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Time-Sensitive Networking (TSN) na Automação Industrial

A evolução nas conexões de dados industriais, é foco de nosso texto, grandes esforços e investimentos dos departamentos de pesquisa e desenvolvimento tecnológico estão criando novos padrões, equipamentos e softwares, permitindo pavimentar o caminho da Indústria 4.0.

Disponibilizamos três textos correlacionados, onde mostramos as novas tecnologias, o OPC-UA (OPC UA – Unified Architecture) , o TSN (Time-Sensitive Network) e o FDI (Field Device Integration), formando os novos padrões da conectividade industrial.

A transformação digital permitirá uma indústria mais inteligente, portanto mais eficiente, barata e segura. Para que isso ocorra, a automação industrial tem grande papel nesta transformação, onde a “Indústria 3.0”, baseada na tradicional Pirâmide da Automação Industrial, se transforma nos Pilares da Automação, uma vez que Convergência, Padronização e Velocidade de dados, possibilitará que a Indústria 4.0 se torne uma realidade, rompendo as barreiras de interface, que hoje existem no modelo atual da indústria.

Entendendo as Redes TSN (Time-Sensitive Network)

Para entender as redes TSN, vamos falar de:

  • Evolução das Redes Ethernet
  • As limitações das Redes Ethernet
  • Ethernet em Tempo Real e com Priorização
  • Padronizando a comunicação em Ethernet
  • As demandas na Indústria 4.0

Para entender os principais pontos da evolução das redes Ethernet, em seu conceito principal, ela trabalha com modelo de colisão de dados (CSMA-CD), não sendo determinística, em seu primórdio, era uma rede lenta, mas atendia a sua realidade e foi a aposta certa na tecnologia.

Baseado no mesmo modelo apresentado, as redes Ethernet se tornaram muito rápidas, 100M, 1G, 10G e são controladas por Switches configuráveis, controlando todo o tráfego de rede, apesar de ainda trabalhar no conceito (CSMA-CA), a questão determinística foi superada pela velocidade e controle da rede.

Novas questões, tais como, IoT (Internet das Coisas), que remetem a milhares de dispositivos conectados a um único Backbone de dados, priorização de mensagens críticas, unificação da interface de troca da informação, foram necessidades que levaram ao advento das redes TSN.

Em linhas gerais, os desafios e indagações que permearam esta tecnologia, foram:

  • Como fazer convergência de dados no nível de TO + TI + IoT com alta largura de banda, alta velocidade?
  • Como ter a certeza dos tempos de sincronização e priorização de mensagens dentro da Rede Ethernet (determinismo)?
  • Como manter a base padrão Ethernet e incorporar protocolos de alto desempenho industrial e de IoT?

Surgem as Redes TSN – Time-Sensitive Networking ou Redes Sensíveis ao Tempo, que:

  • São um conjunto de padrões do IEEE 802 elaborados para aprimorar a Rede Ethernet
  • Seu objetivo é ter o controle da Latência da Rede permitindo uma Rede Determinística e Unificada
  • O padrão permite a incorporação de Protocolos (OPC-UA, IEC61850, Profinet…) e é compatível com o padrão existente

As principais características das Redes TSN:

  • Permite convergência de Dados (TO+TI+IIoT) em único padrão
  • Rede muito rápida (microssegundos)
  • Possui alta largura de banca de dados (backbone)
  • Permite uso do padrão existente (legado)
  • Controla o tempo de latência de dados na rede (sincronização)
  • Controle de prioridades de dados e seu comportamento
  • Incorpora protocolos existentes industriais e de IoT
  • Permite ser um padrão único do sensor no campo ao Cloud
  • Permitir virtualização de redes

Principais benefícios no uso das Redes TSN:

  • Alta velocidade
  • Baixa latência
  • Tempo real
  • Determinística (aplicação crítica)
  • Flexibilidade
  • Alta disponibilidade
  • Dado horizontal e vertical (único)
  • Segura

As arquiteturas das Redes TSN, seguem o mesmo modelo das Redes Ethernet convencionais, lembrando que os equipamentos devem suportar esta tecnologia e a rede deve ser configurada para as funções específicas do novo padrão, principalmente os tempos, além de comunicações em Cloud.

Quanto ao princípio de funcionamento da rede, podemos destacar as suas operações:

  1. Sincronização de tempo (tempo real) – toda a rede tem o mesmo tempo (configurável)
  2. Agendamento e modelo de tráfego (regras – únicas e priorização)
  3. Seleção de caminhos de comunicação (configuração e alternativas)
  4. Reserva de trajeto (“vê” outro caminho)
  5. Tolerância a falhas (faz mais de um caminho)

Um dos pontos de destaques e principal recurso, que transforma a rede em determinística, é a função Time-Aware Scheduler, onde os pacotes de dados trafegam normalmente pelo sistema e quando há uma prioridade de dados (crítico), os pacotes comuns param e o pacote prioritário passa pelo sistema, isso permite comunicação crítica e baseado no tempo.

As redes TSN suportam diversos protocolos e cada vez mais estarão incorporados outros, gostaria de destacar o uso do Profinet, do próprio OPC-UA, do Ethernet/IP e o IEC 61850.

As redes TSN são preparadas para segurança de dados, são baseadas em Ethernet convencional, com as premissas conhecidas:

  • Utiliza o modelo de camadas
  • No nível de dispositivo usa-se OPC-UA, permitindo:
    • Autenticação
    • Criptografia
    • Bloqueio (proteção)
  • Gerenciamento de fluxo de dados
  • O determinismo não altera os modelos de segurança

Aplicação das TSN (Time-Sensitive Network)

Nas aplicações das redes TSN o mais importante hoje é fazer um projeto com dispositivos que suportem o modelo, é uma tendência de grande crescimento em equipamentos que já se comunicam com o padrão Ethernet, podemos dizer que é quase um caminho natural, com isso sistemas de gerenciamento, roteamento e chaveamento da rede (Switch e Router), também suportarão o novo modelo.

As redes TSN com OPC-UA são uma grande tendência, pois:

  • Os fabricantes de equipamentos já estão incorporando juntamente com o OPC-UA o canal TSN nos dispositivos
  • Temos os benefícios dos padrões OPC-UA e os ganhos em velocidade e performance de rede com o TSN
  • A união destas duas tecnologias é uma realidade da convergência Tecnológica

Quanto a aplicação e uso na Indústria 4.0, as redes TSN permitem e facilitam a:

  • Digitalização das Coisas (IoT)
  • Convergência da Cadeia de Valor (IIoT)
  • Uso de Cloud Computing
  • Alta velocidade e Padronização

Quanto a evolução natural do novo padrão, podemos destacar como tendência:

  • Equipamentos e dispositivos virem com recursos de comunicação nativa (OPC-UA + TSN);
  • As redes TSN podem se tornar o padrão Ethernet para todos os níveis de informação, inclusive de TI;
  • Recursos incorporados, tais como, SDN, IPV6 e Wireless, serão comuns nos dispositivos de automação.

Conclusão

Concluímos que a tecnologia das redes TSN são uma resposta às novas demandas da Indústria 4.0, convergência de dados com alta velocidade e alta disponibilidade, comunicação com integridade bidirecional, simplicidade do Backbone ao sinal de IoT, uma nova realidade nos ambientes de controle industrial.

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