Seja bem-vindo a jornada TS sobre PROFINET! Aqui vamos detalhar diversos assuntos técnicos sobre redes PROFINET. A jornada é longa, mas a equipe TS está segura de que após essa caminhada você terá adquiridos importantes conceitos e orientações para trabalhar com esta tecnologia. Vamos ao PROFINET? Ainda não. Antes disso, precisamos repassar uma série de conceitos sobre a tecnologia ethernet que é a base utilizada pelo protocolo desta jornada. Esperamos que você aproveite ao máximo este conteúdo e, agora sim, vamos ao Ethernet!
O que é a Ethernet
A Ethernet foi criada com o objetivo de facilitar a comunicação entre computadores e dispositivos em redes locais (Local Area Networks – LANs). O padrão original, chamado Ethernet 10Base5, fornecia velocidades de até 10 Mbps e utilizava cabos coaxiais de diâmetro bem maior do que os cabos de rede atuais. Ao longo dos anos, a Ethernet evoluiu e se adaptou às crescentes demandas de velocidade e capacidade de transmissão de dados, com o surgimento de novos padrões, como o Fast Ethernet (100 Mbps), o Gigabit Ethernet (1 Gbps) e o 10 Gigabit Ethernet (10 Gbps), construindo seu caminho por diferentes meios físicos como cabos de cobre, fibra óptica e sem fio.
Por que Ethernet?
Ethernet é uma tecnologia de comunicação de rede que permite a transmissão de dados em redes locais (LANs). Ela se tornou amplamente adotada devido à sua velocidade, confiabilidade, praticidade de instalação e capacidade de suportar uma variedade de dispositivos. A Ethernet é baseada em padrões definidos pela IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), e suas várias versões oferecem diferentes velocidades de transmissão, como 10 Mbps, 100 Mbps, 1 Gbps, 10 Gbps, entre outros.
PROFINET, por outro lado, é um protocolo de comunicação industrial baseado em Ethernet. Ele é amplamente utilizado na automação industrial para permitir a comunicação entre diferentes dispositivos, como controladores programáveis (PLCs), drives, remotas de IO, IHMs, sensores, atuadores e outros equipamentos de automação. O PROFINET utiliza a infraestrutura Ethernet para fornecer comunicação em tempo real e troca de dados confiável e eficiente em ambientes industriais.
Qual a relação entre Ethernet e PROFINET
A relação entre Ethernet e PROFINET se dá pelo uso da estrutura na construção das redes PROFINET. Ele utiliza o modelo OSI (Open Systems Interconnection) e implementa recursos adicionais específicos para atender aos requisitos da automação industrial, como comunicação em tempo real e determinística. Assim, o PROFINET se beneficia das características fundamentais da Ethernet, enquanto adiciona funcionalidades específicas para atender às necessidades do ambiente industrial.
Em resumo, Ethernet fornece a infraestrutura de rede, enquanto PROFINET é um protocolo de comunicação que opera sobre essa infraestrutura para atender às exigências de automação industrial. Essa abordagem permite a integração eficiente de sistemas industriais em redes de dados comuns, aproveitando os benefícios da Ethernet para o ambiente industrial.
Avançamos um pouco para alguns termos que serão importantes durante toda a jornada.
Ehternet termos e conceitos
- Quadro (Frame): Unidade básica de transmissão de dados na Ethernet. Um quadro, ou pacote de dados, contém informações de controle, endereço e dados em si;
- Endereço MAC (Media Access Control): Endereço exclusivo de 48 bits atribuído a cada dispositivo de rede, usado para identificar dispositivos individuais na rede. Usualmente referido como endereço físico;
- Endereço IP: Identificador numérico para dispositivos em rede de computadores. Conhecido como endereço lógico;
- Hub: Dispositivo que interconecta dispositivos de rede e transmite os pacotes recebidos para todos os dispositivos conectados em todas as portas;
- Switch: Dispositivo de rede responsável por encaminhar pacotes entre dispositivos conectados em uma LAN, otimizando e gerenciando tráfego, controlando acesso e muito mais (muito mesmo, falaremos adiante). Uma evolução natural dos Hubs;
- Wireless Access Point: dispositivo de comunicação sem fio que expande a estrutura de uma rede cabeada para uma rede sem fio e controla e gerencia esta conexão;
- Wireless Client: dispositivo de comunicação sem fio que se conecta a Access Points para permitir a conexão de dispositivos sem fio a estruturas de rede cabeada. Com inúmeras variações, versões e aplicações, o conjunto Access Point e Client fazem a “ponte” sem fio entre duas redes cabeadas para permitir troca de dados entre elas;
- CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection): Protocolo de acesso ao meio físico utilizado na Ethernet cabeada em cobre para coordenar a transmissão de dados entre dispositivos e evitar colisões;
- CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance): nas redes sem fio a tecnologia CSMA/CD não pode ser aplicada, uma vez que os rádios não conseguem detectar uma colisão, e para contornar esta limitação intrínseca ao meio físico (ar) foi desenvolvida a CSMA/CA. Neste caso, não para detectar, mas sim evitar colisões (daí o termo Collision avoidance). Com esta técnica são definidas janelas de tempo (espaçamento entre envio de pacotes) para os dispositivos com intuito de minimizar as colisões;
- PoE (Power over Ethernet): padrão de tecnologia (802.3af/at…) que permite o uso de pares de condutores para a transmissão de energia elétrica de alimentação dos dispositivos, permitindo ao usuário utilizar um cabo único de 8 vias para levar dados e alimentação aos equipamentos. Os equipamentos aqui levam outras 2 siglas: PD para o Powered Device (aquele que é alimentado) e PSE para Power Sourcing Device (para aquele que fornece a alimentação);
- IEEE 802.1Q (tagged frame) – define 4 bytes adicionais dentro do quadro ethernet para descrever o tipo de aplicações especiais (como tipo de quadro PROFINET ou a identificação da VLAN);
- LAN (Local Area Network): quando nos referimos a LAN estamos falando de uma rede local constituída por cabos, conectores, computadores, servidores, Access Points, switches e outros que formam uma estrutura de comunicação definida. A comunicação entre diferentes LANs pode ser feita com uso de gateways, switches, roteadores, etc. Esta divisão pode ainda ser física ou lógica;
- IEEE 802.11 – Wireless LAN: padronizou a comunicação sem fio entre dispositivos dentro de uma LAN. Foram definidas aqui o uso de MAC e as especificações do meio físico (referido como PHY). Desde sua criação em 1997 os padrões de redes Wireless tiveram diversas e imensas evoluções, também conhecidas como Wi-Fi 0… até o Wi-Fi 6E em 2020 e Wi-Fi 7 em 2024.
- IEEE 802.1Q – VLAN (Virtual Local Area Network): permite a divisão lógica de diversos participantes de uma rede interconectada fisicamente. Por exemplo, diversas áreas de um edifício de escritórios conectados fisicamente podem ser separadas de forma lógica, isolando a comunicação entre eles. VLANs criam domínios de broadcast separados e os pacotes de dados são transmitidos apenas naquela VLAN (não iremos aprofundar aqui os conceitos de VLAN bridge e outros detalhes que permitiriam esta troca de dados). De um modo geral, VLANs ajudam a melhorar segurança e otimizar o tráfego de rede;
- IEEE 802.3d – Link Aggregation: O protocolo IEEE 802.3ad, também conhecido como Link Aggregation Control Protocol (LACP), permite combinar várias conexões Ethernet físicas em uma única conexão lógica, aumentando a largura de banda disponível e proporcionando redundância. A agregação de links pode ser usada para balancear o tráfego entre várias conexões, melhorando o desempenho e a resiliência da rede.
- STP (Spanning Tree Protocol) e RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol): permite a expansão da rede utilizando links redundantes sem a criação de loops de rede;
- MRP (Media Redundancy Protocol): protocolo de redundância de mídia utilizado como parte de tecnologia PROFINET a fim de construir estruturas de rede redundantes e aumentar a confiabilidade e disponibilidade.
Características principais da Ethernet
Diversas opções de topologia: estrela, linha, anel, árvore… A Ethernet permite inúmeras possibilidades para seu projeto e permite escalabilidade, flexibilidade e economia;
Protocolo CSMA/CD: A Ethernet utiliza o protocolo CSMA/CD para coordenar a transmissão de dados, reduzindo a probabilidade de colisões e melhorando a eficiência da rede.
Compatibilidade / Interoperabilidade: A Ethernet é compatível com uma ampla variedade de dispositivos e sistemas operacionais, tornando-a uma escolha popular para redes residenciais, comerciais e industriais.
Escalabilidade: A Ethernet é facilmente escalável, permitindo que redes cresçam e se adaptem às necessidades dos usuários e às tecnologias emergentes.
Velocidade e desempenho: A Ethernet oferece várias opções de velocidade, desde 10 Mbps até 100 Gbps, para atender a diferentes requisitos de desempenho.
Conclusão
A Ethernet é uma tecnologia de rede essencial, duradoura e amplamente aplicada, graças à sua confiabilidade, escalabilidade e compatibilidade. Atualmente, é difícil imaginar nossa vida pessoal ou profissional sem ela. Com o constante desenvolvimento de novos padrões e tecnologias de rede, a Ethernet continuará a desempenhar um papel importante na interconexão de dispositivos e no compartilhamento de informações em todo o mundo. Mas e o que o PROFINET tem a ver com isso? Logo abaixo, caro leitor.
Por fim, o que é PROFINET?
PROFINET é um padrão de comunicação industrial baseado em Ethernet, projetado para permitir a comunicação rápida e confiável entre dispositivos e sistemas em ambientes industriais. Criada pela PROFIBUS & PROFINET International (PI), a mesma organização responsável pelo PROFIBUS, o PROFINET é comumente entendido como o PROFIBUS over Ethernet. Fato? A resposta: não. São apenas filhos de um mesmo pai, por assim dizer. O PROFINET não opera em RS485, o modelo de comunicação não é mestre escravo, não utiliza baudrate global, não é endereço na mesma forma, etc.
O PROFINET oferece muita flexibilidade, permitindo a integração de diferentes dispositivos e sistemas em uma única rede. Por hora um resumo breve e mais adiante aprofundaremos bastante na história, funcionalidades, aplicações e muito mais!
