Artigos Tcnicos

Redes industriais: cuidado para no ficar preso nelas

Flvio Pimenta, Production Engineer, e Francisco Meneses, Industrial Automation Senior, da Cargill Ilhus; Jos Geraldo Melo, Industrial Automation Snior, Marco Basso, Automation Manager, e Dr. Eng. Edilberto Pereira Teixeira, Consultant, da Cargill Uberlndia e Professor da Universidade de Uberaba; e Luis Fernando Mazzer, Service Manager da Pr Automao.

Este artigo , na verdade, um depoimento de um usurio e no de um especialista. uma tentativa de troca de experincias, onde citaremos as poucas redes que usamos, mostrando as facilidades e/ou benefcios que so mais relevantes em nossa opinio, comparadas s dificuldades e desvantagens que foram agregadas. Nossa experincia foi adquirida dentro de um panorama restrito e limitado tecnologia usada nas fbricas que trabalhamos. O universo de opes em redes muito maior do que o acanhado crculo de escolhas que manuseamos at hoje. Vale realar que os exemplos aqui citados so de apenas e to somente duas diferentes instalaes da grande corporao que a Cargill no Brasil. Estaremos nos referindo especificamente a experincias adquiridas na Fbrica de Processamento de Cacau (conceito de 1997), em Ilhus, BA, e no complexo de Uberlndia, MG, que composto de trs unidades fabris distintas: Fbrica de Processamento de Soja (conceito de 1989),

Fbrica de Processamento de Milho (conceito de 1989) e Fbrica de Produo de cido Ctrico (conceito de 1999).

Os assuntos aqui apresentados no devem ser entendidos como corporativos e/ou estendidos ao restante da

companhia, mesmo porque cada fbrica tem a liberdade de fazer as adequaes que julgar necessrias.

Onde usar ou no usar? Eis a questo!

Redes no se aplicam a processos muito crticos. A despeito das redundncias e recursos para assegurar a confiabilidade e a continuidade do processo, onde se precisa de aplicaes com CLP de maior confiabilidade possvel, o mais seguro colocar o I/O tradicional no

backplane do rack em contato direto com a CPU. Toda a rede vai apresentar falhas ou parar, uma hiptese que deve ser considerada na arquitetura e na segurana do sistema.

Onde aplicveis, as redes se adequadamente instaladas trazem vrios benefcios, que esto claramente citados nos catlogos dos fabricantes. Existem pelo menos quatro aspectos que podem contrapor, revertendo em prejuzos os possveis benefcios da utilizao das redes: exposio a rudos (observar cuidadosamente as recomendaes do catlogo do fabricante), escolha inadequada (observar cuidadosamente as recomendaes do catlogo do fabricante), instalao inadequada e utilizao inadequada.

Os dois ltimos itens no so suficientemente cobertos pelos respectivos manuais dos fabricantes, ficando algumas lacunas, que devem ser detalhadas em funo dos requisitos especficos do usurio. Os manuais, na verso que conhecemos, so omissos sobre a melhor estratgia de instalao das redes, ficando o usurio inexperiente na dependncia da experincia da assistncia de algum profissional snior no assunto. Como as redes so muito flexveis, permitem mltiplos arranjos e configuraes; porm, temos algumas recomendaes aos iniciantes:

- Projete a rede de acordo com a estratgia do processo fabril, ponderando o impacto das provveis falhas. Nunca coloque duas reas distintas na mesma rede para que a rede no pare dois setores independentes da produo.

- Evite usar o nmero mximo de conexes por segmento que o fabricante permite. Busque um nmero timo intermedirio.

- Evite cabeamentos longos e maximize o uso de fibra ptica.

- Ser rigoroso com a qualidade dos acessrios das redes. Fontes (zero ripple), resistores, conectores, etc, podem comprometer a instalao, introduzindo rudos e outras interferncias que comprometem a performance do conjunto. Siga rigorosamente as recomendaes do fabricante.

- Os rudos gerados pelos inversores de freqncia so inimigos das redes. Como num futuro prximo, a instalao de ambos tende a crescer nas indstrias e isso pode ser um problema grave em longo prazo. Fale com especialistas sobre o assunto.

- O aterramento eltrico vital para as redes, pois precisa ser tanto melhor quando menor for o uso de fibras pticas. Apenas malhas com valores hmicos baixos no so suficientes. preciso se preocupar com a impedncia da malha. Recomendamos que, sempre que possvel, as novas construes industriais sejam de estrutura metlica e no de concreto, e que, seguindo as recomendaes de um especialista, ligue-se adequadamente estrutura metlica na malha de terra. Estruturas metlicas funcionam com meios de baixa impedncia e atenuam as interferncias de altas freqncias danosas causadas pelos rudos

eletromagnticos dos inversores de freqncia, pelas descargas atmosfricas e pelos eventuais curto circuitos (defeitos ou soldas). Esses rudos tm componentes maiores que 100 kHz e prejudicaro as redes.

- O cabo eltrico do acionamento dos motores com inversores deve ser blindado ou tubulado individualmente e nunca em leito. Os rudos intensificam-se na medida em que se adiciona uma grande quantidade de inversores pequenos ou se utiliza inversores de alta potncia.

- Apesar de toda a negativa dos fornecedores, as redes exigem e consomem recursos para analisar e processar a quantidade enorme de informao que oferecem. O usurio dever ser continuamente reciclado para explorar todo o potencial desse recurso. Se essas informaes no forem exploradas, no tem sentido falar em redes. Nenhuma das redes aqui citadas tm diagnsticos amigveis; todas requerem pacotes especficos de software e consomem preciosas horas de programao. Sem motivos para pnico: s esclarecendo que o payback um pouco menor do que o vendedor anuncia.

Ethernet

Alm do uso tradicional corporativo, nas fabricas utilizamos essa rede para conexo entre Supervisrio e CLP, para conectar Web Cameras com o Web Browser no Supervisrio, e s para ligar esses dispositivos aos

servidores.

Operamos essa rede a contento h mais de dez anos e os comentrios positivos so os seguintes:

- A velocidade mudou de 10 para 100 Megabits e o preo reduziu no mesmo perodo.

- O preo da fibra tambm abaixou, ao passo que os servios de conexo melhoraram sob

todos os aspectos.

- Os switches reduziram de preo e substituram os hubs e routers com inmeras vantagens no gerenciamento.

- Os componentes comerciais tornaram-se confiveis, podendo ser usados na indstria.

- Deve-se usar o mximo possvel de fibra ptica, ao invs de cabos eltricos.

Redundncia com Ethernet ainda uma soluo complicada para as finalidades industriais. No item seguinte usamos a rede DH+ para quebrar o galho das possveis falhas da Ethernet.

Os dispositivos industriais conectados Ethernet operam com mais segurana se tiverem um barramento separado das atividades da administrao corporativa.

Data Highway Plus (DH+) e Remote I/O (RIO - Entradas e Sadas Remotas) Produtos Allen-Bradley

Estas redes j so mais antigas do que muita gente que provavelmente ler este artigo So da dcada de 70, esto em uso at hoje e tm a maior base instalada no mundo industrial.

Vantagens: Confiabilidade, onde aplicvel, recomendada em processos crticos.

Desvantagens: Baixa velocidade. Para a RIO especificamente, requer parada para se adicionar novos ns na rede.

Recomendaes: Independente do discurso do fabricante, recomenda-se

o RIO para CPUs com at 1.500 I/O. Recomenda-se a DH+ para superviso de, no mximo, 3.000 I/O.

Em Uberlndia, como as trs Fbricas compartilham o sistema de Utilidades (Caldeiras, Subestaes, Estao de Tratamento de Efluentes), usamos a DH+ para troca de alguns poucos dados vitais entre as fbricas (consumo de vapor, demanda eltrica, vazo de efluentes, etc.) quando falha a Ethernet. O motivo de optarmos pelo DH+ muito simples: esta rede acabou sobrando com a chegada de outras mais eficientes; ento, foi muito cmodo usar algo que estava disponvel.

ControlNet (CN)

Esta a nossa maior rede industrial e que sustenta a fbrica mais complexa e moderna: a planta de produo de cido Ctrico. Adquirimos esse produto em 1999, baseados em estudos e testes prticos avanados. O propsito da ControlNet de ser o link entre redes e o link entre processamento distribudo.

Essa rede funciona a contento; porm, j estamos em entendimentos com os especialistas do fabricante para melhorar a sua performance. Sugerimos a criao de hub ativo (similar Ethernet) visando eliminar a deficincia de ter que parar a rede para se adicionar um novo ponto. Esse aspecto gera desconforto, pois a ControlNet de grande capacidade e tem subredes sob ela. Toda parada para se adicionar um novo ponto implica em decorrente parada da planta. (www.controlnet.org).

DeviceNet (DN)

Esta nossa melhor opo em redes hoje. Rede de alcance modesto, tambm tem a necessidade de parada para insero de um novo mdulo; porm, por suas caractersticas, atinge uma parte menor do processo fabril, onde os distrbios das paradas para reconfiguraes so mais facilmente contornados. Em linhas gerais, a de maior payback, pois se olharmos pelo menos uma vez por ms o site da ODVA, o rgo oficial que regulamenta a DeviceNet (www.odva.org) , veremos que sempre h novas opes para uma mesma soluo a custos menores. As ofertas de novos produtos tm-se incrementado continuamente nos ltimos quatro anos.

RS485

Usamos a rede RS485 para integrar os reles Multilin da GE ao CLP da Rockwell atravs de mdulos inteligentes oferecidos pela Prosoft. Essa foi a nica opo quando adquirimos esses rels em 1998. Ligamos 40 rels em diversas redes e atingimos os objetivos operacionais; porm, uma rede muito lenta que inviabiliza uma superviso avanada dos fantsticos recursos eletrnicos do rel.

Fieldbus Foundation (FF)

Muito embora no tenhamos esta rede no site, foi a que mais estudamos e investimos face aos inmeros benefcios que poderia trazer

produo. Para melhor entender as dificuldades que enfrentamos, preciso voltar para o incio de 1999. Na poca, nenhum fornecedor tinha ainda registrado sucessos anteriores em integrar o FF com as redes anteriormente mencionadas em plantas de grande porte, embora fossem vrios os sucessos em escala laboratorial. O maior e melhor trabalho que buscamos referncia foi na planta da Deten, em Camaari, BA, em um fornecimento da Smar, porm operando apenas com Fieldbus.

Aps rigoroso e detalhado processo de comparao entre as solues disponveis na poca, a nica alternativa possvel foi testar o LinkDevice entre ControlNet e FF da Rockwell, pois no havia outras opes que harmonizassem esse universo de redes. Num trabalho de equipe com os fornecedores, montamos um planta piloto com 50 instrumentos diferentes, visando esclarecer dvidas de performance. Desse estudo surgiu a seguinte lista de pendncias:

- Na poca, somente os instrumentos estavam normalizados e no os hosts; esse detalhe comprometia a interoperabilidade entre um determinado host com instrumentos de outro fornecedor. Se o FF fosse prioridade, teramos que abrir mo das redes descritas, com inmeros prejuzos para nosso budget.

- Os poucos recursos do host da poca no permitiam download parcial para a alterao de um determinado instrumento. Alteraes na estratgia de controle exigia download em todo o segmento H1 que duravam de 9 a 13 minutos e, durante esse tempo, todos os instrumentos ficavam em falha segura.

- No se podia adicionar um instrumento sem parar o segmento H1.

- No dispnhamos do recurso de configurao off-line. Tnhamos que esperar a montagem da fbrica e, somente aps a energizao dos instrumentos, que poderamos comear a fazer a configurao dos instrumentos.

- Em laboratrio, o tempo de trafego da informao do instrumento para o CLP e de volta a um outro instrumento em outro H1 demorava 1.8 segundos, tempo considerado muito alto. Projetando essa situao em escala real, com todas as redes interligadas, esse tempo deveria ser ainda maior.

- O host, aps a descoberta de bugs, eventualmente precisava receber upgrade de firmware, o que durava 20 minutos por peca. Alm disso, se fosse necessrio fazer correes desse tipo aps a operao da planta, iria tomar no mnimo 13 horas se fosse feita de modo contnuo para se atingir todas as peas.

Com as dificuldades relacionadas, se decidssemos pelo FF em um outro host (outro fornecedor que no a Rockwell) mais voltado ao FF, teramos que abrir mo da DeviceNet, opo que teria grave impacto no budget. Optamos pela DeviceNet e postergamos a deciso de instalar o FF para uma prxima oportunidade de investimento.

O fato de deixar o FF no teve repercusso negativa no budget da montagem, porque usamos a tecnologia de I/O remoto (Flex I/O), que permite todos os ganhos com a economia de instalao que o FF proporciona, abdicando temporariamente das inmeras vantagens do gerenciamento on-line do instrumento. A despeito de todos os esforos empregados, foi o melhor que conseguimos na poca, pois as necessidades do projeto em andamento no podiam esperar.

As pendncias foram identificadas em outubro de 1999 e cuidadosamente discutidas com os fornecedores, que j obtiveram algum sucesso e esto empenhados em resolve-las. No h dvidas de que o FF estar presente na prxima oportunidade de investimento. (www.fieldbus.org).

Hart

Com a volta do velho e alquebrado 4 a 20 mA, suprimos alguma deficincia da ausncia do FF usando solues comercializadas pela Smar e pela Fisher-Rosemount (AMS), monitorando apenas uma pequena parte dos instrumentos crticos de processo.

Consideraes finais

As trs figuras mostram a evoluo do conceito de utilizao das redes no tempo em trs situaes diferentes. At 1989 estvamos limitados a trs redes, conforme mostra a figura 01. Em 1997 comeamos a usar a DeviceNet (Figura 02). Graas ao sucesso da soluo em DeviceNet, nos empolgamos e partimos para a soluo apresentada na figura 03.

Hoje, se houvesse uma nova oportunidade de investimentos, somente aps comparar e reavaliar o que temos com outras boas opes de mercado, e se a opo fosse continuar na mesma linha de soluo, no haveria a repetio de nenhuma das trs solues descritas. A opo seria uma soluo intermediria entre a figuras 02 e 03, abrindo espao para o FF aps cuidadosa anlise do estado da tecnologia. A figura 04 mostra a idia, que pode ser resumida da seguinte forma:

- Processos crticos via CLPs consagrados (alguns processos so to crticos que as normas no recomendam CLP) com I/O tradicional tambm consagrado.

- Processos normais, somente a nova famlia ControlLogix com cartes abrindo diretamente a DeviceNet.

- FF, se em harmonia com DeviceNet.

- No para a ControlNet, independente dos benefcios que possa trazer nos novos produtos que anuncia, enquanto no evoluir para algo parecido com a Ethernet.

- RS485 somente onde no houver outra opo.

Tomara que um dia os projetistas das redes industriais evoluam para o mesmo nvel de entendimento dos projetistas das redes de IT e cheguem a um consenso sobre uma nica rede para as fbricas e que, preferencialmente, seja parecida com a Ethernet.