O PROFINET é um dos protocolos de comunicação mais utilizados em redes industriais de controle e supervisão. Presente em aproximadamente 20% das aplicações de automação no mercado global, ele é amplamente adotado em sistemas de controle de processos críticos que exigem alta disponibilidade e confiabilidade operacional.
Um dos recursos que sustentam esse elevado nível de confiabilidade é o padrão PROFINET MRP (Media Redundancy Protocol), desenvolvido especificamente para a implementação de arquiteturas em anel com rápida recuperação de falhas.
Você já conhecia esse recurso? Ao longo deste artigo, vamos explorar em detalhes a relação entre o protocolo PROFINET e o padrão MRP, explicando como essa combinação permite a construção de arquiteturas em anel altamente disponíveis, elevando a resiliência de sistemas de controle e supervisão industrial.
O que é o protocolo PROFINET?
Desenvolvido pela PROFIBUS & PROFINET International (PI), o PROFINET é um dos protocolos mais utilizados no mundo, principalmente no continente Europeu. O padrão propicia a troca de um grande volume de dados aplicando o mesmo modelo elétrico adotado pelas redes Ethernet tradicionais.
This consolidation opened up a range of automation solutions, thanks to the ability to manage data traffic and the high speed provided by Ethernet.
O protocolo tem um perfil aberto que cobre todos os requisitos da tecnologia de automação industrial. O modelo tem 100% de compatibilidade com os padrões IEEE e atende aos requisitos de sistema com sua topologia flexível.
Ao utilizar o protocolo PROFINET, torna-se possível estabelecer uma comunicação transparente entre os níveis de gerenciamento, supervisão, controle e os dispositivos de campo, sempre respeitando os requisitos específicos de desempenho e tempo de resposta de cada elemento da automação industrial.
Assim como o PROFIBUS, o PROFINET é amplamente adotado na indústria de processos, estando presente no chão de fábrica em transdutores, transmissores e diversos outros dispositivos de campo, o que reforça sua versatilidade e confiabilidade em ambientes industriais.
Com diferentes padrões, o modelo PROFINET oferece suporte para uma ampla variedade de redes Ethernet Industrial. Abaixo, exploramos rapidamente cada um deles em relação às suas características e aplicações.
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Os diferentes tipos do protocolo PROFINET
- – PROFINET I/O (Input/Output): utilizado para comunicação de dados entre dispositivos de entrada e saída e CLPs, é o padrão mais aplicado em automação industrial para controle e supervisão de dispositivos de campo.
- – PROFINET RT: o padrão RT oferece comunicação em tempo real, o que o torna ideal para aplicações industriais que exigem comunicação rápida, mas sem necessidade de sincronização exata.
- – PROFINET IRT (Isochronous Real-Time): o protocolo é uma extensão do PROFINET RT, porém, oferece comunicação determinística em tempo real com alta precisão temporal. Ideal para aplicações que requerem sincronização rigorosa e baixa latência, como controle de movimento em máquinas, robótica e automação de processos de alta velocidade.
- – PROFINET CBA (Component Based Automation): o padrão tem uma abordagem baseada em componentes que permite a configuração modular e reutilizável de sistemas de automação, facilitando a integração e manutenção. Ele é usado para automação de sistemas complexos, onde a modularidade e a reusabilidade de componentes são importantes.
- – PROFINET I/O Device Redundancy: Este padrão oferece redundância de dispositivos de entrada e saída para garantir a continuidade operacional em caso de falhas de dispositivos. Essencial em aplicações onde a disponibilidade do sistema é crucial, ele garante que falhas em um dispositivo não interrompam o processo de automação.
- – PROFINET MRP (Media Redundancy Protocol): o PROFINET MRP é um protocolo que oferece redundância de mídia para garantir alta disponibilidade à rede, permitindo recuperação rápida em caso de falhas de rede. Vamos falar mais sobre o padrão nos próximos parágrafos.
O que é PROFINET MRP e como ele funciona?
Sigla em inglês para Protocolo de Mídia Redundante (Media Redundancy Protocol), o MRP é um protocolo de rede que pode ser utilizado em alguns dispositivos compatíveis com a tecnologia PROFINET. Ele permite configurar redes em topologia anel, criando pequenos domínios individuais dentro de grandes redes.
Para que uma aplicação utilizando essa topologia seja possível, apenas dispositivos que fornecem pelo menos duas portas Ethernet podem ser incluídos em um anel MRP. Para dispositivos com mais de duas portas, é necessário configurar quais portas serão usadas como portas de anel para estabelecer a ligação em série.
A configuração do MRP em uma topologia de anel requer que todos os nós suportem MRP, e pelo menos um deles deve atuar como Manager da rede, o chamado MRM (Media Redundancy Manager). Assim, se por qualquer motivo a transmissão for interrompida, o gerenciador de anel pode ativar imediatamente a comunicação alternativa em um intervalo de milissegundos.
O MRM monitora e controla a topologia em anel, enviando continuamente frames de teste para percorrer toda a extensão da rede. Esses frames são encaminhados através das portas de anel de todos os Clients, chamados de MRC (Media Redundancy Client).
Um MRC é um dispositivo que atua apenas como um “repassador” de frames e geralmente não assume um papel ativo. Se um MRC detectar uma falha, como queda de conexão, ele pode enviar uma mensagem especial ao MRM informando sobre essa falha, reduzindo o tempo de reconfiguração da comunicação.
O anel MRP é considerado como duas topologias em linha em que todos os clientes permanecem conectados ao manager. Enquanto o manager receber o quadro de teste em sua outra porta, ele considera que as conexões de rede estão intactas. Nesse cenário, o MRM bloqueia uma de suas portas, e os pacotes de dados são transmitidos apenas em uma direção do anel.
Caso uma seção do anel seja interrompida, o MRM deixa de receber frames em ambas as portas. Ao identificar essa condição, ele notifica os MRCs sobre a falha de rede e desbloqueia a porta de anel que estava previamente bloqueada, restabelecendo a comunicação pela topologia alternativa.
Independentemente de a interrupção ser causada por uma falha no meio físico ou por um dispositivo intermediário que retransmite os dados, o mecanismo de redundância atua da mesma forma. Após a correção do problema e o restabelecimento da topologia em anel, o MRM volta a bloquear sua segunda porta, retornando ao estado normal de “anel fechado”.
Outra estratégia para elevar ainda mais a confiabilidade da rede é a utilização de múltiplos MRMs no mesmo anel, prevenindo a indisponibilidade em caso de falha do gerenciador principal. Nessa configuração, todos os dispositivos candidatos devem ser ajustados para o modo manager-auto. Apenas um deles assumirá efetivamente a função de gerenciador, enquanto os demais operarão como clientes, prontos para assumir o controle se necessário.
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As vantagens de utilizar uma arquitetura anel
A arquitetura em anel é um tipo de configuração de rede onde os dispositivos são conectados de forma circular, formando um loop fechado. Nesse arranjo, cada dispositivo está ligado a exatamente dois outros integrantes da rede, criando um caminho contínuo para a transmissão de dados. Isso significa que os dados viajam em apenas uma direção ao redor do anel, passando por cada dispositivo até alcançar seu destino.
Em uma arquitetura em anel, os dados são transmitidos de um dispositivo para o próximo de maneira sequencial. Quando você envia dados do seu dispositivo, eles viajam para o próximo integrante da rede em anel, e esse equipamento os passa para o próximo, até que os dados cheguem ao destinatário final. Cada dispositivo no anel atua como um repetidor, retransmitindo os dados e garantindo que continuem a fluir ao redor do anel.
Uma vantagem da topologia em anel é que ela fornece acesso igualitário a todos os dispositivos na rede. Como os dados viajam em um caminho circular, cada dispositivo tem a mesma oportunidade de enviar e receber dados.
Além disso, redes em anel podem lidar com grandes cargas de dados de forma mais eficiente, porque cada dispositivo possui slots de tempo dedicados para transmitir dados, reduzindo as chances de colisões.
Rede em anel PROFINET MRP com a CPU NX3008
Criada para atender às demandas de uma indústria cada vez mais conectada, a NX3008 CPU. conta com uma ampla variedade de interfaces de comunicação capazes de conectar o equipamento aos mais diferentes sistemas e máquinas do mercado. O dispositivo de controle mais avançado da Nexto NX series, possui 3 portas Ethernet, sendo 2 com suporte ao protocolo de comunicação PROFINET Controller, o que permite que o controlador seja utilizado em uma rede com arquitetura em anel MRP.
Totalmente alinhada ao universo da IoT, essa CPU oferece capacidade de escrita direta em bancos de dados MSSQL e integração nativa com os principais serviços de computação em nuvem, como Microsoft Azure, IBM Cloud, Google Cloud e Amazon AWS.
The NX3008 se diferencia ainda por um recurso presente em poucos CLPs do mercado: o WebServer embarcado. Essa funcionalidade permite a criação de telas de supervisão e monitoramento diretamente no controlador, eliminando a necessidade de um sistema SCADA dedicado para aplicações de menor porte.
Outro recurso diferencial presente é a Embedded VPN, o que cria um túnel privado de conexão direto com a CPU. Essa funcionalidade permite que você acesse a rede de controle do seu negócio de forma remota e completamente segura. Para aumentar ainda mais a segurança do produto, a CPU possui um recurso de firewall.
A CPU também conta com suporte a conexões do tipo FTP, o que habilita o dispositivo a trocar dados com um servidor que utilize este modelo de tecnologia. Essa funcionalidade permite que os pacotes de dados gerados pelo controlador, como logs coletados através de uma função datalogger, sejam acessados à distância.
Outra funcionalidade de destaque é a native Docker platform,. Nativa da CPU, essa capacidade permite a virtualização de aplicações, ampliando significativamente a versatilidade e a agilidade operacional do sistema. Ao possibilitar o processamento de múltiplos serviços e dados diretamente na própria CPU, esse recurso reduz a dependência de hardware externo e acelera a execução de funções mais avançadas no ambiente industrial.
Veja a última atualização da NX3008: Nova versão do firmware para Docker na CPU NX3008
