Tendências em Redes Industriais

TENDÊNCIAS DE REDES INDUSTRIAIS.

augusto.leda@gmail.com

RESUMO - Temos aqui o objetivo de apresentar os tipos de redes utilizados atualmente na indústria, e suas novas tendências, tendo em vista a evolução tecnológica, uma evolução constante, mostra-se em tendências de otimização para redução de custos de instalações e manutenção, procurando assim redes mais eficientes e econômicas. Neste trabalho procuramos mostrar que é preciso combinar a solução de uso correto dos serviços e pacotes de dimensionamento de redes com o exato dimensionamento e projeto físico dessas redes. Dentre os novos conceitos tecnológicos, que surgiram recentemente, destaca-se a da utilização de tecnologias de sistemas abertos em empresas.

Palavras Chaves: Redes Industriais, Tecnologia, Protocolo de comunicação.

CAPITULO 1 - INTRODUÇÃO.

A comunicação para redes necessitava de instrumentos mais inteligentes, o velho padrão 4-20 mA para transmissão de sinais analógicos tinha que ceder lugar a transmissão digital. Barramentos para interligar sensores e atuadores discretos transmitindo bits de comando denominados Sensorbus, temos a rede ASI lideradas pela Siemens e Interbus-S. Em um segundo nível era representado pela rede capaz de interligar dispositivos mais complexos, denominados de Devicebus, transmitindo agora byte, neste nível enquadra-se as redes DeviceNet e ControlNet. Em fim a rede de campo ou Fiedbus especializadas em variáveis analógicas e controle. Hoje temos também para uma nova aplicação para instrumentos de campo, a rede Endernet, que se utiliza do padrão IEEE1451, determina como sensores e atuadores podem ser ligados diretamente a uma rede de controle.

Para Leite & Martins (2006), a atividade industrial demanda uma troca contínua de informações entre máquinas, computadores e operadores.

A situação atual nos mostra um ambiente de mudança, nos quais os instrumentos são cada vez mais inteligentes. São apresentadas varias opções de redes para comunicação a nível de “chão de fábrica”, mais nenhuma atende todas as aplicações, o estudo para viabilização do projeto com soluções que possibilitem a organização maior competitividade, que atenda os requisitos e que contribua para redução dos custos e fundamental para a empresa.

Para WATANABE (2006) os sistemas de controle industriais tendem a tornarem-se complexos, com um grande número de variáveis, ações e controles. Consequentemente, um controle centralizado pode tornar-se caro, complexo e lento.

CAPITULO 2.- REDES INDUSTRIAIS

 Para estudar a arquitetura de sistemas de automação de forma sistemática utilizamos o recurso de dividir a mesma em níveis.

Nível 0: É o nível de aquisição e atuação diretamente no processo . Neste nível estão os elementos sensores e atuadores como sensores de nível, pressão, temperatura, fins de curso, válvulas, inversores de frequência, multimedidores de grandezas elétricas, etc...

Nível 1:Neste nível estão os Controladores Programáveis recebendo informações do nível 0.

Nível 2: Chamaremos de nível 2 as estações de supervisão e controle que são computadores executando softwares de supervisão que se comunicam com os CLP’s através de redes de comunicação industriais.

Nível 3: Este é nível onde fica o sistema corporativo de gestão da planta .

Fig. 1- Níveis de Redes Industriais.

Rede de sensores ou sensorbus - dados no formato de bits

Rede de dispositivos ou devicebus - dados no formato de bytes

Rede de instrumentação ou fieldbus - dados no formato de pacotes de mensagens

Rede de Dados ou Databus – Destinada para comunicação entre computadores

Vamos dividir as redes industriais em dois grupos principais, sendo o primeiro grupo o das redes de controle. Elas interligam CLPs, SDCDs e sistemas de supervisão. O segundo grupo de redes é formado pelas redes de dispositivos, aquelas que ligam os CLPs e os SDCDs aos dispositivos de campo, como por exemplo sensores, válvulas, instrumentos, acionamento de motores, etc. Em ambos os grupos encontramos redes abertas, que seguem algum padrão reconhecido pelo mercado, e redes proprietárias, que somente podem ser utilizadas com os equipamentos do mesmo fabricante.

2.1 Tipos de redes Industriais

2.1.1 Sensorbus - A rede sensorbus conecta equipamentos simples e pequenos diretamente à rede. Os equipamentos deste tipo de rede necessitam de comunicação rápida em níveis discretos e são tipicamente sensores e atuadores de baixo custo. Essas redes não almejam cobrir grandes distâncias, sua principal preocupação é manter os custos de conexão tão baixos quanto for possível. Exemplos típicos são as redes Seriplex, ASI e INTERBUS Loop.

Características:

• Dados em formato de bits.

• Poucos equipamentos.

• Equipamentos simples

• Ligação direta.

• Comunicação rápida em níveis discretos.

• Sensores de baixo custo.

• Pequenas distâncias.

2.1.2 Devicebus - A rede Devicebus preenche o espaço entre as redes sensorbus e fieldbus e pode cobrir distâncias de até 500 m. Os equipamentos conectados a essa rede terão mais pontos discretos, alguns dados analógicos ou uma mistura de ambos. Além disso, algumas dessas redes permitem a transferência de blocos em uma menor prioridade comparada aos dados no formato de bytes. Essa rede tem os mesmos requisitos de transferência rápida de dados da rede de sensorbus, mas consegue gerenciar mais equipamentos e dados. Alguns exemplos de redes desse tipo são DeviceNet, Smart Distributed System (SDS), ProfibusDP, LONWorks e INTERBUS-S.

Características:

• Dados em formato de bytes

• Podem cobrir distâncias de até 500 m.

• Predominância de variáveis discretas.

• Algumas redes permitem a transferência de blocos de dados com prioridade menor dados em formato de bytes.

• Possuem os mesmos requisitos temporais das rede Sensorbus, porém podem manipular mais equipamentos e dados.

2.1.3 Fieldbus - A rede fieldbus interliga os equipamentos de I/O mais inteligentes e pode cobrir

distâncias maiores. Os equipamentos acoplados à rede possuem capacidade de processamento para desempenhar funções específicas de controle tais como loops PID, controle de fluxo de informações e processos. Os tempos de transferência podem ser longos, mas a rede deve ser capaz de comunicar-se por vários tipos de dados (discreto, analógico, parâmetros, programas e informações do usuário). Exemplo de redes fieldbus inclui IEC/ISA SP50, Fieldbus Foundation, Profibus PA e HART.

Características:

• Redes mais inteligentes:

• Podem conectar mais equipamentos a distâncias mais longas.

• Os equipamentos conectados a rede possuem inteligência para executar funções específicas:

• As taxas de transferência de dados podem ser menores que as anteriores, porém estas são capazes de comunicar vários tipos de dados: discretos, analógicos, parâmetros, programas e informações de usuário.

2.1.4 Databus - Destinada para comunicação entre computadores. Estocástica, mas com capacidade de manipular grandes quantidades de informações em tempo não crítico. Ex: Ethernet TCP/IP.

Fig.2 Evolução do sistema de comunicação industrial

3. Novas Tendências.

3.1 Tecnologia Foundation Fieldbus

Idealizada inicialmente para atuar tipicamente no controle de processos contínuos tais como os da indústria química, indústria de celulose etc., visualizando sua aplicabilidade ela estendeu-se para atender também a processos discretos.

Exemplo Típico: controle de temperatura, vazão e pressão em uma coluna de fracionamento.

Trata de uma arquitetura aberta para integrar informações, cujo objetivo principal é interconectar equipamentos de controle e automação industrial, distribuindo as funções de controle pela rede e fornecendo informações a todas as camadas do sistema.

Ela engloba diversas tecnologias tais como processamento distribuído, diagnostico avançado e redundâncias. Um sistema FF é heterogêneo e distribuído, composto por equipamentos de campo, software de configuração, fonte de alimentação e pela própria rede física que o interconecta.

Figura 3 – Operação conjunta: Softwares Supervisórios+Fieldbus+Instrumentos.

Uma das funções dos equipamentos de campo é executar a aplicação de controle e supervisão do usuário que foi distribuída pela rede. Essa é a grande diferença entre FF e outras tecnologias como Profibus ou DeviceNet, que dependem de um controlador central (PLC) para executar os algoritmos.

Para WATANABE (2006),com a entrada da tecnologia de barramento de campo no mercado, o controle distribuído ganha uma nova alternativa, que é a utilização de dispositivos inteligentes. Esses dispositivos são dotados de alguma capacidade de processamento e interligados, através de um barramento, formando, assim, uma rede, possibilitando trocas de mensagens entre si e o controle do sistema de automação seja de responsabilidade da rede de dispositivos e não mais em um único elemento centralizador (CLP, PC, etc), originando o conceito de nós inteligentes, conforme apresentado na figura 3

Fig. 4 Equipamentos que compõem nós inteligentes.

Algumas características.

• Segurança para uso em áreas perigosas.

• Topologia em barramento ou em arvora, com suporte a múltiplos mestres no barramento de comunicação;

• Comportamento previsível (determinístico);

• Controle distribuído;

• Interfaces padronizadas entre equipamentos;

• Permite que os equipamentos sejam fabricados por diferentes fornecedores, mas que funcionem em conjunto formando uma única rede.

• LAN completamente digital.

• Comunicação bidirecional.

• Interconecta dispositivo no campo: atuadores, sensores, controladores.

• Distribui a aplicação de controle através da rede.

• Dispositivos inteligentes.

• Requer somente um barramento para múltiplos dispositivos.

• O controle pode ser executado dentro do dispositivo

Foundation é uma rede de comunicação digital bi-direcional entre instrumentos no chão de fabrica bem como com o sistema de supervisão e controle.

3.2 Rede Enthernet

Uma das tendência é se utilizar redes padrão Ethernet, tanto para controle quanto para dispositivos. Se um usuário está começando a utilizar redes na fábrica, a sugestão é partir para redes que usem o meio físico Ethernet. Este meio físico tende a ser mais econômico no futuro e é o mesmo que as redes administrativas usam. Deste modo é possível manter-se na empresa um estoque geral de peças de reposição menor. O pessoal de manutenção terá de conhecer a mesma rede na fábrica e nos escritórios.

Enquanto anteriormente (até meados de 90) a automação industrial relacionava apenas o nível de chão de fábrica com o de supervisão hoje ela tem que estender seus domínios até a gestão da produção integrando processos de negócios em suas diversas visões (estratégias, atividades, informação, recursos e organização) como um todo unificado.

A rede Ethernet passou por uma longa evolução, nos últimos anos, tornando-se a rede de melhor faixa e desempenho para uma variada gama de aplicações industriais.

Empregada do chão-de-fábrica até o nível administrativo, a Ethernet possibilita cada vez mais a integração total do mercado, não mais somente para a integração de departamentos internos e prédios, fazendo uso dos serviços ligados à Internet (sistema global de redes conectadas, comunicação de dados, trocas de arquivos, e-mail, www) e à Intranet (rede privada, utilizando-se de recursos internet, disponível apenas dentro de uma empresa, local ou prédio) Fernandes (2003).

Fig 5. Possibilidade de integração da Intranet

Todos os sistemas integrados de automação passam a ser globalizados no termo geral de EPS (EnterpriseProductionSystems) que incluem os sistemas de execução da manufatura e exigem implementação “Just in time”.

Alguns motivos para a abrangência do mercado de Ethernet é que ele conta com as seguintes vantagens:

• Plataforma aberta e realmente global;
• Tecnologia acessível e de fácil compreensão;
• Segurança, velocidade e confiabilidade garantida pela evolução da própria informática;
• Dados disponíveis em qualquer sistema operacional;
• Acesso às informações da planta via redes públicas e redes privadas;
• Diversidade de serviços disponíveis para melhor desempenho;
• Inúmeros equipamentos disponíveis de diversos fabricantes.

Os benefícios do emprego da tecnologia Ethernet Industrial incluem uma arquitetura aberta e veloz de comunicação de Ethernet TCP/IP, contando com contínuas atualizações e avanços tecnológicos.

Fig. 6 Integração da Rede.

3.3  Redes de Sensores sem Fio

Enquanto a WEB permite o acesso remoto a informações, as RSSFs permitem interação remota com o mundo físico.

A implantação de RSSF pode ser vista como uma opção interessante neste cenário, embora o grau de dificuldade também seja elevado, em função das características ambientais. Certamente não há como substituir toda as fiações por ondas de radio, seja por rações econômicas ou tecnológicas.

Para automação industrial, é fundamental localizar onde esta o sinal de radio. Há aplicações ponto-a-ponto na instrumentação, ligando os sensores e atuadores aos controladores. Há aplicações pontos-multiplos, com redes de sensores. Também á possibilidade de transferência de grande quantidade de dados, como na rede enthernet sem fio.

O wireless como é conhecida possui algumas vantagens como redução de custos com instalações, tendo algumas restrições quanto a taxa de comunicação ou tempo de resposta.

O maior desafio é migrar, integrar e/ou substituir as redes de sensores cabeadas por RSSF: Wireless FieldBus, Wireless Industrial Ethernet.

Uma das maiores limitações para qualquer equipamento wireless é a distancia pela qual ele poderá transmiti seus sinais de rádio de forma confiável dentro de uma planta industrial. As interferências podem comprometer a comunicação além do uso indevido.

 Fig.7 Aplicações para tecnologia wireless.

Características

• Mínimo de intervenção humana

• auto-organização

• auto-configuração

• auto-diagnóstico

• Suportar estruturas fixas existentes

• Coexistência de padrões

• IEEE-1451 (transdutores)

• Ethernet (IEEE-802.3)

• Conexão cabeada aos PLCs

3.4 - Redes Hibridas: FIO + RÀDIO.

O caminho para introdução das redes sem fio na automação industrial passa, sem duvida, pela migração e coexistência com os atuais sistemas que usam fios. Um dos exemplos é a rede Profibus DP, que usa usualmente se comunica usando RS- 485 com taxas pouco usuais, tais como 45,45kbps.

Outros equipamentos usando o protocolo Modbus também tem integrado com bastante sucessi usando conversores (Bluetooth, Wi-fi), tanto em rede ponto a ponto quanto multi-ponto.

3.5 - Tecnologias de sistemas abertos.

Para WATANABE (2006) as pesquisas recentes de mercado têm apontado que o sistema operacional LINUX (MDIC, 2005; PANIAGO, 2005) tem impulsionado mudanças no comportamento de muitas corporações. Tanto os fabricantes de equipamentos como os de softwares efetivamente consideram seriamente esta nova oportunidade em suas metas de vendas.

Segundo ainda WATANABE (2006) em termos de produtos industriais, pode-se ainda citar a tecnologia de barramento de campo, o protocolo CAN, como um dos aliados a estes novos conceitos, trazendo benefícios aos seus adeptos como redução de tempo de instalação de novas redes, redução na manutenção e custo de suporte.

Dentro do contexto de sistemas abertos há duas definições importantes (MDIC, 2005):

a) Software Livre: Um software livre respeita as quatro liberdades essenciais que são:

1. Liberdade para executar o programa para qualquer fim, em qualquer ponto e a qualquer tempo;

2. Liberdade de estudar o funcionamento do programa e adaptá-lo às necessidades de quem estuda;

3. liberdade de redistribuição de cópias;

4. liberdade para melhorar o programa e publicar as melhorias.

b) Código aberto (Open Source): O código aberto tem os seguintes conjuntos de princípios:

1. distribuição livre, sem pagamento de royalties ou semelhante;

2. código fonte deve sempre estar aberto;

3. permitir modificações e trabalhos derivados;

4. garantir integridade autoral do código fonte;

5. não discriminar pessoas ou grupos;

6. não discriminar áreas de conhecimento, setores e atividades;

7. direitos de licença redistribuídos sem necessidade de licenças adicionais pelas partes;

8. a licença não deve ser ligada a um produto específico;

9. a licença não pode restringir outros softwares que são divulgados conjuntamente.

O que pode ser entendido por Sistemas Abertos em ambiente de automação industrial não é somente ter a característica de uma especificação pública e, conseqüentemente, gratuita, mas uma arquitetura que abrange as seguintes características (AZEVEDO, 2001):

a) Interoperabilidade: Possibilidade de conectar diferentes plataformas de hardware através de uma rede padrão;

b) Modularidade: Implementação de módulos de software com interface bem definida que permitem adição e remoção sem interferir em outros módulos;

c) Escalabilidade: Habilidade de rodar o mesmo software em centros de controle de diferentes tamanhos e funções;

d) Portabilidade: Implementação da mesma funcionalidade em diferentes plataformas de hardware.

O sistema operacional LINUX pode ser adotado para tornar ágil e robusto nas funcionalidades ligadas à rede. O CLP adquire, assim, a possibilidade de executar facilmente as tarefas simultâneas e em tempo real, caso a aplicação necessite, dando, assim, ao sistema condições de reduzir o tempo de respostas ao processo monitorado.

                                                                                                                          NETO, Augusto J. Leda. 

                                                                                                              Tendências em Rede Industriais.

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