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DO QUE VAMOS FALAR
• O que é um Rede ETHERNET;
• Como a Rede ETHERNET está sendo Aplicada no Chão de Fábrica;
• Quais das Diretrizes para PROJETOS e IMPLANTAÇÃO de Redes ETHERNET na Indústria.
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CENÁRIO
• Preciso elaborar um Projeto de Automação na Planta, mas tenho dúvidas quanto ao funcionamento da ETHERNET INDUSTRIAL;
• No Projeto do COI Centro de Operações Integrada, há uma INFRAESTRUTURA de Rede ETHERNET, o que preciso levar em consideração de maior relevância;
• Quais os PROTOCOLOS Industriais principais que funcionam no Padrão ETHERNET e o que devo entender para Conceituar uma Solução.
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ETHERNET
• Inventada em 1973;
• Robert Metcalfe;
• Projeto atribuído a Xerox Palo Alto Research Center.
• Define o Meio Físico;
• Define o Controle de Acesso;
• Define o Quadro (Frame);
• Padrão de Rede mais difundido no mundo.
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BENEFÍCIOS
• Rede simples de projetar e implantar;
• Componentes de baixo custo, comparados a outras redes;
• Permite diversos Protocolos dentro do Padrão;
• Rede padronizada por normas em constante evolução;
• Pode ser aplicada desde ambientes domésticos até industriais (componentes especiais);
• Rede interoperável e escalar;
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EVOLUÇÃO ATRAVÉS DA MÍDIAS
Coaxial BNC
RJ-45
Fibra Óptica
Wi-Fi
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ETHERNET INDUSTRIAL
• Aplicação em Ambientes Severos (Hardware);
• Temperatura 75º C a -35º C (exemplo);
• Proteção Mecânica Especial;
• IP (Grau de Proteção Alto);
• Suportar Vibração e Impacto;
• Alta Imunidade a Ruídos (EMI);
• Arranjos de Alta Disponibilidade (Redundâncias);
• Uso de Protocolos Industriais.
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FUNCIONAMENTO • Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD)
• 1- Se o canal está livre, inicia-se a transmissão,
senão vai para o passo 4;
• 2- [transmissão da informação] se colisão é
detectada, a transmissão continua até que o
tempo mínimo para o pacote seja alcançado
(para garantir que todos os outros transmissores e
receptores detectem a colisão), então segue para
o passo 4;
• 3- [fim de transmissão com sucesso] informa sucesso para as camadas de rede superiores, sai do modo de transmissão;
• 4- [canal está ocupado] espera até que o canal esteja livre;
• 5- [canal se torna livre] espera-se um tempo aleatório, e vai para o passo 1, a menos que o número máximo de tentativa de transmissão tenha sido excedido;
• 6- [número de tentativa de transmissão excedido] informa falha para as camadas de rede superiores, sai do modo de transmissão.
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GERENCIANDO A REDE (ENCAMINHAMENTO)
• A origem (informação) é sempre UNICAST (Único Ponto);
• O destino é BROADCAST (Informação em Toda Rede);
• O destino pode ser MULTCAST (Múltiplos Locais mas com Informação Dirigida);
• O destino pode ser UNICAST (Único Local);
• ANYCAST tem o destino definido em um ROUTER;
• Os SWITCH possibilitam a GESTÃO da informação.
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DETERMINISMO
• Característica de entrega e recebimento de uma mensagem na rede baseado no tempo (certeza de entrega e no tempo programado);
• Ethernet baseado no CSMA/CD não permite
determinismo, pois trabalha com colisão de dados,
os switches permitem o gerenciamento broadcast
para Multcast ou Unicast;
• Ethernet para Controle (determinística), utiliza características de controle de sincronismo
dentro de seu Protocolo, sem alterar
características do Padrão (Profinet, Ethernet/IP...)
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ARQUITETURA
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CAMADAS DE REDE
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SWITCHES
• São as Chaves de Rede
Direcionam os Dados
• Não Gerenciáveis
funções básicas de
direcionamento e
tratamento de erros;
• Gerenciáveis – funções avançadas de gerenciamento de rede (ex. VLAN);
• HUB (concentradores) estão em desuso, não são capazes de direcionar dados;
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FUNÇÃO DOS SWITCHES
• Automação das redes;
• Localização física (porta/segmento);
• Localização lógica (rede/sub-rede);
• Priorização de mensagens;
• Identificação dos tipos de mensagem;
• Gerenciar a qualidade mensagem QoS;
• Tratar erros e falhas;
• Gerenciar tempos e sincronismo.
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SWITCH L2
• Trabalham com Endereçamento MAC;
• Possuir gerenciamento de VLAN (dentro da rede) - gerenciável;
• Gerencia pacote de erros, mas não bloqueia Broadcast;
• Podem possuir funções para Profinet (RT/IRT) e Ethernet/IP (IGMP);
VLAN Rede Virtual
RT Real Time
IRT Isochronous Real-Time
IGMP Internet Group Management Protocol
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SWITCH L3 (ROTEADOR)
• Todas as funções do L2;
• Gerenciam rotas de endereços lógicos (IP);
• Intercomunicam VLAN;
• Gerenciam banda de comunicação e latência;
• Gerencia múltiplos serviços na rede (liberação de acesso);
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SWITCH L4
• Possui todas funções do L2 e L3;
• Tem capacidade de distinguir serviços (HTTP, FTP...)
• Configurável para tomada de decisões pelo UDP (User Datagram Protocol);
• Gerencia tráfico de rede baseado no QoS (Qualidade do Serviço);
• Pode-se tomar decisões de rota, baseado em erros, latência e demanda;
• É a base das SDN (Redes Baseada em Software)
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VLAN
• Recurso para Criação de Redes Virtuais, separação lógica;
• Separa as redes, podendo gerenciar individualmente;
• Controle de Broadcast na rede;
• Priorização de tráfego de dados (informação e controle);
• Eleva segurança de acesso.
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FIREWALL
• São dispositivos de hardware e software que tem por objetivo proteger a rede contra acessos não autorizados;
• Ele gerencia permissões de acesso e a origem e destino de dados;
• Permite criptografia de dados para interconexão de serviços entre dispositivos;
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O QUE É UM PROTOCOLO
• Um Protocolo de Comunicação são as “regras” que controlam a troca de informações em uma rede;
• O Protocolo caracteriza a sintaxe, semântica e a sincronização do dado na rede;
• O Protocolo deve ser igual (inclusive em sua versão), dentro de uma rede, mesma “linguagem”.
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TCP/IP
• Conjunto de protocolos de comunicação entre computadores em rede;
• TCP (Transmission Control Protocol - Protocolo de Controle de Transmissão) e o IP (Internet Protocol - Protocolo de Internet, ou ainda, protocolo de interconexão);
• VANTAGENS:
– Padronização;
– Interconectividade;
– Roteamento;
– Robustez;
– Internet.
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MODBUS/TCP
• Protocolo de comunicação industrial, originalmente desenvolvido para RS-232/485;
• Para trabalhar em redes Ethernet, os dados são encapsulados em TCP, trabalha em CSMA-CD e tem modelo Cliente-Servidor;
• VANTAGENS:
– Protocolo consolidado
– Simples de configurar
– Frame simplificado
– Fácil conversão de padrão
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PROFINET
• PROFINET é uma rede baseada em um padrão de comunicação Ethernet Industrial padronizado pelas normas IEC 61158-5 e IEC 61158-6;
• 100% compatível com a tecnologia Ethernet ( IEEE 802.3 ) adotada pela associação PI - PROFIBUS & PROFINET International.
• VANTAGENS: – Protocolo aberto
– Manutenção inteligente
– Alta disponibilidade e segurança
– Tempo real e Sincronismo
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ETHERNET/IP
• É um protocolo industrial baseado em Ethernet que combina a função CIP (Common Industrial Protocol), gerido pela ODVA (Open DeviceNet Vendors Association);
• A função CIP trabalha baseado no IGMP (Internet Group Management Protocol), onde a informação da rede e gerenciada em grupos Multcast;
• VANTAGENS: – Multiplos serviços TI e TA
– Gerenciamento da Rede na TA
– Diagnóstico Avançado
– Sincronismo e Segurança
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IEC 61850
• IEC 61850 é um padrão de comunicação para sistemas de automação elétrica;
• Os modelos de dados abstratos definidos na norma IEC 61850 pode ser mapeado para um número de protocolos, mapeamentos atuais do padrão devem ser: – MMS (Manufacturing Message Specification); – GOOSE (Generic Object Oriented Subestação
Event); – SMV (amostrados Valores Medidos) e Web
Services;
• Estes protocolos podem ser executados através de TCP / IP ou redes LANs subestação utilizando alta velocidade Ethernet comutada para obter os tempos de resposta necessários abaixo de milissegundos para sistemas de proteção.
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GATEWAYS
• Equipamentos que convertem Protocolos de Rede.
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SAFETY
• As redes Ethernet permitem Protocolos Industriais para Aplicações de Segurança, tanto em Processos, quanto em Máquinas.
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BOAS PRÁTICAS
• Entenda as necessidades operacionais de sua planta, por exemplo, COI Centro de Operações Integradas e todo fluxo de trabalho; • Defina pelo protocolo (principalmente o industrial), que melhor atenda as suas necessidades de serviços de operação e manutenção; • Viabilize o projeto baseado em TCO, Custo Total de Propriedade,
manutenção e aquisição de hardware e software, durante um período de tempo;
• Contrate uma empresa especializada em soluções técnicas e discutam juntos cenários de tecnologia e viabilidades técnica e financeiras;
• Projete e implante uma infraestrutura de redes que suportem as convergências da Indústria 4.0 e que gere valor para seu negócio.
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TENDÊNCIAS
• As redes Ethernet aplicadas na Indústria são uma realidade, ainda que há muito legado de outros padrões, mas o crescimento é dado pela simplicidade, robustez e baixo custo da rede;
• Infraestrutura de rede Ethernet, baseado da tecnologia SDN (Redes Definidas por Software), tendem a ser uma nova fronteira, uma vez que é a automação dos dados e serviços dentro da infraestrutura;
• Convergência de TI e TA são uma realidade, todavia ainda não está amadurecido a questão da segurança e a geração de valor das informações em conjunto para tomada de decisões, somando a este conjunto, temos agora as informações vindas do IIoT (Internet Industrial das Coisas), tendendo a evoluir a necessidade de redes cada vez mais estruturadas.
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CONCLUSÃO
As redes Ethernet permitem a convergência, simplicidade, rapidez e alta capacidade de
informações e alta velocidade na rede, proporcionando tomada de decisões cada vez mais
rápidas, do processo, manutenção e segurança funcional da planta.
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AUTOR
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• Márcio Venturelli trabalha no Mercado de Automação Industrial há 20 anos, tendo trabalhado em departamentos, tais como, Assistência Técnica, Treinamentos, Engenharia e Negócios.
• Trabalhou em diversos Projetos de Implantação de Sistemas e Automação e Controle Operacional de Plantas de Bioenergia, Transformação e Manufatura, no Brasil e no Exterior.
• Atualmente trabalha em Desenvolvimento de Mercados e Tecnologias para o Setor Sucroenergético e Bioenergia, com foco em Arquitetura de Soluções de Conectividade e Redes Industriais, tendo como Principal Diretriz a Geração de Valor para o Cliente, nas Dimensões: Aumento da Produção, Redução de Custos e Elevação da Segurança Funcional, em Soluções que sejam aderentes à Indústria 4.0.
• Professor Universitário de Pós-Graduação de Automação Industrial e Gerenciamento de Projetos.
• Membro Sênior da ISA (Sociedade Internacional de Automação), Diretor de Tecnologia da ISA Distrito 4 (América do Sul) e Diretor de Tecnologia Safety Bus da PI (Profibus/Profinet Internacional).
• Graduado em Ciência da Computação, com Especialização em Controle e Automação Industrial, Pós-Graduado em Gestão Industrial, Pós-Graduado em Tecnologia do Petróleo e Gás e Possui MBA em Estratégia de Negócios. Técnico nas Áreas de Eletrônica e Eletrotécnica.
ATUALIZADO MAI/2016
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