Conhecendo os protocolos Modbus TCP, EtherNet/IP e PROFINET

Conhecendo os protocolos Modbus TCP, EtherNet/IP e PROFINET

04 Jun 2021

    Como já apresentado aqui no Blog I&A, os protocolos de comunicação funcionam como um conjunto de regras e procedimentos que controlam a troca de dados entre máquinas e sistemas de automação. Isso garante que as “conversas” entre eles sejam eficientes e sem perdas, organizando a ordem de comunicação.

    Hoje, conheceremos três dos mais relevantes e importantes protocolos quando tratamos de sistemas de automação: Modbus TCP, EtherNet/IP e PROFINET. Cada um deles possui suas próprias características, singularidades e devem ser utilizados em situações distintas.

MODBUS TCP

    O primeiro protocolo que você deve conhecer é o Modbus, criado em 1979 pela empresa Modicon. No mesmo ano, ele começou a ser utilizado em CLPs, ou seja, Controladores Lógicos Programáveis. Por ser um protocolo simples e de fácil implementação, ele acaba sendo aplicado na maioria dos equipamentos industriais que contam utilizam alguma tecnologia de comunicação em rede. Além disso, o Modbus é um protocolo aberto, ou seja, ele pode ser livremente implementado em qualquer equipamento.

    Para aplicação em arquiteturas com meio físico Ethernet, o Modbus conta com um protocolo de comunicação TCP, sigla em inglês amplamente difundida no meio da tecnologia que significa Protocolo de Controle de Transmissão. Utilizado há anos em equipamentos de automação, o modelo opera através de uma estrutura de aplicação que distribui tarefas entre os fornecedores de um serviço, os chamados “servidores”, e quem necessita dessas informações, os quais chamados de “clientes”.  

    Uma das vantagens da comunicação Modbus TCP é a facilidade de implementação da infraestrutura, através de switches ou hubs industriais e cabeamento via par trançado (preferencialmente com blindagem “FTP”) e conectores RJ45. Devido a esse meio físico, a comunicação em Modbus TCP pode atingir velocidades de 100Mbps a 10Gbps.

    Utilizado em diferentes tipos de equipamentos, o Modbus TCP integra dispositivos instalados no campo e permite que ocorra a troca de informações entre eles sem restrições de autenticação. Ou seja, cada usuário pode conectar-se diretamente com os servidores, formando uma conexão 1x1 (um para um), na qual o servidor aguarda os pedidos dos clientes para responde-los.

    O Modbus TCP pode ser utilizado em dispositivos de controle, como os CLPs, e em dispositivos de supervisão, como as IHMs. O protocolo também possui uma versão para linhas seriais chamada Modbus RTU, o que permite a comunicação em meios físicos como RS-232 e RS-485.

    EtherNet/IP

    O segundo protocolo que você precisa ver é o EtherNet/IP. Também conhecido como “Ethernet Industrial Protocol”, o padrão começou a ser desenvolvido na década de 1990 pela associação de fabricantes e fornecedores de tecnologia industrial ControlNet, atualmente controlado pela ODVA. Com suporte a troca de mensagens em tempo real, este modelo foi construído sobre o já mencionado TCP para ser utilizado no controle de processos e em aplicações de automação industrial. Junto com o Profinet, o EtherNet/IP é um dos protocolos baseados em Ethernet mais utilizados no mundo, sendo um dos líderes no mercado norte-americano.

    O EtherNet/IP utiliza todas as sete camadas do modelo OSI, é baseado no “Protocolo de Informação e Controle” (CIP) e oferece um sistema que entrega dados via Ethernet desde o “chão-de-fábrica” até a rede corporativa. Através dele, fica mais fácil compartilhar as informações dos dispositivos da indústria, como sensores e drivers, com os servidores e controladores da rede. A alta velocidade de conexão do protocolo também contribui para o funcionamento das atividades realizadas por ele. O protocolo EtherNet/IP é de fácil configuração e necessita apenas do EDS (Electronic Data Sheets) para adicionar à programação. Ele também pode ser utilizado em aplicações complexas, de alta velocidade, como sistemas de movimentação, e em locais onde há suporte à topologias de rede, como estrela e anel.

    Econômico, o EtherNet/IP suporta a conexão entre vários computadores e conecta diferentes dispositivos, justamente por lidar com grandes quantidades de dados. O protocolo também permite o controle de entrada e saída de informações através da troca de mensagens em tempo crítico e conexão com a Interface Homem Máquina. Com ele, os usuários podem configurar os dispositivos e programas, além de executar possíveis diagnósticos de dispositivos e redes.

    As evoluções técnicas e tecnológicas contribuíram para o avanço dos protocolos, que passaram a suportar informações de gestão e controle e possibilitar a obtenção de informações, graças à conexão de baixo custo e robusta infraestrutura dos equipamentos.

    PROFINET

    Com essa evolução tecnológica, houve o surgimento do terceiro protocolo que você precisa conhecer, o PROFINET, que nada mais é do que a evolução natural da rede PROFIBUS, conhecida por facilitar a velocidade da comunicação entre os dispositivos. Desenvolvido e controlado pela PI (PROFIBUS and PROFINET International), o protocolo é um dos mais usados no mundo, principalmente no continente Europeu, e propicia a troca de um grande volume de dados utilizando o mesmo padrão elétrico adotado pelas redes Ethernet tradicionais.

    Ou seja, o PROFINET é um protocolo totalmente compatível com o padrão Ethernet já existente. Essa consolidação abriu um leque de soluções para automação, graças à sua alta capacidade de se comunicar com dados e do uso da alta velocidade com o padrão aberto

    Com o uso do padrão, é possível construir uma comunicação transparente entre o gerenciamento, a supervisão, o controle e os dispositivos de campo, tudo isso respeitando os requisitos de desempenho peculiares a cada um dos equipamentos de automação industrial. Assim como o Profibus, o Profinet é amplamente utilizado na indústria de processos, podendo ser encontrado no chão de fábrica, em transdutores, transmissores e demais dispositivos

    Padronizado pela Associação PROFIBUS Internacional, o PROFINET oferece suporte para as redes de Ethernet Industrial e divide-se em três categorias: IO, CBA e IRT. Duas delas funcionam em tempo real, enquanto outra ocorre em tempo não-real. 

    O PROFINET IO se baseia na arquitetura TCP/IP pura e usa Ethernet nas camadas 1 e 2. Essa arquitetura possui um tempo de processamento que se aproxima dos 100ms, ocorrendo em tempo não-real. A grande aplicação deste tipo de comunicação é de configuração da rede ou na comunicação com os proxis, que são conversores de um determinado protocolo em outro. 

    Já o PROFINET CBA se baseia no SRT, ou seja, Soft Real Time, e é caracterizado por ser um canal que interliga a camada da Ethernet à aplicação. Com a eliminação de diversos níveis de protocolo, existe uma redução no cumprimento das mensagens transmitidas, o que reflete em um menor tempo de transmissão de dados na rede. 

    Por fim, o PROFINET IRT significa “Icochronous Real Time”, ou seja, é aplicado em tempo real em sistemas nos quais o tempo de resposta é crítico e deve ser menor que 1 ms.

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