Topologia PROFINET: estrutura da rede e meios de transmissão

Uma das diferenças mais visíveis entre PROFIBUS e PROFINET aparece quando olhamos para a infraestrutura física.

Em uma rede PROFIBUS DP sobre RS 485, estamos acostumados a pensar principalmente em um barramento compartilhado, com dispositivos conectados ao longo de um segmento.

Em PROFINET, entramos no universo da Ethernet. Isso permite construir redes em linha, estrela, árvore, anel ou combinações dessas topologias. Mas essa flexibilidade também traz uma responsabilidade maior durante o projeto.

A posição dos switches, o meio de transmissão, a quantidade de conexões, as distâncias, o ambiente de instalação e até o tipo de cabo utilizado passam a fazer parte do desempenho e da disponibilidade da rede.

Quais topologias podem ser utilizadas em PROFINET?

PROFINET suporta as topologias normalmente utilizadas em redes Ethernet.

Topologia em estrela

Na estrela, vários dispositivos são conectados a um switch central.

Um exemplo simples seria:

Uma vantagem é que a perda de um cabo ou de um dispositivo normalmente afeta apenas aquele enlace.

Por outro lado, o switch passa a ser um ponto importante da arquitetura. Se ele falhar, todos os equipamentos conectados a ele podem perder comunicação.

Topologia em linha

Em PROFINET, diversos dispositivos possuem um switch integrado com duas portas. Isso permite conectar um equipamento ao próximo e construir uma linha.

Essa arquitetura pode reduzir a quantidade de switches externos e simplificar o cabeamento.

Mas existe uma consequência.

Se um dispositivo intermediário perder alimentação ou sua função de encaminhamento deixar de operar, os equipamentos localizados depois dele podem perder a comunicação.

Por isso, topologia não é apenas uma questão de organizar cabos. Ela também interfere diretamente no impacto que uma falha pode provocar.

Topologia em árvore

A árvore combina diferentes estruturas em estrela através de switches interligados.

É bastante útil quando precisamos organizar uma rede por máquinas, células, linhas ou áreas da planta.

A vantagem é a possibilidade de estruturar a rede de acordo com a organização física e funcional da planta.

Em contrapartida, quanto mais importante for um switch na hierarquia, maior pode ser o impacto de sua falha.

Topologia em anel

Também podemos construir topologias em anel quando a aplicação necessita de redundância de mídia.

Nesse caso, não basta simplesmente fechar fisicamente a rede em um círculo.

É necessário utilizar mecanismos apropriados de redundância para evitar loops Ethernet e permitir que a comunicação continue por um caminho alternativo quando ocorrer uma interrupção.

No PROFINET, um dos mecanismos utilizados para isso é o MRP, Media Redundancy Protocol.

Vamos aprofundar redundância mais adiante na jornada.

O papel dos switches

Você deve ter percebido que o switch aparece em praticamente todas essas arquiteturas. Isso acontece porque PROFINET utiliza Ethernet comutada. Um switch recebe um pacote de dados em uma porta, analisa seu endereço de destino e o encaminha para a porta adequada.

Alguns equipamentos PROFINET já possuem switches integrados, o que permite criar topologias em linha sem instalar um switch externo entre todos os dispositivos.

Mas isso não significa que qualquer switch Ethernet seja automaticamente a melhor escolha para uma rede PROFINET. Dependendo dos requisitos da aplicação, existem características de diagnóstico, gerenciamento, redundância e desempenho que precisam ser consideradas.

Esse será justamente o assunto do próximo conteúdo da jornada.

Antes disso, precisamos entender como esses equipamentos são fisicamente conectados.

Quais meios de transmissão podem ser utilizados?

PROFINET não está limitado a um único meio físico.

Entre as principais possibilidades estão cobre, fibra óptica e tecnologias de comunicação sem fio.

Mais recentemente, Ethernet-APL também ampliou as possibilidades de levar PROFINET à instrumentação de processo através de Ethernet a dois fios.

Cada meio possui características próprias.

Cabo de cobre

O cobre é provavelmente o meio mais encontrado em redes PROFINET convencionais.

Nas aplicações de 100 Mbit/s, são comuns cabos balanceados de quatro condutores, organizados em dois pares.

Também existem soluções PROFINET para 1 Gbit/s utilizando quatro pares.

Entre os conectores encontrados estão RJ45 e M12, com diferentes versões de acordo com o ambiente e a velocidade requerida.

Em painéis e ambientes protegidos, o RJ45 é bastante comum.

No campo, onde podem existir poeira, água, vibração ou outras condições mais severas, conectores industriais com maiores graus de proteção são utilizados.

O ponto principal é que o cabo e o conector precisam ser adequados à aplicação. Não basta utilizar qualquer cabo Ethernet porque ele fisicamente encaixa no equipamento.

Cabo de cobre: utiliza conectores M12, RJ45 (IP20) e Push-Pull RJ45 (IP65);

Qual é o comprimento máximo de um link em cobre?

Em uma instalação PROFINET com componentes especificados, um link em cobre convencional pode atingir até 100 metros.

Mas existe um detalhe importante.

Esse comprimento precisa ser analisado considerando o link completo, e não apenas um único trecho de cabo.

Conectores, acoplamentos e pontos de transição fazem parte do caminho do sinal.

A diretriz de projeto da PI permite, nas condições especificadas, um link de até 100 metros contendo até quatro pares de conectores.

Isso não significa que devemos adicionar conexões sem necessidade.

Cada novo ponto de conexão também representa um local adicional sujeito a problemas de montagem, contaminação, vibração ou degradação.

Por isso, menos conexões desnecessárias normalmente significam uma infraestrutura mais simples de manter.

Fibra óptica

A fibra óptica é especialmente interessante quando precisamos percorrer distâncias maiores ou quando o ambiente possui condições eletromagnéticas desfavoráveis ao cobre.

Como o sinal é transmitido por luz, a fibra não sofre interferência eletromagnética da mesma maneira que um cabo metálico.

Ela também evita correntes associadas a diferenças de potencial entre pontos de aterramento.

Outra diferença em relação a algumas arquiteturas fieldbus mais antigas é que switches e dispositivos PROFINET podem possuir interfaces ópticas diretamente integradas.

Mas isso não é obrigatório.

Dependendo dos equipamentos escolhidos, ainda pode ser necessário utilizar switches específicos, módulos ópticos ou conversores de mídia.

O comprimento máximo também não é um único número.

Ele depende do tipo de fibra, comprimento de onda, potência óptica, conectores, emendas e atenuação total do link.

Por isso, o projeto de uma conexão óptica deve considerar o orçamento de potência e as especificações dos componentes utilizados.

Fibra óptica: utiliza conectores M12, SCRJ(IP20) e SCRJ Push-Pull (IP65)

PROFINET pode utilizar wireless?

Sim, em aplicações compatíveis com essa forma de comunicação.

PROFINET pode utilizar tecnologias sem fio, como WLAN, e existem também aplicações envolvendo redes 5G industriais.

Isso é particularmente interessante em equipamentos móveis, sistemas onde a instalação de cabos é difícil ou aplicações que exigem mobilidade.

Mas wireless não deve ser entendido como simplesmente “retirar o cabo”. A comunicação sem fio possui características próprias de propagação, interferência, cobertura, latência, disponibilidade e segurança. Por isso, precisa ser planejada de acordo com a aplicação.

Em aplicações determinísticas ou de alta disponibilidade, esses fatores se tornam ainda mais importantes.

Comunicação wireless:

E o Ethernet-APL? Não é um protocolo novo?

Para automação de processos existe ainda o Ethernet-APL, Advanced Physical Layer, que representa um novo meio físico para instrumentação (e não um protocolo).

Ele utiliza Ethernet a 10 Mbit/s sobre um par de condutores e foi desenvolvido para levar comunicação Ethernet até instrumentos de campo, incluindo aplicações com longas distâncias e áreas classificadas quando utilizados os conceitos apropriados.

Além da comunicação, o mesmo par pode fornecer alimentação ao dispositivo.

Na prática, o Ethernet-APL aproxima a infraestrutura Ethernet de arquiteturas já conhecidas em instrumentação de processo, como as estruturas trunk e spur.

Esse assunto merece um conteúdo próprio, mas é importante entender que PROFINET não está restrito ao cabo Ethernet verde convencional.

Tipos de cabo PROFINET

Mesmo quando decidimos utilizar cobre, ainda precisamos escolher o cabo adequado ao ambiente mecânico.

A PI classifica os cabos PROFINET em diferentes tipos.

Tipo A

Destinado principalmente a instalações fixas.

Depois de instalado, o cabo não deve ficar sujeito a movimentos frequentes.

É o caso típico de trechos instalados em eletrocalhas ou estruturas fixas.

Tipo B

Projetado para instalações flexíveis e situações com movimentos ocasionais ou vibração.

É mais adequado quando o cabo não permanece completamente estático.

Tipo C

Utilizado em aplicações especiais com movimento contínuo, como determinados sistemas de esteira porta-cabos ou festoon.

Mas existe um cuidado importante.

Ser flexível não significa que um cabo seja adequado a qualquer tipo de movimento.

Flexão repetitiva e torção são esforços mecânicos diferentes.

Tipo R

A classificação atual da PI também contempla cabos Type R para aplicações robóticas sujeitas a esforços combinados de torção e flexão.

Isso ajuda a evitar um erro comum: selecionar um cabo para esteira porta-cabos e assumir que ele também será adequado a um braço robótico.

Pode não ser.

Atente-se! Tipo A, B, C ou R não define tudo

A classificação mecânica é apenas uma parte da especificação.

Ao selecionar o cabo também precisamos considerar características como:

• temperatura de operação;
• raio mínimo de curvatura;
• resistência a óleos e agentes químicos;
• exposição à radiação UV;
• instalação subterrânea;
• flamabilidade;
• presença de halogênio;
• quantidade e tipo de movimentos;
• esforço de tração;
• ambiente de instalação.

Por isso, o cabo deve ser selecionado considerando a aplicação real e as especificações do fabricante.

Componentes compatíveis fazem diferença

Uma rede PROFINET não é definida apenas por utilizar Ethernet.

Cabos, conectores e demais componentes passivos devem atender aos requisitos adequados para a aplicação PROFINET.

A PI possui especificações próprias para cabling e interconnection, incluindo requisitos e procedimentos para que fabricantes declarem a conformidade de seus componentes.

Isso é importante porque um componente pode funcionar inicialmente e ainda assim não possuir características adequadas de transmissão, resistência mecânica ou comportamento ambiental para a aplicação industrial.

O objetivo não é simplesmente fazer o link Ethernet subir.

É construir uma infraestrutura que permaneça dentro dos requisitos durante a operação da planta.

A infraestrutura influencia diretamente a comunicação

Topologia, switches, cabos, conectores e meios de transmissão formam a base física sobre a qual toda a comunicação PROFINET acontece.

Uma escolha inadequada pode resultar em problemas que aparecem como falhas de comunicação, embora sua origem esteja na infraestrutura.

Por isso, quando analisamos a saúde de uma rede PROFINET, não devemos olhar apenas para o Controller e os IO Devices.

Também precisamos entender por onde os quadros estão passando e o que está acontecendo em cada link entre eles.

E nesse ponto os switches assumem um papel central.

No próximo conteúdo, vamos entender a diferença entre switch e hub, como um switch encaminha os quadros Ethernet e por que esse funcionamento é tão importante em uma rede PROFINET.