As Redes Ethernet se consolidaram como padrão de comunicação entre computadores desde sua invenção, como a Automação Industrial se convergiu ao longo dos últimos anos com a Tecnologia da Informação (TI), as Redes Ethernet se desenvolveram dentro do universo da Tecnologia da Automação (TA), ganhando características que delinearam um cenário de total aderência aos novos projetos e atualização de sistemas legados de rede para automação e controle. Show Em nosso texto, temos a intenção de descrever esta tecnologia, que cresceu no meio da TA, o assunto é muito extenso e observamos grande dificuldade em encontrar materiais que pudessem expor de forma simples, com termos de pesquisa, para que o leitor pudesse continuar seus estudos, uma vez que não temos a pretensão de esgotar o assunto, dado a quantidade de informações necessária para o desenvolvimento de projetos de infraestrutura de automação. Para isso, vamos delimitar nosso estudo, onde teremos três diretrizes, que se refere ao que vamos falar:
Para âmbito de aplicações, também vamos desenhar três cenários, normalmente comuns em projetos de rede Ethernet na indústria:
As Redes Ethernet foram inventadas em 1973, por Robert Metcalfe em um projeto atribuído a Xerox Palo Alto, hoje sendo o padrão mais aceito no mundo para intercomunicação de dados em rede. O Padrão Ethernet define o meio físico de conexão do cabeamento, define o controle de acesso do dado na rede e define o quadro (frame) de informação, tudo isso baseado na norma IEEE 802-2 e IEEE 802-3, que em suas subdivisões, estabelece características técnicas dos padrões de rede, não é nosso foco entender a IEEE 802-2 e 3, sugerimos que pesquisem sobre tal modelo. As Redes Ethernet oferecem diversos benefícios em suas aplicações, podemos descrever abaixo alguns principais:
Para entender e até relembrar como estas redes evoluíram, podemos descrever desde seu surgimento as mídias de conexão que permitem acesso ao meio, por exemplo:
Nosso foco de entendimento e a aplicação da Rede Ethernet são no ambiente industrial, isto é, no chão-de-fábrica, pois seu invento foi utilizado em níveis administrativos de dados e até então, não se pensava na aplicação em máquinas e equipamentos, pois havia limites técnicos e já existiam redes industriais para estas funções. Para aplicações na indústria, foi necessário um desenho da rede que pudessem atender esta nova realidade, todavia, não poderiam mudar o padrão de acordo com a IEEE 802-3, sendo estas características abaixo, necessárias para esta realidade na indústria:
As Redes Ethernet, se baseiam no princípio de funcionamento do CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection ), na prática, o padrão trabalha enviando dados na rede e detectando colisões de pacotes, abaixo um descritivo básico do seu funcionamento: <1> – Se o canal está livre, inicia-se a transmissão, senão vai para o passo <4>; <2>- [transmissão da informação] se colisão é detectada, a transmissão continua até que o tempo mínimo para o pacote seja alcançado (para garantir que todos os outros transmissores e receptores detectem a colisão), então segue para o passo <4>; <3>- [fim de transmissão com sucesso] informa sucesso para as camadas de rede superiores, sai do modo de transmissão; <4>- [canal está ocupado] espera até que o canal esteja livre; <5>- [canal se torna livre] espera-se um tempo aleatório, e vai para o passo <1>, a menos que o número máximo de tentativa de transmissão tenha sido excedido; <6>- [número de tentativa de transmissão excedido] informa falha para as camadas de rede superiores, sai do modo de transmissão. Entendido que, a rede funciona baseada no envio de pacotes, e estes são tratados através das colisões, temos o conceito de encaminhamento, que demonstra os princípios de envio das informações, sendo abaixo o funcionamento básico:
Desta forma, podemos entender que é necessário um controle para gerenciar estas informações na Rede Ethernet, sendo o Switch o principal equipamento que tem essa atribuição como componente de rede, onde vamos ver mais a frente, o funcionamento destes. Uma das maiores questões técnicas que foram barreiras quanto à aplicação da Ethernet na indústria, se refere ao determinismo de rede, pois o principio de colisão de dados não permite a certeza de entrega e recebimento de uma informação em uma base de tempo conhecida, para sistemas de controle, por exemplo, isso é fator fundamental. Sendo assim, a característica de entrega e recebimento de uma mensagem na rede é baseada no tempo, isto é, a certeza de entrega e no tempo programado. As Redes Ethernet se baseiam no CSMA/CD e não permite determinismo, pois trabalham com colisão de dados, os switches permitem o gerenciamento Broadcast para Multcast ou Unicast. Ethernet Industrial para Controle (determinística) utiliza características de controle de sincronismo dentro de seu Protocolo, sem alterar características do Padrão, por exemplo, (Profinet, Ethernet/IP). Como vimos, Ethernet é um padrão e tem seu principio no envio e recebimento de pacotes de dados, para que tudo isso funcione dentro de um sistema, é necessário uma arquitetura que tenha alguns componentes, tais como, switches, gateways, firewall entre outros, desenhados de forma a obter um arranjo que haja integridade, segurança, disponibilidade e sincronismo. De acordo com o modelo OSI (Open Systems Interconnect), um sistema de rede de comunicação é dividido em 7 camadas, como vemos abaixo:
Não faz parte nosso escopo estudar as camadas, vamos focar no Padrão Ethernet com visão de infraestrutura, para isso os componentes de rede serão aplicados nas camadas (1) física, (2) enlace, (3) rede e (4) transporte, ainda existindo outras aplicações dentro do contexto, vamos entender estas principais. Os switches são os principais componentes de uma Rede Ethernet, na prática eles controlam os encaminhamentos de rede, conforme vimos acima, são as chaves de conexão, que controlam o trafego de dados. Eles podem ser gerenciáveis ou não, sendo que, os nãos gerenciáveis, possuem funções básicas, que controlam o direcionamento dos dados (origem e destino) e gerenciam colisões, de forma a não “travar” a rede. Os gerenciáveis, além das funções básicas, possuem funções de segurança e gerenciamento individual de portas e informações, por exemplo, criação de VLAN Redes Virtuais. As principais funções dos switches, podemos destacar abaixo algumas características:
Vamos descrever abaixo, as principais características dos switches e componentes de uma arquitetura Ethernet para aplicações nos níveis do modelo OSI que vimos anteriormente, dado a extensão do assunto, somente vamos referenciar e apresentar as principais características para entendimento do conceito e sugerimos um estudo aprofundado. Switch Layer 2
* VLAN Rede Virtual * RT Real Time * IRT Isochronous Real-Time * IGMP Internet Group Management Protocol Switch Layer 3
Switch Layer 4
Quando pensamos em redes, devemos entender que é necessário em muitos projetos a segmentação destas, com objetivo de segurança, organização e elevação de desempenho de tráfego, estas sub-redes, podem ser físicas ou lógicas. Com o advento dos Switches gerenciáveis, podemos criar diversas redes e sub-redes de forma virtual, chamadas de VLAN, e com isso obter algumas funções avançadas para controle e gerenciamento, como vimos abaixo:
Como item da Rede Ethernet, a característica de segurança é fundamental para o funcionamento do sistema, para isso em uma arquitetura, utilizamos os Firewalls, que são equipamentos de hardware e software que tem por objetivo proteger a rede contra acessos não autorizados, ele gerencia permissões de acesso e a origem e destino de dados e permite criptografia de dados para interconexão de serviços entre dispositivos. A Rede Ethernet é um padrão de comunicação de dados, vamos entender que são as vias de informação, agora vamos aplicar para o uso na automação, para isso precisamos entender o que são os Protocolos de Rede, onde:
Vamos descrever abaixo os principais Protocolos Industriais para o Padrão Ethernet, utilizados no Controle e Automação Industrial, limitamos tanto em quantidade de Protocolos, quanto em sua descrição, uma vez que para isso, merecem um texto focado e completo de cada um, além da descrição de todos no mercado. Todavia, vamos caracterizar alguns, para efeito de conceito, onde não temos também, a intenção de formar opinião sobre o uso, vantagens e especificidades de cada um deles. TCP/IPConjunto de protocolos de comunicação entre computadores em rede TCP (Transmission Control Protocol – Protocolo de Controle de Transmissão) e IP (Internet Protocol – Protocolo de Internet, ou ainda, protocolo de interconexão). Vantagens:
Modbus/TCPProtocolo de comunicação industrial, originalmente desenvolvido para RS-232/485. Para trabalhar em redes Ethernet, os dados são encapsulados em TCP, trabalha em CSMA-CD e tem modelo Cliente-Servidor. Vantagens:
PROFINETPROFINET é uma rede baseada em um padrão de comunicação Ethernet Industrial padronizado pelas normas IEC 61158-5 e IEC 61158-6, 100% compatível com a tecnologia Ethernet ( IEEE 802.3 ) adotada pela associação PI – PROFIBUS & PROFINET International. Vantagens:
Ethernet/IPÉ um protocolo industrial baseado em Ethernet que combina a função CIP (Common Industrial Protocol), gerido pela ODVA (Open DeviceNet Vendors Association). A função CIP trabalha baseado no IGMP (Internet Group Management Protocol), onde a informação da rede e gerenciada em grupos Multicast. Vantagens:
IEC-61850É um padrão de comunicação para sistemas de automação elétrica. Os modelos de dados abstratos definidos na norma IEC 61850 pode ser mapeado para um número de protocolos, mapeamentos atuais do padrão devem ser:
Esses protocolos podem ser executados através de TCP/IP ou redes LANs subestação utilizando alta velocidade Ethernet comutada para obter os tempos de resposta necessários abaixo de milissegundos para sistemas de proteção. Quando tempos múltiplos protocolos na arquitetura da Rede Ethernet e é necessário fazer tudo se comunicar no único padrão, por exemplo, imagine que você tenha um Centro de Controle de Motores (CCM), em uma rede Ethernet/IP e o seu sistema de controle seja um PLC com I/O Controler em Profinet, então se faz necessário a implantação de um Gateway de rede, que na prática converte o Protocolo. É sabido que muitos Protocolos Industriais já suportam perfis de segurança, para máquinas e processos, mas e o padrão Ethernet? Sim, também suporta perfil de Safety, por exemplo, o Protocolo Profinet suporta o perfil Profisafe para sistemas de segurança, podendo na mesma Rede Ethernet, trafegar dados de informação, controle e segurança. Para projetos e implantação de Redes Ethernet, devemos seguir boas práticas de redes, existem diversos manuais e guias, que dão muitas ideias e roteiros de sucesso, segue abaixo uma relação de alguns itens de grande importância a se observar em uma implantação, lembrando que questões como Cabeamento Estruturado e Certificação de Redes, fazem parte de um escopo de Projeto de Redes Ethernet:
As Redes Ethernet continuam em evolução desde sua invenção, além das tecnologias que se agregam, com objetivo de formar sistemas de comunicação, com isso descrevemos abaixo as principais tendências na continuidade e evolução desta tecnologia:
ConclusãoConcluímos que as redes Ethernet permitem a convergência, simplicidade, rapidez e alta capacidade de informações e alta velocidade na rede, proporcionando tomada de decisões cada vez mais rápidas, do processo, manutenção e segurança funcional da planta. Quais são as características de um protocolo de acesso múltiplo ideal?Explicação: Dentre as alternativas expostas, um protocolo de acesso múltiplo ideal deve possuir a seguinte característica: Quando apenas um transmissor emite dados, a taxa de transmissão deverá ser de R bps. As demais alternativas não são pertinentes a um protocolo de acesso múltiplo ideal.
Para que servem os protocolos de acesso múltiplo?Os protocolos de acesso múltiplo têm como função coordenar o acesso ao meio para que as colisões não ocorram com tanta freqüência. São divididos em três classes: 1. Divisão do Canal; 2. Acesso Aleatório.
São tipos de protocolo de acesso múltiplo os protocolos de?São tipos de protocolo de acesso múltiplo, os protocolos de: (Ref.: 201604442981) 1 ponto divisão de canal, divisão de cabo e divisão de rede revezamento, acesso aleatório e divisão de canal Coquetel, Reunião e Sala de aula divisão de portas, autenticação de requisição e acesso aleatório alteração de rotas, CRC e ...
Quais são os protocolos utilizados na camada de enlace de dados?Camada de enlace de dados. |