Comunicação Industrial

Comunicações M2M para aplicações industriais

Por que requerem as aplicações industriais protocolos de comunicação diferentes?

Embora a Indústria 4.0 seja uma das tendências da atualidade industrial, a comunicação entre máquinas não é novidade já que estas comunicam entre si em contexto industrial há já várias décadas. A comunicação de máquina-a-máquina (M2M) é crucial em diversas áreas como o controlo de processos, a produção de automóveis, a robótica ou a produção alimentar e melhora em grande escala a eficiência e a fiabilidade.

Ao compreender o funcionamento de cada máquina e permitir que comuniquem entre si, não só melhoramos a eficiência como conseguimos uma integração superior do sistema possibilitando uma solução ao processo end-to-end.

Maior velocidade – Independentemente da rapidez com que possa falar, as máquinas falam entre si ainda mais rápido. Saber antecipadamente como opera a rede de máquinas durante todo o processo e conhecer a velocidade de carga e capacidade de rendimento, possibilitará velocidades de produção nas suas fábricas muito mais rápidas. Com redes determinísticas em tempo real e análises do sistema, este funcionará como um todo otimizando a produção da melhor forma possível.

Qualidade e controlo – Com uma rede de sensores no processo de fabrico, poderá controlar cada elemento que constitui o sistema de um modo mais rigoroso. À medida que os sensores forem mais precisos e a visão das máquinas mais apurada, os fornos poderão manter-se à temperatura adequada de uma forma mais consistente, os braços do robô poderão operar com maior precisão e os defeitos poderão ser isolados e retirados de forma mais eficiente.

Manutenção preventiva – À semelhança dos carros, também as máquinas industriais avisam quando requerem manutenção. Quer seja através do número de horas de funcionamento como dos avisos de avarias de algum componente através dos controladores, a comunicação industrial reduz o tempo de inatividade ao permitir uma planificação da manutenção das máquinas que evita as reparações de emergência.

Alcançar este nível de comunicação requer a aplicação de soluções complexas. À medida que os sistemas de automação evoluem e que as expectativas dos clientes em relação à comunicação M2M aumentam, torna-se essencial uma integração eletrónica mais precisa. A comunicação robusta em tempo real, desde os controladores lógicos (PLCs) às correias transportadoras e ao resto de dispositivos industriais, é cada vez mais inteligente e as suas soluções mais simples, flexíveis e fiáveis.

Para suportar as condições extremas das aplicações industriais, é necessário ter em conta determinadas considerações sobre as diferentes soluções. No caso das comunicações wireless, estas são ainda mais importantes:

Instalável no campo – Com o objetivo de reduzir o tempo de inatividade e realizar a manutenção e reparações oportunas, qualquer dispositivo inteligente conectado à rede deverá dispor de componentes Hot Swap. Isto significa que os componentes podem ser substituídos ou removidos da rede sem afetar o funcionamento normal do sistema, o que também significa que qualquer comunicação requer um certo grau de negociação automática de rede e de priorização de mensagens.

Alta fiabilidade – Para sistemas críticos ou de segurança é importante que as comunicações sejam fiáveis e oportunas e que não estejam sujeitas a interrupções frequentes ou mensagens não entregues. Qualquer falha ao nível das mensagens de comunicação poderia revelar-se numa situação crítica de segurança.

Robustez – As aplicações industriais são frequentemente expostas a ambientes particularmente agressivos: pó, líquidos, temperaturas elevadas, pressões ou altas tensões. Nestes casos, tanto os conectores como a estrutura envolvente terão de cumprir com o índice de proteção IP69. Para a proteção de tensões altas, transientes e curto-circuitos, as ligações devem proporcionar um isolamento igual ou superior a 5kVrms.

Proteção EMI – As interferências eletromagnéticas (EMI) produzidas pela indução, condução ou ressonância em contexto industrial podem ser provenientes de motores, movimento de líquidos, de fornos ou comutação de cargas. As interferências EMI podem interromper sinais e originar a transmissão de mensagens incorretas. Os sinais wireless são mais suscetíveis à EMI e, por isso, as comunicações por cabo são o modo preferido.

Protocolo de comunicação HART

O protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer) surgiu em 1986 como protocolo aberto. 30 anos mais tarde, graças ao movimento da Indústria 4.0 e de IoT Industrial, volta a ser relevante.

Utilizando o padrão FSK (Frequency Shift Keying), o protocolo HART acrescenta um sinal digital adicional acima de 4-20mA. HART transporta informação digital bidirecional através de cabos analógicos para comunicar sensores e instrumentos de campo com sistemas de controlo de processos de segurança e asset management. Para fornecer informação crítica de uma forma mais robusta, o sinal analógico 4-20mA transmite os sinais dos sensores enquanto a informação menos crítica (como diagnósticos ou dados secundários) é transportada pelo sinal digital, proporcionando uma solução de comunicação robusta e fácil de configurar.

Protocolo de automação EtherCAT

EtherCAT é um protocolo informático de código aberto e altas prestações que permite utilizar Ethernet em contexto industrial, acrescentando a comunicação em tempo real e maior flexibilidade. EtherCAT é o protocolo de comunicações industriais mais rápido do mercado com capacidades de sincronização em nanossegundos proporcionando grandes melhorias de rendimento em relação a outros protocolos. A velocidade e precisão de EtherCAT permite reduzir os tempos de espera e transição aumentando a eficiência global do sistema.

Ao contrário da Ethernet, as redes EtherCAT não requerem hubs nem switches e os dispositivos de deteção automática de links podem ser adicionados e removidos conforme necessário. Isto permite total flexibilidade sobre a topologia e estrutura da rede. Para aplicações críticas de segurança, o padrão FSoE (Functional Safety over EtherCAT) cumpre os requisitos do sistema SIL 3 e dos certificados TUV. EtherCAT fornece um nível rápido e robusto de comunicação a um preço acessível sem necessidade de placas específicas. Os controladores EtherCAT podem ser implementados rápida e facilmente com microcontroladores de FPGAs.

Profinet e Profibus

Assim como EtherCAT, Profinet é uma versão adaptada de Ethernet para aplicação em âmbito industrial, pelo que se poderia parecer mais à rede Ethernet que utiliza em casa ou no escritório. Devido a esta semelhança, pode ser configurado com hubs, switches e através de WLAN ou Bluetooth a redes wireless ou dispositivos móveis. Assim, apesar de requerer uma configuração mais tradicional, a flexibilidade de poder interagir com outros dispositivos padrão garante o sucesso de Profinet como uma rede de comunicação para aplicações industriais, com mais de 9,8 milhões de dispositivos conectados a finais de 2014.

Até ao momento, podemos dizer que o padrão de comunicações industriais mais prolífico é Profibus, um protocolo de fieldbus de campo independente com mais de 50 milhões de dispositivos instalados a finais de 2014. Profibus é tradicionalmente transmitido através de cabo trançado RS-485, o que significa que a sua implementação é de baixo custo e que pode trabalhar sobre longas distâncias em ambientes eletricamente ruidosos tornando-o no protocolo ideal para aplicações industriais.

Protocolo CAN

Bus CAN ou Controller Area Network encontra-se tradicionalmente em carros e veículos para estabelecer comunicações sem necessidade de um controlador central como, por exemplo, no sistema de janelas elétricas. Não é um protocolo de comunicação em tempo real mas é ideal para implementação de baixo custo entre microcontroladores. Devido à sua simplicidade, ampla disponibilidade e robustez (respeitando as elevadas especificações da indústria automóvel) CAN encontrou o seu lugar nas aplicações industriais.

A necessidade de isolamento

Os ambientes industriais são eletricamente ruidosos desde o ponto de vista das interferências eletromagnéticas. A presença de motores e cabos de alta tensão nas proximidades de sistemas eletrónicos delicados torna especialmente importante protegê-los contra transientes. Através do isolamento ótico ou digital das ligações é possível proteger a eletrónica preparada para trabalhar a poucos volts contra transitórios de milhares de volts.

Optoacopladores e isoladores digitais criam uma barreira física dentro de um circuito integrado, evitando, desta maneira, que os transitórios se propaguem e permitindo a transmissão dos sinais relevantes. Nesse sentido, os isoladores digitais são uma alternativa real aos tradicionais optoacopladores oferecendo maior precisão e integridade de dados, maior vida útil e isolamento superior a 10 kV.