Como Engenheiro/Tecnólogo Chefe do projeto, você fez o levantamento da planta e identificou o seguinte cenário:
Setor de Mistura: possui inversores de frequência e medidores de temperatura antigos que comunicam exclusivamente via padrão serial RS-485 utilizando o protocolo Modbus RTU.
Setor de Usinagem e Embalagem: foi recentemente atualizado com Controladores Lógicos Programáveis (CLPs) de última geração e robôs colaborativos que utilizam a rede PROFINET para comunicação de alta velocidade e determinismo.
Nível de Supervisão e Gestão: o novo software SCADA e o sistema ERP da empresa precisam coletar os dados de ambos os setores. Além disso, a diretoria exige que os dados de consumo de energia e status das máquinas sejam enviados para um servidor na nuvem (Cloud) de forma leve e segura.
Sua missão é projetar a arquitetura de redes de comunicação que integre todos esses níveis de forma eficiente, confiável e segura, justificando suas escolhas, inclusive de forma matemática.
Para concluir este projeto com sucesso, você deverá elaborar um relatório técnico dividido em três fases, detalhando as escolhas de infraestrutura, cálculos de desempenho e estratégias de integração.
FASE 1: Infraestrutura e Nível de Campo
Nesta fase, você deve estruturar a base da comunicação dos equipamentos e analisar o desempenho da rede legada.
a) Para o Setor de Mistura, qual deve ser a topologia de rede física adotada para o padrão RS-485? Descreva que tipo de cabo é o mais adequado para evitar interferência eletromagnética neste setor e se é necessário o uso de resistores de terminação.
b) A rede RS-485 do Setor de Mistura foi configurada para operar a uma taxa de transmissão (Baud Rate) de 19.200 bps. O formato do caractere configurado nos equipamentos possui: 1 bit de start, 8 bits de dados, 1 bit de paridade (par) e 1 bit de stop (totalizando 11 bits por caractere/byte). Se o sistema SCADA enviar um quadro (frame) de requisição de leitura Modbus RTU contendo 8 bytes no total, calcule o tempo total de transmissão deste quadro em milissegundos (ms). (Apresente o passo a passo do cálculo).
FASE 2: Convergência, Determinismo e Protocolos
Como temos redes de naturezas diferentes (Serial Modbus RTU e Ethernet PROFINET), elas não "falam" a mesma língua nativamente e possuem desempenhos distintos.
a) Explique qual é a diferença no modelo de troca de dados entre o Modbus RTU (modelo Mestre/Escravo) e o PROFINET (modelo Provider/Consumer ou IO-Controller/IO-Device).
b) Qual equipamento de rede você deve especificar (ex.: Switch, Hub, Gateway, Repetidor) para permitir que os dados do Setor de Mistura (Modbus RTU) sejam lidos pela rede principal Ethernet da fábrica? Justifique sua escolha.
c) O Setor de Usinagem utiliza PROFINET, operando sob o padrão Fast Ethernet a 100 Mbps (100.000.000 bits por segundo). Calcule o tempo teórico (em microssegundos, µs) necessário para transmitir um quadro Ethernet padrão de tamanho máximo, que possui 1518 bytes (1 byte = 8 bits). Compare este resultado com o tempo calculado na Fase 1 e comente brevemente sobre a importância dessa diferença de velocidade para o controle de robôs. (Apresente o passo a passo do cálculo).
FASE 3: Integração IT/OT e IoT Industrial (Indústria 4.0)
Nesta última fase, os dados já estão na rede principal Ethernet e precisam chegar aos sistemas de gestão e à nuvem.
a) Para a comunicação entre os CLPs do chão de fábrica (OT) e o sistema SCADA/ERP (IT), a literatura recomenda fortemente o uso do padrão OPC UA. Cite duas vantagens técnicas de se utilizar o OPC UA nesta integração em vez de tentar ler os dados do CLP diretamente com protocolos proprietários.
b) Para enviar os indicadores para a Nuvem, você decidiu utilizar o protocolo MQTT. Explique como funciona o modelo de comunicação Publish/Subscribe (Publicar/Assinar) e qual é o papel vital do Broker MQTT nessa arquitetura.
Faculdade: Unicesumar
