Westcon (*)

A digitalização das redes de automação tornou-se mais acessível com a tecnologia Ethernet-APL (Advanced Physical Layer). Esse novo padrão, baseado na especificação 10BASE-T1L conforme IEEE 802.3cg, permite a aplicação de Ethernet de dois fios diretamente no campo, revolucionando o setor.

Com interoperabilidade e flexibilidade como principais vantagens, a Ethernet-APL oferece conexão contínua entre os níveis de aplicação e os dispositivos de campo, garantindo alta velocidade de transmissão de dados. Sua aplicação abrange desde redes compactas de curta distância até configurações mais amplas que exigem longas extensões de cabo. Além disso, é compatível com proteção intrinsecamente segura do tipo “i” nas Zonas Ex 0, 1 e 2.

A tecnologia possibilita a criação de redes de automação de alto desempenho, integrando milhares de dispositivos de campo, como sensores, posicionadores de válvulas e transmissores, de maneira eficiente. Apesar de a maioria dos dispositivos ainda operar com tecnologia 4-20mA e comunicação HART, a Ethernet-APL representa um avanço significativo para atender às demandas atuais do setor.

Adotada formalmente em 2021, a Ethernet-APL é um padrão Ethernet ponta a ponta que atende às necessidades específicas da indústria de processos, como transmissão de dados e alimentação combinadas em um único cabo de dois fios, além de taxas de transmissão de 10 Mbps – um avanço significativo em comparação com HART e outras tecnologias de redes de campo.

O padrão APL estabelece uma camada física Ethernet avançada, compatível com protocolos Ethernet nas camadas superiores. Isso viabiliza uma comunicação transparente entre redes de automação e corporativas, eliminando a necessidade de gateways onerosos e minimizando perdas de funcionalidades. Além disso, permite a integração de protocolos de automação, serviços web, OPC UA e conectividade em nuvem/edge, impulsionando a digitalização das plantas industriais.

Topologias de rede
Dada a diversidade de plantas industriais e seus requisitos, uma rede Ethernet-APL precisa ser expansível, redundante e capaz de operar em ambientes adversos, incluindo atmosferas explosivas. O Ethernet-APL Engineering Guideline apresenta várias topologias de rede que atendem a essas demandas.

Topologia 1 – Switches Ethernet APL de campo conectados à Ethernet Industrial
Nessa topologia, switches Ethernet APL de campo conectam-se diretamente a uma rede Ethernet Industrial padrão. O tipo de ambiente em campo define a forma de instalação, seja no painel de controle ou diretamente no campo (figura 1). Nesse caso, os switches APL são conectados diretamente à rede de automação com cabos Ethernet de cobre ou fibra óptica, com taxa de transmissão típica de 100 Mbps nessa seção da rede.

Figura 1. Na Topologia 1, os switches APL de campo são conectados diretamente a uma rede Ethernet Industrial padrão. As condições do ambiente determinam a forma como são instalados, ou seja, se são montados dentro do painel de controle ou diretamente em campo.

Topologia 2 – Switches Ethernet APL de campo em tronco APL
Essa topologia utiliza a tecnologia de tronco. Os APL Power switches são utilizados para converter Ethernet Industrial em Ethernet-APL e fornecer alimentação aos switches Ethernet APL e aos dispositivos de campo.

APL Power switches necessitam de alimentação externa para alimentar a rede Ethernet-APL. Já os switches Ethernet APL de campo não requerem uma fonte de alimentação externa adicional por receberem a alimentação via tronco.

Para instalações em ambientes ATEX, destaca-se o modelo de proteção intrinsecamente segura 2-WISE (2-Wire Intrinsically Safe Ethernet), baseado no conceito FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept), amplamente testado e aprovado.

Figura 2. Na Topologia 2, a porta de saída do APL Power switch envia o sinal APL via tronco à entrada do primeiro switch APL de campo. A saída do primeiro switch APL de campo alimenta a entrada do próximo e assim sucessivamente. Com a tecnologia de tronco, switches APL de campo podem ser usados em áreas EX, Zona 1, desde que certificados para tal.

Estabilidade da rede
A estabilidade e confiabilidade da rede PROFINET em uma infraestrutura Ethernet-APL dependem do monitoramento contínuo da carga nos dispositivos. Controlar os picos de carga é essencial para evitar falhas esporádicas causadas por sobrecarga da rede, especialmente na transição de redes de 100 Mbps para 10 Mbps.

Para isso, o tráfego de dados de entrada e saída nas portas dos switches é limitado conforme os padrões do IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), garantindo uma operação estável.

Como mencionado, a carga da rede é um fator crítico que deve ser gerenciado de forma eficaz. Por essa razão, os fabricantes desenvolveram switches Ethernet-APL específicos, projetados para estabelecer limites às taxas de carga da rede, assegurando uma operação confiável e sem sobrecargas. Esses switches suportam conexões por cobre e fibra óptica e são especialmente adequados para redes como a Topologia 1 citada anteriormente.

Uma solução para acelerar o desenvolvimento de novos dispositivos compatíveis com Ethernet-APL é o commModule APL, da Softing. Esse módulo eletrônico SMD oferece hardware e software necessários para implementar comunicação Ethernet-APL em dispositivos de campo. O módulo inclui um stack PROFINET pré-instalado e disponibiliza um Application Data Model configurável, além de funcionalidades de Command Mapping que permitem a migração de dispositivos HART e Modbus já existentes para Ethernet-APL, sem a necessidade de desenvolver um novo firmware. Os comandos HART e Modbus podem ser configurados de maneira prática, por meio da ferramenta commScripter.

A tecnologia APL limita-se a definir um novo padrão de troca de dados na camada mais baixa, garantindo a compatibilidade com quaisquer protocolos baseados em Ethernet nas camadas superiores.

A Ethernet-APL proporciona ampla flexibilidade e diversas opções para a criação de estruturas de rede customizadas. Com um alto nível de maturidade tecnológica, ela suporta a implementação de todos os protocolos e serviços de comunicação de alto nível, atuais e futuros, em ambientes de produção.

Entre os benefícios evidentes estão o ganho de velocidade, suficiente para atender a aplicações intensivas em dados, e a redução de custos com hardware. Isso é possível graças à eliminação da necessidade de gateways dedicados e das horas de engenharia requeridas para sua configuração e integração à infraestrutura Ethernet upstream.

No entanto, a implementação da Ethernet-APL deve ser cuidadosamente planejada e estruturada para maximizar os benefícios desse novo padrão.

A Ethernet-APL é uma solução que merece ser seriamente considerada em qualquer novo projeto.

(*) Westcon Instrumentação Industrial  

Fontes:
Ethernet-APL Engineering Guideline, v. 1.14, edição de 19 de setembro de 2022.
Ethernet-APL for Process Automation, Revista eletrônica INTECH, edição de abril 2024.