Como publicar/inscrever usando a tecnologia Fieldbus para redes industriais

Publicar/inscrever (ou simplesmente a sigla pub/sub) é um método de comunicação assíncrona no qual as mensagens são trocadas entre aplicações, sem conhecer a identidade do remetente ou destinatário.

O paradigma pub/sub promete uma nova era de compartilhamento de dados em tempo real e flexibilidade aprimorada para permitir aplicações IIoT e Indústria 4.0 de próxima geração, como manutenção preditiva e fabricação flexível, para dar suporte à produção de produtos personalizados. A criação de aplicações de computação de borda usando a comunicação de publicação-inscrição permite que os desenvolvedores de aplicações criem serviços portáteis e leves na borda para aprendizado de máquina, agregação de dados e controle em tempo real simplesmente se inscrevendo para receber fontes de dados de um agente de rede/broker.

O paradigma pub/sub, desacopla todos os dispositivos, bem como aplicações de dispositivos endpoint. Um broker central aceita e distribui todos os dados em uma arquitetura pub/sub, conforme mostrado na Figura 1(a). O projeto de rede é ainda mais simplificado porque, em vez de permitir que um dispositivo se comunique com dezenas de dispositivos ou aplicações para realizar um trabalho específico, a comunicação é criada por meio de um único servidor que fornece informações a qualquer dispositivo ou aplicação que as solicite. Também permite a implementação de padrões abertos, interoperabilidade e troca de dados em tempo real em silos de informações que antes estavam bloqueados.

Pub/sub, que está ganhando força rapidamente devido a uma série de padrões emergentes, mais significativamente o Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), o Data Distribution Service (DDS) e a OPC Unified Architecture (OPC UA), com time sensitive networking (TSN) ) conectará o chão de fábrica à empresa, os sensores à nuvem e os dispositivos em tempo real às células de trabalho para acomodar aplicações determinísticas ou de tempo real.

A Figura 1(b) descreve o modelo “cliente-servidor”, que ilustra a conexão entre os processos de colaboração em uma aplicação. O componente servidor executa uma função ou fornece um serviço a um ou mais clientes que o solicitam. Para aplicações (geralmente clientes) se comunicarem com um sistema, o OPC UA fornece um poderoso modelo “cliente-servidor”. Isso permite que as informações sejam organizadas hierarquicamente e os dispositivos sejam incorporados aos servidores. Os servidores expõem suas informações (elementos de dados) por meio de serviços, que descrevem as operações que podem ser realizadas neles. Clientes (como Human Machine Interface [HMI] e outras ferramentas) podem usar chamadas de serviço para explorar o modelo de objeto, ler/gravar elementos de dados, invocar métodos e configurar ou gerenciar um sistema.

Como exemplo, controladores lógicos programáveis ​​(CLPs) ou estações de trabalho host se comunicam de um para um ou de um para muitos com instrumentos de campo, como sensores e válvulas, para coletar dados para uma aplicação específica ou para executar um determinado algoritmo de controle. Um PLC mestre ou cliente definido entrega uma solicitação direta de informações, como leituras de temperatura ou ciclos, e os dispositivos ou servidores escravos adequadamente designados respondem em intervalos predeterminados.

Fieldbus

Fieldbus é um padrão de rede local (LAN) para dispositivos de campo de automação industrial que permite que eles se comuniquem entre si. Sensores, atuadores, controladores de diversos tipos, como CLPs e DCS, e outros sistemas computacionais, como HMI, servidores de gerenciamento de processos, etc., são exemplos de dispositivos Fieldbus. O Fieldbus permite a transmissão de muitas variáveis ​​de entrada e saída em um único meio, como um par de fios metálicos, fibra óptica ou mesmo rádio, utilizando tecnologias de comunicação digital padrão, como multiplexação por divisão de tempo de banda base ou multiplexação por divisão de frequência.

A tecnologia permite uma rede de comunicação digital superior para comunicação onipresente e confiável de alta velocidade em um ambiente industrial hostil, com disponibilidade de dados aprimorada de dispositivos de barramento de campo inteligentes que são necessários para tarefas avançadas de automação, como controle, monitoramento, supervisão e assim por diante. A facilidade de configuração e interoperabilidade dos componentes do sistema resulta em um sistema aberto que é facilmente instalável, mantido e atualizável, aproveitando soluções de hardware e software de computação e rede (ERP, CRM e mais). Os tipos de tecnologias de rede e fieldbus incluem: EtherNet/IP; DeviceNet; ControlNet; CompoNet; EtherCAT; PROFIBUS; PROFINET; Ethernet POWERLINK; CAN OPEN; Interbus; CC-Link; Modbus TPC; AS-Interface; e IO-Link.

Implementando Pub/Sub e Cliente/Servidor usando OPC-UA

Conforme mostrado na figura abaixo, o OPC UA é identificado como a tecnologia chave que se estende até os dispositivos de nível de campo conectados ao Fieldbus, como sensores e atuadores. Adotar o padrão OPC UA sobre TSN permitirá que eles se beneficiem de comunicações ponto a ponto de vários fornecedores e controle entre sensores, dispositivos de controle, PLCs e sistemas de controle distribuído.

A versão cliente-servidor está confinada à comunicação ‘ponto a ponto’ e é baseada em TCP/IP, portanto, não pode ser usada em tempo real. A versão Pub/Sub lida com comunicações de um para muitos (um editor para qualquer número de dispositivos inscritos), mas pode ser implementada com uma rede sensível ao tempo, permitindo que o OPC UA forneça comunicação em tempo real. O OPC UA permite que várias redes interajam umas com as outras, principalmente nos níveis de fábrica e empresa. Em contraste, a Ethernet industrial destina-se principalmente à comunicação entre dispositivos de campo e controladores. Os dois podem e vão coexistir por muito tempo.

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