1Uma viso do protocolo industrial Profinet e suas aplicaes.

1 - Msc. Alexandre Baratella Lugli

Professor coordenador do grupo de Automao Industrial e consultor de solues para a

empresa Sense Eletrnica LTDA, INATEL.

Av. Joo de Camargo, 510 Santa Rita do Sapuca / MG Brasil (www.inatel.br).

Cel.: 055-35-91565-2232

baratella@inatel.br

1 Introduo

1.1 Histrico da Ethernet Industrial

O padro TCP/IP surgiu no meio industrial h cerca de oito anos. Porm, somente nos

ltimos quatro anos que se tornou comercialmente utilizado em ambientes industriais.

A grande utilidade de seu uso se deve necessidade de interligar todos os nveis da

Cadeia de Suprimentos (Supply Chain) envolvendo um nico e exclusivo padro de rede, o

TCP/IP. Assim, o nvel de gerncia ou vendas teria acesso ao cho de fbrica (sensor ou

atuador) em tempo real, dando uma grande agilidade na produo e aumentando-a,

efetivamente. Porm, na arquitetura tradicional isso no possvel devido aos diferentes tipos

de padres de protocolos existentes no mercado.

H cerca de dez anos, o nvel administrativo j possua o padro TCP/IP, porm o

nvel de cho de fbrica possua outros protocolos denominados Fieldbuses. A figura 1 ilustra

esses principais protocolos. Esses protocolos de cho de fbrica foram se difundindo, devido

ao custo benefcio de se ter uma rede industrial se comparado ao sistema tradicional. [Erro!

Indicador no definido.] Hoje, h vrios protocolos no mercado, os principais so: Profibus,

Devicenet, CAN, Fieldbus Foundation, Modbus, AS-i, Sercos, entre outros.

2Figura 1 Classificao e diviso dos Fieldbuses.

Cada um desses protocolos elaborou uma maneira de enviar seus dados do cho de

fbrica aos nveis mais altos da hierarquia industrial (vide figura 2). Seja no nvel de

supervisrio, seja por um PLC ou at por uma interface proprietria de cada fabricante.

Surgiu, ento, a idia de uniformizar o cho de fbrica. Nesse instante, nasceu a

Ethernet industrial. Sua idia inicial era de uniformizar toda a Cadeia de Suprimentos, porm,

cada fabricante desenvolveu seu prprio aplicativo e a idia inicial no foi totalmente

implementada, ainda havendo protocolos especficos trabalhando com o TCP/IP, devido aos

diferentes tipos de aplicaes existentes.

Figura 2 Arquitetura industrial tpica.

3A figura acima mostra todos os nveis da hierarquia da automao industrial.

Basicamente existem trs diferentes nveis: Device Level (nvel de elementos de campo

sensores e atuadores), Control Level (nvel de controle de processo PLCs ou PCs

industriais) e Information Level (nvel de informao ao usurio gerncia e manufatura).

1.2 Evoluo da arquitetura TCP/IP

A arquitetura TCP/IP sofreu diversas modificaes com o transcorrer do tempo. Todas

as suas camadas foram afetadas com a evoluo da tecnologia e dos meios de comunicao,

como cabos, conectores, velocidades de transmisso das mensagens.

O protocolo de camada fsica IEEE802.3 (Ethernet) evoluiu significativamente ao

longo dos anos. Os primeiros meios de transmisso eram os pares metlicos grossos, cuja

atenuao era muito grande. Depois surgiram os cabos coaxiais e em seguida os pares

tranados. Hoje, o mais comum encontrarmos aplicaes com fibra ptica ou sem fio

(wireless). A fibra ptica, apesar do custo elevado em relao ao par tranado, possui

atenuao muito pequena e capacidade para trafegar grandes quantidades de dados. Outro

fator importante na camada fsica a conexo do hardware da rede. Houve, com o passar do

tempo, uma evoluo grande dos tipos, tamanhos e qualidade das conexes do hardware de

rede. Atualmente, o conector RJ 45 domina totalmente o mercado. Com a evoluo do meio

fsico, as taxas de transmisses tambm aumentaram significativamente. De 10Mbps,

passaram para 100Mbps e hoje j esto em torno do 10Gbps, contudo a largura de banda no

suficiente para dar velocidade a determinadas aplicaes, como por exemplo, jitter muito

altos. Dependendo do tipo de aplicao necessrio tempos de respostas bem definidos e

invariveis.

As tcnicas de modulao so outro fator decisivo na evoluo do padro TCP/IP.

Primeiro surgiu a tcnica FSK (modulao pela freqncia), depois a PSK (fase do sinal

transmitido) e por ltimo o QAM (modulao por amplitude e fase do sinal).

1.3 Caractersticas do padro TCP/IP no meio industrial

Para a aplicao da arquitetura TCP/IP no meio industrial, vrios fatores devem ser

considerados e analisados. Alguns deles so citados abaixo.

4- Padronizao dos diversos protocolos do mercado. Isso acabou no ocorrendo devido

utilizao de hardwares especficos por parte de alguns fabricantes e tambm a aplicaes

especficas de cada rede;

- Interoperabilidade entre os diversos equipamentos dos diferentes fabricantes;

- Aumento da quantidade de dados trafegados pela rede (at mil quatrocentos e setenta

e dois bytes de informao til) e diminuio do tempo de ciclo (algumas redes podem operar

com ciclos de algumas dezenas de microssegundos);

- Robustez dos equipamentos. Isso se refere temperatura de operao, classe de

proteo, segurana intrnseca, umidade relativa do ar, etc. A seguir, segue um exemplo de

um conector RJ 45 industrial, que opera de - 40C a + 80C, IP67, Harting (uso na rede

Profinet) e um cabo utilizado para Ethernet industrial (quatro e oito vias, ambos com

blindagem);

Figura 3 Conector RJ 45 industrial e cabo blindado para rede Ethernet industrial.

- Determinismo da rede. A arquitetura TCP/IP utiliza-se da tcnica CSMA/CD

(Carrier Sense with Multiple Access and Collision Detect) para controlar e acessar o meio de

transmisso. Essa tcnica consiste na deteco de coliso no meio de transmisso, ou seja,

quando mais de uma estao deseja transmitir dados, ao mesmo tempo, no barramento. Neste

caso, apenas uma delas conseguir transmiti-los, sendo que a outra ter que esperar um tempo

pr-determinado at tentar outra transmisso. Caso no consiga, o dispositivo esperar mais

uma vez e assim sucessivamente. Nota-se que no h certeza de que a informao ser

transmitida num tempo determinado (o que essencial para o ambiente industrial). Em um

ambiente industrial, a espera de um dado, como, por exemplo, um alarme de incndio ou a

deteco de um objeto, pode ser fatal. No se pode esperar tanto tempo para o dado ser

transmitido. Assim, para se transformar essa arquitetura em determinstica foi necessria a

implantao de um switch especial com portas independentes entre si e com capacidade de

programar prioridades e tempos de espera das mensagens. Deste modo, o switch determina o

tempo de varredura para cada porta.

5Figura 4 Switch Ethernet industrial com prioridade de transmisso.

A grande desvantagem deste padro na rea industrial, no incio, foi questo da

comunicao e alimentao dos mdulos. Havia a necessidade de se ter dois cabos separados

para um elemento da rede (comunicao de dados e alimentao). Hoje, h vrios estudos e

implementaes utilizando um padro chamado de Power over Ethernet (Poe). Nesse tipo de

comunicao, o canal transmissor e receptor pode trafegar dados simultaneamente no meio de

transmisso, utilizando o conceito de modulao em amplitude sobreposto ao nvel contnuo

de alimentao dos mdulos de campo. Assim, o sinal de comunicao sofreria uma

modulao para ser transmitido ou recebido por um elemento da rede. A norma IEEE

8002.3af regulamenta todo este conceito de PoE.

Esta norma descreve que a alimentao deve estar entre 44Vcc e 57Vcc (48Vcc a

tenso nominal) e a potncia do sinal deve ser, no mximo, de 15.4W (mximo de 350mA

para a tenso de alimentao de 44Vcc, 0,35A * 44V = 15,4W).

(a) (b)

Figura 5 Possveis configuraes para sistema Poe.

O grande objetivo para o uso desta tecnologia a comunicao full-duplex (onde se

dobra a taxa de transmisso, pois ocorre comunicao simultnea nos dois sentidos, recepo

e transmisso simultaneamente). Na figura 5 (a), a configurao para a operao no modo

6full-duplex. Nesse modo, os canais de transmisso e recepo esto separados fisicamente no

cabo da rede (dois pares) e a alimentao de 48Vcc em outros dois pares. [Erro! Indicador no

definido.] [Erro! Indicador no definido.] Normalmente, no se utiliza tenso de 48Vcc na automao,

sendo mais comum o uso de tenses de 24Vcc ou 12Vcc. Assim, necessrio o uso de um

conversor DC/DC para transformar o sinal de 48Vcc para outro qualquer. A grande

desvantagem dessa configurao a necessidade de polaridade nos terminais de alimentao,

a fim de diferenciar os sinais, em modulao em amplitude, positivos e negativos.

Na figura 5 (b), a configurao para a operao no modo half-duplex (comunicao

em dois sentidos, recepo e transmisso, mas no simultaneamente). Nesse modo, o cabo

comum tanto para a alimentao quanto para a comunicao, no necessitando de uma

polaridade especfica nos terminais. necessria uma modulao em amplitude sobre a

alimentao para no interferir no sinal de comunicao trafegado no cabo. O sinal de

comunicao trafega apenas em um sentido, devido o mesmo meio transmitir e receber o

sinal. O grande problema dessa configurao garantir o isolamento mnimo requerido entre

a alimentao e a comunicao, que pela IEEE 802.3af de 1500Vac.

Atualmente, j h a comercializao de equipamentos PSE (Power Sourcing

Equipments) que so responsveis pela gerao da tenso e da corrente de alimentao para os

dispositivos de campo PD (Powered Device) responsveis pela converso da tenso principal

em outro nvel desejado (conversor DC/DC). A figura 6 ilustra um PSE que pode ser

encontrado no mercado.

Figura 6 PSE comercializado no mercado.

72 Ethernet industrial: Profinet

2.1 Introduo

O Profinet uma rede padronizada pela Associao Profibus Internacional como uma

das quatorze redes de Ethernet industrial. A norma que regulamenta o Profinet a IEC61158-

5 e IEC61158-6, sendo o dcimo protocolo incluso nessa norma (Type 10).

Basicamente, h dois tipos de redes Profinet: Profinet IO e Profinet CBA. O Profinet

IO utilizado em aplicaes em tempo real (rpidas) e o Profinet CBA utilizado em

aplicaes onde o tempo no crtico, por exemplo, na converso para rede Profibus DP.

A figura 7 ilustra como o Profinet definiu suas camadas baseadas na arquiteturaTCP/IP.

Figura 7 Arquitetura TCP/IP para Profinet.

Nota-se pela figura acima que o Profinet pode ter trs formas distintas de operao,

sendo duas delas para tempo real e uma para no tempo real.

A primeira maneira baseia-se na arquitetura TCP/IP pura, utilizando Ethernet na

camada um e dois, o IP na camada trs e o TCP ou UDP na camada quatro. Essa arquitetura

chamada de Non-real time (Non-RT), pois seu tempo de processamento aproxima-se dos

100ms. A grande aplicao nesse tipo de comunicao de configurao da rede ou na

comunicao com os Proxis, utilizando o Profinet CBA. Os Proxis so conversores de um

8determinado protocolo em outro (por exemplo, de Profinet para Profibus DP ou de Profinet

para Interbus S), conforme mostrado na figura 8.

Figura 8 Proxy Profinet/Profibus DP e Profinet/Interbus S.

A segunda maneira baseia-se no chamado Soft Real Time (SRT), caracterizando-se por

ser um canal que interliga diretamente a camada da Ethernet aplicao. Com a eliminao

de vrios nveis de protocolo, h uma reduo no comprimento das mensagens transmitidas,

necessitando de menos tempo para transmitir os dados na rede. Podem-se utilizar os dois tipos

de Profinet, CBA e IO, nesse caso.

A terceira maneira baseia-se no conceito de Isochronous Real Time (IRT), para

aplicaes em que o tempo de resposta crtico e deve ser menor do que 1ms. Uma aplicao

tpica deste conceito o controle de movimento de robs, quando o tempo de atualizao dos

dados deve ser pequeno. Utiliza-se apenas o Profinet IO para esse caso.

A figura 9 ilustra os conceitos do Non-Real-Time (aplicaes com tempos de varredura

em torno de 100ms), Soft Real Time (aplicaes com tempos de varredura em torno de 10ms)

e Isochronous Real Time (aplicaes com tempos de varredura menores do que 1ms).

Figura 9 Comparativo de tempos da rede Profinet.

92.1.1 Profinet IO

O Profinet IO , na realidade, uma extenso do protocolo Profibus DP. Ele opera

diretamente com os elementos de campo, realizando leituras de sensores, atualizaes dos

sinais de sada e controle de diagnsticos da rede. A rede Ethernet industrial Profinet IO

descreve um modelo de dispositivo que baseado em caractersticas essenciais do Profibus

DP, incluindo canais para cada elemento alocado na rede. As caractersticas dos dispositivos

de campo so descritas via GSD em uma base XML.

O arquivo GSDML (GSD em uma base de programao XML) acompanha todos os

elementos da rede Profinet IO e descreve as principais caractersticas de cada um deles. O

mesmo deve ser fornecido pelo fabricante do equipamento.

Para se conseguir um tempo de resposta utilizando o Profinet IO na configurao IRT

(Isochronous Real Time), necessrio um hardware especfico que consiga processar as

informaes nesse tempo (para o caso do IRT). Assim, a Siemens desenvolveu o ERTEC 400

que um processador voltado s aplicaes em Profinet.

O quadro da rede Profinet IO mostrado na figura 10 e segue a mesma estrutura do

campo Ethernet falado anteriormente. A grande diferena est no campo Frame ID. Nesse

campo possvel distinguir se o quadro IRT, SRT ou Non-RT, de acordo com os dois bytes

do campo. Cada valor deste campo, define a maneira como as mensagens sero trafegadas na

rede, por exemplo: de 0000h a 00FFh, quadro IRT, de 8000h a FBFFh, quadro SRT e de

FC00h a FE02h, quadro Non-RT. De acordo com a figura abaixo, a quantidade mnima de

bytes do quadro Profinet IO de setenta e dois bytes, contando cabealho, informao e

verificao de erro.

Figura 10 Quadro Profinet IO.

10

O prembulo so bits auxiliares que identificam o incio da transmisso. Servem para

sincronizar o elemento que deseja transmitir seus dados com o clock da rede. O padro para

cada byte AAh (10101010).

Os endereos de origem e destino identificam quem est transmitindo e quem est

recebendo as informaes. Esses endereos so conhecidos como endereos MAC e possuem

quarenta e oito bits (seis bytes) de comprimento. O endereo MAC o endereo fsico do

elemento de rede. Os trs primeiro bytes so destinados identificao do fabricante, os trs

posteriores so fornecidos pelo fabricante para identificao do mdulo na rede Profinet.

O campo Tipo e Frame ID identificam o tipo de informao a ser transmitida e o

tamanho do campo de dados. O campo de dados pode variar de trinta e seis a mil quatrocentos

e setenta e dois bytes. No quadro Ethernet IEEE802.3, a variao do campo de dados de

quarenta e seis a mil e quinhentos bytes (cabealho e informao). Essa diferena

justamente para aplicaes IRT, com a diminuio do campo de dados e, conseqentemente,

do tempo de reposta da rede.

A verificao de erro do tipo CRC, onde se tem um polinmio de grau trinta e dois

para efetuar a operao matemtica de verificao de erro na mensagem transmitida.

Outro ponto a ser destacado o atraso da rede com relao ao switch. O switch gera

um pequeno atraso na rede que ser abordado mais adiante.

importante levar em considerao esse tempo na hora de calcular o ciclo de

varredura da rede ou no atraso que um elemento pode causar se houver muitos switches na

rede.

2.2 O meio fsico IEEE802.3 para redes Ethernet industriais

Para o meio fsico, pode ser utilizada a seguinte configurao para qualquer uma

das redes Ethernet industriais:

Tipo de cabo Velocidade da

rede

Distncia mxima

sem repetidor

Nmero mximo

de elementos

Par tranado blindado

10BASE-T

10Mbps 100 metros 1024

Par tranado blindado

100BASE-T

100Mbps 100 metros 1024

11

Par tranado blindado

1000BASE-T

1000Mbps 100 metros 1024

Fibra ptica

10BASE-FL

10Mbps 2000 metros 1024

Fibra ptica

100BASE-FL

100Mbps 2000 metros 1024

Tabela 1 Caractersticas fsicas das redes Ethernet industriais.

Para a configurao utilizando par tranado blindado, o cabo possui dois pares

(quatro vias), categoria 5 (com Shield). [Erro! Indicador no definido.] H a possibilidade de

utilizao de repetidores (hubs industriais) ou switches industriais que podem aumentar a

distncia da rede para at 500 metros (utilizando par tranado).

J para a configurao utilizando fibra ptica possvel utilizar repetidores pticos

e, dependendo do tipo de fibra utilizada (monomodo ou multimodo), pode-se chegar a

distncias de dezenas de quilmetros, colocando vrios repetidores em cascata durante o

percurso do sinal ptico.

A topologia da rede , comumente, projetada em estrela, utilizando o mestre

(controller) como elemento central da rede, os switches industriais especiais para derivar e

interligar os elementos da rede e os mdulos de campo (nodes) onde so conectados os

sensores e atuadores. A figura 11 ilustra uma topologia tpica para uma rede Ethernet

industrial.

Figura 11 Topologia para uma rede Ethernet industrial qualquer.

12

3 Concluso

Com a realizao deste trabalho, foi possvel ampliar o conhecimento de um sistema

interligado em rede, apresentando como resultado importantes caractersticas da rede Ethernet

industrial no nvel de usurio de sistemas de automao.

O artigo evidencia as tecnologias inovadoras do mercado de redes industriais, mostra o

funcionamento e as caractersticas de cada um dos principais protocolos e vises de aplicao,

evidenciando topologia, tamanho de segmentos, switchs industriais, cabos e conectores

especiais.

Assim, o usurio final pode ter uma boa noo dos equipamentos e tecnologias novas

que esto surgindo no mercado mundial.

4. Referncias bibliogrficas

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