O guia definitivo para PROFINET com IIoT

Embora as tecnologias de 4–20 mA e HART continuem sendo amplamente utilizadas, as redes digitais estão ganhando cada vez mais espaço no ambiente industrial, pois se alinham melhor às iniciativas de digitalização. Discussões sobre a continuidade da relevância dos sistemas analógicos são comuns, já que eles são robustos e descomplicados, facilitando as operações em campo. No entanto, a questão permanece: como alcançamos uma conectividade transparente entre o campo e os sistemas de controle?

Controladores e equipamentos modernos geram quantidades significativas de dados, o que requer protocolos de comunicação avançados, como Modbus RS485, OPC e PROFIBUS DP. Além disso, tecnologias como o FOUNDATION Fieldbus H1, PROFIBUS PA e PROFINET oferecem recursos de integração ainda maiores. Essas redes industriais conectam equipamentos de campo a controladores, possibilitando diagnósticos, configurações e funcionalidades avançadas muito além do que a tecnologia puramente analógica pode oferecer.

Apesar desses avanços, o padrão 4–20 mA continua a dominar em campo, em grande parte devido à divergência entre os conceitos dos fornecedores e a realidade dos usuários, além da complexidade das redes digitais, que atrasa a descontinuação do analógico. Entretanto, a ascensão da IIoT e da IA está acelerando a digitalização, tornando os protocolos baseados em Ethernet e a comunicação sem fio cada vez mais comuns em novos projetos. A tendência é clara: mais soluções digitais estão chegando, e temos que estar preparados para adotá-las.

Ao instalar um roteador ou qualquer equipamento conectado à Internet, você provavelmente já se deparou com um cabo Ethernet (também chamado de cabo de rede). Muitos presumem que “Ethernet” se refere apenas ao cabo em si; na realidade, o cabo representa apenas a camada física de uma rede Ethernet.

A Ethernet suporta múltiplos protocolos de comunicação através desses cabos. Exemplos comuns incluem o Protocolo de Internet (IP - Internet Protocol) e o Protocolo de Controle de Transmissão (TCP - Transmission Control Protocol), amplamente utilizados em aplicações corriqueiras. No entanto, ambientes industriais exigem protocolos adicionais para atender a demandas mais complexas.

No chão de fábrica, controladores devem acessar dados de drives, E/S e estações de trabalho com tempos de resposta rápidos, e a rede deve suportar condições adversas, como abrasão, umidade e flutuações de temperatura. Para atender a essas demandas, especialistas em automação desenvolveram a Ethernet Industrial e, a partir desse alicerce, surgiu o PROFINET como um protocolo robusto baseado em Ethernet para aplicações industriais.

O PROFINET é um protocolo de comunicação industrial baseado em Ethernet que conecta equipamentos de processo (como sensores e atuadores) a sistemas de controle. Ele foi desenvolvido pela organização PROFIBUS e PROFINET International (PI) em colaboração com diversos parceiros da indústria.

O protocolo está em conformidade com a norma para Ethernet IEEE 802 e é definido na IEC 61158 e IEC 61784, possibilitando uma integração perfeita entre diversos equipamentos na mesma rede. Por exemplo, uma impressora e um medidor de vazão/caudal podem coexistir dentro de uma única infraestrutura. Diferente de redes domésticas típicas, o PROFINET oferece tempos do ciclo extremamente rápidos, muitas vezes na faixa dos submilissegundos, o que o torna adequado para a automação industrial.

Para entender sua estrutura, nos baseamos no modelo ISO/OSI, que define sete camadas para a comunicação em rede. A Ethernet normalmente usa quatro camadas:

• Ethernet para conexão física e de dados
• IP para rede
• TCP ou UDP para transporte
• Outrosprotocolos para funções específicas

O PROFINET geralmente segue este modelo, mas pode ignorar certas camadas em algumas aplicações. Por exemplo, o PROFINET RT (Real-Time / em tempo real) oculta as camadas de rede e transporte para acelerar a comunicação.

• TCP/IP para configuração, ajustes e operações cíclicas de leitura/gravação
• RT (Real-Time) para tarefas de automação com tempos do ciclo entre 1 e 10 milissegundos
• IRT (Isochronous Real-Time) para comunicação sincronizada e de alta precisão via comutação programada

Essa abordagem em camadas garante flexibilidade, velocidade e confiabilidade, fazendo do PROFINET um importante pilar para a automação industrial moderna e a integração da IIoT.

O PROFINET opera em um modelo provedor-consumidor para troca de dados, substituindo a abordagem tradicional mestre-escravo usada pelo PROFIBUS. Os equipamentos dentro de um sistema PROFINET são geralmente organizados em três categorias:

• Controlador: geralmente um controlador lógico programável (CLP) ou sistema de controle distribuído (DCS) que executa o programa de automação. O controlador envia saídas para equipamentos de E/S (I/O) e recebe entradas deles, semelhantes a um mestre Classe 1 no PROFIBUS.
• Equipamentos: componentes de campo como sensores e atuadores que se comunicam com o controlador através de conexões Ethernet, funcionando de forma semelhante a escravos no PROFIBUS.
• Supervisor: sistemas como PC, IHM ou ferramentas de diagnóstico usados para monitoramento, comissionamento e localização de falhas, comparáveis aos mestres Classe 2 no PROFIBUS.

Um sistema PROFINET I/O requer pelo menos um controlador e um equipamento, mas as configurações podem variar amplamente: múltiplos controladores para um único equipamento, um controlador para múltiplos equipamentos ou até mesmo múltiplos controladores gerenciando múltiplos equipamentos. Geralmente, os supervisores são usados temporariamente durante o comissionamento ou diagnóstico.

Além desses elementos-base, uma rede PROFINET inclui componentes como switches e pontos de acesso sem fio. Alguns desses componentes também podem atuar como equipamentos de E/S, o que possibilita funcionalidades de diagnóstico aprimoradas.

Para configurar um equipamento PROFINET I/O, dois elementos são essenciais: uma ferramenta de supervisão e um arquivo GSD (General Station Description - arquivo de descrição geral da estação). O arquivo GSD, disponibilizado pelo fornecedor do equipamento, é semelhante àqueles utilizados no PROFIBUS, mas segue um formato baseado em XML conhecido como GSDML.

Uma vez concluída a configuração, o arquivo GSDML é baixado no controlador, estabelecendo a comunicação com os equipamentos conectados. A partir desse ponto, os dados cíclicos (como entradas e saídas) fluem continuamente entre o controlador e os equipamentos, enquanto os dados não cíclicos, incluindo as informações de diagnóstico, são trocados conforme necessário.

A escolha entre o PROFIBUS e o PROFINET depende das necessidades específicas de sua aplicação. O PROFIBUS é um protocolo digital muito consolidado com base na comunicação serial, enquanto o PROFINET é um protocolo moderno construído a partir da Ethernet Industrial. O PROFINET oferece uma largura de banda significativamente maior e ciclos de comunicação mais rápidos, permitindo a transferência de pacotes de dados maiores.

Aqui você pode encontrar uma visão geral das diferenças entre PROFIBUS e PROFINET:

Outra vantagem do PROFINET é sua compatibilidade com tecnologias sem fio. Como um padrão baseado em Ethernet, ele pode ser integrado com o Wi-Fi ou Bluetooth quando necessário, oferecendo flexibilidade para uma conectividade móvel e remota.

A conectividade e a transparência são fundamentais para a construção de sistemas de IIoT eficientes. A coleta de dados de campo precisos é essencial para obter informações que resultem em ações, e o PROFINET fornece uma conexão confiável e transparente entre equipamentos de campo e ecossistemas IIoT como o Netilion da Endress+Hauser.

Um dos pontos fortes do PROFINET é sua capacidade de coexistir com outros protocolos, permitindo que operadores façam a transição para a era digital sem abandonar a infraestrutura familiar. Além disso, os dados podem ser exportados do campo para sistemas de nível superior usando padrões abertos como o OPC UA, trabalhando junto com o PROFINET para permitir a integração perfeita com bancos de dados na nuvem.

O PROFINET já é um facilitador fundamental da IIoT, e seu papel nessa dinâmica continuará a crescer.