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Grandes redes de comunicação industrial em tempo real representam sérios desafios para seus operadores. À medida que o número de nós cresce, a complexidade e o custo da engenharia envolvida também aumentam. Esses desafios são freqüentemente agravados pela necessidade de integrar um cenário de protocolo heterogêneo. A extensão ao padrão Ethernet conhecido como Network Time-Sensitive (TSN) em combinação com o OPC UA promete melhoria substancial. Uma série de bancos de teste está atualmente em andamento na implementação do teste de OPC UA TSN.

Durante uma década e meia, a fabricação industrial confiou em uma variedade de protocolos industriais Ethernet proprietários para uma comunicação rápida e confiável. Durante esse período, os operadores de plantas e máquinas têm muitas vezes enfrentado a tarefa de integrar uma mistura de protocolos em uma rede abrangente. "É um empreendimento extremamente demorado e de alto custo", diz Sebastian Sachse, gerente de tecnologia de automação aberta da B&R. "Seria muito mais fácil se todas as máquinas simplesmente falassem a mesma língua".

Além dos protocolos dispares, os produtores também devem lidar com um número cada vez maior de nós de rede. Configurar uma grande rede em tempo real é um processo laborioso que pode rapidamente empurrar ferramentas de engenharia para seus limites. À medida que começamos a ver a implementação da Internet Industrial de Coisas (IIoT), as redes com centenas de nós de nível fieldbus se tornarão cada vez mais comuns.

O Consórcio Industrial da Internet

Em março de 2014, cinco empresas - AT&T, Cisco, General Electric, Intel e IBM - se juntaram para formar o Consórcio de Internet Industrial (IIC). Entre os objetivos sem fins lucrativos está a definição de arquiteturas e estruturas de referência que possibilitarão a interoperabilidade.

Um dos principais tópicos abordados pela IIC é a Internet Industrial das Coisas. Outras áreas incluem saúde, transporte e finanças. Em vez de desenvolver os padrões em si, a IIC coopera com organizações como IEEE, IETF, AVNU Alliance e OPC Foundation.

Numerosas empresas já se juntaram para promover o desenvolvimento do OPC UA TSN.

O TSN Testbed

"Em termos de IoT industrial, há um aspecto da CII particularmente interessante: o TSN testbed", observa Sachse. "O que precisamos é uma tecnologia que torna as redes de máquinas e instalações mais modulares, flexíveis e fáceis de trabalhar - e o mercado é em grande parte unânime de que o OPC UA TSN é essa tecnologia". Enquanto o desenvolvimento do OPC UA é conduzido pela Fundação OPC, a CII está fortemente envolvida na implementação do TSN.

A B&R reconheceu o potencial da TSN no início, levando-os a participar dos esforços da CII. "O consórcio foi a primeira organização a começar a testar TSN em condições reais", explica Sachse. Desde então, o especialista em automação tem ajudado a avançar a tecnologia através da sua participação no TSN testbed, avaliando a interoperabilidade de seus protótipos OPC UA TSN com os de outros membros. A partir de maio de 2017, isso inclui: B&R, Bosch Rexroth, Schneider Electric, National Instruments, Kuka, Sick, Cisco, Intel, Belden/Hirschmann, Hilscher, Renesas Electronics, Analog Devices, TTTech e Xilinx. Outros participantes incluem: Calnex, Ixia, ISW Stuttgart University e Phoenix Contact.

Testes sucessivos das capacidades principais do TSN

O TSN é uma extensão do padrão Ethernet e traz uma série de melhorias que darão capacidade de Ethernet em tempo real. Os membros do testbed testaram sucessivamente três recursos principais em particular: sincronização de tempo, agendamento de tráfego (envio com precisão de pacotes de dados e quadros) e configuração automática do sistema com um configurador de rede central (CNC).

Um requisito fundamental para a implementação do TSN para comunicação industrial em tempo realé sincronização de tempo de acordo com 802.1AS-Rev. Este padrão TSN inclui definições do Precision Time Protocol (PTP), que sincroniza os relógios de todos os dispositivos da rede. Nas configurações de teste, a PTP excedeu as expectativas ao atingir uma precisão de menos de 100 nanosegundos.

A capacidade TSN do segundo núcleo avaliada no plug-in do teste foi a transmissão programada de pacotes de dados e quadros conforme descrito no Qbv IEEE 802.1. Um Time-Aware Scheduler garante que os dados críticos no tempo sempre sejam priorizados para que ele não seja bloqueado pelo tráfego de rede geral.

Configuração dinâmica

O OPC UA TSN torna as redes de máquinas e instalações mais modulares, flexíveis e fáceis de trabalhar.

A rede utilizada nos plug-ups iniciais tinha uma configuração estática. Os testes atuais agora estão examinando a configuração dinâmica conforme definido no Qcc IEEE 802.1. Quando um novo dispositivo é adicionado à rede, ele se registra com o configurador de rede central, que estabelece uma conexão com outros dispositivos e reconfigura a rede de acordo.

Os elementos individuais do TSN trabalham em conjunto perfeitamente - não apenas em teoria, mas também em testes do mundo real - e permitirão a comunicação em tempo real usando componentes Ethernet padrão. O TSN testbed atualmente consiste em duas configurações - uma está localizada na National Instruments em Austin, Texas, e outra na Bosch Rexroth, em Erbach, na Alemanha. Em abril de 2017, a associação alemã Labs Network Industrie 4.0 (LNI 4.0) anunciou planos para estabelecer seu próprio teste TSN em cooperação com o centro de competências Mittelstand 4.0 em Augsburg. Mittelstand 4.0 é uma iniciativa alemã criada para apoiar a transformação digital das pequenas e médias empresas da Alemanha.

A equipe prevê uma demonstração móvel que pode ser transportada por caminhão. Embora suas abordagens diferem, a IIC e o LNI 4.0 compartilham um objetivo comum: 100% de interoperabilidade. A colaboração entre as duas iniciativas já está em planejamento. A B&R também estará participando do teste LNI.

Conecte-e-produza

"O teste de detecção da CII demonstra claramente como os ciclos de inovação estão ficando mais curtos", diz Sachse. Os preparativos para testbed começaram há apenas dois anos e as primeiras capacidades básicas já alcançaram a maturidade tecnológica. "Para uma tecnologia completamente nova que é surpreendentemente rápida".

O mercado está passando por uma mudança fundamental. Tradicionalmente, os fornecedores de sistemas de controle buscaram se diferenciar por meio de suas tecnologias de comunicação. "Esses dias se foram", diz Sachse. OPC UA TSN servirá como um padrão uniforme para uma comunicação perfeita acima do nível do controlador.

Com a interoperabilidade recém-adquirida, o comissionamento envolverá pouco mais do que simplesmente conectar o cabo de rede. "Bem-vindo a Era de plugar e produzir", sorri Sachse.

Sebastian Sachse

Gerente de Tecnologia - Automação Aberta, B&R

"O que precisamos é uma tecnologia que torna as redes de máquinas e instalações mais modulares, flexíveis e fáceis de trabalhar - e o mercado é em grande parte unânime de que o OPC UA TSN é essa tecnologia".

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