Descubra neste artigo tudo sobre as redes industriais utilizadas pela indústria. Continue a leitura e confira:
- O que são redes industriais?
- Como funcionam essas estruturas?
- Vantagens do uso de redes industriais
- Camadas de redes industriais
- Aplicações comuns de redes industriais
- Principais tipos de redes industriais
- Qual a importância na indústria 4.0 e IIoT?
O que são redes industriais?
Redes industriais são estruturas de comunicação automatizada que gerenciam processos industriais envolvendo atuadores, computadores, máquinas, sensores, interfaces, rádios de comunicação, fibra óptica, redes wireless industriais e robôs.
Elas transmitem e compartilham dados entre si, garantindo um funcionamento eficiente dos processos produtivos. Cada empresa e fábrica terá sua configuração de rede industrial de acordo com suas necessidades. As principais tecnologias são:
- PROFINET
- SensorBus
- DeviceBus
- FieldBus
- PROFIBUS
- EtherNet/IP
- DeviceNet
- CANopen
- EtherCAT
- Modbus
- ASI interface
- ControlNet
A seguir, explicaremos melhor como elas funcionam e daremos exemplos de algumas das mais usadas no mercado.
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Como funcionam essas estruturas?
Existem duas maneiras de coletar dados em uma planta industrial. A primeira envolve um modelo já pouco utilizado, em que há um meio físico para o acionamento: as fábricas contavam com diversos cabos para acionar cada dispositivo.
Fica fácil perceber como esse modelo tem gargalos e desafios: quanto mais cabos, maior a complexidade organizacional do sistema.
Por isso, desenvolveram um segundo tipo de coleta, com uma rede de comunicação com menos cabos necessários para o acionamento, onde um único meio físico lida com várias variáveis de comunicação.
As redes industriais estão presentes em todos os níveis das organizações, do chão de fábrica aos setores administrativos.
TI versus TO
A TI (tecnologia da informação) trata da entrega da informação quando um profissional a exige. Já a TO (tecnologia operacional), trabalha com a entrega da informação em determinado momento sob determinada condição.
Na prática, isso significa que a TO (ou OT em inglês) trabalha com comandos específicos fluindo através de um sistema que precisa interpretar os dados e controlar o andamento de diversos processos seguindo uma ordem lógica pré-programada e que pode envolver movimentos finos e atividades de precisão.
Vantagens do uso de redes industriais
A comunicação em rede facilita a transmissão de informações sem erros, reduz custos e aumenta a confiabilidade em todas as etapas do processo produtivo. Além disso, elas também oferecem:
- Diagnóstico de problemas em tempo real;
- Redução de tempos ociosos e de parada;
- Diminuição de gastos com energia e instalações elétricas;
- Gerenciamento remoto;
- Aumento de produtividade e de qualidade na fabricação.
Outro ganho extremamente valioso para as indústrias é o aumento da segurança, já que as atividades complexas passam a ser realizadas por máquinas e equipamentos automatizados, liberando trabalhadores para tarefas mais ergonômicas, seguras e valiosas para a linha.
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Camadas de redes industriais
Indústrias normalmente são feitas por diferentes departamentos gerenciando vários aspectos do negócio, em alguns casos espalhados em diferentes locações.
Por exemplo, podem haver fábricas com hardware especializado, bem como departamentos de operações, vendas, marketing etc.
Todos esses departamentos possuem necessidades próprias, mas ao mesmo tempo precisam se comunicar entre si. Isso é garantido com o uso de diferentes camadas que permitem o uso de tecnologias otimizadas e protocolos em cada nível, enquanto também possibilitam a comunicação entre diferentes camadas.
Aplicações comuns de redes industriais
Abaixo, alguns exemplos de usos de redes industriais em várias situações.
1. Redes industriais em empresas
Redes industriais em empresas ajudam a conectar vários computadores em diferentes departamentos para transferir dados, reduzir protocolos de comunicação e aumentar a acessibilidade de dados de maneira eficiente. Também são conhecidas como redes empresariais ou redes corporativas.
O principal propósito de redes industriais nesse caso é oferecer comunicação eficiente entre diferentes computadores e prevenir acesso por computadores não autorizados.
Normalmente, incluem redes LAN e WAN. Uma rede empresarial é capaz de conectar todos os sistemas independentemente de seus sistemas operacionais.
2. Redes industriais em operações de negócios
Redes empresariais são limitadas a uma única infraestrutura (prédio, fábrica etc.). Considere a empresa que quer conectar todos os seus sistemas em diferentes prédios em diferentes locações. É aí que as redes industriais em operação de negócios são usadas.
Eles também são conhecidos como redes de negócio e são usados para conectar computadores em diversas locações.
3. Redes de supervisão
Redes de supervisão são outro nível de redes industriais. Contudo, se diferenciam de outras redes nesse sentido, pois são usadas para conectar diversos computadores para supervisionar outros computadores e sistemas. São normalmente usados em manufaturas.
4. Redes de controles de processo
Redes de controle de processos são redes industriais usadas para transmitir dados e transferi-los entre várias unidades de controle e mensuração. Elas possuem boas técnicas de resolução de problemas, baixa sensibilidade a ondas eletromagnéticas ou de indução, e técnicas de conexão prioritária.
Principais tipos de redes industriais
Cada rede industrial tem um tipo de protocolo para transporte de dados e características específicas. Por isso, são usadas em situações distintas. Abaixo, explicamos melhor as mais usadas no Brasil.
1. Sensorbus
A principal função do sensorbus é conectar redes de sensores digitais e atuadores. O protocolo transmite dados de pequeno tamanho à rede, o que exige menor processamento dos sensores.
O sensorbus não cobre longas distâncias, já que o objetivo é reduzir custos de conexão - o que se traduz também em equipamentos mais simples.
De maneira resumida, essa rede industrial leva a informação dos sensores conectados aos cartões de entradas e saídas até o CLP (Controlador Lógico Programável) - um computador industrial projetado para comandar e monitorar processos.
As redes sensorbus mais usadas são as chamadas rede Asi e rede Interbus.
2. Devicebus
O devicebus intermedia a transmissão de dados entre o sensorbus e o fieldbus. A ideia é que os dados em sinais analógicos como o de transmissores e os digitais levem dados do chão de fábrica ao CLP.
O controle de malhas e camadas é sobre as variáveis de processo, como pressão, nível, vazão, temperatura e outros mais. Além disso, são muito comuns com servomotores.
O devicebus possui alcance de até 500 metros e tem capacidade para transferências de dados mais rápidas.
É comum que as indústrias usem devicebus como Modbus, Profibus DP e Devicenet.
3. Fieldbus
Essa rede industrial é usada para comando de performance de comunicação. Ou seja, faz com que os sinais dos transmissores, posicionadores e analisadores cheguem até o CLP para realizar a lógica de malhas dos processos.
Esse sistema de comunicação do fieldbus permite que vários instrumentos se comuniquem em rede e possam realizar tarefas de controle e monitoração de processos e estações de operação - seus parâmetros e programas conectam mais equipamentos e a distâncias maiores que as outras redes industriais.
A vantagem do fieldbus é o baixo custo de implantação, já que não exige muita mão de obra e materiais de montagem. Os fieldbus mais usados são Foundation Fieldus e Profibus PA para processos contínuos como os das indústrias petroquímica e mineração.
4. Rede Ehternet
A rede Ethernet é muito usada graças à simplicidade, eficiência e baixo custo, além da capacidade de atuação com vários protocolos de comunicação.
São usadas não apenas no meio industrial, mas também no doméstico, pois envia e recebe pacotes de dados. Para realizar suas operações, depende de componentes como switches, gateways, firewalls e outros. Uma vantagem é que está em constante evolução e aprimoramento.
História da rede ethernet na indústria
No final dos anos 90 e começo dos anos 2000, o fieldbus era usado na maioria dos projetos de automação industrial ao redor do mundo. Contudo, as redes Ethernet foram inventadas ainda em 1973, na Xerox PARC, tendo Robert Metcalfe, David Boggs, Chuck Thacker e Butler Lampson como inventores registrados na patente.
Com o tempo, a Ethernet, cujo nome deriva da palavra Éter, que para os gregos representava uma substância mística permeando todo o universo, se tornou o padrão mundial para intercomunicação de dados em rede.
Mas esse crescimento não veio sem motivo. A Ethernet se destaca sobre as outras redes porque:
- Tem implementação mais simples;
- Tem custos reduzidos;
- Permite uso de protocolos variados em ambiente industrial;
- Segue em constante evolução e aprimoramento;
- Pode ser aplicada em qualquer espaço;
- É interoperável e escalável para as demandas.
A Ethernet ainda deu origem a outras redes derivadas, que são usadas em algumas indústrias e operações, sendo a principal delas essa que descreveremos abaixo.
5. Redes TCP/IP
As redes TCP (Protocolo de Controle de Transmissão) e IP (Protocolo de Internet) formam um aglomerado de protocolos para comunicação de computadores e sistemas automatizados, sendo que suas principais vantagens são:
- Rede padronizada;
- Interconectividade;
- Permite roteamento;
- Conexão à internet;
- Robusto;
- Modbus/TCP.
6. PROFINET
PROFINET é uma solução de Ethernet Industrial aberta baseada em padrões internacionais. É um protocolo de comunicação desenvolvido para trocar dados entre controladores e aparelhos em um setor automatizado. Ela foi introduzida no começo dos anos 2000 e é a solução de Ethernet Industrial mais utilizada.
Como o PROFINET é de padrão aberto, centenas de fabricantes desenvolveram produtos PROFINET, com PLCs, PACs, Drives, robôs, Proxies, IOs e ferramentas de diagnóstico.
PROFINET define comunicação cíclica e acíclica entre componentes, incluindo diagnósticos, segurança funcional, alarmes e informações adicionais. Para conectar todos esses componentes, o PROFINET aplica a Ethernet padrão como seu meio de comunicação.
Cabos de Ethernet conectam os componentes PROFINET com uma rede, permitindo que outros protocolos Ethernet coexistam dentro da mesma infraestrutura. Além do PROFINET, você pode utilizar outros protocolos baseados em Ethernet para completar sua rede, como OPC UA, SNMP, MQTT ou HTTP.
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7. PROFIBUS
PROFIBUS é uma rede digital responsável por prover comunicação entre sensores de campo e controladores. A primeira ideia durante seu desenvolvimento era ter soluções PROFIBUS implementadas em indústrias de automação fabril, depois indústrias de processo, manufatura, etc.
No começo, o grupo desenvolveu o PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification). Esse era um protocolo complexo que não é mais usado hoje em dia. Depois disso, os desenvolvedores trabalharam para criar o protocolo PROFIBUS DP (Decentralised Peripherals) e, em 1998, o PROFIBUS PA (Process Automation) foi lançado no mercado.
8. EtherCAT
EtherCAT significa “Ethernet for Control Automation Techonoly”, ou Ethernet para Controle de Tecnologia de Automação em tradução livre. Esse é um protocolo que leva mais poder computacional e flexibilidade de ethernet para a automação industrial, controle de movimentos, sistemas de controle em tempo real e sistemas de aquisição de dados.
O protocolo EtherCAT é mantido pelo EtherCAT Technology Group (ETG) e foi padronizado sob o IEC 61158.
A tecnologia foi originalmente desenvolvida pela Beckhoff Automation, uma fabricante de PLCs (Programadores de Controladores Lógicos) usados em automação industrial e sistemas de controle em tempo real.
Eles haviam desenvolvido sua própria versão do Fieldbus, chamada de “Lightbus” no final dos anos 1980, para lidar com os problemas de banda larga de outras interfaces. Trabalho adicional nesse protocolo eventualmente resultou na invenção do EtherCAT.
A Beckhoff introduziu o EtherCAT ao mundo em 2003. E em 2004, doaram o direito ao ETG, que é responsável pela promoção desse padrão de rede industrial.
9. ControlNet
O ControlNet usa o Common Industrial Protocol (CIP) para as camadas superiores de Sistemas de Interconexão Aberto (OSI model) que possui sete camadas: física, data link, network, transporte, sessão, apresentação e aplicação.
Os desenvolvedores de ControlNet adaptaram as camadas CIP de transporte, network, data link e física para adequar às necessidades da rede de ControlNet.
Essa tecnologia foi desenvolvida para oferecer controle confiável e de alta velocidade e uma transferência de dados I/O ao usar uma programação que estabelece a lógica para um momento específico na rede industrial.
O ControlNet também garante que mensagens críticas que não dependem de timming sejam executadas sem interferir no transporte dos dados de controle e I/O.
Os principais aparelhos que se conectam ao ControlNet são os PLCs, HMIs, computadores pessoais, drives, robôs e chassis I/O.
Essa rede industrial é normalmente usada para aplicações redundantes ou aplicações que trabalham melhor com comunicações agendadas.
Qual a importância na industria 4.0 e IIoT?
A Indústria 4.0 trata da quarta revolução industrial - um aglomerado de práticas produtivas orientadas e conectadas ao ambiente digital em que as informações são compartilhadas entre usuários e máquinas.
Esses dados correm toda a organização de maneira horizontal e vertical, com interoperabilidade dos processos realizados.
Para que tal coisa ocorra, é necessário uma infraestrutura de comunicação que abarque todas as máquinas, computadores, robôs e equipamentos dentro das fábricas. Isso só é possível com a Internet Industrial das Coisas (IIoT) unida ao Big Data.
Esses conceitos, já relativamente bem difundidos entre os profissionais, tratam de práticas de conexão de todas as ferramentas de produção aos sistemas de comunicação usados, em especial a Ethernet e a internet.
Com a Indústria 4.0, o trabalho remoto se torna mais viável.
Um exemplo disso são os cobots, robôs colaborativos usados em indústrias ao redor do mundo para automação de diversas tarefas, em especial as pouco ergonômicas, monótonas e repetitivas realizadas por força de trabalho humana.
Os cobots assumem essas operações e liberam trabalhadores para tarefas de maior valor agregado na linha, tudo isso graças aos seus benefícios diretos como flexibilidade, fácil implementação, pouco espaço no chão de fábrica e facilidade de programação.
Os sistemas nativos de um robô colaborativo, como os da Universal Robots, ainda podem ser ampliados e otimizados com outros softwares e hardwares de nosso ecossistema, o UR+. Nele, é possível encontrar soluções que aumentam a conectividade do cobot às redes industriais disponíveis, o que garante uma melhor troca de informações de rendimento, potenciais desafios produtivos e até mesmo oferece um diagnóstico de manutenção preditiva.
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