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Switches OFFICE versus Switches INDUSTRIAIS(Standard ANSI/TIA-1005)

publicado em 18/02/2010 - 15:13:56hs

Ativos da Rede de Comunicação Industrial

 Switch Office X Switch Industrial ( ANSI-TIA 1005 - Telecommunications Infrastructure Standard for Industrial Premises )

 

 

 (FIGURA 1) - Office Switch

 

 

(FIGURA 2) - Industrial Switch - Source SIXNET

Acesse  : www.sixnet.com

 

 

  

 

 

 

  

(FIGURA 3 ) MILITAR SWITCH  Source SIXNET

Acesse : www.sixnet.com  

 

 

 

 

(FIGURA 4) -  RUGGEDIZED SWITCH APPLICATION IN MILITAR VEHICLE - Source SIXNET

Acesse: www.sixnet.com  

 

 

 

Como primeiros estudos sobre os componentes ativos das redes de comunicação, gostaria de salientar a grande descoberta do protocolo aberto, chamado de ETHERNET, pelos engenheiros Robert Metcalfe e David Boggs em 22 de Maio de 1973. Ele conectou computadores em pequenas distâncias, usando um cabo coaxial, injetando pacotes de informações em megabits por segundo, observando colisões nestas transmissões e retransmissões. Em novembro de 1973 David Boggs desenvolveu um novo meio de transmitir dados melhorando este protocolo e desde esta data vem sendo utilizado por todo o planeta, inclusive e principalmente como protocolo nas comunicações em redes industriais, por ser aberto e de fácil configuração, agora como meio físico utilizando o par trançado conhecido como UTP (unshielded twisted pair), STP (shielded twisted pair), e cabos ópticos, que apresentaremos em detalhes na seção passivos da rede. Em 1996 Robert Metcalf recebeu uma homenagem e um título honorário IEEE como exemplo de liderança e empreendedorismo técnico no desenvolvimento, estandardização e comercialização da ETHERNET.  Em 14 de março de 1996 Robert Metcalfe recebeu uma medalha de tecnologia nacional numa cerimônia na Casa Branca junto ao presidente Bush.  

 

Switch é um equipamento ativo da rede no qual envia as informações do computador de origem ao computador de destino. Sua tecnologia cria um canal de comunicação exclusivo entre origem e destino. Esta característica aumenta o desempenho da rede já que a comunicação esta sempre disponível, exceto quando dois ou mais computadores tentam enviar simultaneamente dados à mesma máquina. Esta característica também diminui a ocorrência de erros, conhecidos como colisões. Nos switches encontramos várias portas, 4,8, 16, 24, 48 dependendo do fabricante. Como referências para estudos indicam as empresas e associações: IAONA, ODVA, HIRSCHMANN, PANDUIT, KORENIX, MOXA, GARRETTCOM, WESTERMO, RUGGEDCOM, ROCKWELL AUTOMATION, SIEMENS, SCHNEIDER ELECTRIC, HARTING, CISCO, TIA-EIA 1005 – Norma de cabeamento industrial (Acesse: Links Interessantes).

 

 

 

(Figura 5) - TABELA MICE segundo NORMA ANSI/TIA 1005 – Grau de Severidade com Quatro Parâmetros e Três Níveis. 

 

Definida pela NORMA TIA-1005 para o cabeamento industrial, a tabela MICE (FIGURA 5) irá nos ajudar a especificar adequadamente os elementos da rede de automação industrial, como cabos, conectores, painéis, e no caso em estudo os switches. Logo aos especificarmos nossos produtos devemos levar em consideração vários parâmetros começando pelo MECHANICAL, no qual nossos produtos deverão ser dimensionados e testados contra choques e vibrações. É muito interessante acessarem o site: WWW.hirschamnn.com. Saliento que a HIRSCHMANN é uma pioneira no desenvolvimento da tecnologia ethernet para aplicações industriais, incluindo áreas classificadas, tema muito interessante que abordaremos posteriormente. Na seqüência devemos proteger nossos equipamentos contra partículas líquidas e sólidas – INGRESS RATING. Condições climáticas e presença de substâncias químicas corrosivas também deverão ser consideradas na devida especificação – CLIMATIC /CHEMICAL. E uma das principais causas da perda de informações sumamente importante nas comunicações industriais é a chamada EMI, Interferência Eletromagnética - ELETROMAGNETIC deveremos ter um sistema de aterramento adequado respeitando as normas nacionais e internacionais. Estaremos utilizando para nossos estudos e especificações as devidas normas: ANSI/TIA-1005; TIA/EIA-568-B; TIA-569; ANSI/TIA-EIA-606-A; ANSI-J-STD-607; ANSI/TIA/EIA-942; ODVA; “A PLANNING AND INSTALLATION GUIDE”, by Robert Lounsbury-ISA, 2008.  

 

Observação Importante: Além das normas acima indicadas, recomendo que acessem o site da empresa PANDUIT, “click” em SOLUTIONS-Industrial Automation e solicite o “Design + Implementation GUIDE (FIGURA 6), um GUIA de apoio para especificações e dimensionamento da rede ethernet industrial.

 

 

  

(FIGURA 6) - PANDUIT GUIDE

Todos direitos reservados a PANDUIT CORPORATION.

 

 

Também indico o GUIA da empresa HARTING (http://www.harting-connectivity-networks.de/imperia/md/content/lg/hartingconnectivitynetworks/service/downloads/english/news2009_june09.pdf).

Vídeos interessantes: (http://www.harting-connectivity-  networks.de/en/service/video-presentationen/).

 

 

  

(FIGURA 7) -  HARTING

Acesse : www.harting.com

 

Os fabricantes de switches industriais estão cada vez mais buscando inovações tecnológicas e uma forma intuitiva de utilização e programação. Recomendo sempre os fabricantes que tenham uma equipe técnica no Brasil, pois este é o maior diferencial agregado a qualidade do produto, características técnicas, garantia treinamento, suporte, certificações, etc.

 

Inicialmente vou citar algumas características importantes para especificarmos os SWITCHES INDUSTRIAIS. Estas características mudam de fabricantes para fabricantes, sinônimos para indicarem as mesmas características, ou novas tecnologias; logo analisem os fabricantes indicados nos “LINKS INTERESSANTES”, e verifique junto ao suporte profissional técnico suas características e benefícios.

Os switches desempenham um papel importante na organização da rede e na forma como os dados trafegam por ela, logo devemos optar pelos switches inteligentes, conhecidos como gerenciáveis, pois tornam a rede mais confiável, possibilitando determinar prioridade de pacotes (QoS), envio de pacotes para grupos (multicast), lan’s virtuais (VLANS), controle de tráfego, roteamento, recuperação por falhas, e outras inúmeras funcionalidades. Mais uma vez recomendo a leitura da norma TIA-1005 e da tabela MICE, pois nas indústrias encontramos ambientes agressivos, e torna-se necessário que estes equipamentos suportem estes parâmetros, como exemplo chamamos a atenção para mineradoras, siderúrgicas, plataformas de petróleo e portos.

 

(1-) MSR - Multiple Super Ring é uma tecnologia para redes em anel, com estruturas redundantes, gerando maior flexibilidade. Com esta tecnologia MSR, o tempo de recuperação (failover time- capacidade de chaveamento automático em caso de falha para um sistema redundante, standby) é reduzido para até 5ms, dependendo da topologia e do número de equipamentos. Podemos ter uma variação do tempo de 5-20ms. O MSR facilita a conexão (comunicação) com os switches gerenciáveis do “core”coração da rede , pelo padrão RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol), através de múltiplos caminhos ou nós,para aumentar a confiabilidade da rede pela tecnologia RDH(Rapid Dual Homing).

 

(2-) QoS – Qualidade de serviço pode ser definida como a capacidade de se priorizar o tráfego garantindo (determinismo) de dados (pacotes) importantes, para que sejam entregues de forma segura e consistente. Em telecomunicações o uso de soluções QoS, tem como objetivo priorizar pacotes de voz, dados e imagem, dependendo da aplicação. Em automação a prioridade é o envio dos pacotes de dados.

 

(3-) VLAN – Virtual Lan “Redes Virtuais", ocorrem guando um grupo de dispositivos situados em locais diferentes se comunicam como se estivessem no mesmo segmento físico. VLANS facilitam a organização da rede de forma lógica sem restrições por conexões físicas. No caso da aplicação em automação industrial, quando tivermos diversos instrumentos com funções iguais em locais diferentes na planta lançaremos mão das VLANS. Vamos então formar grupos de instrumentos com as mesmas características.

 

(4-) IGMP Snooping (Internet Group Management Protocol) é um protocolo de gerenciamento da rede que permite que somente dispositivos que façam parte de determinado grupo recebam aquela informação, que é importante para aquele grupo e não para todos que pertençam à rede. Desta forma há um melhor desempenho da rede como um todo, pois haverá menos pacotes trafegando pela mesma, pois estes dados são muitas vezes desnecessários para quem não faz parte daquele grupo. Em automação devido à grande quantidade de instrumentos no campo inundando a rede com informações que todos recebem, podem ser criados grupos que receberão somente informações que sejam interessantes e importantes para ele.

 

(5-) IEEE 802.3ad – Para assegurar a disponibilidade do link e aumentar sua capacidade, o padrão IEEE 802.3ad-Link Aggregation Control Protocol (LACP) pode negociar automaticamente uma porta para comunicação dinâmica entre switches. Duas ou mais conexões FAST ETHERNET são combinadas ordenadamente para aumentar a largura de banda e criar links resilientes e redundantes.

 

 

(6-) WATCH-DOG traduzido ao pé da letra significa “cão de guarda”. Suas principais funções são:

.Ficar vigiando constantemente certo local para verificar se está tudo bem;

.Dar um alarme “latido” no caso de algo estar errado.

A técnica do “Watch-Dog” pode ser implementada através de HARDWARE ou SOFTWARE, e possui as duas funções citadas acima:

- Verifica constantemente o andamento do programa que esta rodando no microcontrolador ou microprocessador;

-Se o programa travar (loop infinito indesejável ou desvio para local inadequado) o Watch-Dog avisa de alguma forma que o mesmo ocorreu.

Portanto a analogia com o “cão de guarda” não podia ser melhor. O método que utiliza Hardware funciona da seguinte forma: O programador estima quanto tempo o programa leva para fazer uma varredura completa até atingir a instrução de loop, o que faz o programa retornar a primeira instrução novamente. Com base neste tempo ele programa o “Watch-Dog Timer”, que nada mais é do que um contador configurado como temporizador, para estourar a contagem com um tempo ligeiramente superior ao calculado anteriormente.     

 

(7-) PoE-Power Over Ethernet é a transmissão de energia elétrica pelo mesmo cabo da rede. Dessa forma em lugares distantes ou de difícil acesso , aonde os equipamentos precisam ser instalados , além do cabo de dados,  deve-se pensar na infra-estrutura elétrica , o que muitas vezes pode inviabilizar a instalação ou torná-la bem mais cara , podemos utilizar esta tecnologia”PoE”.Existem diversos tipos de distribuição de energia( Power Distribution)no mercado.Alguns compatíveis com o padrão Poe(IEEE 802.3af Poe ou IEEE 802.3at PoE-Plus), outros que consomem alta potência , outros que não seguem padrão e recebem uma carga de 24Vdc diretamente. Sempre recomendo que busquem os equipamentos que estejam seguindo os padrões citados acima.

 Padrão 802.3af foi desenvolvido para fornecer uma alimentação em 15,4w ou pelo menos 12,9w por porta, é a primeira norma internacional a definir o envio de PoE. Mas com novas funcionalidades de dispositivos como câmeras Pan-Tilt (FIGURA 8), houve a necessidade de se fornecer mais energia para os dispositivos do que o padrão 802.3af suporta, daí surgiu o padrão 802.3at PoE Plus com o objetivo de aumentar a potência disponível para 30w-60w, para com isso proporcionar maior potência para essas aplicações.   

 

 

 

(FIGURA 8) - Source BOSCH MIC400 Câmera PTZ em aço inox

Acesse: HTTP://www.boschsecurity.com/pt

Obs. Estarei discorrendo sobre câmeras ruggedized, para ambientes agressivos no link equipamentos ativos.

(8-) Redundância na Fonte de Alimentação o equipamento deve prover no mínimo duas entradas e uma ampla faixa de alimentação, de 12vdc a 48vdc. Devemos observar sempre a resistência dos equipamentos para excesso (picos)ou carência de tensão .Observamos no mercado que muitos switches suportam a carência ou excesso, o que diferencia nesse caso , é a faixa de suporte.Outro fator importante é com a relação a inversão de polaridade, nesse caso ,percebemos que poucas marcas suportam a inversão , ou seja , a maioria queima.

 

(9-) Standard IEC-61850 é uma norma internacional destinada a aplicações em geração, transmissão e distribuição de energia, monitoramento e controle distribuído ponto a ponto. Diferentemente dos protocolos SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)anteriores, o IEC-61850 é rico na padronização de modelo de dados. Adicionalmente aos tipos de dados básicos para pontos de dados comuns, os modelos de dados IEC-61850 são orientados por objeto e também definem como os dados são organizados em agrupamentos funcionais sob uma rigorosa padronização de nomenclatura. O IEC-61850 vai bem além das funcionalidades básicas do SCADA e também fornece um padrão de comunicação que permite intertravamentos de alta velocidade incluindo sinais de disparo e transmissão de sinais digitais TC e TP em redes ETHERNET.O IEC-61850 proporciona redução de custos de integração e de ciclo de vida permitindo desta forma que os usuários se concentrem em estruturas que suportem dispositivos e aplicações de última geração , o que antes não era possível com o uso de protocolos proprietários.O IEC-61850 pode ser considerado por seus usuários como um protocolo tanto para comunicações internas quanto para externas `a subestação. O objetivo da aplicação inclui geração e troca de informações entre geração e subestações. Os usuários podem inclusive considerar o IEC-61850 para aplicações em sistemas de geração distribuídas e hidroelétricas(exemplo hidroelétricas,geração distribuída e em fazendas eólicas”Wind-farms”).O IEC-61850 vem sendo empregado mundialmente na CHINA,ÍNDIA , ALEMANHA,devido a significante redução de custos e ótimos benefícios  que seu uso proporciona.                            

Como referências bibliográficas recomendam o livro “Practical SCADA for Industry” – David Bailey and Edwin Wright –Editora ELSEVIER.

 

(10-) HIPOT test (high voltage potential test) trata-se de um teste que mede desde o início de fabricação do equipamento sua isolação, aterramento, entre os componentes: carcaça, fios, cabos e conectores com as devidas fontes de energia, protegendo o equipamento e o operador contra choques elétricos. Este teste é de suma importância proporcionando um alto MTBF “Mean Time Between Failure”, ou seja, uma vida útil elevada contra eventuais falhas.

Obs. MTBF ou período médio entre falhas é um valor atribuído a um determinado dispositivo ou aparelho para descrever a sua confiabilidade. Quanto maior for este índice, maior será a confiabilidade do equipamento e, conseqüentemente a manutenção será avaliada em questões de eficiência. Este valor é fornecido pelo fabricante nas suas especificações técnicas e indica de acordo com o procedimento de testes usado, qual o tempo médio entre falhar daquele produto ocorrido nos laboratórios do fabricante. Este tempo normalmente é dado em horas, mas não se trata de uma previsão de quando o dispositivo irá falhar (Origem definição: WIKIPÉDIA).  

Acesse: HIPOT TESTER UH28CWWW.etl-prueftechnik.de (Vide FIGURA 9).

               CIRRISwww.cirris.com

 

 

(FIGURA 9)- HIPOT TESTER UH28C

 

 

 

(FIGURA 10) - Equipamento para Teste de Vibraçao em  Switch Industrial - Source  TIRA GmbH
Vibration Test Systems -
www.tira-gmbh.com

 

Conclusão - Estas características  são encontradas em alguns fabricantes de switches industriais, outras deverão ser consideradas  como: assistência técnica local, pré-venda, pós-venda,peças de reposição, histórico de fornecimento , cases de sucesso , robustez em ambientes agressivos e com fortes vibrações ( vide FIGURA10), trilho DIN, treinamentos , materiais didáticos, assistência 24horas X 7dias da semana, demos para treinamento , start-up local , etc.