Redes sensíveis ao tempo

Com o potencial da Indústria 4.0, a revolução nas conexões de dados industriais foi acompanhada de grandes esforços, investimentos, padrões, equipamentos e softwares, para facilitar o caminho da transformação digital.

Com este cenário, novas questões, como IoT, priorização de mensagens críticas, unificação da interface de troca de informações, levaram ao advento das redes TSN – Time-Sensitive Network, que ajudarão a moldar a transformação digital das redes industriais, desde o nível de campo e a comunicação máquina a máquina (M2M), até os níveis de controle e operador.

A Ethernet serve bem ao seu propósito, mas, em muitas aplicações, o problema é que não se pode ter certeza de quando o dado chegará ao seu destino. Por exemplo, os dados podem ficar presos em uma fila, atrasando sua chegada. Esses atrasos geralmente são curtos, e não afetam significativamente as operações padrões, mas esses atrasos tornam a Ethernet impraticável, quando se exigem comunicações em tempo real. A TSN é capaz de resolver esse problema, garantindo que os dados sejam entregues em um momento preciso. TSN é uma melhoria da tecnologia de rede Ethernet.

“Como a TSN faz parte da camada 2 (data link layer), e ainda atende o padrão Ethernet, todo protocolo Ethernet pode ser aplicado com alguns pequenos ajustes em suas definições, como vem sendo feito no OPC UA e PROFINET, etc. O conceito de Time-Sensitive Networking (TSN), em conjunto com OPC UA, está sendo discutido cada vez mais na indústria de automação. Para aqueles que ainda não estão familiarizados com a tecnologia, o TSN é uma extensão do padrão Ethernet, que envolve o reconhecimento e o tratamento adequado entre dados sensíveis ao tempo, e dados gerais sendo transferidos por uma rede compartilhada. O resultado final desejado é a criação de uma rede determinística, onde todos os relógios de tempo, em todos os nós, são sincronizados com um horário de rede uniforme; e os dados críticos de tempo podem ser transmitidos dentro de um período de tempo garantido, enquanto outros dados sem restrição de tempo podem ser enviados normalmente”, explica César Cassiolato, que lembra que a TSN é compatível com tecnologias mais antigas – boa notícia para quem deseja implementar TSN em redes Ethernet existentes: não há necessidade de instalar gateways especiais ou conversores de protocolo, para fazê-lo funcionar em um ambiente existente, já que cuida do layer 2.

Mas, como vencer os desafios de fazer convergência de dados no nível de TO + TI + IoT, com alta largura de banda e alta velocidade? Como garantir o determinismo?

Como garantir uma alta performance considerando o IoT?

Embora os sistemas de controle industrial devam comunicar-se uns com os outros, em tempo real, os sistemas de TI dependem principalmente do acesso aberto aos dados. É por isso que as redes foram necessariamente separadas, no passado. Mas essa separação agora deve ser eliminada, para permitir uma produção flexível e determinística! É bom lembrar que essas redes permitem determinar com precisão o tempo necessário para a transferência de informações entre os integrantes da rede com o auxílio da digitalização. A TSN cria uma tecnologia básica padronizada, dentro da estrutura do IEEE 802.1, para garantia de Qualidade de Serviço (QoS) e demandas crescentes na Ethernet. Isso afeta apenas a camada de comunicação (OSI 2), e não tem efeito na interface do usuário – o que é fantástico.

“Na prática, os diferentes padrões de comunicação exigem gateways para integrações. OPC UA, via TSN, muda isso. Como um padrão aberto, ele permite o fluxo de dados sem barreiras em todas as áreas. Além disso, melhora a latência e robustez das redes industriais e, com sua capacidade em tempo real e alta largura de banda, atende a uma importante exigência de comunicação futura em automação, onde as diferenças de milissegundos e microssegundos estão começando a ser cada vez mais importantes.

A “grande sacada” é que a TSN garante que todos os participantes de uma rede TSN estejam sincronizados no tempo, e os dados cheguem a tempo, onde são necessários, e o OPC UA contém informações sobre o significado desses dados”, ressalta Cassiolato.

Tendo sua origem nos padrões IEEE 802, a TSN objetiva oferecer o controle da latência da rede, para promover um novo nível de determinismo. As Redes TSN ou Redes Sensíveis ao Tempo compreendem um conjunto de padrões do IEEE 802, que definem mecanismos para a transmissão de dados sensíveis ao tempo, em redes Ethernet determinísticas. E permitem a incorporação de protocolos abertos como OPC-UA, IEC61850, PROFINET e outros; são compatíveis com o padrão existente, além de possibilitarem a convergência de dados (TO + TI + IoT) em um único padrão, criando assim um pilar ao contrário de uma pirâmide, normalmente encontrada nas indústrias atuais, comunicação em alta velocidade, baixa latência e em tempo real. São vários padrões individuais atualmente definidos no TSN Task Group, o grupo de padronização IEEE 802.1.

Vale notar que a Ethernet TSN não é um protocolo de comunicação autônomo, mas define funções que podem ser utilizadas por diferentes protocolos, como OPC UA, PROFINET, Ethernet/IP ou CC-Link IE. A TSN é um conjunto de padrões abertos IEEE, que permite a sincronização de todos os participantes da rede, tráfego robusto, largura de banda, mais segurança, entre outras inúmeras vantagens. Ela fornece uma rede com perda de pacotes extremamente pequena, além de minimizar latências e jitter (que é definido como a variação da latência ao longo do tempo. A latência, por sua vez, é o tempo que um pacote de dados leva para ser transmitido). O padrão garante que a latência de um chamado “fluxo TSN”, entre dois dispositivos, esteja sempre abaixo de um certo limite (por exemplo, 1 ms) determinado.

As redes TSN são totalmente compatíveis com as normas Ethernet existentes, e preparadas para a segurança de dados, além de assegurar uma comunicação isócrona de alto desempenho, permite cenários plug-and-produce, através da combinação de comunicação determinística e modelagem de informação.

Cassiolato pontua que uma das principais vantagens é a transmissão de dados críticos em tempo real, e de aplicações com volume de dados através de uma mesma rede, que até então eram efetuadas em redes separadas, de modo a evitar uma interferência mútua. A TSN permite a transmissão simultânea de vários protocolos de automação e de TI, em uma rede convergente. Este perfil de convergência está sendo realizado em um grupo de trabalho conjunto da IEC e da IEEE, o IEC/IEEE 60802-IA. Isso é fundamentalmente diferente dos atuais protocolos de tempo real, baseados em Ethernet, como PROFINET, por exemplo, onde a rede permite apenas PROFINET como o único protocolo capaz de tempo real (além do tráfego baseado em TCP/IP).

Uma das principais vantagens agora é a transmissão de dados de aplicações críticos, em tempo real, e de aplicações com volume de dados através de uma mesma rede, pois, até então, era efetuada em redes separadas, de modo a evitar uma interferência mútua. A TSN permite a transmissão simultânea de vários protocolos de automação, e de TI em uma rede convergente. Este perfil de convergência está sendo realizado em um grupo de trabalho conjunto da IEC e da IEEE, o IEC/IEEE 60802-IA. Já existem, no mercado, alguns equipamentos que operam em PROFINET e ETHERNET/IP.

Falando especificamente de PROFINET E TSN, a especificação PROFINET 2.4 incluiu recursos de rede sensível ao tempo (TSN), no padrão PROFINET, pela primeira vez. Quanto ao PROFINET com TSN, ela agrega flexibilidade e inteligência. A publicação foi possível juntamente com a aprovação da especificação PROFINET 2.4 pelo PI – Profibus International. Naturalmente, a especificação 2.4 também inclui todos os detalhes do PROFINET, que são separados do TSN e, o PROFINET permanecerá totalmente compatível com todas as versões anteriores. A experiência adquirida com o uso do PROFINET no campo, bem como com a atividade de padronização conjunta do IEC/IEEE 60802 (rede convergente TSN), será incorporada passo a passo. No PROFINET, a utilização de padrões TSN (“Streams & Configuration”, “Time & Cycle Synchronization” e “Frame Preemption”) está especificada desde a versão 2.4. Assim, os respectivos padrões IEEE foram utilizados mantendo as características fundamentais do PROFINET. Ainda, PROFINET e OPC UA, via TSN, abrem novas perspectivas para comunicação altamente ágil via redes industriais, criando condições ideais para a fabricação rápida e confiável. O OPC UA teve origem na comunicação vertical, e agora se está estabelecendo também no mercado de comunicação M2M. A necessidade de comunicação em tempo real no nível do controlador deve ser essencialmente limitada à comunicação de controlador para controlador. Por motivos técnicos, apenas o método OPC UA PubSub pode ser combinado com o TSN. Os acessos cliente/servidor, naturalmente, também são executados através da rede baseada em Ethernet com mecanismos TSN, mas, como são baseados em TCP/IP, não podem ser mapeados em fluxos com capacidade de tempo real e proteção de largura de banda.

“O OPC UA PubSub, combinado com o TSN, permite comunicação entre equipamentos com o mesmo rigor determinístico utilizado pelos protocolos já consolidados. O Pubsub está ganhando destaque, assim como o Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), o Data Distribution Service (DDS), e o OPC UA com TSN, que conecta o chãode-fábrica à empresa, os sensores à nuvem, e os dispositivos em tempo real às células de trabalho, em aplicações determinísticas ou de tempo real”, explica Cassiolato.

Na figura a seguir, podemos ver o que há de mais moderno, onde vemos o APL, Advanced Physical Layer (camada 1), o TSN na camada 2 e, nas camadas de 5 a 7, PROFINET, OPC UA, etc.

E ainda há muita coisa por vir, como o 5G TSN, que estende a rede TSN com fio para a rede 5G, tornando possível conectar dispositivos IIoT, como, por exemplo, sensores, atuadores, máquinas, usando uma rede móvel para controlar dispositivos como um PLC. O 5G TSN vai ter o potencial de substituir a fiação do chão-de-fábrica por uma rede sem fio, mas adiciona complexidade – resta saber se essa complexidade pode ser gerenciada em um ambiente de fábrica. Porque o 5G TSN sempre seria um ambiente de vários fornecedores, então, padrões adicionais são necessários. No futuro, a funcionalidade do tipo PLC pode ser movida para centros de dados do tipo nuvem próximos, incluindo 5G Edge.

Parece que a rede TSN é o pulo do gato, que vem para facilitar e ser um dos catalisadores da convergência de redes digitais.