Projetos para aplicações robustas de IoT usando redes de energia e dados baseadas em Ethernet Industrial

A conexão das instalações de fabricação à Internet resulta em ganhos de eficiência, qualidade e produtividade. Por exemplo, as máquinas podem ser programadas e controladas remotamente, os dados das máquinas e dos processos podem ser continuamente analisados para verificar erros ou desvios de processo, e ajustes remotos podem ser feitos para sintonizar a produção em uma malha fechada de realimentação. A longo prazo, os dados podem ser usados para planejar o futuro escalonamento e integração mais rápida de novas técnicas de fabricação.

Embora o caso seja forte para a conectividade, como essa conectividade é realizada requer uma séria consideração. Há muitas opções, mas a Ethernet fornece uma solução acessível e comprovada para a rede da fábrica. É a opção de rede com fio mais amplamente utilizada, globalmente, com bom suporte a fornecedores e interoperabilidade perfeita com a nuvem. Melhor ainda, o cabeamento pode ser usado para transportar energia (Alimentação via Ethernet (PoE)) bem como dados, o que significa que um conjunto de fiação pode tanto suportar a rede como energizar os sensores conectados, atuadores e outros dispositivos, como câmeras.

Entretanto, a Ethernet padrão não está à altura do trabalho industrial. O hardware não é projetado para operar de forma confiável no ambiente quente, sujo e sujeito a vibrações da fábrica. Além disso, os protocolos de Ethernet padrão não são determinísticos e, portanto, inadequados às necessidades do ambiente da fábrica, onde a produção requer controle quase em tempo real para gerenciar processos de alta velocidade.

A Ethernet industrial traz todos os benefícios da Ethernet padrão, mas acrescenta à mistura um software robusto e determinístico. É uma tecnologia comprovada e madura para automação industrial, não apenas permitindo o envio de dados de processo para a nuvem, mas também permitindo que um supervisor remoto acesse facilmente unidades de memória, CLPs e dispositivos de E/S no chão de fábrica. Uma emenda à norma Ethernet, IEEE 802.3cg, utiliza apenas um único par de fios para o transporte de dados, cortando o volume e o custo do cabeamento de fábrica.

Este artigo discute o desafio da conectividade para aplicações industriais antes de delinear as diferenças entre Ethernet e Ethernet Industrial. O artigo considera então o uso de tecnologias PoE e Ethernet de par único (SPE) antes de introduzir o hardware do mundo real da Amphenol, e como ele pode ser implementado em uma rede de Ethernet Industrial.

Os desafios da Ethernet para a indústria

Embora o Wi-Fi possa ser a forma mais popular de conexão dos consumidores à Internet, as instalações comerciais normalmente usam a tecnologia Ethernet com fio de rede de área local (LAN) para vincular computadores e outros equipamentos entre si.

Nos primórdios da Ethernet, os computadores na rede utilizavam um único barramento para se comunicar. Este tipo de rede é a configuração mais simples e é barata e fácil de configurar. Entretanto, é relativamente ineficiente porque os computadores conectados competem por largura de banda, resultando em congestionamento, perda de pacotes e uma acentuada redução da largura de banda.

As redes de escritórios atuais normalmente usam topologias em estrela, árvore ou malha em que os comutadores controlam o acesso à rede para limitar o congestionamento e manter a taxa de transferência. O tráfego Ethernet é controlado pelos comutadores de tal forma que as mensagens diretas vão entre apenas os dispositivos que precisam se comunicar, em vez de transmiti-lo por toda a rede (Figura 1).

Figura 1: Os comutadores Ethernet controlam o acesso à rede para limitar o congestionamento e manter a taxa de transferência. (Fonte da imagem: Amphenol)

Com base em uma norma continuamente atualizada (IEEE 802.3), a Ethernet é comprovada, segura, confiável e oferece velocidades de transmissão de até centenas de gigabytes (Gbytes). Embora não faça parte da norma, a Ethernet normalmente usa TCP/IP (parte do pacote do Protocolo de Internet (IP)) para o roteamento e transporte, tornando a conectividade com a Internet sem interrupção. Ela também permite que as redes sejam facilmente escaláveis com cabos, conectores e comutadores que estão disponíveis em centenas de fornecedores.

A Ethernet evoluiu para combinar energia e comunicações através de um único cabo Ethernet CAT 3 ou CAT 5, permitindo aos engenheiros construir redes Ethernet e de alimentação com pouca manutenção de forma rápida e barata, em relação às instalações que empregam sistemas separados. A tecnologia foi formalizada sob um padrão do Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) chamado PoE. As principais vantagens da tecnologia são sua simplicidade e o fato de que a energia está disponível onde quer que haja um soquete de dados. (Ver, "Introdução à Alimentação via Ethernet".)

Uma alteração recente na especificação Ethernet, IEEE 802.3cg, descreve a alternativa SPE para transportar dados sobre um único par em vez do cabo CAT 3 ou CAT 5 de fios flexíveis da Ethernet padrão ou PoE. A SPE é adequada para aplicações de automação industrial porque permite aos projetistas nos mercados de automação industrial e predial usar protocolos familiares baseados em Ethernet para comunicação a longa distância entre controladores industriais e sensores, enquanto reduz significativamente o volume de fiação (Figura 2).

Figura 2: A Ethernet de par único está surgindo como uma forma de Ethernet barata e com economia de espaço para uma gama de aplicações industriais e comerciais. (Fonte da imagem: Amphenol)

Em princípio, a Ethernet representa uma forma ideal de vincular uma linha de frente da supervisão à operação de fabricação, fazendo efetivamente a ponte entre as redes de tecnologia da informação (TI) e de tecnologia operacional (OT).

As instalações de fabricação trazem desafios adicionais de engenharia ao implementar a Ethernet. Primeiro, as fábricas representam um ambiente perigoso para cabos delicados, conectores e comutadores. O ambiente é quente, poeirento e cheio de produtos químicos que são incompatíveis com os cabos de mais de 100 metros (m), típicos das implementações de fábrica. Soma-se a isso, a umidade e a vibração que causam estragos nos condutores e contatos. Além disso, as fábricas estão cheias de grandes motores que ligam e desligam constantemente, causando transientes de tensão e interferência eletromagnética (EMI) que podem interromper as comunicações Ethernet.

Em segundo lugar, uma instalação de fabricação está cheia de robôs de movimento rápido e máquinas sincronizadas que precisam de controle em tempo real. Os mecanismos de comunicação não determinísticos da Ethernet padrão são mal equipados para fornecer esta capacidade de controle.

Hardware da Ethernet industrial

"Ethernet Industrial" é o termo comum para sistemas Ethernet adaptados para uso em fábrica. Tais sistemas são caracterizados por resistentes camadas físicas (PHY) e protocolos industriais como ModbusTCP, PROFINET e Ethernet/IP. Além disso, ao contrário das implementações de Ethernet padrão, a Ethernet Industrial usa tipicamente topologias de linha ou anel porque ajudam a encurtar os cabos (limitando o impacto da EMI), diminuir a latência e criar um grau de redundância.

Os cabos são robustos e incluem blindagem para proteção contra EMI, e os conectores são protegidos de forma semelhante contra os rigores de um ambiente industrial.

Os fabricantes ordenam a resistência de seus produtos de acordo com o sistema de classificação IP. A classificação IP indica o grau de proteção fornecido pelo produto, e é definida pela norma internacional EN 60529. O esquema é composto de dois dígitos. O primeiro representa o nível de proteção contra objetos sólidos, desde ferramentas ou dedos que poderiam ser perigosos se encontrassem condutores elétricos, até sujeira e poeira no ar que poderiam danificar circuitos. O segundo dígito define a proteção contra pingos, borrifos ou submersão em água. A faixa vai de IP00 (sem proteção contra poeira ou água) a IP69 (proteção total contra poeira e jatos de água potentes e de alta temperatura).

Os conectores de Ethernet Industrial são tipicamente encapsulados em uma gama de gabinetes de proteção até o IP67. Neste caso, uma classificação de seis significa que nenhuma poeira ou sujeira prejudicial penetrará na unidade, mesmo após contato direto com a contaminação por oito horas. Um grau de proteção contra água de sete significa que o dispositivo pode ser submerso em até um metro de água doce por 30 minutos sem danos.

Ao selecionar PHYs, cabos e conectores para Ethernet Industrial, o projetista deve verificar a imunidade à EMI através da revisão da ficha técnica para as seguintes normas IEC e EN:

• IEC 61000-4-5 surto
• IEC 61000-4-4 transiente elétrico rápido (EFT)
• IEC 61000-4-2 ESD
• IEC 61000-4-6 Imunidade conduzida
• EN 55032 emissões radiadas
• EN 55032 emissões conduzidas

A adesão a algumas ou todas essas normas proporciona a garantia de que o desempenho EMI do sistema Ethernet Industrial no ambiente da fábrica será satisfatório.

Conectores robustos

Quer estejam integrados em painéis de controle de máquinas, comutadores Ethernet ou cabeamento, os conectores são vitais para o desempenho do sistema Ethernet Industrial. Sem uma seleção cuidadosa, uma única falha no conector que estiver sob o estresse da produção de alta velocidade, pode levar ao mau funcionamento de máquinas de milhões de dólares ou à paralisação gradual.

Há vários fornecedores que oferecem conectores comprovados e confiáveis de Ethernet Industrial para uma gama de aplicações Ethernet, PoE e SPE. Por exemplo, o conector retangular push-pull e a solução de cabo IP6X Industrial da Amphenol fornece conectividade Ethernet CAT 6A usando a interface de acoplamento IEC 61076-3-124, e vedação completa de acordo com as especificações IP65, IP66 e IP67. Notavelmente, os conectores são destinados para uso em aplicações de Ethernet Industrial que requerem proteção ambiental adicional e são adequados para qualquer ambiente robusto/severo, interno ou externo.

A família inclui a capa IP67 de conectores retangulares NDHN200 de montagem em painel mostrada na Figura 3. O plugue NDHN3A2 de 10 posições, multiuso, sem solda (Figura 4), foi projetado para acoplar com o NDHN200. O conector de plugue inclui uma trava de bloqueio e uma moldagem blindada. Tem um dimensionamento de 50 volts CA ou 60 volts CC, 1,5 Amperes (A), e pode ser acoplado/desacoplado até 250 vezes.

Figura 3: O NDHN200 é uma capa de conector retangular com grau de proteção IP67 para aplicações de Ethernet Industrial. (Fonte da imagem: Amphenol)

Figura 4: O NDHN3A2 é um conector de plugue IP67 que inclui uma trava de bloqueio e uma moldagem blindada. (Fonte da imagem: Amphenol)

A Amphenol também lançou conectores SPE para conectividade Ethernet de dispositivos periféricos como sensores, atuadores e câmeras que operam a velocidades de até um gigabit por segundo (Gbit/s). O fator de forma SPE reduz o tamanho, peso e custo em comparação com a Ethernet padrão. Os conectores são classificados como IP67 com um fator de forma circular de tamanho M12. Eles se acoplam com plugues de terminação em campo, proporcionando uma interface completamente blindada com recursos de travamento. Sua capacidade de lidar com tensão/corrente de 60 volts CC e até 4 A suporta PoE em uma distância de até 1 quilômetro (km). Um exemplo é o MSPEJ6P2B02, um conector 2P2C SPE (Figura 5)

Figura 5: O conector MSPEJ6P2B02 IP67 SPE vem no popular fator de forma circular tamanho M12. (Fonte da imagem: Amphenol)

A empresa também oferece uma linha similar de conectores SPE com um formato de plugue retangular classificado como IP20 em vez de IP67. A solução oferece o mesmo desempenho elétrico que a linha M12, mas é menos cara. Um exemplo é o conector SPE modular MSPE-P2L0-2A0 (Figura 6).

Figura 6: O conector modular SPE IP20 MSPE-P2L0-2A0 é uma opção econômica para ambientes menos perigosos. (Fonte da imagem: Amphenol)

Protocolos de Ethernet Industrial

O mecanismo de comunicação da Ethernet padrão é satisfatório para o tráfego relativamente sedado de um escritório ou pequena empresa. Mas esse mecanismo é suscetível a rupturas e perda de pacotes, resultando no aumento da latência que o torna inadequado para as demandas quase em tempo real de uma linha de produção rápida e sincronizada. Como mencionado, tal ambiente requer um protocolo determinístico para garantir que as instruções da máquina cheguem a tempo, sempre, por mais alto que seja o carregamento na rede.

Para superar este desafio, o hardware da Ethernet industrial é complementado por um software "industrial" semelhante. Há vários protocolos comprovados de Ethernet Industrial disponíveis, incluindo Ethernet/IP, ModbusTCP e PROFINET. Cada um deles é concebido para garantir o determinismo para aplicações de automação industrial.

A diferença entre software Ethernet e Ethernet Industrial pode ser melhor descrita considerando o modelo de abstração ISO/OSI de sete camadas ("pilha"), que compreende camadas PHY, link de dados, rede, transporte, sessão, apresentação e aplicação. A Ethernet padrão compreende as camadas PHY, link de dados, rede e transporte (que usam TCP/IP ou UDP/IP como transporte), e pode ser considerada como um mecanismo de comunicação que traz eficiência, velocidade e versatilidade.

Em contraste, os protocolos de Ethernet Industrial, por exemplo, PROFINET, utilizam a camada de aplicação da pilha Ethernet Industrial. PROFINET é um protocolo de comunicação concebido para trocar informações entre máquinas e controladores em um ambiente de automação, usando Ethernet padrão como seu mecanismo de comunicação (Figura 7).

Figura 7: O modelo de abstração ISO/OSI de sete camadas representando a pilha de software Ethernet Industrial. Os protocolos de Ethernet Industrial, como o PROFINET, estão na camada de aplicação. (Fonte da imagem: Profinet)

O software de Ethernet industrial também pode aproveitar outros protocolos que são projetados especificamente para o envio de dados para a nuvem. Exemplos incluem protocolos tais como MQTT ou SNMP.

Conclusão

Para atender ao ambiente severo da fábrica e às exigências em tempo real, a Ethernet Industrial usa hardware robusto como comutadores, cabos e conectores, bem como software Industrial, para conectar de forma confiável as redes de TI e OT da fábrica.

Conforme mostrado, as soluções comprovadas de conectores comerciais tornam simples para os engenheiros aproveitarem a Ethernet Industrial para programar e controlar a automação industrial de alta velocidade, enquanto coletam os dados profundos necessários para aprimorar e escalar as operações de fabricação.