Cálculo de Banda · Ciclo RT · Número de dispositivos · Tráfego acíclico · Margens · Expansão

César Cassiolato (*)

Resumo
A interface 10BASE-T1L oferece 10 Mbit/s full-duplex por enlace. Este artigo mostra que o dimensionamento de uma rede Ethernet-APL não deve se limitar à taxa nominal: é necessário considerar bytes cíclicos, overhead, tempo de ciclo, tráfego acíclico, diagnósticos, engenharia, margens e expansão.

Vamos ver exemplo com vários transmissores e o artigo mostra a metodologia, acrescentando fórmulas, análise de sensibilidade, cenários de 8/16/32 ms, tabelas de engenharia, orçamento de banda, critérios para uplinks, QoS, jitter, redundância e um formulário de cálculo para uso em projeto.

1. Capacidade do 10BASE-T1L
A taxa nominal é 10 Mbit/s full-duplex, isto é, 10 Mbit/s em cada direção simultaneamente. A 10 Mbit/s, um intervalo de 16 ms corresponde teoricamente a 160.000 bits, ou 20.000 bytes por direção. Esse valor é capacidade bruta; não representa payload útil disponível para a aplicação.

Frames Ethernet e PROFINET carregam preâmbulo, endereços, identificadores, status, FCS e, conforme a configuração, VLAN e outros campos. Por isso, o cálculo de engenharia deve usar o tamanho efetivamente transmitido e reservar margem.

2. Método de dimensionamento

Figura 1 – Cinco etapas para dimensionar a carga.

2.1 Definir o ciclo RT
O ciclo deve ser determinado pela dinâmica do processo e pela estratégia de controle. Reduzir o ciclo de 16 ms para 8 ms duplica a taxa necessária para transmitir o mesmo volume por unidade de tempo; aumentar para 32 ms reduz pela metade.

2.2 Levantar os bytes por dispositivo
Para cada dispositivo, levantar Input, Output, status e slots adicionais que participem ciclicamente. Valores típicos como exemplo, estão na ordem de 50 a 300 bytes em um total de equipamentos, considerando a transmissores, mas em um projeto deve usar os tamanhos reais dos módulos configurados.

2.3 Incluir overhead
Em geral temos uma aproximação 40–70 bytes de overhead por frame, dependendo de VLAN e cabeçalhos. Esse número deve ser substituído pelo valor real quando a arquitetura estiver definida.

2.4 Fórmula básica
Para uma aproximação inicial: Banda cíclica [bit/s] ≈ (Σ bytes transmitidos por ciclo × 8) / T_ciclo. Quando Input e Output forem enviados em frames distintos, o overhead deve ser contabilizado em cada frame correspondente, e não apenas uma vez por dispositivo.

2.5 Reservar tráfego não cíclico e margem
Além do IO cíclico, devem ser considerados serviços PROFINET acíclicos, LLDP, DCP, diagnósticos, engenharia e, quando presentes, OPC UA e HART-IP. Downloads, asset management e consultas intensivas podem criar picos.

3. Estrutura do Ciclo RT

Figura 2 – Representação conceitual de um orçamento temporal de 16 ms.

A figura é didática: não implica que todo tráfego seja rigidamente particionado nessas janelas. Ela representa o orçamento que o projeto precisa acomodar: IO, processamento/jitter, serviços concorrentes e margem.

4. Exemplo numérico
Vamos considerar 30 transmissores, ciclo de 16 ms, 120 bytes de Input e 40 bytes de Output, totalizando 160 bytes de payload por dispositivo, e adota aproximadamente 60 bytes de overhead.

Esse cálculo é um exemplo. Para engenharia detalhada, deve-se verificar quantos frames são efetivamente transmitidos por ciclo em cada direção e contabilizar o overhead de cada um. Como o enlace é full-duplex, também é recomendável calcular separadamente a ocupação em cada direção quando Input e Output forem assimétricos.

5. Sensibilidade ao ciclo e número de dispositivos

Figura 3 – Ocupação estimada para 200 bytes por dispositivo/ciclo em 8, 16 e 32 ms.

O gráfico evidencia a relação inversa entre tempo de ciclo e banda. Com a mesma quantidade de dados, 8 ms exige aproximadamente o dobro da taxa de 16 ms, enquanto 32 ms exige metade. Portanto, definir ciclos muito curtos sem necessidade de processo consome margem que poderia ser usada para expansão e tráfego concorrente.

6. Sensibilidade ao tamanho de dados

Figura 4 – Efeito do volume de dados no ciclo de 16 ms.

Dispositivos com mais módulos, status ou diagnósticos cíclicos aumentam a carga. A lista de IO deve ser congelada ou revisada antes do cálculo final; alterações de configuração podem modificar significativamente a ocupação.

7. Orçamento de banda

Figura 5 – Exemplo conceitual de distribuição da capacidade.

A reserva não é desperdício: ela absorve variações de carga, engenharia, diagnósticos, crescimento e condições transitórias. Uma recomendação é trabalhar normalmente com ocupação cíclica + acíclica na faixa de até 50–70% e alerta que acima de 85% a rede se torna mais sensível a picos e jitter. Esses percentuais devem ser tratados como regras práticas do artigo e validados contra a arquitetura real.

8. Uplink e Agregação
O spur APL pode não ser o gargalo. O uplink do Field Switch agrega múltiplas portas e pode carregar simultaneamente IO, diagnósticos, engenharia e tráfego de gestão. Por isso, deve ser dimensionado separadamente, considerando velocidade do uplink, quantidade de Field Switches agregados, VLANs, redundância e cenários de pico.

9. QoS, Jitter e número de Hops
A largura de banda média não é suficiente para caracterizar determinismo. Jitter de switches, filas, store-and-forward/cut-through, número de hops, prioridade VLAN PCP e rajadas concorrentes podem alterar a latência e a regularidade do RT.

• Priorizar frames RT nas filas apropriadas.
• Evitar storms e broadcasts desnecessários.
• Verificar comportamento de filas sob tráfego acíclico intenso.
• Considerar o número de hops entre controlador e dispositivo.
• Planejar downloads de firmware e operações intensivas de engenharia.

10. Cenários de projeto

11. Planilha de cálculo por dispositivo

Para maior precisão, calcular cada direção separadamente. Banda_In ≈ Σ[(Input + overhead correspondente) × 8]/T; Banda_Out ≈ Σ[(Output + overhead correspondente) × 8]/T. A ocupação percentual é a banda calculada dividida por 10 Mbit/s em cada direção.

12. Checklist de dimensionamento

13. Recomendações para validação em comissionamento
O cálculo de projeto deve ser confrontado com medições da rede real. Durante o comissionamento, registrar carga média e de pico, contadores de erro, latência/jitter quando disponíveis, comportamento durante acesso de engenharia e, quando aplicável, durante failover.

• Comparar carga real com a prevista.
• Executar teste com tráfego acíclico representativo.
• Verificar estabilidade do IO durante engenharia/diagnósticos.
• Registrar baseline de utilização dos uplinks.
• Repetir testes após expansão ou atualização relevante.

14. Conclusão
O 10BASE-T1L oferece capacidade confortável para muitas aplicações de processo, mas robustez não deve ser inferida apenas dos 10 Mbit/s nominais. O projeto precisa relacionar ciclo, volume de dados, overhead, direções full-duplex, tráfego acíclico, jitter, QoS, uplinks e crescimento.

O resultado esperado do dimensionamento é um orçamento de comunicação documentado, com margem conhecida e hipóteses rastreáveis. Isso permite que futuras expansões sejam avaliadas quantitativamente, em vez de depender da percepção de que ainda existe ‘banda sobrando’.

 

Referências do documento-base

• IEEE Std 802.3-2022, Clause 146 – 10BASE-T1L.
• PROFIBUS & PROFINET International – PROFINET specification.
• FieldComm Group / ODVA / OPC Foundation / PI – Ethernet-APL Engineering Guideline.
• Documentação dos Field Switches – capacidade de comutação, QoS e portas.
• Artigos Técnicos César Cassiolato

 

(*) César Cassiolato, CEO da Vivace Process Instruments LTDA