PROFINET e OPC – a combinação perfeita para a Indústria 4.0 Comunicações industriais impulsionaram o desenvolvimento da automação nas últimas décadas. A introdução dos protocolos de comunicações industriais, como o PROFIBUS, tornaram possível flexibilizar e agilizar o desenvolvimento dos sistemas de controle de plantas e linhas de produção. Da modularização de sistemas e máquinas às funções de diagnósticos rápidos e intuitivos operando em altas velocidades de comunicação, ao mesmo tempo, em que se reduzem os custos com cabeamento e instalações das redes industriais.
Esses argumentos foram extremamente eficazes até alguns dias atrás, porém as demandas técnicas decorrentes da Manufatura Avançada, Indústria 4.0 (I4.0) e Industrial Internet of Things (IIoT), estão mudando as regras do jogo num ritmo avassalador quando consideramos modernas técnicas de comunicações industriais.
Atualmente uso de protocolos de comunicações industriais totalmente compatíveis com as redes Ethernet já é uma realidade. Mesmo quando se utilizam protocolos industriais que a primeira vista não utilizam o cabo Ethernet como meio físico, como é o caso do PROFIBUS DP/PA, ASi e do IO Link, por exemplo, é possível afirmar que esses protocolos são 100% interoperáveis com os protocolos de comunicações industriais no nível Ethernet, como o PROFINET, possibilitando a perfeita integração do chão de fábrica ao ambiente corporativo local ou na nuvem de forma transparente e eficaz, não desprezando nenhum dado ou condição de processo, independente da forma como esse dado foi capturado originalmente.
E por que as redes Ethernet são tão importantes?
Diferentemente do que acontecia com as redes industriais de décadas passadas, as redes Ethernet permitem que múltiplas aplicações simultâneas e com propósitos completamente diferentes possam coexistir no mesmo cabo e compartilhem dados entre si sem perdas de funcionalidades ou perdas de desempenho. Dessa forma, ao se utilizar um protocolo industrial 100% compatível com a rede Ethernet, como o PROFINET, é possível termos controladores industriais comunicando com equipamentos de campo, como sensores, atuadores, ilhas de válvulas, inversores de frequência, IO remotos, leitores RFID e toda gama de equipamentos industriais em uso ou que ainda nem foram desenvolvidos. Nessa mesma rede Ethernet, uma aplicação industrial estabelecida através do PROFINET, torna possível que outras aplicações industriais ou corporativas usufruam da flexibilidade da rede Ethernet de forma natural. Ferramentas de gestão de ativos, ferramentas de diagnósticos, servidores de e-mail e web ou coletores de dados para sistemas MES/ERP/Laboratoriais que provavelmente não utilizam o PROFINET, porém são 100% compatíveis com redes Ethernet cabeadas ou sem fio, conviverão e poderão ser integradas com as aplicações industriais operando sob o PROFINET ao mesmo tempo e no mesmo cabo.
O que torna essa combinação tão vantajosa é a flexibilidade proporcionada pela implementação do PROFINET através da rede Ethernet, uma vez que dados de controle em tempo real são enviados diretamente no cabo Ethernet, sendo priorizados pelos mecanismos previstos nas especificações IEEE 802, sem comprometimento ou impossibilidade de envio de outros dados decorrentes das demais aplicações industriais ou corporativas. De uma maneira muito simplista, é como se a rede Ethernet fosse uma estrada com diversas pistas de rolagem, sendo que algumas pistas são dedicadas ao tráfego de carros extramente velozes, porém sem impedir o acesso das pistas de rolagem mais lentas por carros que não querem ou não precisam rodar tão rápidos. O mais interessante é que a rede Ethernet opera como controlador de acesso às pistas, impedindo colisões (acidentes) entre as faixas de rolagem ou o uso indevido das pistas de rolagem mais rápidas ou mais lentas. Em outras palavras, é controlador de trafego de estradas ideal! Apesar de lúdica, essa seria uma das melhores formas de explicar o funcionamento de uma rede Ethernet operando em velocidade de 100Mbs ou 1Gbps com controle Full Duplex.
Mas o futuro é muito mais desafiador do que aparenta ser.
Se pelo lado da aplicação industrial o protocolo PROFINET já está consolidado como a escolha ideal para o controle de sistemas em tempo real sob Ethernet, pelo lado de integrações verticais com ambientes corporativos e com a nuvem os desafios são completamente diferentes e mais complexos. Diferentemente das aplicações em tempo real, aonde a velocidade e a confiabilidade de entrega dos dados tem papel primordial, pelo lado das aplicações corporativas a capacidade de manusear imensos volumes de dados de forma simples e eficaz seria o Santo Graal dessas de aplicações.
Por imensos volume de dados, considere a necessidade dessas aplicações coletarem não mais MegaBytes de dados, mas sim TeraBytes ou PentaBytes de dados de uma quantidade de sensores que aumenta exponencialmente a cada momento, e que um simples sensor não envia apenas os dados da sua medição principal, mas também diversos dados associados à sua medição principal, como qualidade do dado, condição de operação do sensor no momento em que o dado foi capturado, anomalias observadas durante a operação do sensor, etc e etc.
Essas aplicações enfrentam também outros desafios além dos volumes dos dados. Por exemplo, é necessário que o dado tenha contexto. Na realidade o dado bruto e simples deixa de ser importante. O mais importante é que o dado passe a ser considerado uma informação valiosa ao ser interpretado através do contexto no qual ele está inserido. Essa informação passa a ter a capacidade de ser automaticamente identificada e descrita através de uma semântica que utiliza uma estrutura/modelagem de dados padronizada e facilmente replicável. Assim sendo, uma informação de campo, ao ser utilizada numa plataforma de Big Data e Analytics não necessita grandes esforços de engenharia para ser adicionada e interpretada em tais plataformas. Na realidade, a capacidade de autodescrição e interpretação também podem ser utilizadas no nível dos controladores industriais, uma vez que programas de automação cada vez mais sofisticados terão capacidade de integrar e controlar automaticamente um número crescente de sensores.
Assim sendo, um sensor enviará sua informação estruturada não apenas para uma única aplicação, seja ela corporativa, analítica ou de controle em tempo real. Na realidade esse sensor fará a publicação dos seus dados para multiplicas aplicações ao mesmo tempo, utilizando mecanismos que distribuirão essas informações de forma segura e automática, independente da quantidade de consumidores desse sensor.
Para solucionar esses desafios muitos protocolos podem ser empregados em conjunto, de forma a criar uma suíte de sistemas de comunicações. Tais suítes podem ser empregadas conforme o segmento em questão como aplicações residenciais, comerciais, saúde, financeiras, objetos vestíveis, etc só para citar alguns. No segmento industrial o protocolo OPC UA é de longe a solução mais aceita na troca de dados com sistemas verticais, uma vez que consegue endereçar com perfeição os desafios técnicos apresentados anteriormente.
E quais são as vantagens ao se utilizar OPC UA e PROFINET ao mesmo tempo?
Para responder essa pergunta é importante observar que nenhum sistema de Big Data e Analytics fará sentido se não conseguir obter o máximo possível de informações do ambiente a ser analisado. Em aplicações residenciais, por exemplo, medidores de energias inteligentes serão conectados a sistemas de tarifação e análise de energia rodando na nuvem. Uma vez que os medidores residências atualmente não possuem nenhuma interface de comunicação, novos medidores serão desenvolvidos e instalados em nossas residências. Esses medidores muito provavelmente utilizarão algum protocolo de integração vertical, porém ainda assim será necessário um processo enorme de substituição dos medidores já instalados.
Pensar numa substituição em massa de todos os equipamentos industriais em uso atualmente praticamente inviabiliza a integração desses equipamentos de forma vertical, tanto pelo lado financeiro quanto pelo lado técnico. E é aqui que entra em ação a perfeita combinação do OPC UA e do PROFINET.
Equipamentos indústrias que operam em PROFINET, o principal protocolo industrial sob rede Ethernet, são facilmente integrados verticalmente através do OPC UA. No caso de outros protocolos industriais não Ethernet, como PROFIBUS DP/PA, ASi e IO Link, por exemplo, equipamentos que operam com essas tecnologias podem integrados naturalmente e de forma transparente com o PROFINET e a partir de então com o OPC UA.
E quais são as facilidades de integração entre o PROFINET e o OPC UA?
Apesar de parecer mágico não existe nenhum tipo de magia nessa integração. O que existe é perfeita integração técnica dos protocolos industriais mais promissores e em uso atualmente sob rede Ethernet. Uma vez que ambos os protocolos são 100% compatíveis com a rede Ethernet, a coexistência desses protocolos no mesmo cabo é 100% assegurada. A simples coexistência no mesmo cabo não é garantia de integração entre eles e nesse sentido foi assinado em Novembro de 2015 um acordo de cooperação e desenvolvimento mútuo entre a PROFIBUS & PROFINET International (PI) e a OPC Foundation, associações técnicas independentes e sem fins lucrativos responsáveis pelo desenvolvimento dos protocolos PROFIBUS/PROFINET/IO Link e OPC (DA, AE, HDA e UA), respectivamente. Esse acordo de cooperação prevê o desenvolvimento em comum de tecnologias que beneficiem a integração tecnológica entre essas associações, beneficiando usuários, fabricantes e integradores de sistemas que utilizam esses protocolos.
E como o PROFINET e o OPC UA se complementam?
O PROFINET continua a ser o principal protocolo de controle industrial em tempo real sob Ethernet, inclusive fazendo integração com outros protocolos de comunicação e focado no desenvolvimento de perfis de comunicação que expandem e padronizam a troca de dados entre sistemas industriais, sendo os principais PROFISafe (perfil de segurança operacional mais utilizado atualmente), PROFIDrive (focado na integração de sistemas motion control), PROFIEnergy (focado nas funções de gerenciamento de energia) e outros em desenvolvimento. O OPC UA continua a ser o principal protocolo de integração vertical sob rede Ethernet.
Não existem sobreposições técnicas entre eles. Eles se complementam e compartilham funcionalidades. Essa complementação visa, por exemplo, a possibilidade de mapeamento automático de informações de campo capturadas pelo PROFINET durante o controle em tempo real da planta para o OPC UA, seja através dos sistemas de controle (CLP, DCS, IHM, SCADA, etc), seja através de gateways (Edge Gateways, Software Gateways, etc). Na realidade já existem dezenas de equipamentos industriais que permitem o uso do PROFINET e do OPC UA simultaneamente na mesma porta de comunicação Ethernet. Assim, dados de sensores e atuadores passam a ser contextualizados através de estruturas de dados do OPC UA, transformando dados de campo em informações padronizadas e de fácil interpretação/integração. Já é possível mapear dados de campo para estruturas OPC UA definidas por associações/iniciativas de classes como OMAC, PackML, EuroMap, com isso sistemas corporativos/analíticos que implementem tais estruturas irão consumir essas informações via OPC UA, sem perceber que tais informações foram capturadas do chão de fábrica através do PROFINET, assim tornado a integração dos dados do chão de fábrica muito mais simples e eficaz.
O mesmo vale para informações estruturadas do PROFINET focadas nos diagnósticos de equipamentos de campo. Não existem limites na estruturação e modelagem dos dados de campo através do PROFINET e do OPC UA. Através dos recursos técnicos oriundos do OPC UA e incorporados pelo PROFINET, é possível afirmar que cada vez mais conceitos de orientação a objetos serão aplicados em sistemas industriais.
Deixando claro que realmente existe um acordo de cooperação mútua entre as associações, a OPC Foundantion e a PI emitiram um memorando em Novembro de 2017 com o intuito de criar um grupo de trabalho para a implementação do PROFISafe no OPC UA. Com isso, podemos esperar funcionalidades de segurança operacional (segurança de máquinas e processos) via OPC UA disponíveis em equipamentos industriais num curto espaço de tempo, permitindo que controladores e sistemas industriais de diferentes fornecedores possam ser utilizados para garantir a mais segura operação de um sistema industrial, tanto em termos de segurança industrial (através do PROFISafe) quanto em termos de cybersecurity (através dos canais de comunicação seguros do OPC UA).
Qual é o papel do OPC UA e do PROFINET no futuro do IIoT?
É certo que muitas tecnologias ainda precisam passar por um processo de amadurecimento técnico e a adoção de algumas delas podem ser um tiro no escuro nesse momento. Definitivamente esse não é o caso ao se optar pelo uso em conjunto do OPC UA e do PROFINET, uma vez que estamos falando de décadas de maturidade desses protocolos através dos seus antecessores (OPC DA e PROFIBUS). As décadas de experiência da OPC Foundantation e da PI gabaritam essas associações a afirmar que conhecem muito bem as necessidades industriais e corporativas das empresas no que tange comunicações industriais. Tanto o OPC UA quanto o PROFINET já possuem pelo menos uma década de uso e são indicados por diversos estudos de mercado como líderes de uso em suas zonas de atuação. O acordo de cooperação técnica entre as associações só consolida uma integração tecnológica que muito provavelmente aconteceria de forma natural, mesmo sem esse acordo. O acordo em si é uma segurança muito maior para os usuários e fabricantes de equipamentos sob essas tecnologias, assegurando que o futuro com OPC UA e PROFINET é a melhor forma de garantir o investimento em novas máquinas e plantas através dessas tecnologias.
Mesmo que a rede Ethernet venha a evoluir, é assegurado o futuro do investimento através do OPC UA e PROFINET, uma vez que esses protocolos são 100% compatíveis com os padrões IEEE802. Já está em desenvolvimento um novo padrão Ethernet de altíssima velocidade, conhecido como TSN (Time Sensitive Network). Tão logo esse novo padrão Ethernet esteja disponível no mercado os usuários e fabricantes de dispositivos OPC UA e PROFINET poderão aproveitar os ganhos de velocidade, confiabilidade e previsibilidade de troca de dados levados ao extremo pelo TSN e que certamente serão necessários nas redes industriais de um futuro não muito distante.
OPC UA e PROFINET, o caminho mais rápido e seguro em direção ao uso do IIoT de acordo com as necessidades da Industria 4.0.
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Referências:
- PROFINET Technology and Application – System Description – 2014 – Associação Profibus & PROFINET International
- White Paper: PROFINET – The Solution Platform for Process – 2015 – Associação Profibus & PROFINET International
- White Paper: How Profinet and Industrie 4.0 Enable Information-Driven Industries – 2015 – ARC Advisory Group
Márcio Santos
Consultor Técnico de Digital Factory Automation na SIEMENS Brasil
Diretor Técnico da Tecnologia PROFINET na Associação PROFIBUS & PROFINET Brasil
Entusiasta e aficionado por protocolos de comunicação industrial, destacando-se os protocolos IEC101/104, OPC, ICCP, IEC61850, Modbus, PROFIBUS e PROFINET.
