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ETHERNET INDUSTRIAL
Filipe Vieira Caires^1 Fernando de Aguiar Cruz^2 Resumo Uma crescente necessidade de monitoramento e gerenciamento rigorosos da produção pelas empresas, fizeram com que as redes industriais se integrassem às redes de TI (Tecnologia da Informação) da corporação. Sendo assim necessário a implementação de um novo modelo de rede, Ethernet Industrial, que substitua as antigas redes industriais, as quais foram construídas em ambientes isolados dentro das empresas sem interação com o ambiente corporativo. Essa nova integração proporciona inúmeras vantagens, incluindo solução para um fator chave em redes fieldbus, o determinismo, mas também gera vários desafios para a sua implementação. Este artigo aborda as caraterísticas da rede Ethernet, além dos desafios para a sua implementação no setor industrial. Palavras-chaves: Ethernet Industrial, redes, determinismo Abstract A growing need for strict monitoring and management of production by companies has led industrial networks to integrate with the corporation's IT (Information Technology) networks. It is therefore necessary to implement a new network model, Industrial Ethernet, to replace the old industrial networks built up in isolated environments inside the companies, without any interaction with the corporate environment. This new integration undoubtedly brought many benefits, including solution to a key factor in fieldbus network, determinism, but it also created a number of challenges for its implementation. In the article will be discussed the characteristics of the Ethernet network, besides the challenges for its implementation in the industrial sector. Keywords: Industrial Ethernet, networks, determinism
1. Introdução
(^1) Graduado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF). (^2) Graduado em Sistemas de Informação pela PUC-MG e em Engenharia de Produção pela Universo-BH.
O Avanço da automação no setor industrial demanda cada vez mais por equipamentos destinados ao controle, por exemplo: os controladores lógicos programáveis (CLPs), os sistemas digitais de controle distribuído (SDCD), Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA), atuadores, sensores e etc. A integração desses dispositivos às redes industriais faz com que diversos elementos trabalhem de forma simultânea e, desta forma, torna-se possível supervisionar e controlar um determinado processo através de uma troca rápida e precisa de informações, aumentando-se o rendimento e reduzindo-se os custos. A Ethernet é atualmente a mais notória rede de comunicação interna. Sendo um padrão aberto de rede, criado por Robert M. Metcalfe na década de 70, começou a ser utilizada no chão de fábrica em virtude das inúmeras vantagens de sua implementação. O emprego de uma tecnologia de rede local de TI na área industrial, a Ethernet, possibilita a utilização de vários protocolos da Internet (TCP/IP, http, SNMP, etc.) e, assim, muda drasticamente a maneira como se lida com as informações no chão de fábrica, permitindo benefícios nunca vistos, como: programação da Produção diretamente do chão de fábrica, utilização de dispositivos de TI (leitores de código de barras, teclados, monitores e etc.) e além de facilitar as configurações e implantações, permite que técnicos possam fazer comunicação remota a diversos componentes e reduzi consideravelmente o tempo de instalação de equipamentos e identificação de erros e/ou problemas de comportamento, melhorando também o poder de diagnóstico. Em virtude do protocolo Ethernet não ter sido originalmente desenvolvido para o ambiente industrial, diversos desafios tiveram que ser sanados para que o mesmo pudesse em fim ser aplicado no setor industrial. Dessa forma, diversas empresas uniram-se no intuito de superar as limitações da Ethernet convencional e evoluir para um padrão industrial, a Ethernet Industrial.
2. Protocolo Ethernet
A Ethernet é baseada no envio de pacotes e na detecção de colisão (CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)). Ela define: cabeamento e sinais elétricos para a camada física; formato de pacotes e protocolos para a camada de enlace, também conhecida como camada de controle de acesso ao meio (MAC - Media Access Control ). A Ethernet é um padrão que define os níveis 1 e 2 do modelo OSI especificados, respectivamente, pelas normas 802.3 e 802.2 da IEEE.
● Segurança, velocidade e confiabilidade garantida pela evolução da própria informática; Grande parte das empresas hoje em dia usam dois ou mais protocólos. A troca dos barramentos de campo por soluções Ethernet segue a necessidade de uma tecnologia de rede uniforme, que vá da gerência até a célula de fabricação. Assim, os dados das ilhas de produção e das máquinas podem ser obtidos em toda a rede da empresa. As vantagens são evidentes: mais funcionalidade nos equipamentos de campo significa, simultaneamente, maior capacidade e flexibilidade da empresa e, dessa forma, mais dinâmica nos processos. Apesar de cada tipo de rede possuir características próprias e ser indicada para aplicações especificas, podemos ver pela Figura 1 que a Ethernet apresenta uma maior abrangência quando comparada a outros tipos de rede de campo. Figura 1 - Domínio de aplicação das redes de campo Fonte: QUEIROZ, 2019, p. 26.
4. Melhoramentos da rede Ethernet
Para sanar as inúmeras limitações enfrentadas pela Ethernet convencional no ambiente industrial, diversos aperfeiçoamentos foram realizados permitindo a Ethernet convencional evoluir para um padrão industrial, a Ethernet Industrial. O problema principal a ser superado na Ethernet convencional está no mecanismo CSMA/CD existente na Ethernet, pois o princípio 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. Este mecanismo é fundamentalmente não-determinístico, o que pode ser um empecilho para aplicações em tempo real. Outras limitações ainda podem ser relacionadas à robustez e configuração do hardware, segurança na transmissão dos dados, e às topologias disponíveis. O determinismo na entrega de mensagens em uma rede de comunicação é dependente de um conjunto de fatores que tornam o fluxo de dados gerenciável e programável. Fatores como velocidade de comunicação, topologia da rede, domínios de colisão, conexões redundantes e qualidade de serviço são capazes de qualificar a Ethernet como determinística, desde que haja garantia de atendimento dos tempos de resposta especificados para cada aplicação. [Júlio Queiroz] Com o advento de novas tecnologias pode-se contornar os problemas com o uso de Switches no lugar dos Hubs, o uso de sistema full duplex onde há um canal de transmissão e um canal de recepção para possibilitar uma taxa de transferência de dados duas vezes maior, o endereçamento inteligente para evitar-se as colisões e a aplicação de comunicação na camada MAC. Além da implementação de alguns serviços adicionais que permitem o sincronismo entre os pacotes, ainda podemos completar com o aumento da velocidade destas redes, permitindo uma velocidade de 10 Gbs capaz de transmitir frames de 1518 bytes a 1,2 μs, período considerado insignificante para a maioria das aplicações, possibilitando assim o determinismo na entrega de mensagens para redes Ethernet. Para suportar a agressividade vista no ambiente industrial, equipamento específicos e mais robustos foram desenvolvidos, sendo capazes de suportar Temperaturas entre - 35º C a 75º C, vibração e Impacto, poeira e umidade (Alto Grau de Proteção IP), interferências eletromagnéticas, dentre outras adversidades encontradas pelo ambiente industrial. Uma das principais vantagens vista pela aplicação da Ethernet, a integração entre diversos setores com a possibilidade de acesso remoto aos processos de produção, gerou uma grande vulnerabilidade a essas redes, por não serem mais sistemas de automação isolados. Há caminhos para uma eventual invasão ao sistema, os invasores podem ser funcionários realizando tarefas inapropriadas ou mesmo agindo de má fé. Dentre os danos que invasores podem acarretar pode- se citar o acesso às informações confidenciais, perda de integridade e confiabilidade de dados do processo e danos aos equipamentos. Para minimizar estes riscos, medidas devem ser tomadas como a utilização de Firewalls, que são equipamentos de hardware e software que tem por objetivo proteger a rede contra
É um padrão de automação da associação PROFIBUS Internacional para implementação e integração de soluções baseadas em Ethernet Industrial. Profinet suporta a integração de um simples dispositivo de campo e aplicações de tempo crítico em comunicações Ethernet, bem como a integração de automação de sistemas distribuídos baseados em componentes. Ele foi concebido para ser um sistema de comunicações para quaisquer fornecedores, capaz de se comunicar com os diferentes sistemas BUS através de um servidor proxy. (COUTO,2010) ● HSE - High Speed Ethernet Desenvolvido pela Fieldbus Foundation, uma fundação formada por empresas de automação de controle de processos e manufatura, com o intuito de desenvolver um barramento de campo simples, aberto, internacional e interoperável, através da incorporação da tecnologia Ethernet na rede H1 Fieldbus, criando assim a High Speed Ethernet (HSE). Esta é utilizada no nível dos controladores e na sua interligação com os níveis superiores das aplicações comerciais, uma rede de alta velocidade que opera a 100 Mb/s, que utiliza o protocolo UDP/IP sobre as camadas de enlace Ethernet. A função do HSE não é substituir as redes H1 existentes, mas interconectá-las e ligá-las a sistemas de supervisão. A simples interoperabilidade oferecida pelo HSE é uma das suas principais características, oferecendo operação plug-and-play, incluindo uma linguagem de programação orientada a blocos de função que permite aos usuários criar estratégias de controle distribuídas através de rede utilizando dispositivos de múltiplos fabricantes. ● Ethernet/IP É um padrão de rede industrial aberto que suporta mensagem em tempo real e troca de mensagens. O Ethernet/IP usa o chip de comunicação Ethernet padrão e o mesmo meio físico, é um protocolo de camada de aplicação industrial para aplicações de automação. Construída sobre os protocolos TCP/IP, esta interface utiliza hardware e software já estabelecidos para definir um protocolo de camada de aplicação para a configuração, acesso e controle de dispositivos de automação industrial. A Ethernet/IP classifica nós de rede por tipos de dispositivos conforme predefinidos por procedimentos específicos. O protocolo de camada de aplicação Ethernet/IP baseia-se no “Protocolo de Informação e Controle” (CIP - Control and Information Protocol) usado em ambos DeviceNet e ControlNet. Construída sobre estes protocolos a Ethernet/IP oferece um sistema integrado transparente desde o “chão-de-fábrica" até a rede corporativa. (COUTO,2010) Além dos padrões descritos anteriormente, podemos citar inúmeros outros como Ethernet for Plant Automation (EPA), Ethernet Powerlink (EPL), Ethercat e o Modbus/TCP, sendo que
todos esses padrões compartilham do uso dos protocolos UDP/IP e TCP/IP além de implementações diretas no frame IEEE 802.3. O protocolo UDP é mais rápido que o protocolo TCP, pois o UDP não é orientado a conexão, não verificando a confirmação de recepção, assim exige menos tempo de processamento por ter um cabeçalho menor. O UDP é o protocolo mais utilizado em situações nas quais não é necessário garantir a recepção do dado. O protocolo TCP é orientado à conexão, realiza a retransmissão no caso de perda de dados, sendo usado em situações aonde deve-se garantir a recepção do dado.
6. Conclusão
A implementação de redes Ethernet no setor industrial vem apresentando um rápido crescimento devido aos benefícios que essa tecnologia pode trazer para o setor ao adotar um meio de comunicação que integre todos os níveis de uma empresa, desde o chão de fábrica até os níveis corporativos. Os desafios enfrentados, apresentados neste trabalho, para a implementação do padrão Ethernet industrial foram em sua maioria sanados ou mitigados, graças aos enormes esforços implementados por diversas empresas no desenvolvimento de protocolos e equipamentos baseados nessa tecnologia. Entretanto, apesar da enorme evolução vista no padrão Ethernet alguns pontos ainda precisam ser resolvidos sendo um deles a falta da interoperabilidade desejada. Isto porque foram desenvolvidas várias soluções diferentes dentro da Ethernet por fabricantes diferentes, sendo cada uma dessas soluções incompatíveis com os demais, por exemplo, Ethernet/IP da ODVA, Profinet da Profibus, Ethercat da Beckhoff Automation entre outras.
Referências
COUTO, Ronaldo Teixeira. Ethernet Industrial. 2010. 60 f. Monografia para Engenharia de Computação- Universidade São Francisco, Itatiba – 2010. Disponível em: . Acesso em: 04 maio.
QUEIROZ, Júlio Cesar Braz de. Tecnologia da Automação. Apostila do curso de Pós- Graduação em Automação Industrial. Rev. 01. 2019. PUC Minas – Belo Horizonte – MG MONTEZ, C., Redes de Comunicação Para Automação Industrial, 2005.
