Introdução

Como vimos até então, os sistemas de automação/supervisórios são constituídos por diversos dispositivos que devem operar de forma conjunta e coordenada, e.g., sensores, atuadores, CLPs, computadores, servidores, IHMs, etc. Neste contexto, as redes de comunicação são as estruturas físicas e lógicas que viabilizam a troca de dados entre estes dispositivos.

Em aplicações sensíveis – como geralmente é o caso na indústria – a rede deve ser confiável e em tempo real, garantindo assim que os dados trocados entre os dispositivos, cheguem a seus destinatários de maneira íntegra e em tempo hábil. Neste contexto, é papel do engenheiro implementar a rede de comunicação, tanto a nível físico quanto lógico, a fim de garantir que as necessidades do sistema de automação/supervisório sejam atendidas. Para isto, é necessário conhecer as tecnologias existentes, entendendo suas características, contexto de uso adequado e técnicas de implementação e integração.

Objetivos da Aula

Considerando o cenário exposto, esta aula é dedicada a relembrar conceitos essenciais sobre redes de comunicação, apresentar exemplos destas tanto a nível físico quanto lógico e relacionar suas características às necessidades dos sistemas de automação/supervisório.

Os objetivos específicos são:

• Compreender o papel das redes industriais em sistemas supervisórios.
• Apresentar os conceitos essenciais de redes de comunicação.
• Apresentar meios físicos, topologias e conceitos fundamentais de comunicação.
• Apresentar os principais protocolos utilizados em automação e supervisão.
• Discutir aspectos práticos de projeto e integração de redes industriais.

Conceitos Essenciais

Fundamentalmente, a comunicação é definida como transmissão de informações e significados de uma parte para outra pela utilização de canais específicos. O processo de comunicação é então definido como conjunto de etapas responsáveis por esta transmissão.

Toda comunicação envolve (i) um emissor, (ii) uma mensagem, (iii) o canal de comunicação, (iv) o receptor e (se possível) (v) um feedback. A mensagem é a informação/dado a ser transmitido. Os canais de comunicação são os meios utilizados para transmitir a mensagem. O emissor é o agente que codifica a informação na forma de mensagem e a envia através do canal de comunicação; o receptor é o ente responsável por captar, decodificar e integpretar. Sempre que possível, é interessante também que o receptor envie um feedback ao emissor, confirmando ou não o recebimento e compreensão da mensagem.

A definição apresentada acima é genérica, sendo adequada para qualquer sistema onde ocorra comunicação entre duas ou mais entidades, podendo este sistema ser do tipo social, natural, tecnológico, etc.

Especificamente para as redes de comunicação para sistemas de automação/supervisórios, descrevemos abaixo alguns parâmetros fundamentais destas redes que impactam em seu desempenho.

Largura de Banda

A largura de banda representa a quantidade máxima de dados que pode ser transmitida por unidade de tempo (e.g., a cada segundo) através de um canal de comunicação. Em sistemas de comunicação digital, esta característica é normalmente quantizada em bits por segundo (bps) ou seus múltiplos (kbps, Mbps, Gbps).

Na prática, maiores larguras de banda permitem a transmissão de informações mais ricas em um curto período de tempo. Tal característica é essencial, por exemplo, em aplicações com muitos dispositivos, ou que necessitam enviar "dados pesados" (e.g., vídeos, nuvem de pontos), etc.

É importante observar que, mesmo com alta largura de banda nominal, fatores como colisões, interferência ou congestionamento podem limitar a taxa real de transferência de dados.

Latência

A latência refere-se ao tempo decorrido entre o envio de uma informação pelo remetente e sua captação/compreensão pelo destinatário. Normalmente, o tempo de latência é consequência da contribuição de diversos fatores, como tempo de codificação/decodificação, tempo de propagação e enfileiramento, etc, podendo inclusive variar dinamicamente em função de distúrbios no meio físico, do protocolo, do tráfego na rede, etc..

Em redes industriais, uma latência elevada pode prejudicar o desempenho de sistemas de controle em aplicações críticas e com requisitos de tempo real (e.g., controle de processos contínuos). Por isso, é necessário nestes casos implementar a infraestrutura de comunicação focando em baixa latência e transferência determinística

Determinismo

Determinismo é capacidade da rede de entregar os dados dentro de um intervalo de tempo previsível e garantido, mesmo sob cenários adversos. Diferentes estratégias podem ser adotadas para implementar o determinismo em uma dada comunicação, como a adoção de equipamentos específicos, links dedicados, limitação de nós na rede, etc.

O determinismo é fundamental em sistemas de controle remotos e sensíveis, onde a latência deve ficar dentro de valores adequados para a operação segura da planta.

Tempo Real

Um sistema em tempo real é aquele onde o tempo das comunicações ocorrem dentro de um período adequado para a operação eficiente e segura da planta. Isto não significa necessariamente que a comunicação seja "rápida", mas sim que ela acontece dentro de um período aceitável para a operação do sistema, pouco ou nada impactando negativamente em seu funcionamento.

Há duas classificações de restrição do tempo real: tempo real "duro" é quando a perda de prazo compromete o sistema (ex: controle de temperatura de um forno); e tempo real "brando" é no caso em que perder o prazo impacta no desempenho, sem gerar porém perdas significativas e/ou irreversíveis (ex: atualizações de tela de supervisório).

Em redes industriais, o “tempo real” está normalmente na faixa de microssegundos a segundos, dependendo do processo.

Topologias de comunicação

Estudar e entender a origem das palavras ajuda a assimilá-las melhor. Por exemplo, a palavra "topologia" vem do grego, unindo o prefixo “Topo-” (τόπος), que significa "lugar" ou "posição", e o sufixo ”-logia” (λογία), que significa "estudo" ou "discurso sobre". Assim, a palavra "topologia" pode se referir ao estudo e compreensão sobre a disposição relativa de entidades em um sistema qualquer.

No contexto de sistemas supervisórios, a topologia de rede se refere à forma como os dispositivos (comumente denominados "nós", ou em inglês "nodes") estão fisicamente e/ou logicamente conectados entre si em uma rede. Por ser uma característica constituinte da estrutura de comunicação, a escolha da topologia impacta diretamente no desempenho, na robustez, na escalabilidade e custo das infraestruturas de rede.

Os principais tipos de topologia de rede são:

Estrela

Cada nó é conectado diretamente a um único dispositivo central, denominado hub. O hub então possui comunicação ponto-a-ponto direta com cada nó da rede.

Uma mensagem enviada por um nó específico vai diretamente para o hub, que então pode replicar a mensagem direto para o destinatário ou enviá-la para todos os dispositivos da rede (i.e., realizar um broadcast).

Em termos de robustez, a falha na comunicação entre um nó qualquer e o hub não causa maiores problemas na rede. Entretanto, se o hub for comprometido ou danificado, toda a rede torna-se inoperante. Sobre capacidade, a rede está limitada à velocidade e eficiência do hub em receber e replicar as mensagens recebidas.

Barramento

Todos os dispositivos compartilham um único meio de comunicação, conectados entre si ao longo de um cabo central. Quando um dispositivo transmite uma mensagem, todos os demais a recebem. A mensagem normalmente possui em seu cabeçalho o endereço do nó destinatário, sendo esta a maneira que este possui para um nó compreender se a mensagem que chega é relevante ou não para si; os nós que não-destinatários por padrão recusam uma mensagem que não lhes é destinada.

Com tal estrutura, cada nó é capaz de se comunicar com um outro em específico de forma independente. Entretanto, todos os nós compartilham da capacidade total da rede e os dados transmitidos são acessíveis por todos os nós da rede.

É uma topologia multi-nodal simples de ser implementada porém não robusta, pois um defeito no barramento central pode derrubar boa parte da comunicação. No geral, o barramento é mais indicado para pequenas redes com poucos nód onde não há grandes restrições de privacidade.

Anel

Nesta topologia, cada nó é conectado a exatamente outros dois na rede, sendo um o predecessor e outro o sucessor na transferência de mensagens. Assim, forma-se um caminho fechado e circular de comunicação entre todos os dispositivos: um nó envia a mensagem desejada para o próximo nó da rede, e assim sucessivamente.

É uma rede fácil de ser instalada e configuradada. Entretando, a comunicação é feita em um único sentido para um mesmo loop e no geral não é muito rápida ou eficiente.

Em certos tipos de topologia anel, os nós podem enviar na rede uma mensagem a qualquer momento. A fim de evitar sobrecarga na rede porém, algumas redes em anel implementam um token que vai rodando continuamente na rede e somente o nó que estiver em posse deste pode enviar mensagens na rede.

Malha

Cada nó é conectado a vários outros, criando múltiplos caminhos para a transmissão dos dados. Em casos específicos, cada nó é conectado diretamente a todos os outros através de links dedicados.

Esta topologia oferece alta confiabilidade e taxa de transferência como consequência da redundância de caminhos estabelecida. Seu porém reside nos custos de implementação, normalmente mais elevados.

Topologia Híbrida

Na prática, as macro-redes industriais costumam ser uma combinação de diferentes tipos de topologias. A Figura Fig. 1 exemplifica uma estrutura de rede neste estilo.

Sumarizando

A tabela a seguir faz um resumo das topologias de rede apresentadas.

Cada topologia de rede possui vantagens e desvantagens que devem ser levadas em consideração no momento do projeto da estrutura de rede.

Naturalmente, há a possibilidade de criar redes híbridas, aliando dois ou mais tipos de topologias. Este é um cenário realista, uma vez que diferentes camadas do sistema supervisório possuem diferentes necessidades de rede mas que, em última instância, devem ser todos interconectados entre si.

A tabela a seguir resume as vantagens e desvantagens de cada tipo de topologia de rede.

Meios Físicos de Comunicação

O meio físico de comunicação se refere ao tipo de grandeza física utilizada para a transmissão das mensagens. Atualmente, os meios físicos mais comuns são sinais elétricos através de cabos que contém fio condutor, ou através da emissão de ondas eletromagnéticas.

A escolha do meio físico afeta diretamente na robustez, no alcance, na velocidade e na imunidade a interferências da comunicação entre os dispositivos.

A seguir, são descritos os alguns dos principais meios de comunicação utilizados em sistemas supervisórios:

A seguir segue descrição dos principais meios utilizados.

Par Trançado (UTP)

O par trançado é o meio mais comum em redes Ethernet industriais e comerciais. Ele consiste em dois fios condutores trançados entre si, o que ajuda a reduzir interferências eletromagnéticas. Sua principal vantagem é o baixo custo e a facilidade de instalação. A versão Cat 5e/6 é amplamente utilizada para transmissões de até 100 metros com velocidades de 100 Mbps ou mais.

As categorias de cabos são:

• Cat5: Suporta velocidades de até 100 Mbps e largura de banda de 100 MHz.
• Cat5e: Até 1 Gbps e 100 MHz, com melhor desempenho em relação à diafonia.
• Cat6: Velocidades de até 100 Mbps e largura de banda de 250 MHz, com construção que reduz ainda mais a diafonia e interferência.
• Cat6a: Suporta até 10 Gbps a distância maiores que 100 metros e largura de banda de 500 MHz.

Vantagens:

• São geralmente mais baratos se comparados a outros meios (como a fibra óptica).
• São leves e fáceis de manusear e instalar.
• Podem ser utilizados desde redes de computadores até sistemas de telecomunicações.

Desvantagens:

• A qualidade do sinal pode degradar em longas distâncias, principalmente nos cabos não blindados.
• Mesmo com as técnicas de mitigação, os cabos ainda são suscetíveis e interferências eletromagnéticas, principalmente em ambiente industrial.
• As larguras de banda são limitadas se comparadas a outros meios (como a fibra óptica).

📌 Exemplo: redes Modbus TCP, Profinet e EtherNet/IP entre CLPs e switches industriais em painéis ou chão de fábrica com curtas distâncias.

Fibra Óptica

O sinal é transmitido baseando-se no princípio da refração e reflexão da luz, que é transmitida por um canal feito de vidro ou plástico. A fibra em si consiste em um núcleo por onda a luz é transmitida e uma casca com índice de refração diferente. A luz se propaga ao longo do comprimento da fibra através de múltiplas reflexões. Os dados são codificados na luz usando diferentes métodos de modulação.

Existem as fibras: (i) monomodo, que utiliza um núcleo pequeno para transmitir luz em um único modo, ideal para longas distâncias; (ii) multimodo, que utiliza um núcleo maior para transmitir múltiplos modos de luz, mais adequado para curtas distâncias.

A fibra ótica oferece alta largura de banda e grande imunidade a ruídos eletromagnéticos. É ideal para ambientes industriais com interferência intensa (como motores de grande porte) e para conexões de longa distância (várias centenas de metros ou até quilômetros). Embora tenha custo mais alto, oferece confiabilidade superior e suporte a redes com alta disponibilidade. O cabo em si porém é relativamente mais frágil se comparado com o cabo de par trançado.

Vantagens:

• Permite a transmissão de grandes volumes de dados a altas velocidades.
• A transmissão pode ser feita a grandes distâncias (várias dezenas de quilômetros) sem necessitar de repetidores de sinal.
• O sinal óptico é imune a interferências eletromagnéticas.
• Os cabos de fibra óptica são mais finos e leves se comparados a cabos de cobre.

Desvantagens:

• O custo de instalação pode ser mais caro.
• A fibra óptica é mais suscetível a quebras e danos físicos.
• A instalação requere componentes especiais para fazer a codificação/transmissão do sinal.

📌 Exemplo: interligação entre prédios industriais, redes SCADA em parques de geração de energia ou em mineradoras.

Rádio Frequência (Wireless)

Sistemas sem fio utilizam modulação de rádio frequência para transmitir dados entre dispositivos. São flexíveis, facilitam a instalação em locais de difícil acesso, mas são sensíveis a interferências (de motores, solda elétrica, barreiras metálicas, etc.). Para uso industrial, devem ser utilizados protocolos robustos como WirelessHART ou Wi-Fi industrial com mecanismos de segurança e Quality of Service (QoS).

As redes Wi-Fi são criadas através de um ponto de acesso (e.g., roteador) que disponibiliza o sinal de rádio para os dispositivos em sua proximidade. Geralmente, o roteador está ligado à internet (ou à rede local) via cabo e retransmite estes dados aos dispositivos conectados através das ondas de rádio.

Os principais padrões Wi-Fi são:

• 802.11b: Opera na banda de 2,4 GHz, com velocidades de até 11 Mbps.
• 802.11g: Também em 2,4 GHz, com velocidades de até 54 Mbps.
• 802.11n: Opera em 2,4 GHz e 5 GHz, com velocidades de até 600 Mbps.
• 802.11ac: Opera principalmente em 5 GHz, com velocidades de até 1,3 Gbps e suporte a múltiplas antenas (MIMO).
• 802.11ax: Melhorias em eficiência e capacidade, com velocidades superiores a 10 Gbps e melhor desempenho em ambientes congestionados.

Vantagens:

• A não utilização de fios causa maior praticidade na conexão de dispositivos à rede.
• Os dispositivos possuem liberdade de movimentação dentro da área de cobertura.

Desvantagens:

• Os sinais Wi-Fi são suscetíveis a interferências por outros dispositivos eletrônicos que usem as micro-ondas, bem como por obstáculos físicos (e.g., paredes).
• O alcance do sinal Wi-Fi é limitado e se degrada à medida que o dispositivo se afasta do roteador.
• Podem ser mais vulneráveis a ataques se não forem devidamente protegidas por protocolos de comunicação.

📌 Exemplo: supervisão de silos ou tanques em áreas remotas, sensores IoT em áreas abertas, sistemas móveis (AGVs, empilhadeiras autônomas).

RS-485 (Cabo Serial)

O RS-485 é um padrão de comunicação serial diferencial amplamente utilizado em automação industrial, especialmente em redes que utilizam o protocolo Modbus RTU. Ele permite a comunicação multimestre em um mesmo barramento físico, suportando até 32 dispositivos por segmento (e até mais com repetidores). Utiliza dois fios trançados para transmissão diferencial, o que garante imunidade a ruídos eletromagnéticos e alcança distâncias de até 1200 metros com taxas de até 115.200 bps (em condições ideais).

A topologia típica é em barramento (bus), com um par de resistores de terminação nas extremidades para evitar reflexões do sinal. É simples, robusto e ideal para instalações industriais com grande comprimento de cabo e ambientes com ruído elétrico moderado.

Vantagens:

• Simplicidade e baixo custo de implementação.
• Boa imunidade a ruídos.
• Ideal para longas distâncias e ambientes industriais.
• Amplo suporte por sensores, CLPs e inversores.

Desvantagens:

• Comunicação half-duplex: apenas um dispositivo transmite por vez.
• Requer controle rigoroso de endereçamento e temporização.
• Sensível à má instalação elétrica (e.g., falta de terminadores ou aterramento ruim).
• Não oferece autenticação ou criptografia (segurança depende do meio físico).

📌 Exemplo: rede Modbus RTU em planta com sensores de temperatura distribuídos, rede de inversores em linha de produção, painéis de CLP interligados em distâncias médias.

Redes Celulares 4G/5G (Comunicação móvel)

As redes celulares 4G e 5G oferecem conectividade sem fio com cobertura ampla, sendo uma solução poderosa para sistemas supervisórios distribuídos ou em áreas remotas onde cabeamento é inviável. Dispositivos com modem celular embarcado ou gateways industriais com chip SIM podem enviar e receber dados pela internet, comunicando-se com sistemas supervisórios ou bancos de dados na nuvem.

O 4G (LTE) oferece velocidades médias entre 10–100 Mbps, enquanto o 5G pode alcançar velocidades superiores a 1 Gbps, com latência ultrabaixa (<1 ms) e capacidade para milhares de dispositivos por célula — ideal para aplicações de IoT industrial massivo (massive Machine Type Communications, mMTC).

Vantagens:

• Alta cobertura geográfica (especialmente com operadoras nacionais).
• Boa largura de banda para aplicações de supervisão remota e cloud SCADA.
• Mobilidade: ideal para ativos móveis ou remotos.
• Escalabilidade para dispositivos IoT com planos de dados acessíveis.

Desvantagens:

• Dependência da infraestrutura da operadora (sujeita a oscilações de sinal).
• Necessidade de plano de dados e possível custo recorrente.
• Requer mecanismos de segurança adicionais (VPNs, firewalls).
• Em zonas rurais ou montanhosas, o sinal pode ser instável.

Exemplo: supervisão de poços de petróleo, estações de bombeamento remotas, tratores ou empilhadeiras autônomas enviando dados para a nuvem via chip 4G/5G.

Protocolos de Comunicação

Um protocolo de comunicação é um conjunto de regras e convenções que define como os dados devem ser formatados, transmitidos e interpretados entre dispositivos em uma rede. Em sistemas industriais, os protocolos garantem que sensores, atuadores, controladores e supervisórios consigam trocar informações de forma padronizada, mesmo que sejam de fabricantes diferentes. Sem um protocolo comum, os dispositivos seriam incapazes de “conversar” entre si.

Importância na Indústria

Permitem a comunicação padronizada entre todos os instrumentos e componentes do sistema supervisório: sem um protocolo comum, os dispositivos não conseguiriam se comunicar.

• Comunicação mesmo entre dispositivos de fabricantes diferentes

Protocolos de Campo (nível dispositivo)

Protocolos usados para comunicação direta com dispositivos de campo.

• Focados em permitir controle descentralizado e comunicação eficiente
• Atuam no nível mais baixo da hierarquia de automação industrial

Características Gerais:

• Operam geralmente em tempo real.
• Suportam comunicação determinística e cíclica
• Muitos utilizam meios físicos robustos, como RS-485 ou barramentos industriais
• Podem ser: mestre-servo; multimestre; publicador/assinante

Modbus RTU (RS-485)

Este protocolo consiste em comunicação serial ponto a multiponto via cabo RS-485. Os dispositivos da rede se organizam no modelo mestre-servo, onde o mestre controla o fluxo de comunicação, realizando as requisições de leitura e escrita. Cada dispositivo servo possui um endereço único, e a comunicação é feita acessando registradores de memória específicos do dispositivo. O mestre envia uma requisição com o endereço do servo e o registrador desejado; o servo responde com os dados solicitados.

• Usos comuns: Sensores, CLPs, inversores de frequência, I/O remotos.
• Características: Baixo custo, simples de implementar, muito difundido.
• ✅ Vantagens: Longo alcance (até 1200 m), simples, suporte por muitos dispositivos.
• ❌ Desvantagens: Comunicação lenta (até 115200 bps), sem segurança, não determinístico.

HART (Highway Addressable Remote Transducer)

O protocolo HART é um padrão de comunicação híbrido analógico/digital que permite transmitir dados digitais sobre uma linha de corrente analógica padrão 4-20 mA. O sinal digital é sobreposto ao sinal analógico por modulação FSK (Frequency Shift Keying), sem interferir na leitura da variável de processo. Ele permite a configuração, calibração e diagnóstico de instrumentos de campo inteligentes sem interromper a operação.

• Usos comuns: Transmissores de pressão, temperatura e nível; válvulas inteligentes.
• Características: Comunicação bidirecional; retrocompatível com sistemas 4-20 mA existentes.
• ✅ Vantagens: Pode ser usado em infraestrutura analógica existente; permite configuração remota sem afetar a medição.
• ❌ Desvantagens: Velocidade limitada; não é adequado para aplicações em tempo real.

IO-Link

O IO-Link é um protocolo de comunicação ponto a ponto, normalmente implementado sobre cabo padrão de 3 fios não blindado, utilizado para conectar sensores e atuadores inteligentes a um mestre IO-Link a uma distância máxima de 20 metros. Geralmente, o mestre IO-Link é então conectado ao CLP utilizando protocolo Ethernet, Profinet, etc.

A comunicação é digital, bidirecional e cíclica/sob-demanda, permitindo não apenas a leitura da variável medida, mas também parametrização, diagnóstico e identificação do dispositivo.

Os instrumentos são capazes de enviar: dados de processo; status do valor (checksum); parâmetros do dispositivo; eventos.

• Usos comuns: Sensores de proximidade, pressão, temperatura com funções inteligentes.
• Características: Comunicação digital com interface padronizada, fácil integração.
• ✅ Vantagens: Cabos padrão; baixo custo; configuração e diagnóstico remotos.
• ❌ Desvantagens: Curto alcance (~20 m); custo; ecossistema fechado.

CANopen

CANopen é um protocolo de camada de aplicação robusto baseado no barramento CAN (Controller Area Network), utilizando uma arquitetura multimestre com controle de acesso via priorização de mensagens. Cada dispositivo possui objetos de comunicação (COB-ID) que definem a estrutura de dados trocados. É amplamente usado em ambientes com requisitos de tempo real, como veículos e máquinas móveis.

O CAN possui o que se chama de "comunicação determinística", o que indica que é possível prever ou até definir o tempo que uma mensagem leva para chegar até seu destinatário na rede. A arquitetura é em barramento, onde todos os dispositivos (denominados "nós") estão conectados entre si através de um único cabo. A rede opera como mestre-servo, onde um dispositivo mestre (e.g., um CLP) envia e/ou solicita dados dos dispositivos servos (e.g., sensores, atuadores). Um único mestre pode ser comunicar com múltiplos servos.

Os dados são transmitidos em forma de quadros (frames), que contém informações sobre o endereço de destino, prioridade, e os dados a serem enviados. Cada nó escuta o canal antes de transmitir a fim de evitar colisões. Se ocorrer uma colisão, os dispositivos detectam isso e retransmitem os dados após um delay. Este método se chama Carrier Sense Multiple Acess with Collision Detection (CSMA/CD).

• Usos comuns: Robôs, veículos autônomos, equipamentos móveis e industriais.
• Características: Alta confiabilidade, suporte a tempo real, topologia flexível.
• Vantagens: Comunicação robusta; determinístico; ótimo para ambientes ruidosos.

Protocolos de Controle e Supervisão

Os protocolos de controle e supervisão são de mais alto nível, geralmente conectando os CLPs da planta aos computadores/servidores de níveis superiores. Assim, permitem transmissão dados de maior complexidade e uso de banda, priorizando também a segurança dos dados.

• Permitem troca de dados em tempo real para:
  • Monitoramento de variáveis de processo
  • Envio de comandos de controle
  • Aquisição de dados históricos
  • Geração de alarmes e diagnósticos

Características Gerais

• Projetados para baixo tempo de resposta
• Suporte a topologias industriais comuns (barramento, estrela, anel)
• Permitem comunicação cíclica e sob demanda
• Foco em: determinismo; robustez; alta disponibilidade.
• Compatíveis com CLPs, IHMs, supervisórios, inversores, remotas, etc.

Modbus TCP/IP

Modbus TCP/IP é a versão do protocolo Modbus implementada sobre a pilha TCP/IP, utilizando redes Ethernet padrão. O modelo mestre-escravo é mantido, onde o mestre (geralmente o supervisório) realiza requisições de leitura/escrita aos dispositivos escravos (CLPs, IHMs, etc.). Os dados são transmitidos encapsulados em pacotes TCP, e os dispositivos são endereçados por IP.

Usos comuns: Integração de CLPs com sistemas SCADA, IHMs, gateways.

Características: Simples, escalável, amplamente compatível com redes modernas.

✅ Vantagens: Usa infraestrutura Ethernet comum; fácil de configurar; boa velocidade.

❌ Desvantagens: Falta de criptografia nativa; sem controle de tempo real estrito.

Profinet

Profinet, por sua vez, é a evolução sobre Ethernet, com suporte a dados cíclicos, determinismo e alta disponibilidade. Utiliza o padrão de comunicação industrial da Siemens, com ferramentas de configuração como o TIA Portal.

• Usos comuns: Automação de processos e manufatura; redes Siemens.
• Características: Rigoroso controle de tempo; integração completa com software Siemens.
• ✅ Vantagens: Alta confiabilidade; determinismo; suporte a diagnóstico.
• ❌ Desvantagens: Maior custo; dependência do ecossistema Siemens.

EtherNet/IP

EtherNet/IP utiliza o protocolo CIP (Common Industrial Protocol) sobre Ethernet padrão, com suporte a comunicação orientada a objetos e a múltiplas conexões simultâneas. É muito utilizado em sistemas com CLPs Allen-Bradley e suporta recursos como QoS, multicast e sincronização de tempo.

• Usos comuns: Automação industrial, especialmente Rockwell Automation.
• Características: Integração orientada a objetos; tempo real com switches apropriados.
• ✅ Vantagens: Muito difundido; ótimo suporte para integração em larga escala.
• ❌ Desvantagens: Requer switches gerenciáveis; configuração mais avançada.

Protocolos para IoT e Integração Moderna

Os protocolos listados a seguir são considerados de mais alto-nível pois conseguem integrar uma grande variedade de produtos e serviços, abstraindo suas peculiaridades ao gerar um meio comum para comunicá-los.

Protocolos projetados para:

• Conectar dispositivos inteligentes (IoT) a sistemas locais ou em nuvem
• Suportar comunicação leve, segura e escalável
• Integrar sensores, atuadores e gateways com plataformas modernas (ex: bancos de dados, analytics)

Características Gerais:

• Baixo consumo de banda e energia (essencial para IoT)
• Comunicação assíncrona e orientada a mensagens
• Suporte a ambientes distribuídos
• Compatíveis com serviços em nuvem e plataformas web

Foco em: escalabilidade; segurança; interoperabilidade; atualizações em tempo real.

OPC UA

O OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) é um protocolo de comunicação industrial moderno e padronizado, desenvolvido para permitir a interoperabilidade segura e estruturada entre dispositivos, sistemas e aplicações de diferentes fabricantes. Diferente de protocolos baseados em troca simples de dados brutos, o OPC UA adota um modelo orientado a objetos, permitindo representar não apenas valores de variáveis, mas também sua semântica, unidades, hierarquias, métodos e eventos, tudo dentro de uma arquitetura extensível. Ele pode operar tanto em modelo cliente-servidor (como em CLPs, supervisórios e ERPs) quanto em modelo publish/subscribe, permitindo aplicações em tempo real e nuvem.

Projetado desde o início com foco em segurança e escalabilidade, o OPC UA suporta criptografia, autenticação por certificados, assinatura digital e compressão de dados. Ele é independente de plataforma e pode ser implementado em sistemas embarcados, servidores Windows/Linux, navegadores, e até dispositivos IoT. Sua integração com sistemas SCADA, MES, ERP e bancos de dados o torna ideal para aplicações de Indústria 4.0 e Digital Twin. Apesar de sua complexidade e curva de aprendizado mais alta, o OPC UA é hoje um dos protocolos mais completos e robustos para comunicação industrial moderna, especialmente quando se busca integração profunda, segurança e abstração semântica dos dados.

• Usos comuns: Integração SCADA, servidores de dados, gateways de planta.
• Características: Seguro, extensível, baseado em arquitetura orientada a serviços.
• ✅ Vantagens: Padrão aberto; alta flexibilidade e segurança; interoperável.
• ❌ Desvantagens: Complexidade; demanda maior de recursos computacionais.

MQTT

O MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) é um protocolo leve de comunicação baseado em publish/subscribe (publicação/assinatura), ideal para aplicações com largura de banda limitada, dispositivos com baixo poder computacional ou conexões instáveis/intermitentes, como em ambientes industriais remotos ou aplicações de IoT. Ao contrário do modelo cliente-servidor do HTTP, o MQTT utiliza um broker central (corretor de mensagens) que recebe mensagens publicadas por dispositivos e as distribui para os que estiverem inscritos (subscribed) nos tópicos correspondentes. As mensagens são geralmente pequenas e codificadas em texto simples (UTF-8) ou binário leve, como JSON.

O protocolo opera sobre TCP/IP e possui níveis configuráveis de qualidade de serviço (QoS), que garantem desde entrega no máximo uma vez (QoS 0) até entrega garantida sem duplicação (QoS 2). Além disso, permite o uso de mensagens persistentes (retained messages) e último valor conhecido (last will and testament), úteis para aplicações com sensores que podem se desconectar. O MQTT é muito utilizado em telemetria, monitoramento remoto, sistemas SCADA leves, e integração com plataformas em nuvem, por ser simples, confiável e eficiente. Entretanto, não possui segurança embutida por padrão, sendo recomendada sua implementação com TLS/SSL e autenticação adicional.

• Usos comuns: Sensores IoT, dispositivos remotos, gateways em nuvem.
• Características: Comunicação assíncrona, baixo consumo de dados.
• ✅ Vantagens: Muito leve; ideal para redes móveis e com restrições.
• ❌ Desvantagens: Requer broker; sem controle de tempo real; segurança depende da implementação.

HTTP/REST

O protocolo **HTTP (Hypertext Transfer Protocol) é **o mesmo utilizado na web, operando sobre TCP/IP, e serve como base para aplicações RESTful. No modelo REST (Representational State Transfer), os dados são organizados em recursos identificados por URLs, e as operações são realizadas por métodos HTTP padronizados, como GET (leitura), POST (criação), PUT (atualização) e DELETE (remoção). As requisições e respostas são normalmente estruturadas em formato JSON ou XML, que são fáceis de manipular por aplicações web e linguagens como JavaScript, Python, entre outras.

Uma característica importante do REST é seu modelo stateless, ou seja, o servidor não mantém o estado das conexões entre requisições — cada chamada é autocontida, o que facilita a escalabilidade. Além disso, o protocolo é amplamente compatível com navegadores, bibliotecas de programação e ferramentas de integração, o que o torna ideal para criar APIs (Application Programming Interfaces) que conectam sistemas industriais a plataformas em nuvem, dashboards e bancos de dados remotos. Por ser baseado em tecnologias padrão da web, o HTTP/REST é altamente interoperável, embora não seja indicado para aplicações de tempo real ou com requisitos de baixa latência.

• Usos comuns: Integração com APIs, dashboards, bancos de dados em nuvem.
• Características: Amplo suporte por ferramentas de TI e frameworks web.
• ✅ Vantagens: Compatível com praticamente qualquer sistema web; fácil depuração.
• ❌ Desvantagens: Não é determinístico; alto overhead; não recomendado para controle.

WebSocket

WebSocket é um protocolo de comunicação full-duplex que permite comunicação bidirecional contínua entre cliente e servidor, utilizando uma única conexão TCP persistente. Diferentemente do HTTP (que é baseado em requisições/respostas), o WebSocket permite que ambas as partes enviem dados a qualquer momento, sem a necessidade de reestabelecer a conexão.

A comunicação começa com um handshake HTTP, e após a conexão ser estabelecida, ela é mantida aberta, permitindo transmissões em tempo real com baixa latência. Isso torna o WebSocket ideal para aplicações industriais que exigem atualizações instantâneas, como dashboards ao vivo, alarmes ou controle remoto.

• Usos comuns: Interfaces web para SCADA, dashboards em tempo real, monitoramento de sensores online.
• Características: Comunicação contínua, full-duplex, com baixo overhead após conexão estabelecida.
• ✅ Vantagens: Baixa latência; ideal para dados em tempo real; evita polling constante.
• ❌ Desvantagens: Requer suporte específico no servidor e no cliente; não é orientado a objetos ou segurança por padrão como OPC UA; pode consumir recursos se mal gerenciado.

ROS (Robot Operating System)

O ROS é uma infraestrutura de software de código aberto para o desenvolvimento de sistemas robóticos, mas pode ser aproveitado também em sistemas distribuídos de automação. Ele fornece um modelo de comunicação entre processos altamente modular, baseado em publicação/assinatura, serviços síncronos e ações assíncronas. Cada processo (ou "nó") pode publicar ou escutar mensagens em topics, ou trocar dados via services e actions.

A comunicação no ROS (como no ROS 1) é baseada em TCPROS ou UDPROS, protocolos internos que utilizam TCP/IP ou UDP sob demanda. Já o ROS 2, mais moderno, é baseado no DDS (Data Distribution Service), um padrão de comunicação realtime, publish/subscribe, peer-to-peer, muito usado em sistemas críticos de tempo real, como veículos autônomos e sistemas embarcados.

• Usos comuns: Robôs móveis, manipuladores, sistemas ciberfísicos, integração de sensores e atuadores com supervisórios.
• Características: Altamente modular, distribuído, com suporte a múltiplos protocolos, simulações e ferramentas de visualização (ex: Rviz, Gazebo).
• ✅ Vantagens: Grande comunidade; escalável; suporte a tempo real com DDS (ROS 2); ideal para P&D em robótica.
• ❌ Desvantagens: Curva de aprendizado elevada; overhead computacional; integração com sistemas industriais exige adaptação.

📌 Observação: O ROS pode ser integrado a sistemas supervisórios via bridge com OPC UA, MQTT ou REST APIs, permitindo que dados de robôs sejam visualizados e controlados em plataformas SCADA ou web.

Tabela Comparativa

A tabela a seguir trás um sumário dos protocolos de comunicação vistos:

Aspectos Práticos de Projeto e Integração de Redes Industriais

O projeto e a integração de redes industriais envolvem uma série de decisões técnicas e estratégicas que vão muito além da simples escolha de dispositivos ou protocolos de comunicação. É necessário considerar fatores como:

• o ambiente físico da planta;
• os requisitos de tempo real;
• a escalabilidade do sistema;
• a compatibilidade entre equipamentos de diferentes fabricantes;
• os aspectos de segurança da informação;
• e a manutenção futura da rede.

Segue uma lista de ponderações a serem feitas no projeto e implementação de redes de comunicação:

1. Definição de Requisitos Funcionais e Não Funcionais

O primeiro passo em qualquer projeto de rede industrial é levantar os requisitos do sistema. Isso inclui:

• Requisitos funcionais: variáveis que devem ser monitoradas, comandos que devem ser executados, dispositivos envolvidos, quantidade de nós, frequência de atualização dos dados, etc.

• Requisitos não funcionais: desempenho, tempo de resposta, confiabilidade, segurança, manutenção, integração com outros sistemas (ERP, MES, SCADA, nuvem).

Definir os requisitos da rede nestes termos embasa a escolha das seguintes características da rede: a topologia, o meio físico, o protocolo de comunicação e os dispositivos de rede mais adequados.

2. Escolha da Topologia e Meios Físicos

A topologia da rede influencia diretamente a robustez, facilidade de expansão e custo da solução.

Considerando as topologias que vimos anteriormente, cada uma é mais indicada para um tipo específico de aplicação no sistema:

• Barramento: simples e de baixo custo, mas pouco robusta.
• Estrela: mais robusta e eficiente, porém pode ser mais cara.
• Anel: com redundância embutida em algumas tecnologias (ex: MRP), porém pode ser mais lenta.
• Malha: usada em sistemas críticos que exigem alta disponibilidade, porém exige maior investimento.

Quanto ao meio físico, deve-se considerar o alcance, a imunidade a ruídos eletromagnéticos e a capacidade de banda. As opções mais comumente usadas no âmbito industrial são:

• Par trançado (UTP/STP): comum para Ethernet e IO-Link.
• Fibra óptica: ideal para longas distâncias e ambientes com muito ruído, porém são mais frágeis.
• RS-485: tradicional em redes Modbus RTU e Profibus.
• Wireless (Wi-Fi, LoRa, 4G/5G): útil em áreas remotas ou para dispositivos móveis.

3. Escolha dos Protocolos

Cada protocolo possui suas particularidades e capacidades operacionais, além de poderem ser compatíveis com apenas um fabricante ou serem largamente utilizados.

Dentre outros fatores, a escolha do protocolo depende fortemente do tipo de aplicação:

• Controle de tempo real: Profinet, EtherCAT, CANopen, DeviceNet.
• Aquisição de dados em chão de fábrica: Modbus TCP/RTU, OPC UA, HART.
• Integração com nuvem e sistemas IoT: MQTT, HTTP/REST, WebSocket.
• Robótica e sistemas distribuídos avançados: ROS, DDS, OPC UA.

É fundamental verificar a interoperabilidade entre equipamentos de diferentes fabricantes e se há drivers ou bibliotecas compatíveis com o supervisório utilizado.

É importante também identificar os diferentes tipos de protocolos que vão ser utilizados e as técnicas para interfaceá-los.

4. Dimensionamento da Rede

Dimensionar a rede é o ato de planejar tecnicamente sua estrutura de comunicação com o objetivo de garantir que ela suporte com segurança, eficiência e desempenho adequado todas as demandas de dados, dispositivos e comunicação do sistema.

Na fase de dimensionamento da rede, é preciso considerar:

• Número de dispositivos e endereçamento
• Largura de banda disponível vs. volume de dados
• Latência admissível em aplicações de controle
• Necessidade de redundância de caminho ou alimentação

Algumas redes requerem switches industriais gerenciáveis com suporte a QoS (Quality of Service), VLANs (Virtual LAN) e protocolos de redundância (ex: RSTP, MRP, DLR).

5. Planejamento de Endereçamento e Nomenclatura

Definir uma convenção clara para endereços IP, nomes de nós, tags de variáveis e identificadores de dispositivos facilita a manutenção, documentação e expansão da rede.

• Usar faixas IP dedicadas para automação
• Evitar sobreposição com outras redes (ex: TI)
• Usar DHCP apenas se for controlado

Lembre-se sempre de manter um mapa atualizado com os endereços de todos os dispositivos da rede.

6. Segurança e Isolamento

As redes industriais devem ser protegidas contra:

• Acesso não autorizado
• Propagação de vírus/malware
• Interferência de redes corporativas (TI)

Boas práticas para alcançar estes objetivos incluem:

• Isolamento entre rede de automação (OT) e rede corporativa (TI)
• Uso de firewalls industriais, VPNs e autenticação
• Segmentação por VLANs
• Monitoramento de tráfego

7. Previsão e Mitigação de Falhas

Em aplicações industriais críticas — como controle de processos contínuos, linhas de produção automatizadas ou plantas de energia — uma falha na rede pode gerar paradas de produção, perdas financeiras ou riscos à segurança. Por isso, o projeto da rede deve prever mecanismos de prevenção, detecção e recuperação de falhas.

Identificação de Pontos Críticos

O primeiro passo é mapear pontos únicos de falha (SPOFs - Single Points of Failure), como por exemplo:

• Switch central que interliga toda a planta
• Segmentos com cabeamento longo e sem redundância
• Dispositivos que concentram múltiplas funções (e.g., gateway único)
• Fontes de alimentação comuns

Ao identificar essas vulnerabilidades, o projeto pode ser ajustado para incluir redundância e resiliência.

Técnicas de Mitigação

As principais estratégias para mitigar falhas em redes industriais incluem:

• Redundância de rede:

• Protocolos como MRP (Media Redundancy Protocol), DLR (Device Level Ring), RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) criam caminhos alternativos entre os dispositivos.

  • Em caso de falha no link principal, o tráfego é automaticamente redirecionado.

• Redundância de dispositivos:

• CLPs e servidores com redundância ativa/passiva (hot standby)

• Fontes de alimentação redundantes

• Switches com duplo uplink

• Topologias tolerantes a falha:

  • Anéis redundantes, malhas parciais, topologias híbridas

• Evitar excesso de dependência de um único nó

• Monitoramento contínuo:

  • Supervisão de links via SNMP, OPC UA ou ferramentas especializadas

  • Alertas proativos para perda de pacotes, latência elevada ou desconexão de nós

  • Códigos de erro e watchdogs:

    • Verificação automática da integridade da comunicação entre dispositivos

  • CLPs e gateways que disparam alarmes ou adotam modos seguros (fail-safe)

• Soluções wireless como backup:

  • Utilização de canais 4G/5G ou Wi-Fi para manter comunicação temporária em caso de rompimento físico da rede cabeada

Planejamento de contingência e testes

A mitigação de falhas nas redes vai além da implementação técnica. É necessario garantir que a cultura operacional da área também seja resiliente a erros. Seguem alguns pontos a serem observados neste sentido:

• Definir procedimentos de contingência para diferentes tipos de falha

• Realizar testes periódicos de tolerância a falhas e recuperação automática

• Treinar a equipe de manutenção para resposta rápida

• Manter estoque mínimo de peças críticas (switches, cabos, fontes)

• Manter registro das ocorrências anteriores, causas e soluções:

  • Utilizar logs para identificar padrões recorrentes
  • Implementar melhorias contínuas no projeto de rede

8. Testes, Comissionamento e Documentação

Antes da entrada em operação, a rede deve ser testada quanto a:

• Comunicação entre todos os dispositivos
• Tolerância a falhas
• Recuperação automática
• Desempenho sob carga

É essencial gerar documentação completa, incluindo:

• Diagrama da rede
• Lista de dispositivos e endereços
• Configurações de switches e gateways
• Procedimentos de backup e restauração

9. Manutenção e Monitoramento

Após a implantação, a rede deve ser constantemente monitorada para:

• Identificação de falhas
• Detecção de lentidão ou perda de pacotes
• Controle de versões de firmware
• Segurança contínua Ferramentas SNMP, OPC UA com histórico, logs de switches e dashboards SCADA podem ser usados para esse fim.

Sumarizando

A realização destes passos facilita o design, implementação, comissionamento e manutenção das redes industriais.

Passos adicionais podem ser necessários a depender das necessidades específicas da planta.

Conclusão

As redes de comunicação são as estruturas que viabilizam a comunicação entre todos os instrumentos, computadores e dispositivos que compõem o sistema de automação/supervisório. Assim, combinadas, as redes são a estrutura que dá suporte a todas as funcionalidades do sistema, sendo então um elemento central na operação adequada da planta.

Assim, é necessário tomar extremo cuidado durante o processo de projeto e implementação destas redes. O engenheiro deve primeiro compreender todos os elementos que serão interconectados entre si e suas necessidades de comunicação (tipos de dados, taxa de transferência, criticicidade da informação, etc.). Munido deste conhecimento, o engenheiro então escolhe pelas topologias, meios e protocolos que vão atender a cada segmento do observando os níveis de automação, em vistas de integrar todas as redes ao final. Além disso, devem ser implementadas técnicas de previsão e recuperação de falhas de rede, que são muito comuns em redes industriais.

Uma vez que a rede da planta é implantada de forma adequada e robusta, o sistema supervisório possui uma base sólida para operar, viabilizando assim o bom funcionamento do dia-a-dia operacional da planta e também a expensão de componentes e integração de tecnologias mais modernas, cada vez mais estratégicas para a sobrevivência de mercado das empresas.