As grandes instalações industriais funcionam como ambientes de comunicação complexos. Um sistema de comunicação industrial bem concebido integra voz, dados e sinais de segurança em todas as zonas de uma instalação, com fiabilidade perante calor, poeira, vibração, interferência eletromagnética e classificações de atmosferas perigosas.
Os engenheiros de instalações e integradores de sistemas tratam cada vez mais as comunicações industriais como infraestrutura essencial, e não como algo secundário. Neste artigo, explicamos como se concebe um sistema de comunicação industrial para resposta a emergências, controlo de processos e operações diárias.
O que inclui uma rede de comunicação industrial em toda a fábrica
Um sistema de comunicação industrial para toda a fábrica reúne vários subsistemas distintos, cada um dedicado a uma função específica, numa arquitetura coordenada. A integração da telefonia IP PBX, da rede principal de fibra ótica, do sistema de difusão sonora e dos dispositivos de campo através de uma infraestrutura de rede comum distingue um sistema funcional de um conjunto de ferramentas isoladas.
Telefones industriais e pontos de chamada de emergência
Os telefones industriais constituem a principal camada de comunicação de voz ponto a ponto ao nível do terreno. Em zonas perigosas, são necessários telefones à prova de explosão com caixas reforçadas, conformes às classificações ATEX, IECEx ou CNEX, conforme a jurisdição.
Os pontos de chamada de emergência são diferentes dos telefones de uso geral. Normalmente, são dispositivos de função única que, quando ativados, estabelecem ligação direta com uma sala de controlo ou posto de despacho, exigindo uma interação mínima do utilizador em situações de stress.
- Localização: em linha de visão direta e com sinalização de elevada visibilidade
- Zonas ruidosas: capas acústicas para facilitar a utilização
- Finalidade: ativação simples e rápida quando cada segundo conta
Uma porta de comunicação em cada local do dispositivo permite aos técnicos de campo ligar equipamento de teste ou substituir auscultadores sem desmontar a caixa. As caixas reforçadas com classificação IP66 ou superior são padrão em instalações exteriores e subterrâneas.
Sistema de difusão sonora e altifalantes
Um sistema de difusão sonora transmite áudio pelas áreas de processamento, armazéns e espaços exteriores. Nas grandes fábricas, inclui tanto chamadas gerais como funções de evacuação por voz em caso de emergência, frequentemente exigidas pelos códigos de segurança de pessoas.
As estruturas de amplificação por zonas permitem aos operadores dirigir os anúncios para áreas específicas da fábrica, em vez de os difundir em toda a instalação a cada mensagem.
- Circuitos de amplificação dedicados para vias de emergência
- Alimentação de reserva por bateria para manter o funcionamento durante perturbações no fornecimento elétrico
- Sinalização de supervisão para alertar os operadores para falhas nas linhas dos altifalantes
Integração do IP PBX com o despacho e a sala de controlo
Um IP PBX funciona como núcleo de comutação telefónica, encaminhando chamadas entre postos de campo, salas de controlo, edifícios administrativos e linhas externas. As plataformas IP PBX modernas suportam troncos SIP, que permitem a integração com sistemas telefónicos empresariais e centros de despacho remotos através de uma rede TCP/IP padrão.
A consola de despacho numa sala de controlo agrega chamadas recebidas dos telefones de campo e dos pontos de chamada de emergência, proporcionando aos operadores uma interface única para coordenação por voz. A integração com sistemas SCADA e de controlo de processos permite registar a atividade das chamadas juntamente com os eventos do processo, o que é útil na investigação de incidentes.
Um dispositivo de gateway trata da conversão de protocolos entre circuitos telefónicos analógicos ou digitais existentes e a rede IP. Isto é especialmente relevante em projetos de modernização, nos quais a infraestrutura de cobre existente está a ser substituída gradualmente.
Rede principal de fibra ótica e dispositivos de extremidade
A cablagem de fibra ótica constitui a rede principal da maioria das redes de comunicação de grandes fábricas. Permite percursos longos sem degradação do sinal, é imune à interferência eletromagnética de motores e transformadores e pode transportar voz e dados na mesma infraestrutura física.
- Distância: permite percursos longos sem degradação do sinal
- Imunidade a EMI: desempenho estável junto de motores, transformadores e aparelhagem de comutação
- Consolidação: transporta voz e dados através de uma única rede principal física
Os dispositivos de extremidade, como switches geríveis e conversores de meios, terminam a rede principal de fibra e disponibilizam ligações Ethernet de cobre aos conjuntos locais de equipamentos de campo. Um router em cada secção principal da fábrica gere o tráfego entre segmentos de rede. Em zonas subterrâneas ou remotas, a fibra amplia o alcance do sistema onde a distância ou a EMI limitariam o cobre.
A cablagem de fibra ótica elimina as limitações de distância e EMI do cobre. Ambos os tipos (monomodo/multimodo) são imunes à interferência eletromagnética, tornando a fibra o meio preferencial em zonas com cargas elevadas de motores ou alta tensão.
Organização da arquitetura
A arquitetura de comunicação da fábrica segue um modelo em camadas que separa os dispositivos de campo dos sistemas de controlo de processos e das redes empresariais. A disposição específica dessas camadas e o fluxo de tráfego entre elas determinam a latência, a fiabilidade e a facilidade de manutenção ao longo do ciclo de vida.
Camadas de rede de núcleo, distribuição e extremidade
Percursos de voz, dados e sinais de segurança
O tráfego de voz, os dados de processo e os sinais de segurança devem seguir percursos logicamente separados, mesmo quando partilham a mesma infraestrutura física. Esta separação é obtida através de etiquetagem VLAN e regras de prioridade de tráfego aplicadas ao nível dos switches geríveis.
Em algumas conceções, os circuitos de voz críticos para a segurança são instalados em cablagem totalmente separada, sobretudo em instalações onde se aplicam normas de segurança funcional, como a IEC 61508.
Fatores de conceção para ambientes agressivos e de alto risco
A construção de um sistema de comunicação que funcione com fiabilidade em condições industriais exige mais do que uma conceção de rede comercial padrão. A comunicação em tempo real em zonas muito ruidosas, com temperaturas elevadas ou classificadas como perigosas impõe requisitos específicos a cada camada da arquitetura.
Cobertura, zonas e inteligibilidade em áreas ruidosas
Uma cobertura adequada numa grande fábrica começa com um levantamento do ruído. Os níveis de pressão sonora ambiente nas áreas de processamento ultrapassam frequentemente 85 dB, tornando insuficientes os níveis de saída dos altifalantes padrão. São normalmente necessários altifalantes de corneta ou colunas de elevada potência nas salas de compressores, edifícios de turbinas e plataformas de processamento abertas.
- Efetuar um levantamento do ruído para identificar zonas onde a potência padrão é insuficiente.
- Selecionar os tipos de altifalante (por exemplo, cornetas ou colunas de elevada potência) adequados às condições medidas.
- Definir zonas para dirigir os anúncios às áreas certas sem difusão desnecessária em toda a fábrica.
- Validar a inteligibilidade utilizando a métrica STI (Speech Transmission Index).
- Monitorizar continuamente com sinalização de supervisão para detetar falhas ao nível do circuito.
A monitorização em tempo real da integridade das linhas dos altifalantes e do estado dos amplificadores permite aos operadores identificar falhas de cobertura antes que se transformem numa lacuna de segurança. A sinalização de supervisão na estrutura de amplificação deteta falhas até ao nível de cada circuito individual de altifalante.
Proteção contra a entrada de água e poeiras, zonas perigosas e localização dos equipamentos
Os equipamentos instalados em zonas exteriores, subterrâneas ou sujeitas a lavagem requerem uma classificação IP adequada. IP65 é geralmente o mínimo para equipamentos industriais exteriores; recomenda-se IP66 ou IP67 em locais sujeitos a jatos de água ou imersão temporária.
- Conformidade em zonas perigosas: ATEX e IECEx definem os equipamentos permitidos de acordo com o grupo de gás e a classe de temperatura.
- Certificação adequada: os dispositivos à prova de explosão devem corresponder à classificação da zona onde são instalados.
- Localização prática: prever acesso para manutenção, direção de entrada dos cabos e proteção contra impactos de veículos ou danos de manuseamento.
A localização dos equipamentos deve ter em conta o acesso para manutenção, a direção de entrada dos cabos e o risco de danos físicos provocados por veículos ou pela movimentação de materiais. Capas para telefones e caixas de proteção reduzem a exposição à água, aos raios UV e a impactos em zonas onde não é necessária uma caixa totalmente à prova de explosão.
Redundância, disponibilidade e tolerância a falhas
A redundância é um requisito de conceção, e não uma funcionalidade opcional, nos sistemas de comunicação críticos para a segurança. Os principais modos de falha a considerar são a perda de alimentação, a falha de um único percurso de cabos e a avaria de componentes de hardware.
Alimentações elétricas duplas com comutação automática, sistemas de alimentação ininterrupta (UPS) para equipamentos de controlo e estruturas de amplificação, e redes de fibra em topologia em anel são medidas padrão de redundância. As topologias em anel que utilizam protocolos como RSTP ou MRP recuperam de um corte num único cabo em menos de 50 milissegundos, um intervalo impercetível durante uma chamada de voz.
Os nós críticos, como o servidor IP PBX, os sistemas de despacho e os controladores de difusão sonora, também devem dispor de redundância para evitar que uma falha de hardware interrompa a comunicação em toda a instalação. Defina um objetivo de tempo de recuperação (RTO) adequado aos requisitos operacionais. Os switches industriais geríveis ajudam a manter a disponibilidade através da gestão de VLAN, QoS e percursos de rede redundantes.
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Perguntas frequentes
Como se liga um sistema de comunicação industrial ao sistema de automação (PLCs, sensores e atuadores)?
Na maioria das fábricas, os dispositivos de campo, como sensores e atuadores ligam-se a controladores lógicos programáveis (PLCs) ao nível do controlo; em seguida, os PLCs trocam estados e alarmes com um sistema de controlo (como um sistema SCADA ou uma plataforma de controlo distribuído).
A camada de comunicação que liga estas zonas é normalmente uma rede de comunicação industrial concebida para dar prioridade a operações em tempo real , para que os alarmes críticos e as ações dos operadores sejam transmitidos de forma previsível, mesmo quando o tráfego normal aumenta.
É aqui que a boa segmentação e a gestão do tráfego são mais importantes: protegem o tráfego de controlo e, ao mesmo tempo, permitem a integração e a visibilidade.
Que protocolos de comunicação são utilizados com frequência e quando se deve usar um gateway?
As fábricas raramente utilizam um único padrão de ponta a ponta. É comum encontrar sistemas fieldbus legados (por exemplo, PROFIBUS) a funcionar em paralelo com protocolos modernos de Ethernet industrial como PROFINET ou EtherCAT, enquanto a partilha de dados de nível superior é cada vez mais feita através de OPC UA para uma troca de dados segura.
Quando os dispositivos mais antigos não utilizam a mesma interface que a rede IP, é normalmente usado um gateway para interligar diferentes protocolos de comunicação e permitir uma modernização gradual, em vez de disruptiva.
Como é que a Indústria 4.0 e a IIoT alteram os requisitos da rede?
À medida que as iniciativas de Indústria 4.0 se expandem, as fábricas acrescentam mais pontos de monitorização e enviam mais dados para plataformas analíticas, destinados à manutenção preditiva e à produção inteligente. Esta tendência — frequentemente designada por Internet Industrial das Coisas (IIoT)— aumenta o volume global de dados e torna os padrões de transmissão de dados mais irregulares.
O objetivo prático da conceção é preservar a elevada disponibilidade e o comportamento determinístico do tráfego de controlo e segurança, mantendo simultaneamente uma conectividade escalável para novas aplicações orientadas por dados.
