Ethernet para I/O Industrial: Benefícios, Desvantagens e Considerações de Design Essenciais

Dispositivos de entrada/saída (I/O) industriais compõem os sistemas nervosos centrais de muitas máquinas modernas e, por extensão, plantas industriais. Nos últimos dez anos, o uso de Ethernet como camada física tem sido um dos avanços mais importantes no design de automação industrial para dispositivos I/O de fieldbus.

O EtherNet/IP (Ethernet Industrial Protocol) moderno combina Ethernet tradicional com uma camada de protocolo de aplicação industrial voltada para automação industrial. Foi criado para superar as deficiências do IEEE tradicional, que tinha dois grandes problemas:

1. O IEEE tradicional não era adequado para lidar com todos os processos complexos e pesados em dados envolvidos na automação moderna. Usa uma variedade de padrões que podem tornar a manutenção e uso de I/O um desafio.
2. No passado, organizações de fieldbus criavam seus próprios padrões para conectores, protocolos e stacks. Agora, a camada física pode ser tratada por organizações internacionais de padronização que definem padrões Ethernet para ambientes industriais, de escritório e consumidor.

Conectar dispositivos I/O via Ethernet para controlá-los remotamente, coletar e analisar dados e monitorar status permitiu que muitas plantas melhorassem confiabilidade, consistência e eficiência. O I/O Ethernet pode desempenhar papel significativo para plantas que buscam atualizar suas linhas e processos de automação.

Mas como qualquer tecnologia, há prós e contras de adicionar Ethernet ao ambiente de design de automação industrial. Para ajudar você a tomar uma decisão informada ao buscar melhorar sua produção, listamos os principais pontos para I/O Ethernet abaixo:

• Prós
• Contras
• Ethernet vs. Outras Opções
• Melhores Práticas

PRÓS do Ethernet para I/O

I/O em rede usando Ethernet proporcionou melhor desempenho, topologia flexível e configuração mais simples, além de outras vantagens.

1. Processamento Mais Rápido – Ethernet I/O permite atualizações em tempo real em menos de um milissegundo. Velocidades de processamento mais altas criam eficiências na coleta e análise de dados, bloco crucial para automação industrial pesada em dados.
2. Protocolos de comunicação abertos padronizados para design de automação industrial – Ethernet é usado em combinação com protocolos padrão open-source, como EtherCAT, Profinet, EtherNet/IP, Powerlink e outros. Todos podem facilmente interligar-se a muitos dispositivos, como drives, encoders e controles industriais na rede I/O. À medida que fieldbuses se tornaram mais abertos e dependentes de tecnologias físicas conhecidas como Ethernet, taxas de atualização de rede I/O aumentaram a ponto de acompanhar eventos em tempo real no sistema de controle.
3. Menos Cobre — Custos Menores – Redes IEEE anteriores exigiam quantidades significativas de fiação de cobre para dispositivos industriais. Hoje, conectar dispositivos I/O ao controlador requer apenas a conexão de rede I/O, energia de controle e, no caso de dispositivos de alta energia, energia trifásica. Isso elimina loops de terra e emaranhados de fio de cobre. Em vez disso, um cabo padrão conecta o controlador ao sistema operacional industrial, que pode ser localizado longe de seu controlador e ser distribuído.
4. Proteção contra Obsolescência de Plataforma – Como Ethernet está disponível para praticamente todas as plataformas de hardware existentes, não está vinculado a nenhum fabricante ou classe de equipamento. Continuará funcionando no futuro previsível, fornecendo investimento à prova de futuro em conectividade, o que também fortalece a segurança a longo prazo.
5. Confiabilidade – Ethernet I/O funciona de forma confiável em ambientes severos, como usinas solares, refinarias de petróleo e gás, ferrovias, usinas eólicas e até instalações marítimas. Provavelmente, design de automação industrial usando Ethernet I/O atenderá às demandas do seu ambiente de produção.
6. Padrões comuns certificados e amplo suporte de fornecedores – Ethernet industrial usa protocolos de transporte e controle do Ethernet tradicional e tecnologias de acesso à mídia e sinalização encontradas em placas de interface Ethernet off-the-shelf. É um padrão robusto e certificável que permite grande flexibilidade no uso de equipamentos enquanto garante que dispositivos sejam certificados, testados e aprovados por laboratórios de teste EtherNet/IP para assegurar qualidade e consistência. O núcleo do EtherNet/IP é o Control and Information Protocol (CIP) usado em ControlNet, DeviceNet e CompoNet. Este padrão organiza dispositivos em rede como uma coleção de objetos, definindo acesso, comportamento de objeto e extensões. Isso fornece acesso a uma vasta gama de dispositivos usando um mecanismo comum, e por ser um padrão amplamente usado — toda indústria usa Ethernet — há amplo suporte de fornecedores para quase qualquer tipo de dispositivo I/O.
7. Configuração Simples e Rápida – Ethernet oferece aos produtores mais opções, seja segurança, fieldbus, menos programação ou servidores web. Permite que plantas mudem entre protocolos ou implementem um fieldbus pela primeira vez de forma simples, plug-and-play. Muitos produtos são auto-configuráveis, pois reconhecem automaticamente o protocolo mestre.
8. Outros Benefícios – Alguns benefícios menores adicionais do design de automação industrial com Ethernet para I/O incluem: Interconexão única (ou par para alta disponibilidade) para rede e armazenamento I/O; Redução de energia, resfriamento mais eficiente e uso de espaço no chão e ambiente de fábrica mais sustentável; Melhorias de desempenho de servidores, maximizando slots PCI e mezzanine; Melhor escalabilidade de capacidade de I/O para lidar com necessidades de aplicações clusterizadas e de alto desempenho.

Contras de Adicionar Ethernet para I/O

Agora que cobrimos extensivamente os benefícios do Ethernet I/O, discutiremos alguns dos maiores inconvenientes:

• Limitações de Largura de Banda – Ethernet I/O tem largura de banda limitada. Muitos CLPs só conseguem mover pacotes de cerca de 500 bytes, o que pode ser um obstáculo significativo, potencialmente desacelerando operações.
• Processamento Consumido por Camadas TCP/IP – EtherNet/IP é um protocolo de camada de aplicação transferido dentro de um pacote TCP/IP. Isso significa que largura de banda significativa do processador vai para o processamento das camadas TCP/IP, novamente desacelerando o desempenho.
• Sem Modelagem de Informação – Com Ethernet, não há modelagem de informação verdadeira. Você pode criar objetos com atributos, mas não pode vinculá-los em qualquer tipo de hierarquia. Isso pode criar desafios em implementações reais de design de automação industrial.
• Variação de Equipamento – Há funcionalidade limitada do Ethernet com certos controladores, então você ainda precisa ter cuidado ao selecionar o melhor equipamento.
• Superdimensionado – Em muitos casos, Ethernet é melhor usado para aplicações de controle discreto. Pode funcionar em cenários de controle de processo, mas pode ser uma solução superdimensionada que consome orçamento desnecessariamente. Em alguns casos, soluções mais práticas e menos custosas existem.
• Diagnósticos – Diagnósticos genéricos não estão integrados em todos os dispositivos Ethernet. Cada dispositivo pode precisar de seus próprios diagnósticos personalizados projetados e implementados, o que pode consumir tempo significativo.

Comparação do Ethernet com Outras Tecnologias

Pontos Cruciais a Saber

Ao migrar para Ethernet I/O, é crítico avaliar uma ampla gama de recursos para obter o tipo certo de Ethernet. Considere as seguintes arquiteturas Ethernet IOS:

• Sistemas Ethernet por Módulo
• Sistemas de Porta-Módulo
• Sistemas de Cluster Estrela

Recursos Essenciais

Além de sua arquitetura, todo Ethernet IOS tem recursos funcionais importantes que devem ser avaliados. Todo IOS industrial deve fornecer algum nível de suporte para as seguintes funções comuns:

• Monitoramento de energia
• Distribuição de energia
• Suporte a intertravamento
• Proteção Ambiental

Podemos Ajudar

A escolha do protocolo Ethernet depende de muitos fatores. Mas na maioria das vezes, os CLPs usados em suas instalações e a demanda do cliente impulsionarão sua decisão. Se você usa Siemens, Profibus DP ou ProfiNet IO podem ser suas melhores opções. Se você usa Rockwell ControlLogix ou CompactLogix, EtherNet/IP ou DeviceNet são suas melhores escolhas. Seus requisitos de aplicação e infraestrutura atual guiarão a tomada de decisão.

Na EPIC, temos profunda expertise em uma ampla gama de sistemas e tecnologias, e ajudamos plantas em todo o mundo. Se precisar de assistência especializada na seleção das melhores tecnologias para o design de automação industrial da sua planta, podemos ajudar.

Entre em contato conosco aqui ou ligue para 314-714-1580 para assistência.

Outro Ótimo Recurso

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