Novos padrões para Ethernet intrinsecamente segura-Ethernet-APL e muito mais!
A Ethernet industrial está assumindo um papel fundamental a digitalização pronta para o futuro da automação de processos. Ainda hoje, soluções abrangentes de comunicação de IP estão disponíveis da sala de controle ao campo e até em áreas classificadas no setor de processos. No que diz respeito aos padrões uniformes e interoperáveis, os principais fabricantes e organizações continuam a impulsionar o desenvolvimento de conceitos de Ethernet intrinsecamente seguras, desempenhando um papel ativo na formação de novas soluções plataforma para a automação industrial digital.
O crescente volume de dados na automação de processos requer larguras de banda mais altas e taxas de transferência mais rápidas, a fim de monitorar e controlar os processos em tempo real, o melhor possível. A crescente demanda por dados de diagnóstico e informações do dispositivo apresenta requisitos adicionais. Como resultado, a importância das redes de Ethernet contínuas em todas as plantas industriais nunca foi tão grande. Com Ethernet/IP, Hart-IP, OPC UA e Profinet, uma gama de padrões foi estabelecida para comunicação IP na tecnologia de processo. A Ethernet industrial se destaca de outras soluções por vários motivos, incluindo sua transmissão determinística de dados e componentes projetados para serem robustos, com maior resistência à temperatura e au7mento de proteção IP. No setor de processos, o uso da Ethernet depende de várias condições adicionais. Juntamente com os longos ciclos operacionais para sistemas de controle distribuídos, dispositivos de campo e infraestruturas instaladas, isso inclui proteção prática contra explosão, a fim de implementar redes até o nível do campo, incluindo qualquer área classificada.
Várias opções de instalação até Zona 1 e classe I Div.1
Para interagir com as áreas classificadas remotas usando Ethernet , as fibras ópticas podem ser usadas para estabelecer uma conexão. O cabeamento FO sem interferência não requer aterrament5o ou blindagem demorados e permite a troca de dados entre os sensores e atuadores , sistemas de E/S remotos e monitoramento de câmeras com distancias de vários quilômetros. As potenciais fontes de ignição são inibidas de acordo com o tipo de proteção “op is”, conforme o IEC 60079-28, limitando a energia óptica no feixe de luz em uma extensão não ignitora. As instalações protegidas dessa maneira também permitem a construção de anéis ópticos com diagnósticos e funções de mensagem convenientes, mesmo em áreas classificadas. Para este propósito, conversores de mídia e switches correspondentes estão disponíveis para instalações em Zonas 1 e 2 e Classe I Div.2 com os cabos FO mesmo em Zona 0 e Classe I Div.1.
Ethernet intrinsecamente segura define novos padrões
Embora as fibras ópticas com o tipo de proteção “op is” tenham sido usadas como solução há muito tempo, aplicativos e usuários finais geralmente exigem o uso de cabos de cobre em áreas classificadas. Por exemplo, a recomendação de Namur NE168 “Requisitos para um sistema de comunicação Ethernet em nível de campo” especifica o uso de cabos de dois fios para conectar dispositivos de campo. Para isso, o tipo de proteção de “segurança intrínseca” tornou-se o padrão global estabelecido e comprovado em uso para o setor de processos. Os padrões sobre redes Ethernet interoperáveis e intrinsecamente segura redes de dispositivos e sistemas de campo estão abrindo novas possibilidades em automação de processos digitais. A proteção do dispositivo oferecida pela segurança intrínseca, de acordo com IEC 60079-11, exige que a quantidade de energia dentro de um circuito seja limitada a uma extensão não ignitora, de modo que as faíscas e os efeitos térmicos não podem atuar como fontes de ignição. Sistemas intrinsecamente seguros de Fieldbus, como o Profibus DP, via RS485, são usados há muito tempo para redesenhar os sistemas de E/S remotos, operação de terminal e equipamento de análise. Hoje, as instalações de Fieldbus intrinsecamente seguras de dois fios com Profibus PA e Foundation FieldBus H1 são frequentemente usadas para comunicação digital até o dispositivo de campo.
As vantagens decisivas do tipo de proteção intrinsecamente segura incluem o fato de que dispositivos intrinsecamente seguros são convenientes e fáceis de manusear, porque o trabalho de modificação e manutenção em circuitos ou dispositivos intrinsecamente seguros podem ser realizados em áreas classificadas. Como o encapsulamento do invólucro não é mais necessário, não são necessários métodos de proteção morosos e caros, como o uso de invólucros com proteção “d” ou “p”. Extensões e reparos podem ser realizados em equipamentos “vivos” (trabalho quente) e os dispositivos podem ser adicionados ou separados sem precisar desligar o sistema ou partes do sistema (troca a quente). Sua excelente flexibilidade faz do tipo de proteção intrínseca uma solução atraente para as redes Ethernet em áreas classificadas também. Para desenvolver soluções futuras para sistemas Ethernet interoperáveis e intrinsecamente seguros, a R. Stahl colaborou com outros fabricantes em dois grupos de trabalho. Ambos os grupos de trabalho – o projeto da camada física e Ethernet (Ethernet-APL) e o grupo de trabalho da Ethernet intrinsecamente seguro – desenvolveram padrões internacionais para a Ethernet intrinsecamente segura com base em tecnologias de 10base-t1l (10 In mbit/s. Ethernet de 2 fios) e 100Base- -TX (100 Mbit/Sec. Ethernet de 4 fios).
Rede de campo até Zona 0 e classe I Div.1
Desde o ACHEMA 2021, as especificações Ethernet-APL estão disponíveis como uma solução dedicada para o uso de dispositivos de campo intrinsecamente seguros de dois fios na automação de processos. Essa tecnologia é baseada na camada física da Ethernet de par única (SPE) 10base-T1L de acordo com a especificação IEEE STD 802.3CG-2019. O SPE usa condutores de dois fios para preencher distâncias de até 1.000 metros com taxas de transferência de 10 Mbit/s e, opcionalmente, para fornecer energia conectada com potência via PoDL (Linha de dados Power Over Data). O Ethernet-APL é compatível com o SPE, mas usa seu próprio conceito de suprimento que difere do PoDL para dispositivos de campo, a fim de permitir o uso do tipo de proteção intrínseca de segurança. Para atender aos requisitos da automação de processos, nenhum conector SPE específico é usado, mas terminais padrão de parafuso ou mola. Os fabricantes e os principais SDO (organizações em desenvolvimento de padrões) colaboraram no desenvolvimento da Ethernet-APL para garantir a compatibilidade com protocolos de comunicação Hart-IP (FieldComm Group, FCG), Ethernet/IP (ODVA), OPC-UA (OPC Foundation) e Profinet (Profibus e Profinet International, PI).
Com base no conceito FISCO comprovado em uso, o conceito de proteção contra explosão 2-WISE (2-Wire Intrinsically Safe Ethernet) foi projetado em conjunto com o DEKRA EXAM. O 2-WISE será usado para proteção de explosão de sistemas Ethernet intrinsecamente seguros de dois fios e é adequado para uso em campo até zona 0 de acordo com a ATEX e IECEX, e para instalações Div.1 dentro do escopo da NEC 500. Através do uso de parâmetros “ex i’ padronizados, dispositivos Ethernet-APL de uma variedade de fabricantes podem ser interconectados sem a necessidade de verificação de circuitos intrinsecamente seguros e sem precisar levar em consideração os parâmetros do cabo dentro do contexto das condições especificadas para Ethernet-APL ou 2-WISE. Para facilitar o máximo possível a migração às instalações de Fieldbus existentes, os parâmetros de segurança intrínsecos compatíveis são especificados para o 2-WISE com a Fisco; além disso, os cabos do Tipo A Fieldbus podem continuar sendo usados. O conceito 2-WISE foi publicado como uma especificação técnica sob a designação IEC TS 60079-47 “Proteção do equipamento por conceito de Ethernet intrinsecamente seguro de 2 fios (2-WISE)” desde março de 2021, para que os dispositivos Ethernet-APL possam ser certificados corretamente a partir de agora.
O Ethernet-APL permite o uso de várias topologias de instalação. Na topologia estrela, os switches Ethernet-AL com uma fonte de alimentação externa são conectados às redes Ethernet padrão, como 100Base-TX ou -FX. Esses switches de campo, dependendo de sua certificação, podem ser instalados na zona 2, Div.2 ou zona 1 e operam dispositivos de campo intrinsecamente seguros na zona 1, zona 0 ou Div.1. Esses dispositivos de campo se comunicam e obtêm sua energia operacional dos spurs intrinsecamente seguros de um switch de campo com uma distância no máximo de 200 m. A topologia estrela pode lidar com cerca de 250 dispositivos de campo por rede, dependendo dos recursos do controlador. Na topologia trunk-spur, um switch APL fornece a rede (trunk) até aprox. 92 watts de potência. Os switches APL que são instalados no campo e alimentados pelo trunk convertem a energia fornecida em energia intrinsecamente segura e a distribuem através dos spurs. Ao colocar em cascata o switch campo APL, um total de aproximadamente 50 dispositivos de campo “ex i” podem ser operados por rede APL em uma topologia de trunk-spur. A R. Stahl apresentará seus switches de campo Ethernet-APL para a instalação na Zona 2 e Zona 1 no segundo semestre de 2023. Esses dispositivos também oferecem um modo de operação para dispositivos PROFI-BUS PA por um PROFINET PA-Proxy integrado, permitindo uma mistura de dispositivos de campo PA e APL em um switch de campo – uma solução ideal para projetos de migração.
Larguras de bandas altas e ótima compatibilidade
Para terminais operacionais de rede IP, equipamentos de análise e sistemas de E/S remotos que requerem larguras de banda mais altas e mais potência, a R. Stahl trabalhou dentro do grupo de trabalho Ethernet intrinsecamente seguro para desenvolver uma versão intrinsecamente segura da Ethernet 100base-TX amplamente usada, também conhecido como “Ethernet rápida” O novo padrão 100BASE-TX-IS fornece altas taxas de dados de 100 Mbit/s para controle de processos, coleta e análise de dados. A Ethernet de quatro fios protegida contra explosão é completamente interoperável com o padrão IEEE 802.3. Em combinação com uma tecnologia front-end intrinsecamente segura e, se aplicável, isolamento galvânico, permite a conexão de eletrônicos industriais convencionais com o uso contínuo do controle de acesso à mídia (MAC) e PHY. Em contraste com o Ethernet-APL, O 100Base-TX-IS não fornece alimentação por meio da rede. Além disso, o caminho de transmissão via cabos CAT é limitado à distância Ethernet padrão de 100 metros. Para distâncias significativamente maiores de até 30 quilômetros, comutadores 100-BA-SE-TX-IS e conversores de mídia com interfaces adicionais, por exemplo com o tipo de proteção “op is”, estará disponível em breve. Da mesma forma que a Ethernet-APL, 100Base-TX-IS não requer verificação demorada da segurança intrínseca. Uma comparação dos participantes da rede para determinar sua conformidade com o padrão subjacente é suficiente. Como os parâmetros auxiliares de uma instalação de 100Base-TX-IS são conhecidos – exatamente dois participantes (e, portanto, duas fontes de energia) em uma conexão ponto a ponto via CAT 5/6/7 cabos a uma distância máx. 100 m – verificada e aceita geralmente como segurança intrínseca pode ser obtida com base nos IEC 60079-25 “sistemas elétricos intrinsecamente seguros”. Para fins exemplares, isso já foi realizado e documentado pelo PTB usando a ferramenta ISpark. Isso significa que o planejador não precisa executar nenhum cálculo – a verificação da segurança intrínseca é limitada à documentação e ao documento de proteção contra explosão necessário para a instalação.
100Base-TX-IS deve ser integrado às séries padrão IEC 61158-2 “Redes de comunicação industrial – especificações do campo – Parte 2: Especificação da camada física e definição de serviço” e IEC 61784 “Redes de comunicação industrial” de maneira semelhante ao Intrinsecamente seguro FieldBus RS485-IS, que é frequentemente usado para a instalação de redes DP Profibus em áreas classificadas. Os primeiros dispositivos 100Base-TX-IS chegarão no mercado como E/S remota da Zona 1 IS1+ da R. Stahl.
Resumidamente
A digitalização está mudando as indústrias inteiras e será o fator decisivo para a competitividade no futuro. Ainda hoje, soluções eficazes para redes IP de alta largura de banda em áreas classificadas estão disponíveis para o setor de processos. Com o Ethernet-APL e 100Base-TX-IS, a R. Stahl está trabalhando ao lado de outras empresas e organizações industriais para impulsionar o desenvolvimento de novos padrões para a Ethernet intrinsecamente segura. As duas soluções são completamente transparentes em relação aos seus protocolos de comunicação, suportam Ethernet/IP, Profinet, OPC UA e Hart-IP e podem ser combinadas de várias maneiras diferentes. Por exemplo, os dispositivos de campo Ethernet-APL intrinsecamente seguros de dois tios podem ser conectados através tios de campo por um backbone de 100base-tx-Is, com os sistemas de E/S da Zona 1 para conectar dispositivos de campo não Ethernet a rede de controle. Além disso, a R. Stahl esta trabalhando ativamente no estabelecimento de padrões no campo da AlEX, IECEX e NEC, bem como em tópicos futuros relacionados, como Namur Open Architecture (NOA) e Open Process Automation Forum (OPAF).
Autor:
Andre Frisch – Tradução: Bruno Visini.
Revista Abendi Edição 116/ Ano XIX/ Agosto de 2023.