PROFINET
Guilherme Magalhães de Bastos e Lucas Fernandes Sousa
Pontifícia Universidade Católica de Goiás
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Goiânia/GO, Brasil, 74605-010
Resumo – A finalidade deste artigo é uma introdução ao sistema PROFINET, e suas aplicações em redes industriais e na automação. As topologias também serão contempladas assim como o meio físico.
Palavras-chave – Profinet; Redes; Protocolo; Automação.
I.INTRODUÇÃO
A área de automação possui um padrão de comunicação denominado PROFINET. É uma rede padronizada pela Associação Profibus Internacional como uma das 14 redes de Ethernet Industrial. É regulamentada pela norma 5 e IEC61158-6, sendo o décimo protocolo que foi incluído nessa norma (LUGLI, 2008).
O PROFINET possui uma alta gama modular de funções, o que o torna uma escolha flexível para todos os tipos de mercados e aplicações, como, por exemplo, de automação de manufatura e processo, com segurança funcional, entre outras.
II.DESENVOLVIMENTO
O PROFINET é um programa que pode ser utilizado em todas as áreas de engenharia de automação.
No caso de fabricantes de máquinas e plantas industriais, seu uso reduz custos de instalação, engenharia e startup. Assim, o usuário que o utiliza beneficia com a alta facilidade de expansão, as
disponibilidades das instalações e com uma automação rápida e bastante eficiente.
Assim, "o PROFINET usa UDP/IP como protocolo de nível superior para troca de dados orientados por demanda. Em paralelo com a comunicação UDP/IP, a troca cíclica de dados no PROFINET é baseada em um conceito de tempo real" (PROFIBUS). Além disso, este programa permite uma integração com outras redes de campo existentes, como o PROFIBUS, INTERBUS, entre outras, sem alterações nestes dispositivos. Com isso, os investimentos feitos pelos usuários são protegidos. De acordo com a Siemens, o PROFIBUS há anos foi colocado como o programa de escolha para máquinas e instalações e este revolucionou a automação na década de 80. Já na década de 90, houve a propagação do Ethernet. Atualmente, a fabricação não pode ser realizada sem os dois sistemas. Assim, é mas eficiente o uso do PROFINET, o qual mescla a experiência industrial do PROFIBUS com as opções flexíveis do Ethernet. Existem duas classificações de redes PROFINET: o CBA e I/O. O PROFINET CBA é a forma mais adequada para comunicação entre máquinas, o qual baseia-se em componentes, trabalha via TCP/IP e é destinado para comunicação em tempo real. Assim, ele possibilita um projeto utilizando configurações gráficas entre os módulos inteligentes. Já o PROFINET I/O trabalha diretamente com os elementos de campo, realizando leituras de sensores, atualizações dos sinais de saída e controle
de diagnósticos da rede. Ambos podem ser operados separadamente ou combinados.
As principais vantagens do PROFINET são, de acordo com a Descrição de seu Sistema:
permite automação em tempo real ao mesmo momento em que proporciona uma interface direta ao nível de TI;
é um programa 100% compatível com Ethernet de acordo com as normas IEEE e este se adapta facilmente às aplicações na indústria devido suas topologias flexíveis em linha, anel, estrela e árvore, além das soluções por cabo ou fibra óptica;
não necessita de soluções personalizadas de alto custo;
permite comunicação sem fio com WLAN E Bluetooth;
vários tipos de comunicações podem compartilhar o mesmo cabo, as quais provêm de todos os tipos de aplicações, o que varia desde tarefas simples de controle até aplicações de controle de movimentos de alto desempenho;
Dados os benefícios do Profinet, vemos seu constante crescimento e popularização nos últimos anos, despontando na liderança do seguimento Ethernet.
Figura 1 - Market Share das soluções de Ethernet industrial (MARCOS, 2013).
Figura 2 - Barramento Único (Site: PROFIBUS) Uma das características marcantes do PROFINET é o barramento único, como mostrado na figura acima, de forma que pode-se conseguir uma redução significativa na quantidade de cabos, diminuindo o custo e erros de comunicação. Esta forma simplificada é bem visada pelas indústrias, colocando o PROFINET com uma vantagem a mais no mercado.
Outras vantagens que se podem colocar em evidência são: facilidade de instalação, protocolo aberto, menor custo de propriedade, manutenção inteligente, economia de energia, alta disponibilidade e segurança e as vantagens associadas a TI.
A redução de energia se deve ao fato do PROFINET acionar as maquinas elétricas apenas nos momentos necessários. Ao perceber que determinado equipamento não necessita estar em atividade, o PROFINET o desliga, de forma a reduzir bastante o consumo em uma indústria.
Na figura acima podemos ver claramente o avanço dos protocolos com o passar das décadas, e é possível ver como o PROFINET conseguiu diminuir a falta de comunicação entre o chão de fabrica com o corporativo. Com essa melhora de informação, o corporativo consegue ver claramente o que vem acontecendo e realizar as mudanças necessárias para minimizar os impactos a corporação.
A tecnologia comprovada de segurança PROFIsafe do PROFIBUS também está disponível para o PROFINET. Assim, o mesmo cabo pode ser utilizado para comunicação comum, o que leva a economia em dispositivos, engenharia e configuração.
O tempo de transmissão de mensagens é divido em divisões de tempo de processamento para a transmissão de dados. A divisão é feita em 5 partes:
Tempo 1: Tempo gasto para o provedor disponibilizar o dado;
Tempo 2: É o tempo que a pilha de comunicação leva para processar o dado e torná-lo adequado para transmissão no meio físico;
Tempo 3: É o tempo gasto no espaço temporal decorrido até que o dado percorra o meio físico até o consumidor;
Tempo 4: Tempo em que a pulha de comunicação do consumidor gasta para conduzi-lo de forma adequada até a aplicação do consumidor;
Tempo 5: É o tempo que o consumidor leva para processar o dado na sua camada de aplicação.
Na figura 4, podemos ver as etapas temporais de transmissão de dados:
Figura 4 - Tempo de Transmissão em PROFINET (MARCOS, 2013)
Referente ao meio físico, pode-se utilizar a seguinte configuração para qualquer uma das redes Ethernet industriais, explicitada na Tabela: Tabela 1 - Características físicas das redes Ethernet industriais (LUGLI, 2008)
Tipo de Cabo Velocidade da Rede Distância máxima sem repetidor Número máximo de elementos Par Trançado blindado 10BASE-T 10 Mbps 100 metros 1024 Par trançado blindado 100BASE-T 100 Mbps 100 metros 1024 Par trançado blindado 1000BASE-T 1000 Mbps 100 metros 1024 Fibra óptica 100BASE-FL 10 Mbps 2000 metros 1024 Fibra óptica 100BASE-FL 100 Mbps 2000 metros 1024
Para trançado blindado, o cabo possui dois pares (quatro vias), categoria 5 (com Shield). Já na configuração de fibra óptica é possível utilizar repetidores ópticos, e dependendo do material, pode-se chegar a dezenas de quilômetros, colocando vários repetidores em cascata.
Tratando-se de segurança nas plantas com redes mais sofisticadas ou que são interligadas via Internet, o PROFINET recomenda um conceito de segurança baseado em zonas de proteção. Recomenda-se um conceito de segurança adequado para a aplicação em si, com uma ou mais zonas de seguranças adjacentes. Por um lado, esse conceito não sobrecarrega os dispositivos PROFINET e por outro lado permite que os conceitos de segurança sejam aprimorados conforme os requisitos de engenharia de uma automação integrada. (DIAS, et.al, 2014).
O PROFINET em comparação com o PROFIBUS possui um bom ganho em desempenho. Com um tempo de ciclo mais rápido pode-se otimizar as redes industriais e desta forma obter um aumento da produção e nos numeros de nós do sistema. Podemos representar na figura 5 a diferença no tempo de ciclo de cada protocolo.
Figura 5 - Tempo de ciclo (Site: PROFIBUS)
Figura 6 - Conectores industriais (DIAS, et.al. 2014).
Geralmente se projeta topologias de rede tipo estrela, utilizando o mestre (controller) como o elemento central de rede, os swithches industriais especiais para derivar e interligar os elementos da rede e os módulos de campo (nodes) onde são conectados os sensores e atuadores.
Todavia também é comum encontrar topologias do tipo linha, arvore e em anel, onde pode-se ter uma configuração em tempo real, o que é bastante visado pelas industrias e profissionai.
Figura 7 - Topologia para uma rede Ethernet industrial qualquer. (LUGLI, 2008).
Figura 8 - Custo de Investimentos (Site: PROFIBUS) O custo de investimento inicial referente ao PROFIBUS se torna superior. Contudo, na economia com os gastos com cabos, e com manutenção, pode-se ter uma economia de 40% em relação ao PROFIBUS. A evidência financeira pode ser bem visualizada a partir do terceiro ano de operação do protocolo, onde o custo com mão de obra e manutenção do mesmo sistema utilizando PROFIBUS é bem superior ao custo geral utilizando o protocolo PROFINET.
Em relação a segurança, o PROFINET é totalmente compatível com o PROSISAFE, que é um barramento a prova de falhas. Assim, o protocolo pode atender as mais altas categorias de segurança, atingindo nível de integridade de segurança SIL 3, no qual também se reduz bastante o numero de peças e interfaces.
Figura 9 - Segurança (Site: PROFIBUS)
III.CONCLUSÃO
Primeiramente, sabe-se que o PROFINET é derivado de um conjunto entre as décadas de experiência com o PROFIBUS, aliado ao uso difundido mundialmente da Ethernet Industrial. Vendo as características da rede Ethernet industrial e seu funcionamento podemos enxergar a necessidade de materiais específicos para seu uso, mas não deixando de perceber a importância dessa tecnologia no mercado mundial.
REFERÊNCIAS [1] http://w3.siemens.com/mcms/automation/en/industria l-communications/profinet/profibus/pages/profibus.asp x. Em 11/11/2015, 20h
[2] A.B. Lugli. "Uma visão do protocolo industrial PROFINET e suas aplicações" Inatel, 2008.
[3] A.L. Dias et.al. " Um estudo sobre a tecnologia PROFINET" 2014.
[4] L.B. Marcos, "Metodologia para análise de desempenho do protocolo PROFINET aplicado a redes de comunicação industrial" TCC, 2013.
[5]http://www.profibus.com/nc/download/technical- descriptions-books/downloads/profinet-technology-and-application-system-description/download/15440/ Em 11/11/2015, 19h
