PROFINET: A Tecnologia ETHERNET na indústria.
agosto 18, 2023
Introdução
Nos últimos 20 anos, as redes de comunicação industrial evoluíram consideravelmente, acompanhando o aumento significativo de sensores e atuadores nas indústrias, impulsionando a automação e reduzindo a intervenção humana. Com o passar do tempo, essas redes foram aprimoradas, resultando em soluções baseadas em Ethernet. Conheça a Profinet Embora a Ethernet inicialmente enfrentasse desafios em ambientes industriais agressivos, como imunidade ao ruído e falta de determinismo, várias técnicas foram desenvolvidas para adaptá-la às aplicações industriais, (Fernandes,2015). Segundo Associação PROFIBUS Brasil, o protocolo PROFINET é um padrão aberto e inovador para a Ethernet industrial, satisfazendo todos os requisitos da tecnologia de automação. Independente se a aplicação envolver manufatura, automação de processo ou acionamentos, ele é a melhor opção em todos os níveis, sendo referência em indústrias de alimentos, automotivas, embalagens e logística industrial. Seus aprimoramentos contínuos trazem benefícios aos usuários, como exemplo o uso do perfil de aplicação PROFIenergy que possibilita o monitoramento de energia nos processos de produção.2. Tecnologia PROFINET
PROFINET (Process Field Network), é um protocolo de comunicação em rede projetado especificamente para automação industrial. Desenvolvido pela Profibus International (PI), organização global que promove e desenvolve padrões de comunicação em automação, PROFINET é o resultado de muitos anos de experiência com protocolos PROFIBUS e a vasta utilização da Ethernet Industrial, (Popp,2004). Este protocolo permite a comunicação entre diferentes dispositivos presentes em uma planta industrial, sendo eles controladores programáveis, sensores, atuadores, válvulas, trazendo benefícios como operações em alta velocidade, simplificação de uma estrutura de rede, baixos custos, cabeamentos únicos e integração com sistemas Fieldbus. Além disso, o PROFINET desempenha um papel importante quando se trata de proteção ao investimento. O PROFINET permite a integração de redes de campo existentes como o PROFIBUS, AS-Interface, INTERBUS, Foundation Fieldbus, e DeviceNet sem alterações nos dispositivos existentes. Isso significa que os investimentos dos usuários finais, fabricantes de máquinas e plantas industriais, assim como fabricantes de dispositivos estão todos protegidos. O uso do processo de certificação garante um alto padrão de qualidade para os produtos PROFINET e sua interoperabilidade nas aplicações, (Associação PROFIBUS Brasil). PROFINET oferece duas opções para melhor atender as necessidades da automação industrial, sendo o PROFINET IO para entradas e saídas distribuídas e o PROFINET CBA (Component Based Automation), para criação de plantas modulares em automação distribuída. Ambas as opções podem operar separadamente ou em conjunto, (Santos,2019).2.1 PROFINET IO
O PROFINET IO tem por característica uma estação central que se comunica com dispositivos de campo conectados e espalhados pela rede, definidos como:- IO Controller: Representa a estação central de inteligência que tem por objetivo gerenciar e controlar todo o processo de troca de informações. Um controller (controlador), parametriza e configura os dispositivos conectados, bem como o processamento de alarmes com dispositivos de campo e execução de troca de dados cíclicos. Um exemplo de controlador é o PLC (Programmable Logic Controller – Controlador Lógico Programável).
- IO Device: Um device (dispositivo) representa os dispositivos de campo, como uma unidade de entrada. Estes dispositivos trocam informações com o controlador, que as recebe e envia os dados de saída de processo. Um subsistema contém ao menos um controlador e um ou mais dispositivos, que por sua vez podem trocar dados com múltiplos controladores como um dispositivo compartilhado (Popp,2004). Exemplos de dispositivos de campo são sensores, atuadores e módulos de entrada e saída.
- IO Supervisor: Representa a estação de engenharia, cuja função é programar, realizar diagnósticos e configurar toda a rede. Este pode ser um dispositivo de programação PD (Programming Device), computador pessoal ou um dispositivo de interface homem-máquina, para fins de comissionamento ou diagnósticos.
Os dispositivos da rede contêm um arquivo chamado GSD-file, que contém o descritivo e suas funcionalidades. A leitura desse arquivo é realizada por uma ferramenta de engenharia, um software de PLC por exemplo, possibilitando a parametrização do dispositivo a rede PROFINET.
Os dados são carregados pelo IO Controller, a fim de que possa utilizar essas informações para configurar e organizar toda a comunicação entre os dispositivos (Alves, 2015).
O meio físico para a transmissão dos dados desta rede é via cabo CAT 5 e FTP, caracterizado pela cor verde. Sua velocidade de transmissão é de 100 Mbit/s até 10Gbit/s podendo ser utilizado até 100 metros de cabo para cada segmento da rede. Seus conectores são do modelo RJ45 e M12, conforme a imagem ilustra a seguir:
2.2 PROFINET CBA
A principal característica do PROFINET CBA é permitir a integração de componentes de automação em um sistema de controle de forma flexível e modular. Projetado para suportar aplicações onde a configuração e o funcionamento dos dispositivos de automação podem mudar frequentemente, ou em casos quando existe a necessidade de combinar diferentes tipos de dispositivos de fabricantes diferentes em um único sistema. PROFINET CBA utiliza o conceito de componentes, que são blocos de funções que representam diferentes dispositivos ou módulos em um processo. Cada componente possui uma interface padronizada que permite a comunicação com outros componentes do sistema, facilitando a troca de informação e controle, independente do fabricante. Além disso, suporta diferentes níveis de prioridade, ou seja, permite que dados críticos e em tempo real sejam tratados com urgência, garantindo que as informações essenciais para o funcionamento do sistema sejam transmitidas de forma rápida e confiável.2.3 Canais de Comunicação
O modelo de comunicação PROFINET possibilita a escolha entre três tipos que melhor atende as necessidades, sendo eles canais TCP/IP, canal RT (Real Time) e IRT (Isochronous Real Time). Cada um destes modelos apresenta características distintas em termos de determinismo, velocidade, tempo e prioridade de dados, alcançados através de modificações de pilha de comunicação por meio do modelo OSI, (Mattos,2017). O canal TCP/IP, embora seja o mais lento entre os três, mantém os protocolos TCP/UDP/IP. Por meio deste canal, cada dispositivo na rede possui um endereço IP exclusivo, permitindo que seja acessado por diferentes protocolos, como HTTP. Essa abordagem possibilita a coleta de informações e a configuração de parâmetros através de servidores web. No canal RT, são transmitidos alarmes e dados cíclicos, enviados periodicamente pelo controlador a uma taxa configurável. Esse canal possui ciclos mais curtos em comparação ao TCP/IP, pois acessa diretamente a camada Ethernet, evitando a pilha UDT/IP. Este canal de comunicação garante maior eficiência na transmissão dos dados, sendo boa opção em cenários que demandam tempos de resposta mais rápidos e uma comunicação confiável. A comunicação IRT apresenta tempos de ciclo inferiores em relação ao Real Time, além de possui jitter (atraso na entrega de dados) extremamente baixo, medido na faixa de 1 microssegundo. Essa forma de comunicação é especialmente empregada em aplicações que exigem níveis de desempenho além do que o Real Time pode oferecer, como é o caso do controle de movimentos de alta precisão.3. Modelo ISO/OSI
Segundo Popp, para se avaliar um sistema de comunicação ou compará-lo com outro, é útil classificá-lo em um modelo padronizado de comparação. Para isso foi desenvolvido o ISO/OSI, modelo de referência internacional que tem por objetivo ilustrar a comunicação em sistemas abertos, agrupando os protocolos em grupos específicos ou em camadas. Ao todo são sete camadas, nas quais o protocolo PROFINET utiliza-se de cinco, sendo elas: camada física e enlace de dados, camada de rede, camada de transporte e camada de aplicação. Embora este protocolo utilize estas camadas, a aplicação em tempo real ignora camadas de rede e transporte (3 e 4), tornando a resposta mais rápida em relação ao modelo TCP/IP padrão. A imagem a seguir mostra a relação entre as camadas OSI com TCP/IP do protocolo PROFINET.
4. Perfis de Aplicação – PROFINET
Por padrão, o PROFINET transmite os dados especificados de modo transparente. Cabe ao usuário interpretar individualmente os dados enviados ou recebidos no programa do controlador de nível superior. Perfis de aplicação são especificações para aplicações com características e desempenhos particulares, o termo “perfil” pode-se aplicar a algumas especificações para uma determinada classe de dispositivos ou um conjunto abrangente de especificações para determinadas aplicações em um setor particular na indústria, (Associação PROFIBUS Brasil). Existem dois grupos de perfis sendo eles aplicações gerais e aplicações específicas, com perfis PROFIsafe, PROFIenergy e PROFIdrive.4.1 PROFIsafe
Profile for Safety Technology (Perfil para Tecnologia de Segurança), define como dispositivos relacionados com segurança aqueles que conseguem se comunicar com controladores de segurança sobre o PROFINET de maneira bastante segura para que possam ser usados em tarefas de automação relacionadas com segurança SIL3 (Safety Integrity Level – Nível de Integridade de Segurança) de acordo com a IEC 61508 onde acordo com a ISO 13849-1. O PROFIsafe está disponível como um driver de software para vários ambientes de desenvolvimento e implementado nos dispositivos como uma camada adicional acima da camada 7. Ele usa comunicação acíclica, assegurando tempos de respostas rápidos e garantindo uma operação intrinsicamente segura, importante para automação de processo, (Popp, 2004).4.2 PROFIdrive
Drive Technology Profile (Perfil de tecnologia de acionamento), refere-se à especificação de uma interface PROFIBUS/ PROFINET padronizada para drives. Este perfil orientado a aplicação, padronizado na norma IEC 61800-7, contém definições padrão para comunicação entre drives e sistemas de automação, garantindo assim a neutralidade do fornecedor e proteção do investimento, (Associação PROFIBUS Brasil). A forma como os acionadores são integrados na automação depende da atividade de acionamento envolvida. Por esta razão, este perfil define seis classes de aplicação, conforme a imagem a seguir:
Classe 1: Utiliza um setpoint principal controlado pelo controlador do acionador.
Classe 2: Possui função de tecnologia e exige troca de dados direta entre controladores dos acionadores individuais.
Classe 3: Inclui controle de posição adicional no acionador, ampliando suas aplicações.
Classes 4 e 5: Permitem coordenar movimentos de múltiplos acionadores de forma centralizada.
Classe 6: Permite automação descentralizada de processos temporizados com troca direta de dados.
4.3 PROFIenergy
PROFIenergy surgiu da necessidade das empresas em reduzir seu alto consumo de energia, devido ao fato de que elas possuem plantas e unidades de produção com equipamentos de automação ligados, gerando alto consumo mesmo em situações que envolvam parada. Este perfil tem por objetivo o gerenciamento de energia de forma eficaz, desligando equipamentos inoperantes e parametrizando o consumo de energia de acordo com o ritmo de produção. Segundo Popp, PROFIenergy pode facilmente ser implementado em dispositivos de campo pelo fato de que este perfil é limitado a informações de controle via serviços read/write (escrita e leitura) e funções de status, dando ao operador o poder de decisão sobre as operações de ligar e desligar, além de habilitar os sinais para o processo pós parada.2. Conclusão
PROFINET representa uma evolução significativa nas redes de comunicação industrial, trazendo benefícios notáveis para a automação industrial e processos de produção. Com base na tecnologia Ethernet, este protocolo superou os desafios iniciais tornando-se um padrão aberto e inovador, atendendo os requisitos da automação. Através dele, é possível criar redes de comunicação confiáveis e eficientes, permitindo a interconexão de dispositivos industriais de diversos fabricantes, bem como a integração com redes de campo já existentes, garantindo proteção do investimento dos usuários e fabricantes. Os canais de comunicação oferecidos pelo PROFINET, como TCP/IP, RT e IRT permitem a adaptação as necessidades especificas das aplicações, proporcionando comunicação rápida e eficiente, mesmo em ambientes que requerem alto nível de desempenho. Além disso, a utilização de perfis de aplicação como PROFIsafe, PROFIenergy e PROFIdrive ampliam ainda mais as capacidades desta tecnologia, pois oferecem soluções para aplicações de segurança, gerenciamento eficiente de energia e controle de acionamentos. Com seus aprimoramentos contínuos, PROFINET tende a desempenhar um papel fundamental na transformação e aprimoramento das redes de comunicação industrial nos próximos anos.Referências Bibliográficas:
FERNANDES, Fabio Alves. UM ESTUDO SOBRE O USO DA TOPOLOGIA ANEL EM REDES PROFINET COMO TÉCNICA DE IMPLEMENTAÇÃO DE REDUNDÂNCIA. Disponível em: http://www.tcc.sc.usp.br/tce/disponiveis/18/180500/tce-14032016-172836/publico/Fernandes_Fabio_Alves_tcc.pdf. Acesso em 17/07/2023. FERTRON. O que você precisa saber sobre a rede Profinet?.Disponível em: https://fertron.com.br/blog/2023/02/14/o-que-voce-precisa-saber-sobre-a-rede-profinet/.Acesso em: 17/07/2023. POPP,Manfred and Alexandre Baratella. Comunicação industrial com o PROFINET. Casa de Ideias, 2018. ALIM,Adhipa Tri Setyawan and Budi Sudiarto. Economic Analysis of Variable Speed Drive Control ThroughProfinet Technology on Distributed Control System: A Case Study inEssential Oil Processing Factories. Disponível em: http://jptk.ppj.unp.ac.id/idex.php/jptk/article/view/321/217. Acesso em: 18/07/2023. PROFIBUS & PROFINET International (PI), 2018. PROFINET Technology and Application – System Description. Disponível em: https://www.profibus.com/download/profinet-technology-and-application-system-description/. Acesso em: 01/08/2023. SESTITO, Guilherme Serpa. Uma proposta metodológica para a previsão do Throughput durante a inicialização de redes Profinet através de Redes Neurais Artificiais. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18153/tde-17122014-112052/publico/Guilherme.pdf. Acesso em: 31/07/2023. SANTOS, José Carlos Sant’ana, Orlando Eduardo Igeski, Thiago Lucas Pazini. INTEROPERABILIDADE DE CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS EM REDE ETHERNET TCP/IP E PROFINET. Disponível em: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/8202. Acesso em 29/07/2023. MATTOS, Pedro Pinheiro. Análise de Tempos na Sincronização entre Motores Utilizando Rede Profinet IO Class 1. Disponível em: repositório.unicamp.br. Acesso em: 29/07/2023. MARCOS, Lucas Barbosa. METODOLOGIA PARA ANÁLISE DE DESEMPENHO DO PROTOCOLO PROFINET APLICADO A REDES DE COMUNICAÇÃO INDUSTRIAL. Disponível em: http://www.tcc.sc.usp.br/tce/disponiveis/18/180500/tce-20012014-151056/publico/Marcos_Lucas_Barbosa.pdf. Acesso em: 30/07/2023.Compartilhar
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