Como implementar redes de controle híbridas em aplicações industriais

Os complexos industriais como refinarias de petróleo e gás, plantas químicas, terminais de gás natural liquefeito e instalações similares são enormes e são desafiados a melhorar a eficiência operacional, apoiar a produção flexível, reduzir custos e garantir uma operação segura e protegida. A natureza contínua dos processos de produção aumenta os desafios. Para garantir o funcionamento ideal, as redes de controle industrial nestas instalações devem monitorar constantemente a temperatura, pressão, vibração, fluxo e outros parâmetros em milhares de locais. As redes podem se estender por vários quilômetros (km) e exigem várias tecnologias de comunicação de dados por fibra óptica para suportar uma gama de dispositivos, desde sensores de baixa largura de banda até controles e dispositivos de segurança em tempo real de maior largura de banda.

Para alcançar estes diversos requisitos, os engenheiros de rede precisam implantar uma mistura ideal de vários tipos de dispositivos de comunicação por fibra óptica e cobre, todos conectados com comutadores compactos de Ethernet industrial, também conhecidos como switches, com fontes de alimentação redundantes, amplas capacidades de temperatura operacional, monitoramento remoto e recursos avançados de segurança.

Este artigo começa com uma breve visão geral da Ethernet Industrial (IE), incluindo a necessidade de redes híbridas de comunicação de dados de fibra/cobre com um foco particular na fibra óptica. Ele compara fibras monomodo (SM) e multimodo (MM), examina os padrões de módulos de fibra óptica com capacidade de conexão em funcionamento e mostra como funciona o monitoramento de diagnóstico digital (DDM) de módulos de fibra óptica e, em seguida, apresenta uma gama de dispositivos de comunicação de dados por fibra óptica da Cisco Systems, Phoenix Contact e Intelligent Network Solutions, junto com um comutador de Ethernet industrial gerenciado com uma mistura de portas de cobre e fibra óptica em um gabinete IP40 reforçado da Red Lion Controls.

A IE é baseada no uso de protocolos Ethernet com comutadores de faixa de temperatura estendida e interconexões robustas para resistir a ambientes agressivos. A IE pode suportar controle e determinismo em tempo real e é implementada usando uma gama de protocolos de comunicação como EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET e Modbus TCP.

Espera-se que as redes IE forneçam algum nível de interoperabilidade entre os sistemas antigos e atuais e ainda produzam um desempenho previsível e sejam facilmente mantidas para maximizar o tempo de funcionamento. Uma combinação de interconexões de cobre e fibra óptica é frequentemente utilizada em grandes instalações. Quando apropriado, o cobre pode oferecer uma alternativa de custo mais baixo. Entretanto, o uso de fibra óptica pode reduzir problemas associados ao ruído elétrico, proporcionar isolamento elétrico e suportar comprimentos de interconexão muito maiores que podem ser particularmente úteis em complexos industriais grandes e dispersos.

Fibra MM vs. SM

A luz desce uma fibra ótica porque o descasamento do índice óptico entre o núcleo e o revestimento provoca uma reflexão interna total. O diâmetro do núcleo é crítico e define o cone de aceitação contendo os ângulos nos quais a luz que entra na fibra pode continuar a se propagar. A fibra SM usa um pequeno núcleo de 10 micrômetros (µm) que pode suportar apenas um modo de propagação, chamado modo fundamental. As fibras ópticas MM têm grandes diâmetros de núcleo em relação ao comprimento de onda operacional da luz. Esses núcleos maiores guiam simultaneamente muitos modos, também chamados de padrões de onda estacionária, de luz (Figura 1). A norma ISO/IEC 11801 define cinco classes de fibra MM com base em dois tamanhos de núcleo e várias características de largura de banda: OM1, OM2, OM3, OM4 e OM5. Os cabos de fibra óptica podem ser categorizados com base no núcleo e no diâmetro do cabo. Por exemplo, 62,5/125 µm se refere à MM OM1. Os cabos de 50/125 µm são usados para MM OM2, OM3, OM4 e OM5, e 10/125 µm é um exemplo de um cabo SM.

Figura 1: As fibras MM são relativamente grandes em diâmetro e podem suportar a transmissão de muitos modos de luz ao mesmo tempo. (Fonte da imagem: Cisco Systems)

As fibras MM podem ser operadas com fontes de diodos emissores de luz (LED), mas os projetos de maior desempenho usam lasers emissores de superfície de cavidade vertical (VCSELs). O uso de VCSELs permite que as redes de fibra MM forneçam taxas de dados de vários gigabits.

As cinco categorias de fibras MM são baseadas no comprimento de onda da luz (em nanômetros, nm), diâmetro do núcleo em μm e largura de banda modal. A largura de banda modal é uma medida da taxa máxima de sinal em megahertz (MHz) para uma determinada distância em km, ou a distância máxima para uma determinada taxa de sinalização, e é o produto da largura de banda e da distância, MHz x km. Para um determinado cabo, quando a distância é cortada pela metade, a taxa máxima de sinalização duplica. As classes de fibras MM definidas pela ISO/IEC 11801 são:

• OM1: núcleo de 62,5 μm com uma largura de banda modal mínima de 200 MHz km a 850 nm
• OM2: núcleo de 50 μm com uma largura de banda modal mínima de 500 MHz km a 850 nm
• OM3: núcleo de 50 μm com uma largura de banda modal mínima de 2000 MHz km a 850 nm
• OM4: núcleo de 50 μm com uma largura de banda modal mínima de 4700 MHz km a 850 nm
• OM5: núcleo de 50 μm com uma largura de banda modal mínima de 4700 MHz km a 850 nm e 2470 MHz km a 953 nm

A norma OM3 foi projetada para suportar a norma Ethernet IEEE 802.3 10GbE. Quando usados com a modulação VCSEL, os cabos MM OM3 podem fornecer 10 gigabits por segundo (Gb/s) a distâncias de até 300 metros (m). Na maioria dos casos, as ligações de fibra MM OM3, ou links, são as soluções mais econômicas para aplicações de até cerca de 500 m. As ligações MM OM4 podem suportar distâncias de até 1 km. Para distâncias mais longas e taxas de dados mais altas, são necessárias fibras SM.

SFP para cobre e fibra

A interface plugável de pequeno fator de forma (SFP) é um formato compacto de módulo de rede conectável em funcionamento, utilizado para comunicação de dados e redes de telecomunicações. Uma interface SFP em hardware de rede como um comutador Ethernet é um slot modular para um transceptor específico de mídia, como um cabo de cobre ou fibra óptica. Os SFPs permitem que as portas sejam equipadas com diferentes tipos de transceptores, conforme a necessidade. O SFP substituiu o conversor de interface gigabit (GBIC) previamente desenvolvido e maior e às vezes é chamado de "mini-GBIC". O Small Form Factor Committee especificou o fator forma, os intertravamentos mecânicos e as interfaces elétricas através de um acordo entre várias fontes, o MSA SFF-8472 (Figura 2). Além das interfaces SFP padrão, é possível obter velocidades mais altas usando SFP+ para até 10 Gbit/s e SFP28 para velocidades de 25 Gbit/s.

Figura 2: Elementos mecânicos de um módulo FPS de fibra óptica destacando os mecanismos de bloqueio e intertravamento e as conexões de fibra óptica e elétrica. (Fonte da imagem: Intelligent Network Solutions e Jeff Shepard)

Estão disponíveis transceptores de fibra óptica SFP que suportam redes ópticas síncronas (SONET), Gigabit Ethernet, Fibre Channel, redes ópticas passivas (PON) e outros padrões de comunicação.

Monitoramento de diagnóstico digital

O MSA SFF-8472 também define as funções DDM para transceptores de fibra óptica. O DDM é às vezes chamado de monitoramento óptico digital (DOM). O DDM permite aos administradores de rede monitorar a potência óptica de entrada/saída, temperatura, corrente de polarização do laser e tensão de alimentação do transceptor em tempo real (Figura 3). O DDM é uma expansão da interface ID serial definida na especificação GBIC. O DDM inclui alarmes e indicadores de advertência que enviam alertas se os parâmetros de operação estiverem fora de uma configuração de fábrica para operação normal.

Figura 3: O DDM pode monitorar o desempenho dos transceptores ópticos SFP e enviar alertas se algum parâmetro estiver fora dos limites nominais de operação. (Fonte da imagem: Intelligent Network Solutions)

O DDM é projetado para ajudar a prever falhas e apoiar a manutenção preventiva para o máximo tempo de funcionamento da rede. O fabricante do transceptor estabelece limiares DDM para vários parâmetros. A operação do transceptor além de qualquer limite resultará em desempenho degradado e poderá causar erros de transmissão. O transceptor envia um alarme quando o valor de um parâmetro excede um limite especificado. Além disso, o módulo deixará de transmitir dados e o receptor se recusará a receber quaisquer mensagens. Não é raro que vários alarmes sejam emitidos de uma só vez; por exemplo, se a potência óptica de transmissão for muito alta, a temperatura também pode ser alta.

Enquanto o DDM desliga e protege o sistema quando os limites predefinidos são excedidos, ele também pode ser usado para monitorar os parâmetros operacionais do transceptor e permitir que os operadores vejam os valores que estão indo na direção errada antes que eles excedam os níveis prejudiciais, permitindo que a manutenção preventiva seja programada.

Fibra MM e alcance de 1 km

Os projetistas de redes de controle industrial podem usar o módulo SFP Gigabit 2891754 da Phoenix Contact para suportar transmissões de até 1 km usando fibras projetadas para operar com um comprimento de onda de 850 nm (Figura 4). Este módulo é adequado para aplicações industriais e funciona numa faixa de temperatura de -40 a 85 °C e até 95% de umidade. A distância de transmissão depende da fibra utilizada:

• 275 m com 62,5/125 µm (OM1)
• 550 m com 50/125 µm (OM2)
• 800 m com 50/125 µm (OM3)
• 1000 m com 50/125 µm (OM4)

Figura 4: Este transceptor óptico SFP tem um alcance de 1 km ao operar com um comprimento de onda de 850 nm e um cabo OM4. (Fonte da imagem: DigiKey)

Alcance de 20 km com fibra SM

O módulo SFP INT 506724 da Intelligent Network Solutions suporta transmissões de dados 1000Base-LX de até 20 km em uma fibra monomodo 9/125 µm usando um laser de 1310 nm. Ele suporta DDM, e a carcaça metálica reduz a interferência eletromagnética (EMI) e aumenta a durabilidade (Figura 5). Tem uma faixa de temperatura operacional de 0 a 70 °C e é especificado para 10 a 85% de umidade relativa (UR).

Figura 5: O módulo SFP INT 506724 da Intelligent Network Solutions suporta transmissões de dados 1000Base-LX de até 20 km em uma fibra monomodo 9/125 µm usando um laser de 1310 nm. (Fonte da imagem: Intelligent Network Solutions)

Transceptores SFP de 10 km

O SFP-10G-BXD-I e o SFP-10G-BXU-I da Cisco operam com fibra SM, e suportam distâncias de transmissão de até 10 km quando conectados a uma porta SFP+. Estes transceptores apresentam interoperabilidade óptica com interfaces 10GBASE XENPAK, 10GBASE X2 e 10GBASE XFP na mesma ligação e incluem funções DOM que monitoram o desempenho em tempo real. Quando usado, um SFP-10G-BXD-I sempre se conecta a um SFP-10G-BXU-I. O SFP-10G-BXD-I transmite um canal de 1330 nm e recebe um sinal de 1270 nm, e o SFP-10G-BXU-I transmite um canal de 1270 nm de comprimento de onda e recebe um sinal de 1330 nm (Figura 6).

Figura 6: Estes transceptores ópticos utilizam comprimentos de onda diferentes para transmitir e receber dados. (Fonte da imagem: Cisco Systems)

Comutador gerenciado por ethernet industrial

Os engenheiros de rede que precisam de um comutador de Ethernet Gigabit gerenciado por 12 portas que apresenta oito portas com quatro portas combinadas SFP, e o monitoramento Modbus podem recorrer ao Sixnet SLX-8MG-1 da Red Lion. O SLX-8MG-1 possui oito portas 10/100/1000Base-T(X) com quatro portas combinadas SFP (suportando transceptores de fibra 100Base ou 1000Base). O SLX-8MG é alojado em um gabinete metálico fino e reforçado de trilho DIN para uso em ambientes industriais desafiadores e suporta entradas redundantes de energia de 10 a 30 VCC e uma faixa de temperatura operacional de -40 a 75 °C. Também inclui monitoramento remoto Modbus/TCP, recursos avançados de segurança, capacidade ampliada de choque e vibração, e altos níveis de ruído elétrico e imunidade a surtos.

Figura 7: O comutador gerenciado por Gigabit Ethernet SLX-8MG-1 apresenta oito portas 10/100/1000Base-T(X) com quatro portas combinadas SFP (canto superior esquerdo). (Fonte da imagem: Red Lion)

Conclusão

As redes híbridas de fibra óptica e de cobre podem ajudar a melhorar a eficiência operacional, apoiar a produção flexível, reduzir custos e garantir uma operação segura em operações industriais de grande escala como refinarias de petróleo e gás e plantas químicas. Os engenheiros de rede podem usar switches/comutadores gerenciados por Ethernet Gigabit para implantar uma mistura de links de comunicação em fibra óptica e cobre. O uso de fibras MM e SM suporta a largura de banda modal ideal e a inclusão da capacidade DDM permite a manutenção preventiva para garantir o máximo tempo de funcionamento da rede.