César Cassiolato (*)

Introdução

Com um cenário de forte concorrência global e a busca por melhorias nos processos industriais, estamos vendo um avanço exponencial de novas tecnologias aplicadas à Indústria 4.0. 

Processos, fluxos de trabalho, a forma de gerir o desempenho estão mudando drasticamente. As operações não podem mais funcionar em execução linear ou isolada das diversas áreas da indústria: o mundo a cada dia fica mais conectado. 

A transformação digital em andamento traz novas tecnologias para apoiar o próximo salto de produtividade e performance na indústria e envolverá a reinvenção de muitos setores ao redor do mundo, por meio da utilização de tecnologias de ponta.

Nesse sentido, a aderência ao mundo digital torna-se um fator decisivo para sobrevivência na competição.

Com o advento da tecnologia digital, a convergência dos dados foi um catalisador para ganhos significativos para a automação e para a gestão industrial como um todo. 

Já vemos vários segmentos industriais se preparando e se adaptando a essa transformação, deixando a tradicional estrutura de pirâmide hierárquica para a arquitetura estruturada de rede.

Figura 1 – Estrutura de pirâmide hierárquica x a arquitetura estruturada de rede

Figura 2 – A transformação digital no mercado de automação de processos

A transformação digital e o mercado de automação de processos e instrumentação

Espera-se que o tamanho do mercado global de automação e instrumentação de processos ultrapasse os US$ 85 bi em 2023 com um CAGR de 5,5%. Já o Mercado Global de Automação deve ultrapassar US $340 bi com um CAGR de 9%.

Tivemos um crescimento enorme de aplicativos e ferramentas de software, aliado às novas plataformas de hardware com CPUs poderosas (ARMS, Low Power etc.), o que vem garantindo uma maior adoção de produtos de instrumentação e automação de processos em todos os setores.

O mercado de Ethernet industrial deve ultrapassar os US$ 55 bi em 2023 e cresce a mais de 15% ao ano, principalmente agora com o advento da Indústria 4.0 e onde há a necessidade de uma rede de comunicação eficiente que conecte todos os diversos níveis e componentes de forma escalável, flexível e segura. E o APL, que veremos a seguir, vem com suas características proporcionar vários benefícios.

APL – Advanced Physical Layer

APL é o novo meio físico baseado em ethernet industrial para redes de campo e que vem sendo definido e promovido pelas organizações ODVA, PROFIBUS International, FieldComm Group e OPC.

O padrão foi estabelecido em 2018 e sua documentação finalizada em 2022.

Baseado na IEEE 802.3, com um único par de fios operando a 10 Mbits/s com comunicação full-duplex, levando sinal de comunicação e alimentação. A taxa é mais de 300 vezes a taxa do PROFIBUS-PA (31.25 kbits/s). Melhora de performance em geral.

Em conformidade com os requisitos para uso em áreas perigosas.

O objetivo é a substituição da tecnologia de redes de campo em sinergia com a Indústria 4.0.

Assim, visualiza-se um cenário onde em uma mesma estrutura de rede ethernet podemos ter equipamentos de campo em vários protocolos (PROFINET, EtherNet/IP, ModbusTCP, HART/IP), assim como já é disponível atualmente para diferentes modelos de inversores e servos controladores.

A demanda por equipamentos de campo com características avançadas, cada vez mais inteligentes, aliada ao ideal de unificação dos barramentos em um único padrão, deu origem à iniciativa do Ethernet-APL.

Figura 3 – Comparando o Ethernet-APL x outros protocolos em relação à velocidade de comunicação

Figura 4 – Comparando o Ethernet-APL x outros protocolos

Vejamos alguns cenários interessantes:

Figura 5 – Aplicações integradas com redes Ethernet, dados em nuvem, análise de dados

Figura 6 – Ethernet APL x Ethernet Industrial

Figura 7– Ethernet APL x Área Classificada

Alguns pontos marcantes que fazem a diferença:

•     Permite até 60W de alimentação em áreas não classificadas;

•     Maior quantidade de equipamentos: até 50 dispositivos de campo de até 500 mW cada um;

•     Em conjunto com comunicação operando à velocidade de 10 Mbps usando apenas 1 par de fios;

•     O comprimento ponto a ponto máximo é de 1000 m e spurs de até 200 m;

•     O cabo adotado deve atender à IEC 61158-2 (AWG 22-14), permitindo aos clientes de PROFIBUS-PA conservar o investimento feito em infraestrutura de cabeamento.

Figura 8 – Ethernet APL x Cabos

A topologia pode ser do tipo trunk e spurs. As caixas de junção e proteção, utilizadas em instalações PROFIBUS-PA para isolar curtos e facilitar a manutenção, são agora substituídas pelos chamados APL Field Switches.

Na verdade, o Ethernet-APL suporta qualquer topologia. O tronco pode ter uma distância máxima de 1000m com alimentação externa, sendo que isso dependerá:

•     Número de APL field switches conectados ao APL trunk alimentado;

•     Número de APL field devices conectados, field switches e o consumo deles;

•     Bitola do cabo;

•     Temperatura no cabo;

•     Classificação da área.

Figura 9 – Ethernet APL x Topologia

A comunicação até o nível de campo é extremamente rápida graças à rápida taxa de dados de 10 MBit/s. Os operadores da planta são capazes de tomar as decisões certas com base em informações detalhadas sobre as operações da planta fornecidas pela tecnologia. A comunicação padronizada de alta velocidade em todos os níveis torna o status geral da planta acessível em tempo real. O acesso rápido e direto ao dispositivo, com dados do processo e dados de diagnóstico facilita a manutenção preditiva, pois as anomalias podem ser identificadas no estágio inicial antes que possam causar falha no equipamento. Portas de diagnósticos estão presentes. Veja a figura 10.

Figura 10 – APL x Diagnósticos

O futuro é digital

A Indústria 4.0 e as plantas do futuro demandam, cada vez mais, novas características e um tráfego cada vez maior de dados. O APL será o catalisador para que torne isso realidade.

Nuvem: A comunicação dos dispositivos APL será totalmente roteável, graças aos mecanismos UDP/TCP/IP e os dados poderão ir dos instrumentos de campo até a nuvem sem gateways e conversão de protocolos.

Os equipamentos APL poderão manusear uma grande quantidade de dados com grande facilidade e tempo de resposta; poderão permitir atualizações de firmware e funcionalidades de forma automática; poderão armazenar manuais e mesmo arquivos de interfaces com ferramentas de configuração como DD/EDDL/FDI (Intelligent Device Management (IDM) - carregará automaticamente os arquivos quando o equipamento estiver conectado e, dessa forma, evitará erros de versões e poderá sempre estar atualizado). Fácil configuração por meio de webservers.

Novos equipamentos, sensores e novas funcionalidades serão desenvolvidos. Com mais flexibilidade com consumo de energia nos equipamentos, permitindo interfaces mais poderosas, do tipo IHM.

Conclusão

Estamos passando por uma transformação digital que parece ser somente o início de uma revolução. Esse novo mundo permite a exploração do potencial da tecnologia digital em vários segmentos, de forma segura, confiável, eficiente, robusta, com a mais alta qualidade, maior disponibilidade e proporcionando benefícios na otimização dos processos e controles industriais.

A tecnologia embarcada nos produtos que atendem à Indústria 4.0 permite o próximo passo na melhoria de performance da instrumentação com alta confiabilidade e rumo à excelência operacional com o advento do APL: convergência do meio físico das redes ethernet e que proporcionam facilidades de instalação, configuração, melhorias significativas de performance e facilidades com a manutenção preditiva.

Referências

- Material Indústria 4.0 – César Cassiolato

- Material Ethernet-APL – César Cassiolato

- https://www.vivaceinstruments.com.br/pt/neuron, acessado em 23/02/2023

(*) César Cassiolato é presidente e diretor de Qualidade da Vivace Process Instruments.