Projeto de redes industriais: o que considerar na arquitetura da rede

Quando pensamos em projetar uma rede industrial, é comum começar pelas perguntas mais visíveis:

Por onde os cabos vão passar?

Quantos switches serão necessários?

A topologia será em linha, estrela ou anel?

Qual conector devemos utilizar?

Essas perguntas são importantes, mas deveriam aparecer depois.

Antes de decidir como a rede será construída, precisamos entender o que ela precisa fazer.

Uma rede que conecta dez dispositivos em uma máquina isolada possui requisitos muito diferentes de uma rede que interliga várias linhas de produção, sistemas supervisórios, servidores, acesso remoto e sistemas corporativos.

Por isso, um bom projeto começa pela aplicação e pelos requisitos de comunicação.

Estrutura, arquitetura e topologia são a mesma coisa?

Não exatamente.

Esses termos aparecem frequentemente juntos, mas representam coisas diferentes.

Arquitetura de rede

A arquitetura representa a organização mais ampla do sistema.

Ela define, por exemplo:

• quais sistemas precisam se comunicar;
• como máquinas e áreas serão segmentadas;
• onde existirão switches, firewalls e roteadores;
• quais redes terão acesso umas às outras;
• como serão tratados disponibilidade e cybersecurity;
• como diferentes níveis da automação serão integrados.

A arquitetura responde principalmente:

quem precisa comunicar com quem e sob quais condições?

Topologia

A topologia descreve como os dispositivos estão interconectados.

Em uma rede PROFINET, por exemplo, encontramos normalmente estruturas em:

• linha;
• estrela;
• árvore;
• anel;
• combinações dessas topologias.

A escolha afeta não apenas o cabeamento, mas também o comportamento da rede diante de uma falha.

Em uma estrela, por exemplo, a perda de um cabo tende a afetar apenas o dispositivo conectado àquele link, enquanto a perda do switch central pode atingir todos os equipamentos ligados a ele.

Em uma linha, a falha de um dispositivo intermediário pode interromper a comunicação dos equipamentos posicionados depois dele.

Por isso, topologia também é uma decisão de disponibilidade e manutenção.

Infraestrutura física

A infraestrutura física é aquilo que efetivamente permite transportar os sinais:

• cabos;
• fibras ópticas;
• conectores;
• patch cords;
• tomadas;
• acopladores;
• eletrocalhas;
• eletrodutos;
• painéis;
• interfaces dos equipamentos.

Ela precisa ser compatível com a tecnologia utilizada, com o ambiente e com as condições mecânicas e eletromagnéticas da instalação.

1. Comece pelos requisitos da aplicação

Antes de escolher os equipamentos, precisamos saber o que a rede deverá suportar. Algumas perguntas importantes são:

• quantos dispositivos serão conectados?
• quais equipamentos precisam trocar dados?
• quanto dado será transmitido?
• quais são os tempos de atualização necessários?
• existem aplicações com requisitos de sincronismo?
• quais equipamentos são críticos para o processo?
• quanto tempo de indisponibilidade é aceitável?
• a rede precisará crescer?
• haverá acesso de outros sistemas?
• existirão conexões com redes corporativas ou acesso remoto?

Essas respostas orientam praticamente todas as decisões seguintes.

Uma topologia tecnicamente válida pode ser inadequada se não atender ao tempo de resposta, à disponibilidade ou à possibilidade de expansão exigida pela planta.

2. Defina os dispositivos e as funções da rede

Depois dos requisitos, podemos definir quais elementos farão parte da arquitetura. Em uma rede industrial podemos encontrar:

• CLPs e controladores;
• dispositivos de campo;
• remotas de I/O;
• inversores;
• IHMs;
• sistemas supervisórios;
• switches;
• roteadores;
• firewalls;
• servidores;
• estações de engenharia;
• sistemas de monitoramento;
• gateways e proxies.

É importante não analisar apenas os equipamentos diretamente ligados ao processo.

Um switch ou firewall pode não controlar uma válvula, mas sua falha pode afetar a comunicação de uma área inteira.

Por isso, também precisamos entender a criticidade de cada componente dentro da arquitetura.

3. Defina quais comunicações serão necessárias

Uma rede industrial dificilmente transporta um único tipo de tráfego.

Em uma infraestrutura PROFINET, por exemplo, podemos ter simultaneamente comunicação PROFINET IO, protocolos de gerenciamento, páginas web, SNMP, acesso de engenharia e outros serviços Ethernet/IP.

O projeto precisa considerar:

• quais protocolos existirão;
• entre quais dispositivos;
• com qual frequência;
• com qual volume;
• com quais requisitos de prioridade e tempo;
• e se determinada comunicação realmente precisa atravessar diferentes áreas da rede.

Esse levantamento ajuda tanto no planejamento de desempenho quanto na cybersecurity.

Em redes PROFINET maiores, a própria PI recomenda considerar carga de rede, topologia, velocidades dos links e possíveis pontos de congestionamento durante o projeto. Taxas diferentes e concentração de tráfego em determinados switches podem gerar perdas por congestionamento se a arquitetura não for corretamente dimensionada.

4. Escolha a topologia pensando também nas falhas

Não existe uma topologia universalmente melhor pois depende da aplicação. Uma linha pode reduzir o cabeamento e a quantidade de switches externos. Uma estrela pode facilitar a localização de falhas e evitar que a perda de um dispositivo interrompa outros equipamentos. Uma árvore permite organizar máquinas, células e áreas de forma hierárquica. Um anel pode ser utilizado quando existe necessidade de redundância de mídia.

Em PROFINET, se for utilizado um anel redundante, é necessário empregar mecanismos apropriados para controlar os caminhos de comunicação. O MRP, Media Redundancy Protocol, é o mecanismo básico utilizado para esse objetivo.

Simplesmente fechar um cabo formando um círculo sem configurar um protocolo adequado não cria uma rede redundante. Pelo contrário, pode criar um loop Ethernet.

Outro ponto importante é evitar que os dois caminhos de uma redundância sejam instalados juntos.

Se os dois cabos passam pela mesma eletrocalha e um único evento mecânico danifica ambos, existe redundância lógica, mas pouca independência física.

A própria PI recomenda que o caminho de retorno de um anel seja instalado por rota separada quando possível.

5. Pense em disponibilidade

Redundância é uma ferramenta para aumentar a disponibilidade, mas não é sinônimo de disponibilidade.

Podemos ter redundância de:

• mídia;
• switches;
• controladores;
• fontes;
• servidores;
• caminhos de comunicação.

Nem toda aplicação precisa de tudo isso.

Duplicar componentes sem analisar os modos de falha pode aumentar custo e complexidade sem entregar o ganho esperado.

A pergunta mais útil é:

qual falha estamos tentando tolerar e por quanto tempo o processo pode permanecer sem comunicação?

A partir dessa resposta podemos avaliar quais mecanismos de redundância fazem sentido.

6. Cybersecurity deve fazer parte do projeto

Cybersecurity não deveria ser adicionada depois que a rede está pronta.

Ela precisa ser considerada durante a definição da arquitetura.

A série ISA/IEC 62443 trabalha com uma abordagem baseada em risco, na qual o sistema é analisado e dividido em zonas e conduítes.

Uma zona reúne ativos com requisitos de segurança semelhantes.

Os conduítes representam as comunicações permitidas entre essas zonas.

Isso muda a pergunta de:

“onde colocamos um firewall?”

para:

“quais sistemas realmente precisam se comunicar e quais controles são necessários entre eles?”

Essa é uma abordagem muito mais útil.

Firewalls, autenticação, controle de acesso, segmentação, VPNs e outros mecanismos aparecem depois, como controles aplicados de acordo com o risco e com os requisitos da arquitetura.

A ISA/IEC 62443-3-2 deixa explícito que não existe uma receita única para proteger um sistema industrial. A estratégia parte da avaliação dos riscos, das consequências e das necessidades específicas de cada IACS.

E onde entram VLANs?

VLANs podem ser utilizadas para segmentar logicamente uma infraestrutura Ethernet em diferentes domínios de camada 2.

Isso pode ser muito útil na organização de uma rede.

Mas VLAN não deve ser confundida com firewall.

Criar duas VLANs não significa, por si só, definir quais protocolos ou serviços podem passar entre elas.

Quando é necessário controlar o tráfego entre redes ou zonas, entram recursos como roteamento controlado, ACLs, firewalls e outras políticas de segurança.

Essa distinção é importante principalmente em redes industriais nas quais segmentação e cybersecurity precisam trabalhar em conjunto.

7. A infraestrutura física também faz parte do projeto

Mesmo uma arquitetura lógica bem planejada pode falhar se a infraestrutura física for inadequada.

Cabos, conectores e demais componentes precisam ser escolhidos de acordo com:

• tecnologia de comunicação;
• velocidade;
• distância;
• temperatura;
• umidade;
• vibração;
• exposição química;
• interferência eletromagnética;
• tipo de movimento;
• ambiente de instalação.

Também é necessário planejar rotas de cabos, separação em relação a circuitos de potência, aterramento, blindagem e proteção mecânica.

Em ambiente industrial, essas decisões influenciam diretamente a estabilidade e a vida útil da infraestrutura.

8. O projeto precisa prever manutenção

Outro erro comum é projetar apenas para a rede funcionar no primeiro dia.

Uma rede industrial pode permanecer em operação por muitos anos.

Durante esse período, equipamentos serão substituídos, firmware será atualizado, máquinas serão ampliadas e novos dispositivos entrarão na arquitetura.

Por isso, o projeto também precisa prever como a rede será mantida.

Isso inclui:

• inventário de ativos;
• endereçamento;
• nomes dos dispositivos;
• documentação da topologia;
• identificação dos cabos e portas;
• backup das configurações;
• versões de firmware;
• histórico de alterações;
• monitoramento de desempenho;
• registro de eventos e falhas.

Uma rede que ninguém consegue compreender alguns anos depois da instalação é difícil de manter, mesmo que tenha sido tecnicamente correta no momento do comissionamento.

9. Documentação não é opcional

Ao final do projeto, deveria ser possível responder rapidamente:

• qual equipamento está conectado em cada porta?
• qual é sua função?
• qual endereço utiliza?
• a qual máquina ou área pertence?
• por onde passa o cabo?
• quais equipamentos dependem daquele switch?
• quais caminhos são redundantes?
• quais comunicações entre áreas são permitidas?
• onde estão os pontos críticos da arquitetura?

Uma topologia gráfica ajuda muito, mas não resolve tudo sozinha.

Ela precisa estar associada a inventário, endereçamento, configuração e documentação física.

É também aqui que ferramentas de monitoramento contínuo podem agregar valor.

O TS Monitor PROFINET, por exemplo, pode fornecer visibilidade sobre topologia e inventário da rede, ajudando a acompanhar a infraestrutura real ao longo da operação.

Isso não substitui um bom projeto ou sua documentação.

Ajuda a confrontar o que foi projetado com aquilo que efetivamente está conectado e comunicando na planta.

Um bom projeto começa antes da escolha do cabo

Projetar uma rede industrial não é apenas desenhar uma topologia.

É combinar requisitos de processo, comunicação, disponibilidade, cybersecurity, infraestrutura física e manutenção em uma arquitetura coerente.

Uma sequência prática é:

1. Entender a aplicação;
2. Definir requisitos;
3. Mapear comunicações;
4. Estruturar a arquitetura;
5. Escolher a topologia;
6. Dimensionar a infraestrutura;
7. Implementar controles de segurança;
8. Documentar;
9. Validar e monitorar.

Quando essas decisões são tomadas na ordem correta, fica mais fácil evitar problemas que só apareceriam depois da instalação.

E existe uma decisão que influencia praticamente toda essa arquitetura: qual tecnologia de comunicação será utilizada?

PROFIBUS e PROFINET podem atender a ambientes industriais, mas possuem estruturas e características bastante diferentes.

É justamente essa comparação que veremos no próximo conteúdo.