados não trafegarem de forma eficaz.
Portanto, o uso de Conectores Industriais para Rede Industrial é fundamental. Não importa se utiliza uma Rede Industrial baseada em Fieldbus ou Ethernet, os cabos e conectores precisam ser especificados e preparados para sua aplicação.
É imprescindível não somente compreender que sempre será possível aprimorar os seus processos, mas também estar constantemente analisando riscos e criando cenários para manter-se seguro.
Conectores para as Redes Fieldbus
Profibus, DeviceNet, CANopen e diversas outras Redes Industriais baseadas em Fieldbus exigem que conectores específicos sejam utilizados. Além de características de conexão de dados, estes Conectores Industriais para Rede de Dados precisam ser capazes fisicamente de suportar as aplicações.
Conectores específicos para cada tipo de Rede Industrial possuem indicações para mitigar erros de montagem, possibilitando um trabalho com mais garantias.
Importante considerar também a resistência física e química dos conectores e seus cabos. Quando se trata de aplicação IP20, por exemplo, como os conectores estarão instalados dentro do painel elétrico, o impacto é reduzido. Mas em aplicações em IP67, a resistência física do conector é essencial.
Pesquisa Automação Industrial
Com a diversidade de informações sobre as Redes Industriais, a Murrelektronik do Brasil investigou as redes mais utilizadas e os maiores fabricantes de CLP. Afinal, os dois conteúdos estão interligados.
Ao notar que a EtherNet obteve um crescimento exemplar nos últimos tempos, publicamos no artigo sobre a Evolução da EtherNet. Clique e confira.
Também desenvolvemos a melhor pesquisa sobre automação industrial no Brasil. Os resultados foram analisados e estão disponíveis neste artigo: Mercado Brasileiro de Automação Industrial Análise da Pesquisa.
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