Aplicações que envolvem a conexão física entre computadores, no lar, escritório ou na indústria normalmente são do tipo Ethernet. No entanto, existem diferenças quanto ao ambiente de trabalho que diferenciam a Ethernet de uso industrial da Ethernet usada em outros campos. O ambiente industrial é ruidoso e isso faz com que ocorram certos problemas que precisam saber evitados. Para que o leitor tenha uma idéia de como tudo funciona faremos uma breve revisão da Ethernet Industrial neste artigo.
Para que o leitor tenha uma idéia do que é a Ethernet hoje será interessante tratarmos antes de suas origens.
O conceito original de Ethernet foi criado por Bob Melcalfe, da Xerox que em 1973 desenvolveu uma rede sem fio denominada ALOHAnet, cuja finalidade era interconectar computadores dos diversos campus das universidades do Havaí.
O problema básico naquele local é que esses campus ficavam em ilhas diferentes, dificultando assim uma conexão convencional.
O desafio era fazer com que diferentes sinais de rádio fossem usados em nodos para se comunicar entre estações-base sem interferir uns nos outros.
A solução foi o conceito CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access com Collision Detection - acesso múltiplo com sensoriamento de portadora com detecção de portadora).
O processo foi então aperfeiçoado e usado em redes físicas que deram origem a Ethernet.
Os aperfeiçoamentos que vieram tornaram a base para o padrão de redes IEEE802, que especifica as camadas físicas e de dados de uma rede.
A camada física especifica os tipos de sinais elétricos, velocidades de sinalização, tipos de mídia e conectores além das topologias da própria rede.
A camada de dados especifica como as comunicações ocorrem através da mídia usada, usando a técnica CSMA/CD que já explicamos acima, assim como a estrutura das mensagens que são transmitidas e recebidas.
Na figura 1 temos a estrutura típica de uma rede Ethernet.
As Camadas Físicas
No início, as opções para a Ethernet eram muito mais limitadas do que hoje. Haviam então as opções 10Base2 e 10Base5, operando ambas em 10 Mbps, usando cabo coaxial com nodos conectados aos via conectores "T", conforme mostra a figura 2.
As redes Ethernet 10Base2 permitiam o comprimento máximo de segmentos de aproximadamente 60 metros usando cabos coaxiais RG58 também denominado "Thin Ethernet". A Ethernet 10Base5 possibilita a comunicação em maiores distâncias.
Posteriormente foi desenvolvida a Ethernet 10Base-FL para fibras ópticas, alcançando até uns 600 metros (2000 pés)
Uma outra solução para a camada física de 10 Mbps que surgiu foi a 10BaseT, que rapidamente se tornou popular porque era muito fácil de instalar e usar, além de econômica pois permitia o uso de pares trançados (UTP Categoria 3) em lugar dos cabos coaxiais.
Normalmente os computadores eram conectados numa topologia em estrela a um hub, que por sua vez poderia ser conectado a outros segmentos da rede.
Os computadores poderiam ficar até 100 pés (33 metros) de distância e a conexão feita por conectores RJ-45.
No final de 1990, equipamentos Ethernet operando em 100 Mbps se tornaram disponíveis. Com a possibilidade de se ajustar automaticamente a velocidade das redes, o upgrade se tornou muito simples.
Agora já temos a opção da Ethernet Gigabit (1000 Mbps) que estão disponíveis usando pares trançados e fibra óptica. Com velocidade muito maior pode-se transferir dados em maior quantidade, uma exigência de muitas aplicações industriais.
A Camada de Dados
Essa camada define o método de acesso à mídia usada. São usados links de "half-duplex", como os conectados num barramento de tipologias em estrela (10/100Base T, 10Base2, 10Base5, etc.).
A modulação ainda é a CSMA/CD que permite que diversos nodos tenham acessos iguais à rede, operando da mesma forma que os sistemas de telefonia celular.
Nesse sistema todos os nodos da rede monitoram continuamente o fluxo de sinais. Se um nodo tem de transmitir informações, ele encaixa sua transmissão nos momentos em que ela está livre.
Se, por acaso, dois nodos tentam colocar informações no mesmo instante livre, ocorre o que se denomina "colisão" com a corrupção dos dados. No entanto, como os nodos monitoram a transmissão, eles percebem isso, parando imediatamente e esperando um tempo programado para tentar novamente.
Como os tempos programados para os nodos são diferentes não há perigo da colisão ocorrer novamente. A figura 3 ilustra o problema da colisão.
Esse método de conexão e acesso ao meio torna muito simples o acréscimo ou remoção de nodos numa rede. Ele simplesmente vai receber e transmitir seus sinais quando isso for possível.
Evidentemente, com o aumento do número de dispositivos conectados a uma rede, aumenta a chance de colisão e com isso há uma redução sensível de sua velocidade.
Esse fato nos permite dizer que a rede Ethernet é do tipo probabilístico, diferentemente de outras redes que são determinísticas, onde a confiabilidade pode ser prevista.
Na rede Ethernet Full-Duplex (10Base-FL, 100Base-FX, etc), as colisões não são importantes, já que apenas dois nodos estão presentes e os canais tanto de recepção como de transmissão estão disponíveis. Como a transmissão ocorre nos dois sentidos, a taxa de transferência de dados dobra.
Ethernet Frame
Trata-se da camada de dados onde é definido o formato dos dados que devem ser enviadas através de uma rede. O formato dos dados o "frame" contém diversos campos de informação além dos dados propriamente ditos, conforme mostra a figura 4.
O coração do sinal enviado é formado pelos dados que devem ser enviados. Trata-se da unidade de dados ou "data unit", podendo conter de 46 a 1500 bytes de 8 bits.
O tamanho do pacote de dados é informado ao receptor, de modo que ele saiba quantos bytes deve esperar.
Hubs e Switches
A finalidade dos hubs numa rede Ethernet é operar como dispositivos da camada física para repetir e espalhar os sinais. Os nodos são conectados às portas de um hub formando "galhos" ou "ramos" criando-se assim a topologia da rede.
Os hubs recebem os sinais dos nodos conectados e os regenera, mandando-os para outras portas. Pelo processo de regeneração dos dados, a distância alcançada pelos sinais pode ser aumentada.
Uma das vantagens desse processo de regeneração é que eles podem detectar os "pacotes" ou "frames" que apresentem problemas, ou seja, que estejam corrompidos, eliminando-os e solicitando uma nova transmissão.
Os nodos respondem aos sinais baseados nos endereços que eles contém no frame.
As chaves ou "switches" são similares aos hubs exceto pelo fato de que elas possibilitam a divisão da rede em segmentos. Na figura 5 mostramos o uso das chaves e dos hubs numa rede Ethernet.
Funções de Alto Nível
Existem casos em que redes Ethernet precisam se comunicar com outras redes, com características diferentes. Para essa finalidade existem protocolos de alto nível.
O mais comum para esse caso é o TCP/IP que permite acesso à Internet. Esse protocolo faz com que os pacotes de informações se movam através da rede baseados no seu endereço IP (Internet Protocol).
Na Indústria
Como solução eficiente para aplicações de uso geral a Ethernet é a mais popular, atendendo as exigências mínimas que garantem uma comunicação entre computadores.
A possibilidade de se agregar e tirar nodos, usar pares trançados e além disso operar numa topologia simples, fazem da Ethernet ideal para uma enorme gama de aplicações, incluindo as industriais.
No entanto, quando pensamos nas aplicações industriais existem ainda algumas características que tornam crítico o uso da Ethernet.
Uma delas é o funcionamento probabilístico, de que falamos.anteriormente. As aplicações industriais exigem uma confiabilidade maior, com níveis que só são alcançados por uma rede que tenha um funcionamento determinístico.
É claro que diante da relação custo/benefício que esse tipo de rede apresenta, os usuários logo encontraram meios de melhorar esse ponto crítico como, por exemplo, a segmentação usando switches e roteadores de modo a minimizar o tráfego não desejado de sinais, reduzindo assim sua utilização.
Um outro meio consiste em se utilizar protocolos novos de alto nível que incorporem recursos de priorização, sincronização e outras técnicas que asseguram o envio de sinais que sejam sensíveis.
O resultado disso foi a possibilidade de se adotar a Ethernet também no controle industrial e automação. Não só ela pode ser aplicada nas redes internas como em aplicações de campo.
A maior parte dos fabricantes de sistemas de controle incorporam versões para Ethernet em seus produtos, além de serem desenvolvidos protocolos específicos para essas aplicações, como os descrevemos a seguir:
EtherCAT (Eternet for Control Automation Technology)
É uma rede aberta em tempo real desenvolvida pela Beckhoff. Sua finalidade é proporcionar uma performance de controle e monitoramento de processos em tempo real usando pares trançados e fibras ópticas.
Esse protocolo rede também suporta diversas topologias sendo suportada pelo EtherCAT Technology Group, que é formado por 168 empresas.
Na figura 6 um exemplo de Topologia EtherCAT oferecida pela empresa Steinhoff.
Ethernet Powerlink
Trata-se de um protocolo Ethernet que combina o conceito CANopen com Ethernet. O grupo de padronização EPSG (Ethernet Powerlink Standardization Group) é uma associação aberta de fornecedores e usuários finais que precisam de uma Ethernet determinística em tempo real.
Na figura 7 temos a topologia típica de uma rede Ethernet Powerlink para aplicações industriais.
A vantagem desse protocolo é que ele usa chips comuns de comunicações no meio física, trabalhando com um protocolo denominado Ethernet/IP (IP = Industrial protocol).
Esse protocolo é suportado pela IEA (Industrial Ethernet Association), CI (ControlNet International) e ODVA (Open DeviceNet Vendor Association).
Modbus - TCP
Esse protocolo é suportado pela Schneider Automation. Na figura 8 a topologia típica usada numa rede Modbus.
Observe que os dispositivos remotos são conectados a Gateways via RS-232 e depois desses à Ethernet que os conecta a um Host Modbus/TCP.
PROFINET
É a versão Profibus de um sistema de comunicações para Ethernet, sendo desenvolvida pela Siemens e a PNO (Profibus User Organization).
Na figura 9 uma rede típica Profinet.
Conclusão
Partindo do conceito básico de Ethernet, diversos padrões adicionais foram desenvolvidas visando a aplicação específica em ambientes industriais.
Esses padrões levam em conta as exigências básicas que essa aplicação apresenta como o aspecto da confiabilidade que um sistema determinístico oferece, além da velocidade.
O que vimos neste artigo dá ao leitor uma idéia das possibilidades existentes de se implementar esse tipo de rede numa indústria.
Evidentemente, partindo dos conceitos apresentados fica mais fácil para o leitor pesquisar o que os diversos fornecedores oferecem e fazer a melhor escolha para sua aplicação específica.
