Fibras óticas

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Antes de continuar o assunto, entrando nas redes Profibus DP, que ficará para o próximo post, vou apenas comentar um meio físico importante que é a fibra ótica e um pouco sobre outras nomenclaturas usadas em redes industriais, que acabei me esquecendo de incluir no último post.

Fibras ópticas

Um dos meios físicos mais importantes para aplicações industriais são
as fibras ópticas (ou óticas). No ambiente industrial, principalmente na atualidade, existem diversas fontes de ruídos ou interferências eletromagnéticas (EMI - Electromagnetic Interference), tais como inversores de frequência, fontes chaveadas, motores acionados por inversores, etc. Se o meio físico utilizado para um sistema de comunicação for um cabo elétrico, se não forem tomados os devidos cuidados, como passagem desse cabo fora da rota de outros cabos elétricos que sejam fontes de EMI, esse cabo sofrerá indução eletromagnética e os ruídos induzidos nesse cabo poderão diminuir o desempenho ou impossibilitar a comunicação de dados.

Já tive uma experiência em uma máquina móvel em uma empresa de mineração dentro desse aspecto. Um determinado sistema de transmissão de dados funcionava muito bem quando a máquina estava parada. Se a máquina se movimentasse, ocorriam falhas na comunicação. Ao inspecionar as instalações elétricas, observei que os cabos de comunicação estavam passando em eletrodutos específicos. Porém, em um dado ponto do trajeto, o cabo saída do eletroduto e entrava em uma bandeja de cabos, onde estavam passando cabos de motores elétricos relacionados ao deslocamento da máquina. Retirados os cabos e atribuída nova rota, o problema foi sanado.

Para os casos onde não existe uma maneira de mudar a rota de cabos ou onde as interferências eletromagnéticas possuem magnitude elevada (como um forno elético por exemplo), o meio físico recomendado será a fibra ótica.

No mercado existem conversores de diversos meios físicos para fibras óticas. Por exemplo:

• Ethernet - Existem conversores do meio físico elétrico (par trançado) para fibras óticas, como o Hirschmann Spider 1TX/1FX, mostrado na Figura 1.
  
• Vídeo - Estão disponíveis também no mercado, conversores de vídeo analógico para fibra ótica, muito utilizado no meio industrial para sistemas de CFTV (Circuito Fechado de TV), aplicados principalmente em Centros de Controle Operacional (CCOs). Um exemplo é a IFS, que possui conversores de vídeo, dados (RS-232, RS-485 e RS-422) e vídeo+dados, usados em sistemas com câmeras móveis (Ver Figura 2).
• Meios seriais - Existem fabricantes que também disponibilizam conversores de meio físico serial (RS-232, RS-485 e RS-422) para fibra ótica para aplicações diversas.
• Profibus, DeviceNET, etc. - Existem ainda outros conversores específicos para alguns protocolos industriais, tais como Profibus e DeviceNET.

Figura 1 - Conversor UTP/STP para fibra ótica (Referência Hirschmann)

Figura 2 - Conversor de Vídeo e dados para fibra ótica (Referência IFS, que pertence ao grupo GE)

Como esse assunto daria uma grande sequência de posts, não nos delongaremos mais nele, porém, ressalto que para se aplicar fibras óticas é necessário observar alguns parâmetros importantes:

• Tipo de fibra ótica - Basicamente, existem dois tipos de fibras óticas, que são a multimodo e a monomodo. Quando da aplicação, é necessário observar qual o tipo de fibra que pode ser usado, de acordo também com os conversores que serão aplicados. Um conversor para fibra monomodo não operará em fibra multimodo e assim por diante. Uma maneira fácil de identificar é através da extensão ótica que ligará a fibra no dispositivo. Extensões amarelas ou laranjas indicam fibra multimodo e extensões azuis, fibra monomodo.
  
• Tipo de conector - Os tipos de conexão de fibra óptica também causam um certo transtorno durante a implantação de um projeto, se não forem corretamente especificados. Existem basicamente dois tipos de conectores que são o SC (Quadrado) e o ST (Redondo) - ver Figura 3. Assim, esse é um item crítico para especificação, pois se o conector for diferente, não há como fazer nenhum paleativo. É necessário cortar a fibra e efetuar nova fusão, que custa em torno de R$ 100,00 (cem reais) por fusão (valor estimado em Maio/2009).
• Proteções e outras características - Os cabos de fibra ótica (que são especificado de acordo com o número de pares de fibras), possuem alguns tipos de proteções, como anti-chama, anti-roedores, etc. e outras características como geleados e não geleados, que devem ser observadas em cada aplicação.
  

Figura 3 - Tipos de conectores de fibra ótica ST e SC (da esquerda para direita)

Outras nomenclaturas

O objetivo deste tópico é apenas incluir mais algumas nomenclaturas que aparecem quando se trata de redes, que acabam confundindo técnicos e engenheiros, quando os conceitos não estão bem fundamentados. Vamos a elas...

Arquitetura Ponto a ponto (point to point)

Arquitetura onde só é possível comunicar dois dispositivos. Esta limitação pode se dar pela utilização de um meio físico específico, conforme mostrado no post anterior, bem como pela utilização de algum protocolo que não exiga endereçamento. Por exemplo, a IFM possui um analisador de vibração com interface RS-232 onde, a princípio, se temos vários analisadores instalados em uma determinada unidade, para verificar os dados ou monitorar algum alarme, é necessário conectar o computador localmente, ou seja, o software só conseguirá reconhecer um sensor, pois o protocolo não possui endereçamento, nem o meio físico não permite a conexão de mais sensores (ver Figura 04). É claro que eles possuem outras versões que utilizam o protocolo RS-485 ou até Ethernet, o que possibilita leitura remota de vários sensores. A propósito é um sistema bem interessante.

Figura 4 - Analisador de vibração IFM com interface RS-232 (IFM electronic)

Arquitetura ponto-multiponto (multidrop)

É uma arquitetura na qual diversos dispositivos podem ser interligados a um meio físico comum. Conforme já mostrado no post anterior, esta é a arquitetura mais utilizada em termos de redes industriais. Neste caso, tanto o meio físico quanto o protocolo precisam abrir esta possibilidade. Existem casos em que o dispositivo dispõe de um protocolo como o Modbus RTU e possui apenas uma interface RS-232. Nesse caso, o protocolo possui um endereçamento, o que o habilita a funcionar em uma arquitetura multidrop, mas o meio físico disponível o impede. Como resolver? Bem, basta acrescentar um conversor de meio físico RS-232/485 e pronto. Como exemplo, a Figura 5 mostra um conversor de meio físico RS-232/485, distribuído no Brasil pela LR informática industrial.

Figura 5 - Exemplo de um conversor RS-232 para RS-485 (LR Informática Industrial)

Arquitetura Mestre/Escravo (Master/Slave)

Nesta arquitetura, um dispositivo (geralmente) é elegido como mestre e os demais são os escravos. O mestre é o dispositivo que sempre tomará a iniciativa na comunicação e geralmente ele será programado para ler e escrever informações em todos os escravos da rede. Os escravos, por sua vez, ficam apenas aguardando alguma requisição de dados e apenas respondem. Nessa resposta podem estar informações solicitadas pelo mestre, confirmações de que os dados recebidos foram escritos ou ainda algum código de erro, caso a solicitação de leitura/escrita não seja suportada.

O protocolo Modbus RTU é um exemplo clássico, onde há um mestre e diversos escravos. No caso da Modbus RTU, apenas um mestre é permitido na mesma rede.

O protocolo Profibus DP é um outro exemplo, mas ele já suporta o conceito de Multimestre (multimaster), ou seja, em uma mesma rede, pode haver mais de um mestre da rede.

O grande cuidado que deve ser tomado ao se implementar uma rede com essa arquitetura é que é necessário haver pelo menos um mestre (dependendo do protocolo, apenas um) e um escravo. Se uma rede for formada por apenas dois dispositivos e os dois são mestre ou os dois são escravos, a comunicação não poderá ser estabelecida.

Arquitetura Cliente/Servidor (Client/Server)

Esta arquitetura é muito similar á Mestre/Escravo. Este tipo de arquitetura geralmente funciona sobre um meio físico Ethernet TCP/IP e, ao contrário do que parece, o Cliente é o dispositivo que inicializa a conexão e as comunicações e o Servidor apenas responde. Logo, comparando com a arquitetura Mestre/Escravo, o Cliente seria o Mestre e o Servidor o Escravo.

Também é importante salientar que o mesmo cuidado para uma arquitetura Mestre/Escravo deve ser tomado aqui, ou seja, para estabelecer a comunicação entre dois dispositivos, um deve ser o Cliente e o outro o Servidor. Se os dois forem clientes ou servidores, nada feito!

Arquitetura Produtor/Consumidor

Nesta arquitetura, que também funciona geralmente sobre um meio físico Ethernet TCP/IP, todos os dispositivos podem inicializar a comunicação e responder solicitações. Neste caso, porém, um dispositivo pode enviar solicitações de leitura/escrita para um único dispositivo (mensagem unicast) ou para um grupo de dispositivos (mensagens multicast).

Conclusão

Neste post, finalizamos (pelo menos por enquanto...) as informações sobre meios físicos e arquiteturas de redes industriais. Nos próximos dois posts, conforme havia prometido, vamos falar um pouco sobre protocolos para redes industriais como o Modbus RTU, que é mais simples e é possível até implementar com baixo custo (para uma demonstração, por exemplo) e de outro protocolo mais complexo, que será o Profibus DP. Até lá!