Como usar um único cabo de barramento de campo para vários protocolos Ethernet simultâneos

A mudança acelerada para a Indústria 4.0 e a Internet Industrial das Coisas (IIoT) traz a necessidade da coleta de dados e conectividade, permitindo a análise para melhorar a produtividade e a segurança. No entanto, a transferência e a coleta de dados horizontais e verticais em uma fábrica podem ser complexas e caras, especialmente quando há várias redes e ambientes adversos envolvidos. Os projetistas precisam de uma maneira eficiente de projetar, implantar e gerenciar redes industriais que possam trocar dados com vários controladores lógicos programáveis (CLPs), sensores e atuadores de diferentes fornecedores, usando simultaneamente diferentes protocolos e o mínimo de fiação.

Isso pode ser feito por meio de uma plataforma de entrada/saída (E/S) distribuída, integrada e otimizada que pode lidar com vários protocolos em um único cabo Ethernet. Esse sistema também permite que os operadores de redes industriais simplifiquem os requisitos de serviço e reduzam o estoque de peças sobressalentes por meio da padronização em uma única plataforma de E/S, independentemente do CLP que estiver sendo usado.

Este artigo apresenta uma breve análise das redes da Indústria 4.0. Em seguida, ele apresenta uma plataforma de E/S da Siemens que acomoda vários barramentos de campo Ethernet em um único cabo em ambientes adversos e mostra como ela pode ser usada para atender às necessidades dos projetistas da Indústria 4.0.

Protocolos Ethernet

As implementações da Indústria 4.0 têm uma variedade de necessidades de comunicação. Cada um dos três principais protocolos do barramento de campo, PROFINET, EtherNet/IP e Modbus TCP, oferece suporte a diferentes casos de uso, desde a tecnologia de operação (OT) no chão de fábrica até a tecnologia da informação (TI).

PROFINET: Esse é um protocolo determinístico de alto desempenho usado para a troca de dados entre controladores, como CLPs e dispositivos. Ele é adequado para funções críticas de segurança e em tempo real que incluem aplicações de controle de movimento de alta velocidade. Ele também é usado para integrar funções de OT/TI.

EtherNet/IP: usa o protocolo Ethernet padrão, o que facilita a implementação com dispositivos Ethernet. O CIP (Common Industrial Protocol) é otimizado para aplicações de automação industrial e suporta tecnologias de rede, incluindo EtherNet/IP. O EtherNet/IP também pode ser usado para troca de dados do nível de campo para sistemas de TI.

Modbus TCP: esse é um protocolo baseado em TCP/IP que é útil para funções não críticas em termos de tempo, como consumo de energia e coleta de dados ambientais, bem como trocas de dados entre o nível de campo e os sistemas de TI.

Como cada um dos três barramentos de campo tem uma finalidade específica, todos os três são necessários. Isso cria desafios complexos de comunicação, e é aí que entram os sistemas MultiFieldbus. O controlador de comunicações MultiFieldbus fica entre o nível de campo e o nível de controle, comunicando-se simultaneamente com vários controladores que usam protocolos diferentes em um único cabo de rede (Figura 1). Os dispositivos MultiFieldbus podem ser encontrados em diversos ambientes, desde o interior de um gabinete de controle protegido até o exterior, no chão de fábrica e em instalações externas remotas.

Figura 1: Um controlador de comunicações MultiFieldbus fica entre o nível de campo e o nível de controle, facilitando a conectividade e a comunicação abrangentes da Indústria 4.0. (Fonte da imagem: Siemens)

Diversos ambientes

A diversidade ambiental exige dispositivos com uma variedade de classificações de proteção contra ingresso (IP) desde IP20 a IP67. O sistema de classificação IP está incorporado no padrão 60529 da Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) e classifica os dispositivos com base na capacidade do gabinete de fornecer proteção contra a entrada de poeira e líquidos e na facilidade com que as partes perigosas do sistema fechado podem ser acessadas por dedos, ferramentas ou objetos sólidos de vários tamanhos. Os códigos IP consistem em dois dígitos. O primeiro indica a proteção contra objetos sólidos e é classificado em uma escala de 0 (sem proteção) a 6 (sem entrada de poeira). O segundo dígito indica a proteção contra líquidos e é classificado de 0 (sem proteção) a 9 (proteção contra água quente em alta pressão de diferentes ângulos).

Por exemplo, os dispositivos com classificação IP20 são úteis dentro de gabinetes de controle ou ambientes semelhantes. O 2 indica proteção contra partículas > 12,5 milímetros (mm), como dedos ou objetos semelhantes, e o 0 indica que não há proteção contra a entrada de água.

Para ambientes mais desafiadores, as classificações IP típicas incluem IP65, IP67 e IP69K, em que o 6 indica um gabinete vedado e totalmente à prova de poeira. Essas classificações de IP fornecem proteção variável contra a água.

• O IP65 indica que a água projetada por um bocal (6,3 mm) contra um gabinete em qualquer direção não terá efeitos prejudiciais.
• O IP67 indica que a entrada de água em uma quantidade prejudicial não deve ser possível quando o gabinete estiver imerso em água até 1 metro (m).
• O IP69K é para equipamentos usados em veículos rodoviários e se aplica a lavagens de alta pressão e alta temperatura.

Plataforma MultiFieldbus

A plataforma MultiFieldbus SIMATIC ET 200 I/O e os módulos de interface da Siemens podem trocar dados simultaneamente com vários controladores usando os protocolos PROFINET, EtherNet/IP e Modbus TCP pelo mesmo cabo. Os protocolos de comunicação são todos configuráveis por software, sem nenhuma alteração no hardware. A plataforma completa SIMATIC ET 200 I/O com MultiFieldbus também inclui módulos com classificações IP20 para uso em gabinetes de controle, módulos com IP65 e IP67 para uso interno em máquinas e IP69K para uso externo (Figura 2).

Figura 2: A plataforma MultiFieldbus SIMATIC ET 200 I/O inclui várias famílias de dispositivos e pode suportar instalações da Indústria 4.0 em gabinetes de controle, em ambientes internos em máquinas e em ambientes externos. (Imagem: Siemens)

O sistema pode suportar a comunicação simultânea com até seis CLPs usando diferentes protocolos de barramento de campo. Além disso, há módulos para IO-Link, Profibus, ponto a ponto (PtP), rede de área de controle (CAN), interface de sensor-atuador (Asi), interface de iluminação digital endereçável (DALI) e multiplexador digital DMX512. As E/S padrão e à prova de falhas podem ser combinadas em uma única estação.

A arquitetura multifuncional e modular do sistema suporta a personalização em massa, uma marca registrada das fábricas da Indústria 4.0. A fiação rápida é suportada com terminais push-in, e os módulos estão disponíveis para uma variedade de funções, como contagem, monitoramento de energia, partidas de motor, entradas de posição, servoacionamentos, detecção de temperatura, E/S baseada em tempo e até mesmo carregamento de veículos elétricos. Muitos dos módulos suportam o PROFIenergy, um perfil do protocolo de comunicações PROFINET que permite o gerenciamento de energia em dispositivos de automação industrial.

O SIMATIC ET 200SP é um sistema de E/S distribuído, multifuncional e escalável com uma ampla variedade de módulos. Por exemplo, o modelo 6ES71556MU000CN0 é um módulo de interface de duas portas para uso dentro de gabinetes de controle (Figura 3), e o modelo 6ES71936BP000BA0 é uma unidade base SIMATIC ET 200SP com uma pegada particularmente pequena, projetada para instalação em pequenas caixas de controle ao lado de máquinas. Ambos têm classificação IP20 e uma faixa de temperatura operacional de -30°C a +60°C.

Figura 3: O 6ES71556MU000CN0 é um módulo de interface de duas portas para uso dentro de gabinetes de controle. (Fonte da imagem: Siemens)

Módulos tolerantes à vibração para linhas de montagem

O SIMATIC ET 200AL foi otimizado para aplicações que envolvem movimento, como linhas de montagem automatizadas e semiautomatizadas (Figura 4). Os módulos podem suportar vibrações de até 5 g continuamente, com um máximo de 10 g. Eles têm classificação IP65/67 com uma faixa de temperatura operacional de -25°C a +55°C, e seu design compacto e leve é adequado para aplicações de controle distribuído em máquinas. Eles estão disponíveis com larguras de módulo de 30 mm ou 45 mm e suportam até 32 módulos por estação. Os módulos suportam a integração de sensores e atuadores usando conectores M8 ou M12, dependendo do módulo. Eles também apresentam a funcionalidade PROFIenergy.

Figura 4: Os módulos ET 200AL (canto inferior direito) são otimizados para aplicações que envolvem movimento e podem suportar vibrações de até 5 g continuamente. (Fonte da imagem: Siemens)

Exemplos de módulos ET 200AL incluem:

• O 6ES71415BF000BA0 tem oito entradas digitais e soquetes M8 para conectar sensores de proximidade e chaves. Ele mede 30 mm x 159 mm.
• O 6ES71445KD500BA0 tem oito entradas analógicas e soquetes M12 para conexões. Os tipos de medição podem ser programados para cada canal, incluindo tensão, corrente (transdutores de 2 e 4 fios), resistência (transdutores de 2 e 3 fios) e detectores resistivos tipo termômetro (conexões de 2 e 3 fios). Ele tem resolução de 16 bits e mede 30 mm x 159 mm.

Módulos com classificação IP65/67 para montagem em máquina

Os módulos SIMATIC ET 200pro são classificados para IP65/67 e projetados para instalação fora de um gabinete de controle, diretamente em uma máquina. Com uma conexão sem fio, esses módulos são adequados para uso em aplicações como sistemas de veículos autônomos, gerenciamento de edifícios, logística de armazéns e sistemas de monotrilho elétrico. A família pode ser substituída em funcionamento e inclui módulos de unidade central de processamento (CPU), módulos de interface, módulos de E/S e módulos funcionais.

A série ET 200pro inclui uma gama de funções como IO-Link e identificação por radiofrequência (RFID). Os módulos de partida de motor podem ser usados para dar partida e proteger motores e cargas de até 5,5 quilowatts (kW). Estão disponíveis versões à prova de falhas que podem suportar o nível de integridade de segurança (SIL) 3. O módulo conversor de frequência pode ser usado para controle de malha aberta ou fechada de motores de indução. O módulo de medição de temperatura 6ES71444JF000AB0 é altamente flexível e pode ser programado para usar uma variedade de detectores resistivos de temperatura (RTDs), incluindo Pt100, PT200, PT500, Pt1000, NI100, NI200, NI500 e NI1000, e pode exibir a temperatura em Celsius ou Fahrenheit.

Módulos de montagem em máquina para ambientes externos e áreas risco

Os módulos SIMATIC ET 200eco PN fornecem um bloco de E/S compacto com classificações IP65 e IP67 e são adequados para instalação sem gabinete diretamente em uma máquina. Como todos os módulos ET 200, eles são compatíveis com PROFINET, Ethernet/IP e Modbus TCP. Esses módulos vêm em um alojamento de zinco fundido totalmente vedado e são resistentes a vibração, poeira, óleo e umidade, o que os torna adequados para instalações externas. Eles têm uma temperatura operacional de -40°C a +60°C. A série ET 200eco PN é aprovada pela diretiva ATEX (atmosferas explosivas) da União Europeia (UE) e pode ser usada em áreas de risco até a zona 2.

Para dispositivos compatíveis com a especificação IO-Link V1.1, os parâmetros do dispositivo e do mestre podem ser transferidos automaticamente usando a "função de inicialização automática" sem nenhuma configuração prévia, caso um dispositivo precise ser substituído. Por exemplo, o módulo 6ES71486JG000BB0 pode operar como um dispositivo mestre IO-Link V1.1 e inclui uma combinação de 4 portas IO-Link Classe A e 4 portas IO-Link Classe B (Figura 5). As portas podem funcionar como entradas ou saídas digitais, dependendo das atribuições dos parâmetros. Ele é classificado para IP67 e IP69K e suporta três taxas de transmissão: 4,8 quilobaud (kBd) na COM1, 38,4 kBd na COM2 e 230,4 kBd na COM3.

Figura 5: O módulo SIMATIC ET 200eco PN (à esquerda) e um detalhe de uma instalação típica (à direita) (Fonte da imagem: Siemens)

Conclusão

A implantação de redes da Indústria 4.0 é um empreendimento complexo que deve levar em conta várias interfaces de comunicação e ambientes operacionais variados. Para simplificar as redes de fábrica, os projetistas podem usar a plataforma MultiFieldbus SIMATIC ET 200 da Siemens para trocar dados simultaneamente com até seis CLPs usando os protocolos PROFINET, EtherNet/IP e Modbus TCP pelo mesmo cabo.

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