Redes PROFINET e PROFIBUS
A evolução dos protocolos de comunicação para atuarem no padrão Ethernet é uma realidade na indústria. Com o avançar da infraestrutura de rede, o protocolo PROFINET IO apresenta-se como uma excelente opção de comunicação industrial. Evolução natural da rede PROFIBUS-DP, com mais características, o protocolo atende a variadas aplicações industriais em uma tecnologia única, possibilitando a comunicação em alta velocidade com grande quantidade de dados e usando o mesmo padrão elétrico adotado pelas redes Ethernet tradicionais.
Com o PROFINET, a Tecnologia da Informação (TI) e Tecnologia de Automação (TA) nunca estiveram tão próximas, passando a falar a mesma linguagem em termos de suporte e engenharia. Com essa evolução e convergência, o protocolo PROFINET recebe maior espaço nas soluções de automação industrial, sendo a tendência para os próximos anos, uma vez que se trata de um protocolo que funciona baseado no padrão Ethernet.
Rede HART
Comumente utilizado para comunicação entre dispositivo de campo inteligentes e um sistema de controle, o padrão fornece dois canais de comunicação simultâneos: um sinal analógico de 4-20mA e um sinal digital. O sinal analógico transmite a variável medida (no caso de um instrumento de campo) utilizando uma malha de 4-20mA, enquanto o sinal digital é utilizado para levar informações adicionais do dispositivo, como padrões de configuração, calibragem, parametrização, TAGs descritivas, entre outros.
O HART pode ser utilizado em aplicações dos mais variados segmentos da indústria, até em ambientes perigosos. O protocolo opera segundo o padrão Mestre-Escravo, em que o escravo somente transmitirá uma mensagem se houver uma requisição do mestre, ou seja, o instrumento de campo (escravo) só irá enviar informações quando receber uma requisição do sistema de controle (mestre).
Conceito de aplicação
O PROFINET foi desenvolvido para garantir uma integração simples do PROFIBUS. Em muitas soluções, ambos os protocolos possibilitam o trabalho de tais tecnologias, como o Hart. É possível conectar estações de gerenciamento de ativos a redes PROFIBUS e PROFINET, permitindo a configuração central dos dispositivos de campo, calibração e diagnósticos, via ferramentas de configuração, tais como FieldCare, FieldMate, PACTware ou AMS Suite. Essa característica permite a conexão de um cliente hospedado em uma estação de rede PROFIBUS-DP ou PROFINET IO, que usa o perfil de rede HART on PROFIBUS ou HART on PROFINET, e suporta as tecnologias FDT/DTM e EDDL. Sendo a rede de campo responsável pelo controle do processo de uma planta industrial, é possível acessar as informações dos ativos sem interferir no determinismo das redes. Sua operação é como mestre classe II na rede PROFIBUS-DP, e como um I/O Controller na rede PROFINET. A engenharia do PROFINET é muito semelhante à do PROFIBUS, conforme os exemplos de arquitetura que serão apresentados.
Recursos de comunicação e conectividade
A CPU NX3008 conta com uma ampla variedade de interfaces de comunicação capazes de conectar o equipamento aos mais diferentes sistemas do mercado. O dispositivo de controle da Série Nexto possui três portas Ethernet Gigabit, sendo duas com suporte ao protocolo de comunicação PROFINET Controller, o que permite que o controlador seja utilizado em uma rede com arquitetura em anel MRP. Além do padrão PROFINET, o equipamento também conta com o MQTT e o OPC UA para comunicar com níveis superiores.
O módulo Master PROFIBUS-DP NX5001 é uma avançada interface PROFIBUS desenvolvida para ser utilizada com as CPUs da Série Nexto. O módulo também possui suporte à redundância para aplicações onde a alta disponibilidade é esperada.
O módulo NX5104 é um dispositivo do tipo cabeça remota (Device) para redes PROFINET, possibilitando ao usuário utilizar módulos de E/S da Série Nexto.
Os módulos NX5110 e NX5210 são dispositivos do tipo cabeça remota (Device) simples e redundante, respectivamente, para redes PROFIBUS-DP, possibilitando ao usuário utilizar todos os módulos de E/S da Série Nexto.
Os módulos PO5064 e PO5065 são dispositivos do tipo cabeça remota (Device) simples e redundante, respectivamente, para redes PROFIBUS-DP, possibilitando ao usuário utilizar todos os módulos de E/S da Série Ponto.
O módulo NX6014 oferece 8 entradas analógicas de corrente com HART configuráveis individualmente. Além de possibilitar a leitura de sinais de instrumentos de campo (pressão, temperatura etc.), por meio do sinal 0-20 mA convencional, essas entradas permitem também comunicação HART com os instrumentos via porta Ethernet da CPU utilizando uma ferramenta de gerenciamento de ativos com suporte à tecnologia DTM.
O módulo PO1114 oferece 8 entradas analógicas de corrente. Além de possibilitar a leitura de sinais de instrumentos de campo (pressão, temperatura etc.), por meio do sinal 0-20 mA convencional, essas entradas permitem também comunicação HART com os instrumentos via rede PROFIBUS-DP da cabeça de campo PO5064/5, utilizando uma ferramenta de gerenciamento de ativos com suporte à tecnologia DTM.
O módulo PO2134 oferece 4 saídas analógicas de corrente. Além de possibilitar a escrita de sinais de instrumentos de campo (pressão, temperatura etc.), por meio do sinal 0-20 mA convencional, essas saídas permitem também comunicação HART com os instrumentos via rede PROFIBUS-DP da cabeça de campo PO5064/5, utilizando uma ferramenta de gerenciamento de ativos com suporte à tecnologia DTM.
O MasterTool IEC XE (MT8500) é uma ferramenta completa para programação, depuração, configuração e simulação das aplicações do usuário. O software é baseado no conceito de ferramenta integrada, provendo flexibilidade e facilidade de uso, permitindo aos usuários a programação em cinco linguagens definidas pela norma IEC 61131-3. O MasterTool IEC XE permite o uso de diferentes linguagens na mesma aplicação, fornecendo ao usuário uma poderosa maneira de organizar a sua aplicação, além de reutilizar código desenvolvido em aplicações anteriores. O Software é utilizado como Supervisor PROFINET. O Supervisor é semelhante ao Controller, mas não tem acesso aos dados em tempo real de nenhum dispositivo. Os supervisores não fazem parte da operação diária de uma rede PROFINET. Em vez disso, os usuários finais podem usar o Supervisor para ações como ler informações de diagnóstico de um dispositivo, atribuir endereços IP ou nomes de estação DCP ou solucionar problemas de uma conexão de rede problemática.
Exemplos de arquitetura de redes PROFINET e PROFIBUS
A arquitetura a seguir mostra um sistema de rede PROFIBUS-DP simples utilizando um módulo Scanner DPV1 para o gerenciamento dos ativos. O barramento remoto possui uma cabeça simples, a qual envia as informações para os módulos analógicos HART que, por sua vez, fazem o tratamento dessas informações e estabelecem efetivamente a comunicação com os dispositivos HART conectados aos módulos da remota PROFIBUS.
Figura 01 – Rede PROFIBUS-DP, topologia barramento
A arquitetura a seguir mostra um sistema de rede PROFINET IO com o gerenciamento de ativos conectado diretamente ao IO Controller. O barramento remoto possui uma cabeça simples, a qual envia as informações para os módulos analógicos HART, que por sua vez fazem o tratamento dessas informações e estabelecem efetivamente a comunicação com os dispositivos HART conectados aos módulos da remota PROFINET.
Figura 02 – Rede PROFINET IO, topologia barramento
A arquitetura a seguir mostra um sistema de rede PROFIBUS-DP redundante que aumenta a confiabilidade da rede, mantendo a comunicação por um cabo caso o outro cabo seja rompido ou apresente dificuldade de comunicação. Nessa aplicação, são utilizados dois módulos Scanner DPV1 para o gerenciamento dos ativos. Os barramentos remotos possuem duas cabeças redundantes, as quais enviam as informações para os módulos analógicos HART que, por sua vez, fazem o tratamento dessas informações e estabelecem efetivamente a comunicação com os dispositivos HART conectados aos módulos das remotas PROFIBUS.
Figura 03 – Rede PROFIBUS/DP, redundante
A arquitetura a seguir mostra um sistema de rede PROFINET IO MRP com o gerenciamento de ativos conectado diretamente ao IO Controller fazendo o gerenciamento dos ativos. O barramento remoto possui uma cabeça PROFINET em topologia anel, por meio do protocolo MRP, a qual envia as informações para os módulos analógicos HART que, por sua vez, fazem o tratamento dessas informações e estabelecem efetivamente a comunicação com os dispositivos HART conectados aos módulos da remota PROFINET. Se ocorrer uma interrupção na rede, isso será detectado por meio da falha dos quadros de teste. Contabilizando as tentativas e o intervalo padrão de 20 ms, isso normalmente leva cerca de 60 ms. Além disso, os clientes de redundância de mídia comunicarão mensagens de falha, caso detectada em sua porta de encaminhamento. Assim que uma falha for detectada, instruções de reconfiguração de topologia serão enviadas, mantendo a comunicação estável do Controller com os Devices, caso haja ao menos um ponto de conexão entre eles.
Figura 04 – Rede PROFINET, topologia anel (MRP)
Por Leonardo Carvalho Antonio dos Santos
