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Ethernet no Campo – Futura solução para automação de processos e instrumentação em localizações remotas e perigosas


 
Estão ocorrendo desenvolvimentos para obter uma Camada Física Avançada (Advanced Physical Layer - APL) para Ethernet, que possa ser usada em automação de processos e instrumentação para conectar dispositivos de campo em localizações remotas e perigosas.
 
Funções e características da ethernet no campo:
  • Baseada na Ethernet, para qualquer protocolo ou aplicação;
  • Alimentação e dados sobre uma linha de par trançado e blindado;
  • Qualquer método de proteção para área perigosa de segurança especialmente intrínseca, incluindo validação simples;
  • Conexão transparente para qualquer rede TI;
  • Reutilização de cabos de dois fios existentes;
  • Suporta a topologia familiar tronco e ramal;
  • Acesso ao dispositivo a qualquer tempo e em qualquer lugar;
  • Comunicação rápida e eficiente para automação e outras aplicações.
 
Ethernet no Campo é uma visão promovida por novos desenvolvimentos tecnológicos, como as iniciativas Industrial Internet of Things e a German Industrie 4.0. Ambas introduziram novos paradigmas para possibilitar aplicações baseadas em representações digitais em tempo real de qualquer objeto. Os dispositivos de campo existentes tipicamente dependem de infraestruturas de rede fieldbus limitadas que retardam a implementação de aplicações altamente intensivas em dados. Para levar as indústrias de processo ao futuro é necessário um novo padrão de rede que seja capaz de transferir dados de processo de instrumentos para sistemas de comunicação com a velocidade e flexibilidade das tecnologias padrão Ethernet e IP.
 
A realização dessa visão começou em 2011, quando um grupo de fornecedores de solução diante da urgência de vários grupos de usuários finais iniciou uma investigação técnica de uma camada física avançada (Advanced Physical Layer - APL), neutra em termos de protocolo, que poderia resolver o problema existente há muito tempo da Ethernet de longo alcance para uso em locais perigosos. Os resultados dessa investigação de cinco anos demonstraram a viabilidade de uma solução para esse problema, gerando interesse em uma solução industrial baseada nos padrões de Ethernet IEEE.
 
Em 2016, a IEEE Standards Association aprovou o projeto IEEE P802.3cg que focava o desenvolvimento de aperfeiçoamento do padrão Ethernet existente IEEE 802.3 (IEEE 802.3) para Ethernet via par de fios trançados (10BASE-T1L), que permitiria aplicações de longo alcance e havia sido projetado para uso em áreas perigosas.
 
Um trabalho paralelo, conhecido como o Projeto APL focaliza na extensão do padrão 10BASE-T1L, para uso em áreas perigosas (Zonas 0 e 1 / Divisão 1), para desenvolver Padrões para todos os métodos típicos de proteção, especialmente de segurança intrínseca e portanto, promove a adoção da Ethernet para automação de processo e instrumentação.
 
O Projeto APL é suportado por vários fornecedores chave às indústrias de processo:
ABB, Endress+Hauser, Krohne, Pepperl-Fuchs, Phoenix Contact, Rockwell Automation, Samson, Siemens, Stahl, Vega e Yokogawa. O projeto coopera com organizações importantes de desenvolvimento de padrões (Standards Development Organizations - SDO) para comunicações industriais: o Fieldcomm Group, ODVA e PROFIBUS & PROFINET International (PI).
 
Aspectos importantes desses projetos paralelos incluem esforços para alterar normas IEC relevantes para a instalação de dispositivos Ethernet em áreas perigosas. Após completar todos os testes das normas IEEE e IEC e os testes de conformidade dos dispositivos de campo relacionados, a Ethernet no Campo (Ethernet to the Field) deverá finalmente estar pronta em 2022.
 
Automação de processo e instrumentação no mundo digitalizado
Nas indústrias de manufatura, a Industrial Internet of Things e a Industrie 4.0 já fazem parte das operações diárias. Em um futuro próximo, essas tecnologias entrarão também no campo de automação de processo e instrumentação. Nas indústrias de processo, conceitos específicos de domínio como a Namur Open Architecture (NOA) ou Open Process Automation Standards (O-PAS™) do Open Process Automation Forum (OPAF) estão atualmente tentando simplificar de forma eficiente a construção, comissionamento, e operação de plantas de processo. O uso mais amplo das soluções sem fio, integração simplificada de dispositivos de campo e Ethernet para o campo representam componentes integrais desses conceitos.
 
 
 
Os participantes no projeto APL reconhecem a necessidade de acrescentar a universalidade e a velocidade de comunicação da Ethernet padrão às instalações existentes de dispositivos de campo. O objetivo é acelerar o desenvolvimento e adotar uma nova camada física Ethernet para o uso em automação de processos e instrumentação, que podem ser instalados em áreas perigosas, permitir a conectividade de longo alcance, e incluir uma opção para alimentação do dispositivo pela linha.
Essa nova camada física Ethernet e os protocolos de automação que definem a estrutura e o significado das informações que estão sendo transmitidas de e para dispositivos de campo são os fatores que habilitam a Internet das Coisas Industrial (Industrial Internet of Things). Ela fornecerá o pré-requisito para ampliar o mundo digitalizado para a automação de processo e instrumentação.
 
Os principais SDOs que participam do projeto estão trabalhando para garantir que todas as tecnologias e padrões sejam compatíveis com seus respectivos protocolos (EtherNet/IP, HART-IP e PROFINET). Eles também contribuirão para as normas de conformidade, independente de protocolo para suas respectivas redes de Ethernet industrial.
 
Instalação e infraestrutura familiar de tecnologia e ecossistema
A APL é a camada física Ethernet reforçada, de dois fios, controlada em loop que usa 10BASE-T1L mais extensões para instalação dentro das condições exigentes de operação e áreas perigosas das plantas de processo. Ela permite uma conexão direta dos dispositivos de campo com os sistemas baseados em Ethernet, de uma maneira que as indústrias de processo possam se beneficiar de uma convergência de seus sistemas OT e IT. O uso de uma arquitetura de chaveamento elimina quaisquer interferências indesejadas entre dispositivos conectados na mesma rede.
 
 

A Ethernet para o campo adota tecnologias e opções já estabelecidas no campo de automação de processos. Isso inclui a topologia tronco e ramal (trunk-and-spur), mostrada na figura acima, com a habilidade de alimentar até 50 dispositivos de campo de até 500 mW cada um. São especificadas infraestruturas de cabos amplamente usadas e estabelecidas para suportar a migração em instalações brown field para a futura conectividade Ethernet. As características principais estão destacadas na tabela:
 
 
 
Proteção em áreas perigosas
Os métodos para proteção contra ignição seguem regras básicas típicas para instalações elétricas. Em nível de tronco, métodos mecânicos, tais como segurança aumentada, são usados para transferir a máxima potência especificada na área perigosa.
 
A segurança intrínseca é suportada no ramal. A validação das conexões intrinsecamente seguras é similar ao FISCO, permitindo um procedimento de validação simples para cada conexão sem cálculos.
 
Infraestrutura
Fora cabos e conectores, uma infraestrutura APL consiste em dois componentes básicos:
  • Power Switches APL permitem a conectividade entre todas as redes Ethernet padrão e dispositivos de campo, e incluem fontes de alimentação que fornecem energia para as Field Switches APL e para os dispositivos de campo. Tipicamente, elas estão localizadas na sala de controle ou na caixa de junção em um rack. Switches e fontes de alimentação podem ser projetados com redundância;
  • Field Switches APL são projetados para instalação e operação em áreas perigosas, que são tipicamente Zona 1 e 2 ou Divisão 2. Normalmente, elas são alimentadas em loop pela Power Switch APL, e distribuem sinais de comunicação e alimentação via ramais aos dispositivos de campo.
 
Instrumentação, atuadores e outros dispositivos
Os dispositivos de campo com interface APL permitem uma fácil integração em sistemas de nível mais alto. Os fabricantes podem simplesmente integrar a APL no portfólio de produtos existentes, incluindo medidores de nível e vazão, transmissores de temperatura e pressão, posicionadores ou dispositivos para análise de líquido e gás.
 
A tecnologia APL também oferece conexão simples em áreas perigosas para novos dispositivos, como câmeras IP e pontos de acesso wireless, permitindo monitoramento temporário e abrangente para manutenção e solução de problemas.
 
Componentes simples e legados (Legacy)
Contatos simples sem tensão, interruptores de proximidade, sensores de temperatura ou simples válvulas solenoide e instrumentação legacy, frequentemente, requerem conexão a sistemas de controle de nível superior. Para alguns desses componentes, a conectividade Ethernet pode não ser necessária ou economicamente razoável. Para tais aplicações, os sistemas I/O Remotos proporcionam uma porta para o futuro.
 
Dispositivos de campo com conectividade Ethernet de par trançado se tornam padrão. A migração dos dispositivos legacy para a nova tecnologia será um procedimento fácil, já que a infraestrutura Ethernet básica já está instalada. Quaisquer soluções certificadas para instalação e operação em áreas perigosas podem também ser operadas com a futura Ethernet para o campo.
 
O ecossistema
A APL constitui um investimento importante para os parceiros da indústria, como fornecedores de dispositivos de campo, fornecedores de sistemas de automação e de componentes de estruturas. Todos eles compartilham da mesma visão de uma camada física única, comum e transparente para a Ethernet no campo de automação de processos. Com a comunicação APL, baseada em normas estabelecidas IEEE e IEC, certificadas em qualquer região no mundo, pode-se prever uma ampla participação no mercado.
 
A APL é uma tecnologia básica, que permite um desenvolvimento amplo e inovativo de produtos. Desde as empresas de engenharia até as plantas e skid-builders, dos provedores de serviço aos fornecedores de dados e usuários finais, todos se beneficiarão com a digitalização das plantas de processo.
 
Com sua habilidade para combinar comunicação Ethernet com alimentação pelo mesmo par de fios trançados, essa camada física, fácil de manipular, dará origem a uma geração de dispositivos e componentes de infraestrutura, que simplificarão a tecnologia de processos e permitirão aplicações completamente novas na automação de processo. Virtualmente, não há limites.
 
 
PI (PROFIBUS & PROFINET International)



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