Conectividade - a rede de transporte da automação sustentável

Tecnologias como SPE, PoDL e Ethernet APL superam as limitações tradicionais da comunicação industrial. Interfaces avançadas para sinais, dados e energia elétrica são essenciais aqui: elas ajudam os fornecedores de automação a economizar recursos e custos ao conectar equipamentos de produção em rede.

(Fonte da imagem: PeopleImages via Getty Images)

A digitalização e as redes de dados contínuas que penetram nos processos corporativos até o nível de campo da produção são uma tendência duradoura na tecnologia de automação. Seu objetivo é criar ambientes de produção altamente flexíveis que possam ser personalizados para atingir um nível sem precedentes de diversificação e produtividade. Para isso, o setor de manufatura está passando por uma transformação revolucionária sob a égide da "Indústria 4.0", sendo o uso sustentável de todos os recursos disponíveis um dos aspectos mais importantes.

Do campo para a nuvem, sem interrupções

A conectividade perfeita entre máquinas, produtos e – em última instância – pessoas é característica dessa transformação, que está começando a penetrar maciçamente nos limites tradicionais entre a Tecnologia Operacional (TO) e a Tecnologia da Informação (TI). Com a Ethernet Industrial, há uma tecnologia disponível atualmente que pode interconectar perfeitamente até mesmo dispositivos ao nível de campo via TCP/IP às infraestruturas de dados baseadas em nuvem das empresas, em banda larga e com boa relação custo-benefício. Ao contrário dos barramentos de campo, a Ethernet industrial abrange todos os níveis de automação – de ponta a ponta, desde o dispositivo de campo até a nuvem. Assim, os operadores de fábricas e plantas industriais podem acessar os dados do dispositivo em tempo real e usá-los para o planejamento da produção, controle de processos e análise de dados.

A Ethernet Industrial permite, por exemplo, a aquisição e a análise em tempo real de dados de sensores, fontes de alimentação ou acionamentos. Informações sobre mudanças de temperatura ou vibrações em pontos críticos, bem como perfis de carga, permitem tirar conclusões para a otimização dos parâmetros do processo. Elas anunciam quando situações de sobrecarga são esperadas e sinalizam a necessidade de manutenção em um estágio inicial. A manutenção preditiva é particularmente importante nesse caso, pois ajuda os operadores a melhorar a disponibilidade de suas plantas e máquinas, bem como a minimizar o consumo de energia e o uso de recursos – o que, por um lado, reduz os custos operacionais e, por outro, contribui decisivamente para a sustentabilidade das plantas de processos e fábricas.

Alternativa RJ45 robusta

A rede de transporte física dessas redes, especialmente da Ethernet Industrial, é a tecnologia de interconexão de alto desempenho que permite a transmissão confiável de sinais e dados entre os vários nós das redes de automação. Além da robustez física que exigem no uso industrial, essas soluções enfrentam uma série de novos desafios atualmente, resultantes, por exemplo, da grande quantidade de nós de rede, de sua miniaturização ou da alta largura de banda de transmissão. Isso inclui, em particular, fatores de forma compactos, esforço reduzido de instalação e cabeamento, alta integridade do sinal – ou seja, blindagem sofisticada contra interferência eletromagnética – e confiabilidade em longas distâncias de transmissão. Esse último é particularmente relevante em campos de plantas extensas. Cada vez mais, o fornecimento de energia dos dispositivos que usam conectores de dados também é necessário.

A interface padrão para comunicação Ethernet é o conector RJ45, amplamente utilizado. Os usuários frequentemente relatam problemas com os contatos ou elementos de travamento quebrados; o RJ45 também limita a miniaturização devido ao seu tamanho. Em contrapartida, alternativas como a interface ix Industrial do fornecedor alemão HARTING (Figura 1) são substancialmente menores e muito mais robustas, particularmente resistentes a choques e vibrações. De acordo com o fabricante, é possível economizar até 70% de espaço na placa de circuito em comparação com o RJ45 padrão. O conector com blindagem de 360° foi projetado para comunicação Ethernet de 10 Gbit/s e é compatível com PoE (Alimentação via Ethernet) e PoE+ para transmissão de energia.

Figura 1: Consideravelmente menor e mais robusta do que os conectores RJ45 padrões: A interface ix Industrial de Ethernet industrial da HARTING. (Fonte da imagem: HARTING)

A ix Industrial é uma interface desenvolvida pela HARTING em conjunto com a especialista japonesa em conectores Hirose. Suas dimensões, propriedades elétricas e codificação estão em conformidade com a norma IEC 61076-3-124. Outros fabricantes, como a empresa americana Amphenol Communications Solutions, também oferecem produtos com propriedades comparáveis que podem ser combinados com a ix Industrial: por exemplo, conectores push-pull para ambientes severos nos graus de proteção IP65/66/67, conectores ix Mag com elementos de indução magnética integrados (Figura 2) ou cabos de conexão de Ethernet para RJ45 com conectores RJ45 angulares; eles fornecem Ethernet de 100 Gbit e funcionalidade PoE/PoE+.

Figura 2: Amphenol ix Mag: Comunicação Ethernet de até 10 Gbit/s, blindagem de 360° e PoE++ de até 90 W (Fonte da imagem: Amphenol Communications Solutions)

Caso de uso do ix Industrial

O exemplo a seguir ilustra o enorme potencial das interfaces Ethernet miniaturizadas e de alto desempenho para aplicações da Indústria 4.0:

O sistema de transporte linear XTS da Beckhoff, especialista em automação, é uma solução de acionamento que utiliza movimentadores acionados magneticamente que se deslocam ao longo de um trilho de módulos de motor totalmente integrados. De acordo com a Beckhoff, seu controle independente, que permite perfis de movimento individuais, é o ponto de partida para novos conceitos de máquinas que permitem processos de fabricação mais flexíveis com paralisações mais curtas, como a reformulação do equipamento.

Para que os movimentadores sigam seu padrão de deslocamento, um computador deve calcular constantemente a comutação e o fornecimento de corrente dos respectivos módulos do motor. Para essa finalidade, é possível combinar um total de três placas de computador, sendo que cada uma delas tinha anteriormente quatro soquetes RJ45 como portas. Para permitir que mais movimentadores sejam operados na última geração do sistema XTS sem a necessidade de alterar as dimensões do sistema, os soquetes RJ45 foram substituídos pela interface ix Industrial da HARTING. A blindagem confiável e a alta taxa de transferência de dados foram os principais requisitos aqui. Ao contrário do RJ45, cada conector ix Industrial permite duas conexões Ethernet de 100 Mbit/s. Assim, oito portas em vez de quatro poderiam ser montadas na mesma placa e dois canais Ethernet poderiam ser instalados por porta, em vez de um.

Como resultado, foram implementadas 48 portas em vez de 12 nas três placas de computador. Assim, com a última geração de XTS, 48 em vez de 12 linhas XTS podem ser usadas por unidade, o que corresponde a um aumento de 400% no desempenho do sistema de transporte.

Dois fios – em vez de quatro ou oito

Um atributo distintivo da tecnologia de automação industrial atual é sua migração de arquiteturas hierárquicas para descentralizadas. Elas são considerados avançadas e particularmente produtivas e, além disso, prometem maior segurança de rede. Isso ocorre porque os nós inteligentes, como sensores inteligentes ou computadores de borda, que são capazes de executar determinadas tarefas de processamento de dados de forma autônoma, reduzem o tráfego de dados confidenciais entre a borda e a nuvem. As vantagens da descentralização são evidentes, mas o número de dispositivos conectados no campo está crescendo enormemente, assim como os esforços de cabeamento e conectividade. Seu uso econômico, tanto em termos de material e esforço de instalação quanto de consumo de energia, está se tornando um critério importante para a sustentabilidade das instalações de fabricação.

A Ethernet de par simples (SPE) é considerada um avanço decisivo em termos de eficiência e custo-benefício. A tecnologia de comunicação é definida pelo padrão IEEE 802.3; a série de padrões IEC 63171-x se aplica aos respectivos conectores. Essencialmente, ela permite que os componentes de campo sejam conectados por meio de apenas um par trançado, ou seja, dois fios em vez dos quatro ou até oito anteriores: de baixo custo, eficiente em termos de recursos e, portanto, extremamente sustentável. Originalmente desenvolvida para eletrônica automotiva, a SPE atende aos requisitos de muitos fornecedores de automação: O único par de fios permite que eles integrem um grande número de instrumentos, controladores e outros dispositivos em redes Ethernet com taxas de dados de gigabit (Figura 3).

Figura 3. A Ethernet de par simples permite a integração do nível de campo à comunicação Ethernet de banda larga com eficiência de recursos e de custos. (Fonte da imagem: SPE Industrial Partner Network)

Outra vantagem: graças à compatibilidade PoDL (Alimentação via linha de dados, IEEE P802.3bu), o mesmo par de fios é capaz de fornecer não apenas dados, mas também energia elétrica aos dispositivos de campo. Além de atuadores e sensores, na faixa de potência da fonte PoE anterior, os instrumentos baseados em câmera podem ser conectados e alimentados via PoDL, por exemplo.

Produtos para Ethernet de par simples

No segmento de SPE, a HARTING está assumindo uma posição com seu conector T1, incluindo travamento e blindagem EMI de 360° (Figura 4). O T1 com capacidade para PoDL está disponível em designs circulares, incluindo M8 e M12. Em termos de graus de proteção, o espectro de produtos varia de IP20 a IP67 e, de acordo com o fabricante, as respectivas contrapartes de interface são projetadas para atender às classes de proteção e garantir a interoperabilidade.

Figura 4: Funcionalidade de travamento blindada e equipada – o T1 compatível com PoDL é oferecido para graus de proteção IP20 a IP67. (Fonte da imagem: HARTING)

A Phoenix Contact também oferece um abrangente portfólio SPE para cabeamento em campo abrangente de e para gabinetes de controle, sensores, comutadores e gateways. Os produtos desse fornecedor incluem, por exemplo, conectores de placa ou cabos de conexão para uso em ambientes industriais IP20 a IP67.

O fornecedor de ferramentas de código aberto SparkFun Electronics oferece uma placa de função SPE para dar suporte aos desenvolvedores na criação de aplicações com Ethernet de par simples (Figura 5). A placa, chamada MicroMod COM-19038, inclui um transceptor Ethernet ADIN1110 da Analog Devices, componentes passivos da Würth Elektronik e um conector T1 da HARTING. Uma interface MAC (controle de acesso à mídia) integrada permite a comunicação serial com um controlador host a 10 Mbit/s no modo full duplex. A placa suporta nós de rede por meio de cabos de 1700 m de comprimento, mas não foi projetada para fornecer energia aos nós por meio desse cabo. Kirk Benell, CTO da SparkFun, apresenta a placa de desenvolvimento em um vídeo de demonstração.

Figura 5: Demonstrador de um sensor de ambiente com um display. (Fonte da imagem: SparkFun Electronics)

Rede de ponta a ponta em tecnologia de processos

As vantagens técnicas da Ethernet de par simples, por exemplo, em relação ao monitoramento de estado e à manutenção preditiva, também são benéficas para a automação de processos. No entanto, um perfil de requisitos extensos para conectividade Ethernet se aplica aqui. Além da comunicação em tempo real robusta e de banda larga, como também é necessário em um chão de fábrica, as plantas de processo de grande alcance exigem a transferência de dados a longas distâncias. Além disso, os componentes de automação devem ser intrinsecamente seguros para uso em ambientes potencialmente explosivos. É aí que a chamada Ethernet APL (Ethernet Advanced Physical Layer) entra em cena: ela define uma camada de transmissão física para a comunicação Ethernet a 10 Mbit/s, bem como para o fornecimento de energia por meio de um fio duplo – como na SPE – em distâncias de até 1.000 m. Assim como a SPE, a Ethernet APL é perfeitamente adequada para instrumentação de campo universal e multiuso.

Resumo

A Ethernet industrial e, em especial, a Ethernet de par simples, oferece suporte à rede de banda larga de equipamentos de produção. Elas possibilitam a comunicação contínua do nível de campo com a nuvem e permitem o acesso em tempo real aos dados do dispositivo, o que dá suporte aos operadores na otimização da planta e do processo. Seus benefícios são claramente evidentes na redução dos custos operacionais, maior disponibilidade e uso otimizado de energia e recursos. Tecnologias avançadas de conexão, como as interfaces ix Industrial e os conectores SPE com capacidade PoDL, garantem a transmissão confiável de dados e energia entre todos os nós da rede. Isso os torna componentes essenciais da Indústria 4.0 e uma rede de transporte dos conceitos de automação sustentável.