Ethernet

Jun 12, 2023

1º de agosto de 2022 | Por Gerd Niedermayer (BASF) e Benedikt Spielmann (Endress + Hauser)

As plantas de processo hoje têm grandes quantidades de dados disponíveis em nível de campo a partir de dispositivos inteligentes. No entanto, estes dados são dificilmente acessíveis a outros níveis da organização devido às diferentes tecnologias de comunicação entre os dispositivos a nível de campo e à arquitectura Ethernet a nível empresarial. Esta falta de acesso aos dados dificulta a implementação de projetos de digitalização e impede que as fábricas de processos obtenham o máximo de benefícios das abordagens baseadas em dados, como a utilização de gémeos digitais ou modelos de manutenção preditiva.

A Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) está superando esses desafios ao fornecer conectividade entre dados de campo e sistemas corporativos na velocidade e largura de banda necessárias para aplicações de nível superior. Este artigo explica como o Ethernet APL está sendo usado e detalha seus recursos e benefícios.

Ethernet-APL transmite energia e dados através de um cabo de dois fios e pode atingir taxas de dados de 10 Mbit/s com cabos longos. Ethernet-APL atende aos requisitos de segurança intrínseca e soluções de segurança funcional estão em desenvolvimento. Dependendo do projeto de topologia da rede, podem existir até 50 dispositivos APL ou até mais de 200 dispositivos APL em um segmento Ethernet-APL.

A tecnologia foi lançada na Conferência Achema Pulse (Frankfurt, Alemanha; www.achema.de) em 2021 [1] e foi testada em um laboratório da BASF (Ludwigshafen, Alemanha; www.basf.de). Muitos benefícios foram comprovados durante esta avaliação. Espera-se que a tecnologia se expanda rapidamente com muitos dispositivos de campo com interfaces APL já disponíveis ou que estarão disponíveis em breve.

A instrumentação industrial progrediu da tecnologia pneumática original para dispositivos analógicos e, posteriormente, para tecnologias digitais, como HART, Profibus PA ou Foundation Fieldbus. Cada nova tecnologia ofereceu benefícios em relação à geração anterior, mas cada uma ainda tem suas próprias limitações.

O protocolo HART é extremamente lento. A solução de problemas e a parametrização devem ser realizadas localmente no dispositivo. A fiação é cara e o sistema requer conversões de protocolo complexas para acesso remoto. Os técnicos HART são obrigados a dimensionar as medições manualmente durante a configuração inicial do dispositivo, bem como para a substituição do dispositivo. Esta tecnologia é usada principalmente para parametrização e solução de problemas e muito raramente para controle de processos.

As tecnologias Fieldbus também apresentam uma taxa de transferência de dados lenta, embora seja mais rápida que o protocolo HART. No entanto, os sistemas fieldbus são complexos em termos de conversões de protocolo para acesso remoto, engenharia de segmentos e solução de problemas. Existe alguma resistência da indústria à adoção generalizada da tecnologia fieldbus devido à complexidade associada ao seu uso.

A arquitetura industrial existente possui uma camada eletrônica ou fieldbus para dispositivos de campo, uma rede Ethernet de planta para camadas de supervisão e controle e uma Ethernet corporativa para gerenciamento e planejamento. No entanto, para permitir o acesso contínuo aos dados em todas as camadas, é necessária uma única tecnologia de rede. Disponibilizar grandes quantidades de dados em tempo real para otimização e modelos analíticos, ao mesmo tempo em que atende aos requisitos dos ambientes adversos em plantas de processo, tem sido um dos principais impulsionadores que levaram ao desenvolvimento da Ethernet-APL. (Figura 1).

FIGURA 1. Existe uma “lacuna” de Ethernet no nível do dispositivo de campo

FIGURA 1. Existe uma “lacuna” de Ethernet no nível do dispositivo de campo

FIGURA 1. Existe uma “lacuna” de Ethernet no nível do dispositivo de campo

A Ethernet padrão parece oferecer muitos dos recursos necessários para a próxima geração de instrumentação de campo industrial. No entanto, existem algumas desvantagens que tornam impossível a implementação direta em ambientes industriais. Por exemplo, a Ethernet 100BASE-TX tem uma taxa de dados de 100 Mbit/s full duplex, mas os comprimentos dos cabos são limitados a 100 m.

A Ethernet padrão usa cabos CAT5/6 que possuem quatro fios internos. Isto é incompatível com instalações industriais, que requerem uma solução de dois fios para instrumentação de campo. É vital que uma solução Ethernet industrial se integre à infra-estrutura de dois fios existente para evitar a necessidade de religação de fábricas inteiras, o que não seria financeiramente justificável.