Metal Mecânica

Comunicação Ethernet pode acelerar a Indústria 4.0 com custos mais baixos

O jornalista freelance especializado em eletrônica, Steven Keeping, escreve um interessante artigo no blog da Mouser Electronics sobre o uso da Ethernet para acelerar a Indústria 4.0. O artigo em inglês, um dos muitos publicados no blog e que podem ser úteis para quem atua na área de manufatura, está disponível em: https://br.mouser.com/blog/adapting-ethernet-accelerate-industry-4.

 

Keeping  escreve que nos anos 70, “Indústria 3.0” era o nome da mudança de paradigma na manufatura que adotou a tecnologia da informação para aumentar a automação e aumentar a produtividade, a precisão e a flexibilidade. Conforme a Indústria 4.0 amadurece, a automação em larga escala da indústria por meio de tecnologia inteligente, comunicação máquina a máquina (M2M) e aprendizado de máquina (ML) é realizada. “A principal diferença entre os dois é que, enquanto a Indústria 3.0 fornecia as informações para que os humanos tomassem melhores decisões, a Indústria 4.0 usa informações digitais para otimizar processos em grande parte sem nossa intervenção.”

 

Mais que isso, diz Keeping “a Indústria 4.0 agora pode formar um elo entre o escritório de projeto da fábrica e o chão de fábrica. Ao usar comunicações M2M, o projeto auxiliado por computador (CAD) pode se comunicar com máquinas-ferramentas e programá-las diretamente para fazer peças. E as máquinas-ferramenta podem falar com o CAD para informá-lo sobre os desafios no processo de produção, de modo que os itens possam ser modificados para torná-los mais fáceis de fabricar.”

 

A Internet Industrial das Coisas (IIoT) é a plataforma sobre a qual os fabricantes estão construindo suas soluções da Indústria 4.0. Um papel importante da rede é formar loops de feedback por meio dos quais os sensores monitoram os processos e seus dados são usados ​​para controlar e aprimorar a operação da máquina, diz o autor.

 

A implementação da IIoT está longe de ser simples e talvez o maior desafio seja o custo do investimento, embora possa ser justificado por meio de economia gerada pelo melhor projeto e processo de fabricação, que gera aumentos de produtividade e menos falhas nos produtos. “Uma maneira de fazer isso é basear a rede IIoT de uma fábrica em tecnologia de comunicação Ethernet comprovada, acessível e relativamente barata”, observa o jornalista.

 

Como a opção de rede com fio mais amplamente usada em todo o mundo, a Ethernet oferece bom suporte de fornecedor e interoperabilidade de IP. Além disso, um conjunto de cabeamento pode ser usado para transportar corrente e dados para alimentar sensores, atuadores e câmeras conectados, frisa o jornalista.

 

Apresentando conectores e cabos robustos, a “Ethernet Industrial” se baseia na versão do consumidor da Ethernet para fornecer uma tecnologia comprovada e madura para automação industrial. A Ethernet industrial não apenas permite o transporte de informações vitais, mas também permite que um supervisor remoto acesse facilmente máquinas, PLCs e controladores no chão de fábrica.

 

No entanto – sempre de acordo com o artigo publicado no blog da Mouser -, o protocolo Ethernet padrão é propenso à perda de pacotes, o que aumenta sua latência. Isso o torna inadequado para linhas de montagem sincronizadas e em movimento rápido. Para superar os pontos fracos do protocolo padrão, o hardware Ethernet industrial é associado a protocolos industriais determinísticos e de baixa latência, incluindo Ethernet/IP, ModbusTCP e Profinet.

 

As implantações de Ethernet industrial usam versões reforçadas do CAT 5e do produto padrão e, para Gigabit Ethernet certificado, cabo CAT 6. O cabo CAT 5e, por exemplo, é composto por oito fios reunidos em quatro pares trançados. A torção limita a interferência de sinal (“conversa cruzada”) entre cada par de fios. Um par oferece ambos os lados de uma conexão duplex. Para sistemas de alta velocidade, como Gigabit Ethernet, todos os quatro pares são usados ​​para transportar dados. Os sistemas com requisitos de taxa de transferência mais baixos (até 100 megabits por segundo) podem operar usando apenas dois pares trançados, deixando os sobressalentes para coisas como energia ou serviços telefônicos convencionais.

 

SOLUÇÕES – Uma desvantagem de usar o cabo CAT 5e para implantações de IIoT é que ele é superdimensionado para muitas tarefas. A Ethernet de alta velocidade é muito boa quando as máquinas-ferramenta estão sendo programadas a partir do CAD, mas raramente é necessária para um sensor relatar a velocidade de uma correia transportadora. E grande parte da IIoT baseada em Ethernet é usada para coletar quantidades modestas de informações do sensor para otimizar o processo de fabricação. Isso pode significar muitos dispêndios de capital ligados em quilômetros de cabos com recursos de engenharia que nunca serão usados.

 

No setor industrial sensível ao custo, esses gastos geralmente são evitados, recorrendo-se a alternativas mais baratas. Em vez de gastar dinheiro em cabos caros, os fabricantes recorreram a alternativas de barramento de campo proprietárias muito menos caras para conectar sensores e sistemas que não precisam de todos os recursos da Ethernet. Esses fieldbus são normalmente usados ​​para aplicações como instrumentação industrial e E/S remota e oferecem comprimentos de cabo de até um quilômetro e taxas de transferência de dados brutos de até dez megabits por segundo. Muitas dessas opções proprietárias de fieldbus – por exemplo, Hart, Profibus PA e 4-20mA – usam um cabo de par trançado simples e relativamente barato.

 

Hoje, as fábricas que implementam a Indústria 4.0 usam Ethernet padrão para coisas como planejamento de recursos empresariais (ERP) e CAD, Ethernet industrial para operações de engenharia e gerenciamento de ativos da planta e fieldbus proprietários para instrumentação e E/S remota. Isso não é ideal porque, embora os dois primeiros sistemas funcionem bem juntos, o último não é interoperável com eles.

 

ETHERNET DE PAR ÚNICO – A IEEE 802.3cg, uma alteração recente na especificação Ethernet, foi projetada para atender a aplicações industriais que são atualmente atendidas por fieldbus não-Ethernet. A emenda está ganhando força porque permite que todas as operações da Indústria 4.0 da fábrica usem a plataforma Ethernet. Todos os equipamentos, desde o servidor de nuvem principal da fábrica, passando por terminais remotos e até o monitor de temperatura mais baixa, poderão se comunicar entre si por meio de um único protocolo baseado em padrões.

 

Um componente-chave da alteração de especificação é o cabo Ethernet de par único (SPE), que, como o nome sugere, transporta dados por apenas um único par trançado, em vez do cabo multipar CAT 5e da Ethernet industrial convencional. Isso é um benefício para os proprietários de fábricas, porque reduz significativamente o custo e o volume de grande parte da fiação de comunicação de seus prédios. Melhor ainda, embora com novos conectores Ethernet, a fiação de par trançado de fieldbus proprietária herdada pode ser reaproveitada para uso de SPE – não há necessidade de arrancar quilômetros de cabos antigos para substituí-los por novos.

 

A IEEE 802.3cg também apresenta duas novas camadas físicas (PHYs) para atender às aplicações industriais e manter os custos baixos. O primeiro é para aplicações de curto alcance (até 15 metros), enquanto o segundo oferece alcance de até um quilômetro e inclui um nível de transmissão amplificado opcional para maior tolerância ao ruído e um modo ocioso de baixa potência para economizar energia.

 

ACERTANDO DE PRIMEIRA – A fabricação moderna exige precisão e repetibilidade. Um componente ou subconjunto deve ser fabricado com tolerâncias suficientemente rígidas para que possam ser usados ​​em qualquer um dos milhares de exemplos de um produto final e, ainda assim, operar perfeitamente por anos. À medida que as coisas ficam menores ou mais complexas, maior a precisão necessária; imagine fabricar consistentemente um relógio mecânico de última geração ou o smartphone mais recente.

 

A IIoT pode trazer essa precisão, permitindo controle em tempo real e detectando desvios antes que eles saiam do controle. Acertar os produtos na primeira vez reduz as falhas do consumidor e as infinitas reivindicações de garantia. Também economiza dinheiro e, talvez mais importante, é mais sustentável porque fazer as coisas corretamente na primeira vez economiza energia, emissões e materiais preciosos.

 

CONCLUSÃO – A Ethernet de par único permite que os engenheiros aproveitem a Ethernet industrial em toda a fábrica, mesmo para a operação do sensor mais simples. Isso facilita a coleta e a análise dos dados profundos necessários para aprimorar as operações de fabricação e maximizar o impacto de novas tecnologias, como ML e IA.

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