WESTCON Instrumentação Industrial (*)

Imagem: Schildknecht AG

No contexto atual de avanços rápidos em automação industrial, em que eficiência e segurança são primordiais, as tecnologias sem fio surgem como soluções essenciais para a mobilidade e flexibilidade de máquinas e equipamentos.

Embora as vantagens da comunicação wireless sejam evidentes, sua aplicação em sistemas críticos que exigem funções de segurança apresenta desafios únicos.

Nesse cenário, o protocolo PROFIsafe se destaca como uma norma internacional de segurança para redes industriais, oferecendo uma ponte confiável entre a inovação tecnológica e a integridade operacional.

Desde sua adoção em 2007 sob a norma IEC 61784-3-3, o PROFIsafe tem sido um pilar na implementação de comunicações seguras, tanto em redes tradicionais por cabo quanto em modernas arquiteturas wireless. Este artigo explora como o PROFIsafe consegue garantir a comunicação de dados segura e estável em aplicações wireless, delimitando os cuidados necessários e as técnicas empregadas para manter a segurança funcional sem comprometer a performance.

PROFIsafe - o mesmo protocolo para rádio e cabo

Seja para um sistema de controle de pontes rolantes ou guindastes, para comando de parada de emergência de uma máquina ou para outra comunicação relacionada a intertravamento de segurança, o PROFIsafe se consolidou como um padrão para comunicação segura e é uma norma internacional desde 2007 sob a designação IEC 61784-3-3.

O PROFIsafe é essencial para sistemas que requerem funcionalidades de segurança em automação. Ele é empregado para a troca de dados entre um controlador de segurança (F-Host) e dispositivos de campo de segurança (F-Device), como I/O Remoto, Drives etc., possibilitando a implementação de funções de segurança críticas, como paradas de emergência, monitoramento de portas de segurança etc. Com sua robusta estrutura de comunicação segura, o protocolo garante que os sinais de segurança sejam transmitidos com alta integridade, mesmo em redes sujeitas a interferências e ruídos.

O protocolo PROFIsafe é certificado para uso tanto em redes PROFIBUS quanto em redes PROFINET, facilitando a integração de sistemas de segurança diversificados.

O protocolo PROFIsafe é certificado pelo TÜV, para uso em aplicações que requerem um alto nível de integridade de segurança. Ele é aprovado para aplicações até o Nível de Integridade de Segurança 3 (SIL3), segundo a norma IEC 61508/61511, e até a Categoria 4 (Cat4), de acordo com a norma EN ISO 13849-1.

Essas certificações indicam que o PROFIsafe pode ser utilizado em sistemas de segurança críticos, oferecendo a confiabilidade necessária para ambientes industriais que demandam alto grau de proteção e prevenção de falhas, independentemente do meio físico da rede.

O protocolo PROFIsafe foi projetado para ser utilizado com o protocolo PROFIBUS, assim como com o PROFINET, sem causar ou sofrer interferência. O PROFIsafe funciona como uma camada adicional de segurança que pode ser integrada sobre os protocolos de comunicação existentes (PROFIBUS e PROFINET), garantindo a transmissão segura de dados de segurança críticos sem afetar a integridade ou o desempenho da rede principal.

Essa capacidade de operar simultaneamente com os outros protocolos permite que sistemas existentes sejam atualizados ou expandidos com funcionalidades de segurança avançadas sem a necessidade de substituir a infraestrutura de comunicação já instalada. Isso proporciona uma solução eficiente e econômica para melhorar a segurança em sistemas de automação industrial.

O conceito de Black Channel é fundamental no contexto dos protocolos de comunicação de segurança como o PROFIsafe. Ele se refere à abordagem pela qual os dados de segurança são transmitidos através de uma rede ou meio de comunicação (o "canal") que trata a comunicação de forma independente do barramento de campo “fieldbus”. Isto é, os dados de segurança são encapsulados e protegidos de forma que as propriedades específicas do canal de transmissão não afetam a integridade ou a validade desses dados.

No caso do PROFIsafe, o Black Channel permite que o protocolo funcione de forma segura e eficaz sobre diferentes meios de comunicação, como redes PROFIBUS e PROFINET, sem ser afetado por erros comuns de transmissão ou interferências que podem ocorrer no canal. Isso é alcançado através de técnicas como: 

• Encapsulamento de dados de segurança: os dados de segurança são encapsulados dentro do quadro de dados normal, isolando-os das camadas inferiores de comunicação;
• Verificação de integridade: mecanismos de verificação, como CRC (Cyclic Redundancy Check), são usados para garantir que os dados não sejam alterados ou corrompidos durante a transmissão;
• Validação de sequência e tempo: são implementados controles para garantir que os dados de segurança sejam recebidos na sequência correta e dentro de um período de tempo aceitável, evitando ações baseadas em informações desatualizadas ou fora de ordem.

Essas características tornam o Black Channel uma técnica poderosa para implementar comunicações de segurança em sistemas de automação industrial, permitindo que os protocolos de segurança, como o PROFIsafe, sejam robustos e confiáveis mesmo sobre infraestruturas de rede que não são originalmente projetadas para suportar funcionalidades de segurança.

Onde é utilizado o PROFIsafe?

Amplamente utilizado em diversos setores da indústria, incluindo automotivo, químico e manufatura, o PROFIsafe é particularmente valorizado onde a falha nos sistemas de segurança pode resultar em danos significativos ou situações perigosas para pessoas e meio ambiente. Ele é implementado em sistemas que variam desde simples módulos de entrada/saída de segurança até complexos sistemas de controle de movimento.

O PROFIsafe não apenas minimiza os riscos de acidentes, mas também contribui para a eficiência e confiabilidade dos processos industriais.

Transmissão segura de dados por rádio: o princípio do Black Channel em detalhes

O uso de tecnologias wireless também é possível, segundo as definições que constam na norma. Tanto o controlador de segurança quanto o sistema IO remoto devem ser certificados pelo TÜV e devem suportar o protocolo PROFIsafe.

Graças ao Black Channel, não é necessária nenhuma certificação de segurança para o dispositivo wireless, pois ele é tratado como outro componente qualquer da infraestrutura, como switches ou cabos, que não interfere na função de segurança. Não é preciso recalcular o nível de segurança da função de segurança (SIF - Safety Instrumented Function) em que o rádio está inserido.

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Segurança funcional wireless

Qualquer tecnologia wireless (WiFi, Bluetooth, 4G e 5G) pode ser utilizada para a transmissão de dados PROFIsafe.

Fatores como a taxa de transmissão de dados e a detecção de erros não afetam a integridade da segurança. Para garantir a segurança funcional wireless, o PROFIsafe usa vários recursos e funcionalidades específicas que fazem parte do protocolo. Por exemplo: 

• As mensagens F são numeradas; assim, o receptor pode verificar se as mensagens foram recebidas completamente e sem erros de sequência;
• Os tempos limite, até que uma mensagem seja confirmada, são registrados e uma autenticação exclusiva do remetente e do receptor garante que não haja possibilidade de manipulação da comunicação;
• O PROFIsafe também usa uma verificação de bloco cíclico para integridade dos dados.

Com esses mecanismos abrangentes, os aplicativos PROFIsafe podem atender aos parâmetros de segurança até SIL3, de acordo com a norma IEC 61508/511, ou Performance Level e (PLe), de acordo com a norma EN ISO 13849-1.7.

Requisitos especiais para sistemas wireless relacionados à segurança

Em princípio, o procedimento para implantar uma aplicação com PROFIsafe, seja através de conexão via cabo ou wireless, não apresenta grandes diferenças. No entanto, existem aspectos essenciais que devem ser considerados para garantir uma comunicação wireless segura em ambientes industriais.

Ao comparar com a transmissão de dados via cabo, é essencial considerar que, nas soluções wireless, devemos lidar com uma taxa de transmissão mais baixa e tempos de latência variáveis. Se optarmos por manter o intervalo de atualização padrão de 1ms, típico na comunicação PROFINET com fio, os links de rádio podem rapidamente se sobrecarregar, levando à perda de telegramas e, eventualmente, a erros de barramento, resultando no desligamento e paralisação do sistema.

Ao aumentar o tempo de atualização, podemos compensar as limitações de taxa de dados mais baixas e as latências variáveis. Contudo, isso pode tornar toda a aplicação mais lenta, o que se torna problemático em funções de segurança para equipamentos ou máquinas em que o tempo de resposta é crucial. Por exemplo, nos controles de pontes rolantes ou guindastes, o tempo máximo de monitoramento não deve exceder 500 ms.

Smart Radio: tecnologia patenteada de pré-processamento aumenta a velocidade e a estabilidade da rede wireless

Para enfrentar esses desafios, a tecnologia patenteada DATAEAGLE Smart Radio para comunicação wireless em ambientes industriais surge como a solução ideal.

Essa tecnologia compensa a taxa de dados mais baixa e a latência variável da comunicação por rádio, emulando o comportamento típico da comunicação via cabo. Além disso, faz o pré-processamento dos telegramas, filtrando as informações e omitindo as redundantes.

Isso reduz o volume de dados transmitidos, permitindo que o controlador opere com o menor tempo de atualização possível, mesmo em modo wireless. O intervalo de transmissão é ajustado de forma flexível à qualidade da conexão de rádio, transmitindo apenas as porções de dados que sofreram alterações, enquanto os dados que permanecem inalterados são excluídos da transmissão.

Conclusão

Em resumo, estas são as principais considerações para a correta implantação de um sistema de intertravamento de segurança wireless com PROFIsafe e rádios DATAEAGLE: 

• O protocolo PROFIsafe pode ser utilizado com soluções de rádio - o princípio do Black Channel garante que o nível de integridade de segurança (SIL) não é afetado pelo meio de transmissão;
• Deve-se levar em conta a taxa mais baixa de transmissão de dados e a variação dos tempos de latência da tecnologia wireless em comparação com o cabo;
• A tecnologia patenteada Smart Radio dos rádios DATAEAGLE faz o pré-processamento dos dados, que se traduz em menor quantidade de dados trafegando pela rede e maior estabilidade do link;
• Milhares de rádios DATAEGLE estão instalados em todo o mundo, nos mais diferentes tipos de aplicações críticas de segurança, com um histórico notável de operação ininterrupta, confiável e segura.

(*) A WESTCON Instrumentação Industrial é amplamente reconhecida por sua atuação pioneira na prestação de serviços de Análise, Diagnóstico, Troubleshooting e Certificação de Redes.