Seria impossível conceber a automação de processos sem a interconectividade entre os aparelhos presentes numa fábrica. É desta forma que Francisco Sánchez, consultor da Festo, se expressa para referir a necessidade de contar com uma pirâmide de automação CIM (Computer Integrated Manufacuring) em qualquer empresa que deseje otimizar a sua produção, gestão e manutenção.
A pirâmide das comunicações industriais constitui uma forma gráfica de representar o conjunto de sistemas de controlo distribuídos numa empresa.
Antigamente, as máquinas podiam estar próximas do mesmo PLC que fizesse o controlo dos processos. Hoje em dia, numerosos aparelhos intervêm no fabrico e na gestão: máquinas, sensores, PLC...
Os processos de produção cada vez mais complexos, em conjunto com as possibilidades da Industrial Internet of Things e a necessidade de processar e interpretar dados em tempo-real através de Big Data, fizeram com que a infraestrutura de uma fábrica adquirisse uma envergadura muito maior. Fruto disso, as empresas requerem mais quadros de comando, mais distantes das máquinas e mais interconectados entre si.
“Não pode haver uma parte do processo que não saiba como está a outra parte”, insiste Francisco Sánchez. Aí entram em jogo os barramentos de comunicação. São redes às quais todos os aparelhos da fábrica (ou fábricas) estão conectados e que se encarregam de recolher dados de toda a instalação.
Cada elemento da fábrica fala o seu idioma, então os protocolos de comunicação industrial contribuem com regras para que os dispositivos se possam comunicar e transmitir informação ao conjunto.
Alguns dos protocolos de comunicação mais comuns são As-i, Profibus e Ethernet. Cada um deles intervém numa escala diferente da pirâmide em que é organizada a automação da empresa.
A pirâmide é uma forma de organizar e interconectar todos os aparelhos da empresa para automatizar operações, otimizar a produção e gerir os processos de forma eficiente. Consta de vários níveis de redes que se conectam entre si através de gateways de comunicação.
A base da pirâmide está composta por sensores e atuadores. Para transportar os seus dados, estes dispositivos precisariam de uma enorme quantidade de cabos. Não é uma solução recomendável pelo risco das perdas de sinal. O protocolo de comunicação As-i é uma das soluções mais comuns. Caracteriza-se por utilizar um único cabo bifilar que une todos os elementos. Também se destaca pela simplicidade na montagem e pela facilidade na manutenção.
Este protocolo de comunicação industrial pode ter até 31 escravos conectados e uma longitude de rede até 300 metros usando repetidores. Uma das suas maiores limitações é não poder comunicar PLC diferentes entre si.
No nível seguinte da nossa pirâmide, o nível de campo, encontramos as conexões de diferentes partes da máquina, como variadores de frequência ou grupos de válvulas.
Para esta fase, o barramento de comunicação mais alargado do mercado é Profibus. 40% dos processos industriais conectados atualmente utilizam este protocolo. E cerca de 1400 empresas fabricam componentes de controlo para esta rede, como servomotores, variadores e ecrãs.
Através de um PLC mestre, este protocolo permite comunicar até 127 estações e PLC diferentes. Conta com uma elevada velocidade de transmissão e uma longitude que pode alcançar os 10 km, caso seja usado um suporte físico de transmissão de cobre, ou mais de 100 km, através do uso de redes de fibra ótica.
Continuamos a subir a pirâmide. No nível da célula, o objetivo é conectar partes diferentes dos processos. E a melhor forma para o fazer é aproveitar a infraestrutura previamente existente da rede local LAN.
Através do uso de comutadores (switch), pontos de acesso e concentradores (hub), podemos aproveitar as características deste protocolo para aceder a dados quase que em tempo-real.
Autómatas programáveis, câmaras de visão artificial, servorreguladores, variadores de frequência, HMI, sistemas PC-SCADA e qualquer outro dispositivo industrial que conte com uma porta Ethernet são suscetíveis de poder conectar-se neste estádio.
Um dos padrões que mais está a crescer para o nível da célula e de gestão é o Profinet. Este protocolo baseia-se na comunicação TCP/IP e aumenta significativamente o número de conexões simultâneas e a velocidade de transmissão, ao mesmo tempo que facilita as tarefas de programação.
Finalmente, no topo da pirâmide e fruto de todo o esforço da transmissão de dados que realizamos nos estágios anteriores, e o qual é hoje o grande objetivo de qualquer empresa na era da Indústria 4.0: ter uma visão precisa, em tempo-real e fácil de interpretar e integrar nos padrões de gestão da empresa, do que está a acontecer na fábrica e nos seus processos graças ao uso correto do Big Data.