Como a Ethernet industrial está?

18 de outubro de 2018 / Geral, Padrão e Certificação, Redes Industriais

Devido à sua confiabilidade, desempenho e interoperabilidade inerentes, a Ethernet se infiltrou pelo chão de fábrica como o protocolo de comunicação preferencial para sistemas de automação e controle. Neste ano, a Ethernet Industrial ultrapassou a participação de mercado de protocolos tradicionais de fieldbus, que normalmente exigem várias plantas de cabeamento separadas e proprietárias.

Para atender às necessidades do ambiente industrial, Ethernet industrial usa essencialmente protocolos industriais especiais encapsulados no protocolo Ethernet, de forma a garantir que as informações corretas sejam enviadas e recebidas quando e onde for necessário realizar uma operação específica. Vamos ver esses protocolos e examinar como as Redes Ethernet industriais diferem do ambiente comercial LAN Ethernet.

Os quatro grandes

A comunicação industrial ocorre no roteamento, controle e sensor – cada um deles exige níveis diferentes de transferência de informações em tempo real, detecção de colisão e determinismo (essencialmente determinando antecipadamente a rota entre dois nós). Embora existam vários protocolos Ethernet industriais para oferecer suporte a diversos requisitos de comunicação no chão de fábrica, há quatro grandes players que valem a pena mencionar – Modbus TCP/IP, EtherCat, Ethernet/IP e Profinet

Modbus TCP/IP foi o primeiro protocolo de Ethernet industrial introduzido e é essencialmente uma comunicação de Modbus tradicional, comprimida dentro de um protocolo de camada de transporte Ethernet para transferir dados discretos entre dispositivos de controle. Ele usa uma comunicação simples, em que o nó “escravo” não transmitirá dados sem uma solicitação do nó “mestre”, mas não é considerado um protocolo em tempo real.

Introduzido em 2003, EtherCAT é um protocolo de Ethernet industrial que oferece comunicação em tempo real em uma configuração mestre/escravo para sistemas de automação. O elemento-chave do EtherCAT é a capacidade de todos os escravos em rede extrair apenas as informações relevantes de que precisam dos pacotes de dados e inserir dados no quadro à medida que ele transmite a jusante, muitas vezes chamado de comunicação “instantânea”.

Inicialmente lançado em 2000, Ethernet/IP é um protocolo para a camada de aplicação de Ethernet industrial amplamente utilizado, suportado pela Open Device Vendors Association (ODVA) e fornecido principalmente pela Rockwell Automation. É o único protocolo de Ethernet industrial baseado inteiramente em padrões Ethernet e usa camadas de Ethernet padrão, link de dados, rede e transporte padrão. Como usa comutação Ethernet padrão, pode suportar um número ilimitado de nós. No entanto, exige um intervalo limitado para evitar latência e apoiar a comunicação em tempo real.

Outro grande player (em grande parte devido a ser incorporado em controladores Siemens e GE) é Profinet, um protocolo de aplicativo desenvolvido pela Siemens em conjunto com empresas membro de uma organização de usuários Profibus. Ele estende essencialmente a comunicação do controlador Profibus E/S para Ethernet, usando comutadores especiais integrados aos dispositivos.

Características da planta de cabo

Quando se trata da instalação de cabo que suporta essas redes Ethernet industriais, há algumas diferenças importantes em comparação com a LAN Ethernet comercial. Primeiro, as velocidades de que estamos falando para a Ethernet Industrial são muito mais baixas do que as necessidades de largura de banda de gigabit e de maior largura de banda que vemos na LAN – cerca de 100 Mb/s são as velocidades comuns usadas em Ethernet industrial. Isso faz sentido, já que a quantidade de largura de banda necessária para enviar informações de controle e automação em uma rede industrial é uma fração do que você precisa para baixar um vídeo do Youtube.

Como os ambientes industriais exigem cabos e conectividade que devem suportar muitas condições adversas – vibração, líquidos, poeira, produtos químicos e interferência eletromagnética – os componentes apresentam uma construção mais robusta do que aqueles usados na LAN do escritório. Por exemplo, enquanto o cabo só pode precisar de desempenho na Categoria 5 ou Categoria 5e, os cabos industriais frequentemente apresentam um calibre maior (geralmente 22AWG) para acomodar temperaturas mais altas, construção blindada para prevenção de ruídos, condutores trançados para materiais flexíveis e de jacketing especiais, como poliuretano para resistência química, de óleo e abrasão. Os condutores podem até mesmo ser revestidos, para evitar corrosão. Essas características elevam em muito o preço dos cabos para Ethernet industrial, em comparação com os cabos LAN comuns.

Conectores usados em Ethernet industrial também precisam ser mais robustos. Embora características, como vedação para manter poeira e umidade e materiais resistentes a produtos químicos, estejam disponíveis em robustos conectores RJ45 projetados para uso em ambientes industriais, os conectores M12 são muito mais usados em Ethernet industrial devido ao seu fator de forma circular menor e à rosca de travamento de 12 mm, que mantém uma conexão confiável mesmo quando exposta a choque e vibração. Além disso, os conectores M12 são normalmente oferecidos com uma gama mais ampla de opções de proteção de entrada, para suportar lavagens de alta pressão e resistência à corrosão.

Disponível em configurações retas e angulares para diversas conexões de máquina, os conectores M12 mais comuns são de 4 pinos ou 8 pinos. O de 4 pinos suporta as taxas de 100 Mb/s encontradas na maioria das aplicações de Ethernet Industrial, enquanto o de 8-pin é necessário para Gigabit Ethernet, que precisa de todos os quatro pares para transmissão – já ouviu isso antes? Quando se trata de PoE, o M12 de 4 pinos também pode suportar PoE Tipo 1 com alimentação CC fornecida simultaneamente a dados sobre os mesmos pares, enquanto o M12 de 8 pinos é necessário para Tipo 2 e acima. Os conjuntos de cabos M12-a-RJ45 também são bastante comuns, onde apenas uma extremidade do cabo precisa se conectar ao maquinário onde há choque e vibração presentes.

À medida que a Ethernet Industrial continua a se expandir, e os órgãos de padronização continuam a desenvolver padrões para apoiá-la, a Fluke Networks irá lhe manter a par de como testar e certificar esses sistemas… veja mais recursos de Ethernet industrial.