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REDES ETHERNET INDUSTRIAL Conceito e Aplicação da Rede Ethernet na Automação e Controle Industrial
1 MÁRCIO VENTURELLI
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Márcio Venturelli
REDES ETHERNET INDUSTRIAL
Conceito e Aplicação da Rede Ethernet na
Automação e Controle Industrial
REDES ETHERNET INDUSTRIAL Conceito e Aplicação da Rede Ethernet na Automação e Controle Industrial
2 MÁRCIO VENTURELLI
As Redes Ethernet se consolidaram como padrão de comunicação
entre computadores desde sua invenção, como a Automação
Industrial se convergiu ao longo dos últimos anos com a TI
Tecnologia da Informação, as Redes Ethernet se desenvolveram
dentro do universo da TA Tecnologia da Automação, ganhando
características que delinearam um cenário de total aderência aos
novos projetos e atualização de sistemas legados de rede para
automação e controle.
Em nosso texto, temos a intenção de descrever esta tecnologia, que
cresceu no meio da TA, o assunto é muito extenso e observamos
grande dificuldade em encontrar materiais que pudessem expor de
forma simples, com termos de pesquisa, para que o leitor pudesse
continuar seus estudos, uma vez que não temos a pretensão de
esgotar o assunto, dado a quantidade de informações necessária
para o desenvolvimento de projetos de infraestrutura de automação.
Para isso, vamos delimitar nosso estudo, onde teremos três
diretrizes, que se refere ao que vamos falar:
O que é uma Rede Ethernet;
Como a Rede Ethernet está sendo Aplicada no Chão de
Fábrica;
Quais das Diretrizes para Projetos e Implantação de Redes
Ethernet na Indústria.
Para âmbito de aplicações, também vamos desenhar três cenários,
normalmente comuns em projetos de rede Ethernet na indústria:
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3 MÁRCIO VENTURELLI
Preciso elaborar um Projeto de Automação na Planta, mas
tenho dúvidas quanto ao funcionamento da Ethernet
Industrial;
No Projeto do COI Centro de Operações Integradas, há uma
Infraestrutura de Rede Ethernet, o que preciso levar em
consideração de maior relevância;
Quais os Protocolos Industriais principais que funcionam no
Padrão Ethernet e o que devo entender para Conceituar
uma Solução.
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);
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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);
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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);
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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,
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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:
1. Camada Física
2. Camada de Ligação de Dados ou Enlace de Dados
3. Camada de Rede
4. Camada de Transporte
5. Camada de Sessão
6. Camada de Apresentação
7. 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
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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.
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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);
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10 MÁRCIO VENTURELLI
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
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uso na automação, para isso precisamos entender o que são os
Protocolos de Rede, onde:
Um Protocolo de 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);
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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:
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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 Multcast;
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);
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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 CCM Centro de Controle
de Motores, 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
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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;
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16 MÁRCIO VENTURELLI
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.
Concluímos que as redes Ethernet permitem a convergência,
simplicidade, rapidez e alta capacidade de informações e alta
velocidade na rede, proporcionando tomada de decisões cada vez
mais rápidas, do processo, manutenção e segurança funcional da
planta.
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17 MÁRCIO VENTURELLI
SOBRE O AUTOR
• Márcio Venturelli trabalha no Mercado de Automação Industrial há 20 anos, tendo trabalhado em departamentos, tais como, Assistência Técnica, Treinamentos, Engenharia e Negócios.
• Trabalhou em diversos Projetos de Implantação de Sistemas e Automação e Controle Operacional de Plantas de Bioenergia, Transformação e Manufatura, no Brasil e no Exterior.
• Atualmente trabalha em Desenvolvimento de Mercados e Tecnologias para o Setor Sucroenergético e Bioenergia, com foco em Arquitetura de Soluções de Conectividade e Redes Industriais, tendo como Principal Diretriz a Geração de Valor para o Cliente, nas Dimensões: Aumento da Produção, Redução de Custos e Elevação da Segurança Funcional, em Soluções que sejam aderentes à Indústria 4.0.
• Professor Universitário de Pós-Graduação de
Automação Industrial e Gerenciamento de Projetos.
• Membro Sênior da ISA (Sociedade Internacional
de Automação), Diretor de Tecnologia da ISA Distrito 4 (América do Sul) e Diretor de Tecnologia Safety Bus da PI (Profibus/Profinet Internacional).
• Graduado em Ciência da Computação, com
Especialização em Controle e Automação Industrial, Pós-Graduado em Gestão Industrial, Pós-Graduado em Tecnologia do Petróleo e Gás e Possui MBA em Estratégia de Negócios. Técnico nas Áreas de Eletrônica e Eletrotécnica.
ATUALIZADO MAI/2016