Protocolos de Ethernet industrial

A Ethernet é um padrão de comunicação amplamente utilizado para a transferência rápida de grandes quantidades de dados entre dispositivos. Sem a Ethernet, a comunicação não seria possível no mundo atual, pois a maioria dos dispositivos em rede usa o padrão Ethernet.

Com a Ethernet, assim como com outras tecnologias de interface, os dados são transmitidos na forma de alterações de tensão elétrica ou sinais de luz, no caso da fibra óptica, ou por meio de ondas de rádio, no caso do Wi-Fi.

A Ethernet é extremamente flexível e pode ser usada em uma ampla variedade de ambientes, desde redes domésticas até grandes redes corporativas. Até mesmo na automação de fábrica, o predomínio anterior dos barramentos de campo foi substituído pela Ethernet.

A Ethernet foi padronizada já em 1983 na norma IEEE 802.3 e define as camadas um e dois das sete camadas do modelo OSI. De modo simplificado: a camada um (camada física) garante que os bits e bytes cheguem do ponto A ao ponto B. Essa camada inclui, por exemplo, cabos de rede e de fibra óptica, bem como placas de rede. A camada dois (link de dados) garante a transmissão confiável e sem erros de blocos de dados entre dois dispositivos conectados através da camada um. Essa camada inclui, por exemplo, switches e o endereço MAC. Todo o resto, como os protocolos usados, encontra-se nas camadas três a sete do modelo OSI e não está especificado para Ethernet na norma IEEE 802.3.

A Ethernet e a Ethernet industrial são basicamente a mesma coisa. A diferença está no fato de que são usados componentes mais robustos para a Ethernet Industrial, de modo a atender às necessidades da indústria. Por exemplo, esses componentes precisam resistir a temperaturas extremas, umidade, vibrações e interferências eletromagnéticas. O modo de funcionamento físico básico permanece idêntico. Portanto, os componentes da Ethernet industrial também podem ser usados em redes Ethernet "normais".

Um exemplo simples da diferença entre os componentes da Ethernet e da Ethernet industrial é o conector. Na Ethernet, normalmente é usado um conector RJ45. Ele é ideal para aplicações domésticas e de escritório, mas não é adequado para ambientes industriais adversos. Por isso, na Ethernet industrial, é usado um conector M12 com código D, que pode ter um grau de proteção de até IP69K, além de uma capacidade de carga mecânica significativamente maior.

Quando um dispositivo deve fornecer e encaminhar dados, é necessária uma interface para a transmissão de dados. Os dispositivos que geram grandes quantidades de dados ou que exigem altas velocidades de transmissão de dados agora contam com a Ethernet como interface.
O IO-Link estabeleceu-se no mercado como uma interface adicional para a transmissão de dados para dispositivos menores ou mais sensíveis ao custo. Se apenas for preciso trocar informações simples, uma interface de I/O digital ou analógica também poderá ser usada.

Quais são os desafios especiais que a indústria apresenta para a comunicação por Ethernet?

Ao contrário da troca de dados no dia a dia de um escritório, quando muitas vezes são enviadas e recebidas grandes quantidades de dados, mas uma perda de pacotes ou um atraso no envio/recebimento desses dados é aceitável (por exemplo, se um e-mail for entregue com um pequeno atraso ou se um site precisar ser carregado novamente), isso não é suficiente em um ambiente de produção industrial. Se os status registrados ou os dados de medição forem transmitidos ao sistema de controle muito tarde ou de forma não confiável, o status/valor de medição atual na máquina não corresponderá mais ao status/valor de medição detectado e o controle será realizado com dados desatualizados.

Que solução existe para ambientes de produção industrial?

Para poder usar a Ethernet em um ambiente industrial, é necessária uma comunicação determinística. Isso não é possível com o protocolo TCP/IP normalmente usado, porque podem ocorrer variações de tempo imprevisíveis na transmissão de dados em redes devido a atrasos, flutuações, concorrência por largura de banda e perdas de pacotes. Foram desenvolvidos protocolos especiais de Ethernet industrial para resolver esse problema. Eles caracterizam-se por tempos de latência curtos, comunicação cíclica e reações determinísticas.

O que é o determinismo?

Na rede Ethernet, o determinismo é a previsibilidade e a consistência dos tempos e das condições de transmissão de dados, o que significa que os pacotes de dados são recebidos ou enviados em intervalos previsíveis e sempre têm a garantia de serem entregues.

Para que servem os protocolos de Ethernet industrial?

Eles oferecem comunicação cíclica e acíclica, capacidade em tempo real, priorização do tráfego de dados e robustez para atender às necessidades das fábricas e dos sistemas de automação. A estrutura de um quadro de dados e seu significado também são definidos com precisão no protocolo e, enquanto as conexões TCP/IP convencionais são voltadas para os requisitos gerais da rede e usam transmissões de dados assíncronas e irregulares, os protocolos de Ethernet Industrial oferecem uma estrutura padronizada para a transmissão de dados, na qual a estrutura dos dados em um pacote de dados é definida com precisão. Isso permite que os usuários acessem facilmente diferentes tipos de dados, como dados de parametrização, dados de diagnóstico e dados de entrada/saída, sem precisar se preocupar com a complicada compilação de pacotes de dados ou com mecanismos de monitoramento complexos. Sem essa especificação, os usuários de sistemas automatizados teriam de executar esses processos individualmente para cada dispositivo de modo manual no nível de bits e bytes, o que consumiria muito tempo e seria propenso a erros.

Embora todos os protocolos de Ethernet industrial sejam baseados na Ethernet, eles não são compatíveis entre si. Portanto, um dispositivo PROFINET não pode ser operado em uma rede EtherCAT, por exemplo.

O que é um gateway?

Um gateway é usado como um "tradutor" externo para permitir a comunicação entre dispositivos que usam protocolos ou padrões de comunicação diferentes.

Com a série de produtos MA 200, a Leuze oferece um Gateway do RS 232 para todos os protocolos comuns de Ethernet industrial (PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT), Ethernet TCP/IP, bem como para os barramentos de campo (PROFIBUS DP, DeviceNet, CANopen).

O "PROFINET" é um dos protocolos de Ethernet industrial mais usados no mundo. Os controladores da Siemens usam o protocolo de Ethernet industrial "PROFINET". Todos os sensores com protocolo de Ethernet industrial da Leuze já têm essa interface integrada no dispositivo por meio da “integrated connectivity” e podem ser identificados pela designação de produto x48i. Neste caso, não é necessário um gateway adicional.

Os sistemas de controle de fabricantes como Allen Bradley/Rockwell e Schneider Electric usam o protocolo Industrial Ethernet "EtherNet/IP". Muitos sensores da Leuze já têm essa interface integrada no dispositivo por meio da “integrated connectivity” e podem ser identificados pela designação de produto x58i. Neste caso, não é necessário um gateway adicional.

O "EtherCAT" é atualmente o protocolo de Ethernet industrial que mais cresce. O EtherCAT é usado principalmente pela Beckhoff, mas também por vários outros fabricantes de sistemas de controle. Muitos sensores da Leuze já têm essa interface integrada no dispositivo por meio da “integrated connectivity” e podem ser identificados pela designação de produto x38i. Neste caso, não é necessário um gateway adicional.