Márcio Venturelli, Diretor de Safetybus da PI Brasil e Engenheiro de Soluções da Westcon Instrumentação Industrial.

A evolução tecnológica das redes industriais aliada ao crescimento das aplicações dessas tecnologias no ambiente de fábrica, através da adoção dos protocolos de comunicação, tem evidenciado a migração de tecnologias, que antes eram restritas ao mundo da TI (Tecnologia da Informação), para o ambiente da TA (Tecnologia da Automação). Hoje se fala em convergência de TI e TA tanto em termos de tecnologia quanto de aplicação.

Nesta evolução e convergência, os protocolos Profibus e Profinet ganharam grande espaço nas soluções de automação industrial, sendo este último a tendência para os próximos anos, uma vez que se trata de um protocolo que funciona baseado no padrão Ethernet.

Quando se adere a tecnologias e estas são amplamente utilizadas em diversas soluções, é natural que, em algum momento, nos deparemos com barreiras de aplicações, decorrentes de limitações da própria tecnologia.
As tecnologias de conexão em redes sem fio não são novidades no mundo da TI e, atualmente, estão em franco crescimento na TA, uma vez que têm surgido novas necessidades nas aplicações de redes.

Em muitas aplicações, o meio físico convencional (cabeamento) representa um sério obstáculo para as redes Profibus e Profinet, que só pode ser superado pelo uso da tecnologia Wireless.

Neste texto vamos falar especificamente das aplicações de redes sem fio, que denominaremos simplesmente de Wireless, com o uso específico dos protocolos Profibus e Profinet, foco de nosso tema, lembrando que nosso objetivo é entregar uma visão geral de contexto, uma vez que é um assunto que exige muito estudo nas aplicações. Não temos a pretensão de esgotar o assunto, mas a organização do texto tem a intenção de permitir ao leitor entender como são as aplicações e implantações de soluções conceituais.

Para delimitar nosso tema, vamos desenhar um contexto de estudo, onde vamos descrever sobre:

• Quais justificativas para utilização de Redes Wireless nos Protocolos Profibus e Profinet;
• Quais benefícios as Redes Wireless trazem nas Aplicações dos Protocolos Profibus e Profinet;
• Quais tecnologias disponíveis para Aplicações de Soluções nos Protocolos Profibus e Profinet.
• Na mesma linha, ao desenharmos um conjunto comum de estudos, descrevemos os principais cenários que encontramos para aplicar estas soluções:
• Necessito implantar uma remota na planta, todavia não é possível o lançamento de um cabo físico para conexão;
• Em um sistema transportador (móvel) é necessário aquisitar dados para envio ao DCS / PLC, pois não é possível cabear;
• Para efeito de expansão é necessário complementar uma solução rápida de aquisição de dados, sem infraestrutura existente.

Desde o advento dos primeiros sinais para transmissão de variáveis de processo para controle, observamos vários saltos tecnológicos, iniciando na era da pneumática, passando pela eletrônica analógica e digital, chegando ao nosso momento atual, dominado pelos protocolos industriais de comunicação de dados e vemos a tendência das aplicações Wireless como crescimento e futuro.

Para aplicações Wireless, é muito importante entender o que justifica um investimento desta natureza. Relacionamos a seguir as principais situações que levam a adotar esta tecnologia:

• Limitações físicas para passagem de cabeamento;
• Processos móveis (transportáveis), onde o cabo ou conexão fica em movimento;
• Necessidade de implantações rápidas, em lugar de complexas infraestruturas de cabeamento.

A comunicação Wireless se dá através da propagação das ondas eletromagnéticas entre dispositivos eletrônicos dotados de antenas, entre os quais trafegam as informações devidamente codificadas e interpretadas através de um protocolo, formando a rede de comunicação.

Dentre os vários benefícios no uso das redes Wireless, listamos abaixo os principais. Naturalmente, cada aplicação pode elevar o potencial de algum item abaixo listado.

• Aplicações Especiais;
• Mobilidade;
• Alcance;
• Flexibilidade;
• Confiabilidade;
• Implantação Rápida;
• Custo de Manutenção;
• Imunidade a Ruído;
• Custo Projeto / Instalação (viabilidade);
• Diagnóstico de Operação, Manutenção e Segurança.

Por se tratar de uma inovação no setor de automação, a tecnologia Wireless ainda encontra resistência entre alguns usuários, principalmente em decorrência da falta de informação e de opiniões errôneas preconcebidas.  Para entender corretamente a tecnologia Wireless, é preciso levar em conta as seguintes considerações:

• A tecnologia Wireless complementa a tecnologia convencional de redes cabeadas. Ela possibilita superar obstáculos físicos e outras dificuldades técnicas que tornariam difícil ou muito custosa a implementação de redes de transmissão de dados;
• A tecnologia Wireless possibilita a implantação rápida, segura e eficaz, obtendo benefícios imediatos pós-investimento.

Dentro deste contexto, vamos pontuar aplicações de redes sem fio utilizando as tecnologias Bluetooth e WiFi, que atendem as principais aplicações no universo Profibus e Profinet.

Para isso, descreveremos as principais diferenças nas aplicações das duas tecnologias para, em seguida, abordarmos cada uma delas com mais detalhes:

Aplicações Bluetooth:

• Normalmente são locais, entre dispositivos Mestres e Escravos (comando e controle) ou entre estações Remotas e um tronco de barramento;
• São extensões de barramento, isto é, substituem um trecho físico (cabo);
• Distâncias de até 800m (depende da potência do rádio e da antena).

Aplicações WiFi (Profinet):

• Normalmente estão em uma célula de comunicação (informação e/ou controle);
• Substituem os cabos Ethernet em todo o trecho no ambiente Wireless;
• O arranjo pode ser feito para comunicação com o controlador e/ou remotas;
• As distâncias dependem da repetição do sinal do Access Point (AP) dentro da célula e também da potência dos rádios e das antenas.

Considerando que há diversas tecnologias de redes sem fio, este texto tratará das aplicações de redes locais de comunicação, em curtas distâncias, com os protocolos Profibus e Profinet, normalmente usados na troca de dados entre dispositivos remotos.

Bluetooth é uma especificação de rede sem fio de âmbito pessoal (Wireless Personal Area Networks – WPAN). O Bluetooth provê uma maneira de conectar e trocar informações entre dispositivos digitais através de uma frequência de rádio de curto alcance globalmente licenciada e segura.

O padrão elétrico Ethernet comporta um grande volume de tráfego de dados, já comum na TA. Em aplicações maiores, com vários dispositivos trocando dados – entre máquinas e sistemas de supervisão, por exemplo – podemos implantar redes WiFi Industrial, substituindo trechos do meio físico (cabeamento) e obtendo as vantagens da comunicação sem fio na planta. Neste caso dá-se preferência pela utilização do protocolo Profinet.
Descrevemos abaixo as principais características de um link de rádio Profibus e Profinet, para aplicação local.

Os rádios Profibus permitem implementar um link Wireless robusto, confiável e realmente transparente em qualquer rede Profibus. O rádio atua como um extensor de barramento, substituindo os cabos por um link Wireless de até 1.5Mbps.

Não é preciso fazer qualquer tipo de alteração na programação do PLC ou na configuração do hardware. O link de rádio é totalmente transparente para o Mestre DP e seus escravos. É como se estivessem conectados fisicamente.

Os rádios Profinet permitem implementar um link Wireless robusto, confiável e realmente transparente em qualquer rede Profinet IO.

Não é preciso fazer qualquer tipo de alteração na programação do PLC ou na configuração do hardware. O link de rádio é totalmente transparente. É como se estivessem conectados fisicamente.

Não é preciso fazer nenhum tipo de mapeamento de memória ou quaisquer outras configurações complexas nos rádios.

A tecnologia de controle do link de rádio assegura uma conexão robusta e estável, baseada no gerenciamento de erros e com reduzido retardo.

Por ser baseado no padrão elétrico Ethernet, o protocolo Profinet permite o uso da tecnologia WiFi para implementar topologias de redes sem fios.

WiFi é um conjunto de especificações para redes locais sem fio (WLAN – Wireless Local Area Network) baseada no padrão IEEE 802.11.

A tecnologia WiFi aplicada na indústria permite implementar redes que conectam dispositivos (PLC, DCS, IHM, Remotas) que estejam próximos geograficamente. Estas redes não exigem o uso de cabos, já que efetuam a transmissão de dados por meio de radiofrequência.

Dentre as vantagens oferecidas pelas redes WiFi em plantas industriais podemos destacar:

• Permite ao usuário acessar a rede em qualquer ponto dentro dos limites de alcance da transmissão;
• Possibilita a inserção rápida de outros dispositivos na rede;
• Evita que paredes ou estruturas prediais sejam furadas ou adaptadas para a passagem de cabeamento.

As redes Ethernet para aplicação na indústria remetem a questionamentos técnicos quanto à sua confiabilidade e também ao determinismo da comunicação, sendo esta última uma das maiores preocupações, mas, ao mesmo tempo, é termo de discussão já superado tecnologicamente.

Além da comunicação dos dados de controle e sincronismo, a rede Profinet também permite o tráfego do perfil Safety, sobre o qual falaremos mais adiante.

Com as definições acima constituídas, vemos que a rede Profinet é vertical, onde informações de dispositivos, gerenciamento de informações, controle e sincronismo estão no mesmo meio físico.

O perfil PROFIsafe faz parte das tecnologias Profibus e Profinet, sendo utilizado em aplicações de intertravamentos de segurança (safety related) e podendo trafegar também nas redes Wireless.

Com o uso crescente de redes Wireless na indústria, questões que antes eram relegadas ao mundo da TI hoje entram na pauta de projetos de TA, onde a Cibersegurança é ponto chave para uso de redes Ethernet e WiFi.
A segurança de redes deve levar em consideração, na implantação das soluções, os três pontos descritos a seguir, sendo a norma ISA-99 a principal fonte de diretrizes:

• Confidencialidade: Garantia da informação somente para usuário autorizado;
• Integridade: Informação somente pode ser modificada por usuário autorizado;
• Disponibilidade: Acesso permanente à informação pelos usuários autorizados.

Foge ao escopo deste texto a discussão dos critérios de projeto. Contudo, a implantação de redes Wireless demanda atenção, principalmente, aos itens abaixo:

• Planeje o projeto, tenha uma visão clara dos objetivos de sua rede Wireless;
• Discuta com seu fornecedor a melhor tecnologia a ser aplicada na aplicação em questão;
• Contrate um serviço de Site Survey, que é o projeto da rede Wireless com todos os detalhes de sinais, visadas, repetidores, etc.

Abaixo algumas tendências de uso crescente de redes Wireless na indústria:

• Gerenciamento de Ativos On-Line e uso do IIoT (Internet Industrial das Coisas);
• Entrega de Informações no Cloud e Big Data, para armazenamento e análise de dados da Operação e Manutenção;
• Convergência de Protocolos e Camadas de informações, horizontalizando as informações para a Indústria 4.0.

Concluímos que o acentuado crescimento da aplicação da tecnologia Wireless em plantas industriais, especialmente em redes Profibus e Profinet, é consequência da maior aceitação e melhor compreensão por parte dos usuários dos benefícios trazidos pelo uso essa tecnologia, viabilizando projetos que antes não eram economicamente viáveis se executados apenas com a convencional tecnologia de cabeamento.

Some-se a isto o fato de que, com o aumento das informações de planta, a tecnologia Wireless é a solução perfeita para nos levar ao uso do conceito da Indústria 4.0.