ControlNet: o que é, e qual a sua função
O ControlNET é um protocolo de comunicação determinístico e utilizado pelos principais fornecedores de tecnologia do mercado, que possui uma capacidade de transmissão de dados em alta velocidade, combinando controle de I/O, mensagens de dados e intertravamento. Permitindo comunicação ponto a ponto em qualquer sistema ou aplicação, porém já está maduro, ou seja, em desuso. No entanto, diversas instalações industriais ainda contam com este protocolo em suas arquiteturas de automação e controle. O ControlNET permite que dispositivos sejam inseridos e removidos da rede sem perda de performance. O CNET é normalmente utilizado para interface entre controladores ControlLogix, dispositivos de intertravamento, controle ponto-a-ponto e para interligar redes DeviceNet distintas. Permite fácil integração, por meio de gateways com sistemas de gerenciamento (ERP, MES, entre outros).
Terminologia
Nó (N) – Dispositivo conectado à rede ControlNet, com um endereço previamente configurado. A rede CNET suporta um máximo de 99 nós.
Tap (T) – Conector passivo destinado a interligar os nós ao trunk. Possui uma derivação de 1m até o ponto de conexão (Drop Cable), cada dispositivo necessita de um Tap para se interligar ao Trunk. Um segmento CNET poderá possuir Taps sem dispositivos interligados, todavia, estes deverão possuir uma carga “fictícia” (Dummy Load), para evitar a inserção de ruídos na rede.
Existem 02 tipos diferentes de TAP (em relação ao grau de proteção IP)
IP20
T ou Y para conectores BNC
IP67
T para conectores TNC
Trunk (–) – Seção central ou barramento composto por seções de cabos coaxiais (normalmente do tipo RG-6 com blindagem quadrupla) interligados por meio de Taps. Cada nó na rede é interligado na rede por meio de um Tap, conforme ilustrado a seguir:
Resistor de terminação (TR) – Resistor de 75Ω montado em um plug BNC destinado a absorver o sinal elétrico no final de cada segmento e evitar reflexões que causam distorções na comunicação;
Repetidor (R) – Componente que interliga 2 segmentos e amplifica o sinal de comunicação, utilizado em segmentos longos;
Bridge (B) – Um dispositivo que pode ser utilizado para interligar segmentos de redes. Todavia, uma bridge não poderá ser utilizada para controle de I/O, somente para tráfego de mensagens acíclicas.
Requisitos para projeto de uma rede CNET
Os requisitos básicos para o projeto de uma rede CNET são:
- Tipo da topologia (estrela, anel, tronco, etc.);
- Número de nós;
- Distância;
Deve-se seguir a fórmula:
Um segmento CNET é composto por seções de cabo RG-6 interligadas por Taps, com um resistor de terminação (75Ω) em cada extremidade. O comprimento máximo permitido para um segmento depende do número de taps. Contudo, existe um limite de 48 dispositivos para um único segmento, sendo necessário a adição de repetidores para extensão do comprimento disponível.
O protocolo de comunicação CNET permite que mensagens sejam enviadas por um módulo produtor e recebidas por outro módulo consumidor. Permite também a comunicação com dispositivos interligados em redes DeviceNet e Ethernet/IP sem a necessidade de codificação adicional.
As conexões em uma rede CNET podem ser de 2 tipos:
- Agendadas (scheduled) – Os dados são transferidos em períodos de tempo pré-determinados;
- Não agendadas (unscheduled) – Os dados são transferidos quando houver disponibilidade de transmissão;
As transmissões cíclicas em uma rede CNET são enfileiradas com base em um intervalo pré-determinado conhecido como Network Update Time (NUT). Como padrão de fábrica, esse intervalo é ajustado em 100ms. Contudo, este pode ser modificado de acordo para se ajustar as necessidades e características de cada aplicação. Há de se ressaltar que uma quantidade maior de nós demandará um aumento nesse valor. Em uma configuração de comunicação, outros 02 parâmetros prévios também devem ser determinados: SMAX - Maximum Scheduled Address (maior endereço na rede que realizará comunicação cíclica) e UMAX Maximum Unscheduled Address (maior endereço na rede que realizará comunicação acíclica. Nós configurados com endereços superiores não comunicarão na rede CNET). Cada nó pode transmitir aproximadamente 500 bytes de dados cíclicos em cada NUT.
Cada rede CNET requer que pelo menos um módulo na rede armazene os parâmetros de comunicação e configure a rede com esses parâmetros quando este módulo for inicializado. Este módulo recebe o nome de “keeper” (armazenador) e deve ser configurado no software RSNetWorx for ControlNet. Para minimizar a probabilidade de falhas, diferentes modelos de cartões possuem a funcionalidade de armazenar os parâmetros de comunicação. Dentre estes, estão:
Em caso de falha do módulo “keeper” ativo, um outro módulo deve imediatamente assumir essa função para que se mantenha a troca agendada de mensagens.
Redundância
Para projetos de aplicações críticas são utilizados dispositivos com portas redundantes e um sistema adicional de cabos. Esse cabeamento adicional deverá ser roteado de maneira que um dano qualquer em uma das redes não seja replicada para a outra. Dispositivos com suporte a redundância possuem a seguinte identificação. Para um eficaz funcionamento da redundância, recomenda-se que a diferença de delay de transmissão entre os canais A e B seja de no máximo 1.6µs. Portanto, é importante que os comprimentos dos trechos dos canais sejam o mais próximo possível.
Fatores relevantes para a degradação da qualidade do sinal CNET
Ausência de terminadores – Cada segmento deve ser terminado por um terminador de 75Ω ± 3%, que terá como função principal absorver qualquer reflexão do sinal transmitido, evitando sua propagação;
Comprimento excessivo do cabo – Como todo condutor elétrico, os cabos RG-6 também possuem sua impedância característica, responsável pelo desvanecimento do sinal ao longo do curso. Essa impedância tende a aumentar no transcorrer da vida útil do cabo. Tal crescimento dependerá primordialmente das condições de operação e ambientais nas quais o segmento encontra-se instalado. Na prática, é usual e recomendado que sejam utilizados repetidores em trechos com comprimento superior a 200m, face ao aumento da impedância resultante da degradação natural do cabo coaxial RG-6.
Roteamento inadequado de cabos em trechos sujeitos a indução eletromagnética (próximos a circuitos de potência ex: Inversores de frequência ou fontes de alimentação geradoras de harmônicas de 3a, 5a e 7a ordem). A Norma IEC-61784-5-2 recomenda um espaçamento de no mínimo 1,5m entre os cabos e qualquer invólucro de alta tensão ou fontes de micro-ondas. Caso seja inevitável uma interseção, esta deverá ocorrer perpendicularmente ao sentido de roteamento do cabo coaxial.
Atraso de propagação – Atualmente, com o desenvolvimento de dispositivos de rede com baixíssima latência, este parâmetro já não é considerado crítico em uma arquitetura de rede. Contudo, é importante salientar que 121µs é o máximo atraso permissível para a propagação do sinal de comunicação pelo barramento. Abaixo são listados os tempos de atraso de propagação para os principais dispositivos CNET.
Ausência de aterramento nas eletrocalhas/leitos – O projeto de infraestrutura da rede deverá prever interligação e continuidade de aterramento em todo o trecho suportado. Se for detectada diferença de potencial entre 2 pontos distintos aterrados, deverão ser previstos cabos de equipotencialização de seção nominal estabelecida de acordo com a norma IEC-61918.
CERTIFICAÇÃO DE REDES CONTROLNET
O processo de certificação de redes CNET consiste na realização de procedimentos de análise da integridade física e de performance operacional da rede. Esses procedimentos baseiam-se nos requisitos estabelecidos nas seguintes normas e especiicações técnicas:
Certificação física:
Consiste na realização das atividades a seguir:
- Análise da topologia da rede instalada, bem como a conformidade desta com os documentos de referência do projeto e com as normas supracitadas;
- Inspeção visual em todos os componentes da rede (cabos RG-6, Taps, Conectores, cartões de comunicação, terminadores, painéis, racks e malha de aterramento).
- Aferição, com o auxílio dos dispositivos abaixo listados, dos parâmetros relativos a integridade dos cabos e conectores:
1- Comprimento do segmento
2- Resistência ohmica
3- Teste de curto-circuito entre condutor e shield
Tipo de cabo e status de integridade.
Análise Operacional
Basicamente, consiste nas seguintes sub etapas:
Aferição e registro da qualidade do sinal de comunicação em cada nó do segmento, com os dispositivos em funcionamento. Para esse procedimento é utilizada a ferramenta de diagnóstico 1788-CNCHKR em conjunto com um osciloscópio. Os seguintes parâmetros são extraídos para análise:
- Níveis de tensão do sinal de comunicação;
- Status sobre a presença de distorções e/ou ruído (Poor Signal);
- Informação sobre o tráfego de mensagens corrompidas (Illegal Framing);
- Eventual atenuação excessiva do sinal (Slow Edges)
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Extração e registro das estatísticas de comunicação de todos os cartões CNET da rede (incluindo erros de CRC, bad frames, quantidade de datagramas transmitidos/recebidos, etc.). Bem como as estatísticas de utilização da largura de banda. Com essas informações, é possível diagnosticar ou prever, de uma forma mais precisa, qualquer anomalia potencial causadora de perda de comunicação e por conseguinte paradas não planejadas de processo. Mitigando riscos de perda de produção, bem como enventuais condições de operação insegura da planta.
A Ekium Brasil possui um time de especialistas com vasta expertise em engenharia de sistemas e redes industriais que poderão prestar pleno suporte às indústrias, na construção e otimização das arquiteturas de redes mais adequadas a necessidades de cada segmento, no dimensionamento dos investimentos necessário e até no fornecimento de soluções, seguindo as melhores práticas de mercado. Também pode avaliar a saúde e certificar as redes industriais de maneira a garantir a performance e a confiabilidade destas.
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ControlNet
ControlNET is a deterministic communication protocol that has a high-speed data transmission capability, combining I/O control, data messaging and interlocking. Allowing point-to-point communication in any system or application, but it is already mature, that is, in disuse. However, many industrial facilities still rely on this protocol in their automation and control architectures. ControlNET allows devices to be inserted and removed from the network without loss of performance. CNET is commonly used to interface ControlLogix controllers, interlock devices, point-to-point control, and to bridge disparate DeviceNet networks. It allows easy integration, through gateways with management systems (ERP, MES, among others).
There are 02 different types of TAP (in relation to the IP protection degree)
IP20
T or Y for BNC connectors
IP67
T for TNC connectors
Trunk (–) – Central section or bus made up of sections of coaxial cables (usually of the RG-6 type with quadruple shielding) interconnected by means of Taps. Each node in the network is connected to the network by means of a Tap, as illustrated below:
Termination resistor (TR) – 75Ω resistor mounted on a BNC plug intended to absorb the electrical signal at the end of each segment and avoid reflections that cause communication distortions;
Repeater (R) – Component that interconnects 2 segments and amplifies the communication signal, used in long segments;
Bridge (B) – A device that can be used to bridge network segments. However, a bridge cannot be used for I/O control, only for acyclic message traffic.
Requirements for designing a CNET network
The basic requirements for designing a CNET network are:
- Topology type (star, ring, trunk, etc.);
- Number of nodes;
- Distance;
The formula must be followed:
A CNET segment is made up of RG-6 cable sections interconnected by Taps, with a terminating resistor (75Ω) at each end. The maximum length allowed for a segment depends on the number of taps. However, there is a limit of 48 devices for a single segment, requiring the addition of repeaters to extend the available length.
The CNET communication protocol allows messages to be sent by a producer module and received by another consumer module. It also allows communication with devices interconnected on DeviceNet and EtherNet/IP networks without the need for additional coding.
Connections in a CNET network can be of 2 types:
- Scheduled – Data is transferred in pre-determined periods of time;
- Unscheduled – Data is transferred when transmission is available;
Cyclic transmissions on a CNET network are queued based on a predetermined interval known as the Network Update Time (NUT). By factory default, this interval is set to 100ms. However, this can be modified accordingly to fit the needs and characteristics of each application. It should be noted that a greater number of nodes will require an increase in this value. In a communication configuration, other 02 previous parameters must also be determined: SMAX - Maximum Scheduled Address (highest address on the network that will perform cyclic communication) and UMAX Maximum Unscheduled Address (highest address on the network that will perform acyclic communication. Nodes configured with higher addresses will not communicate on the CNET network). Each node can transmit approximately 500 bytes of cyclic data on each NUT.
Each CNET network requires at least one module on the network to store communication parameters and configure the network with these parameters when this module is initialized. This module is called “keeper” and must be configured in RSNetWorx for ControlNet software. To minimize the probability of failure, different models of cards have the functionality to store the communication parameters. Among these are:
In case of failure of the active “keeper” module, another module must immediately assume this function in order to maintain the scheduled exchange of messages.
Redundancy
For critical application projects, devices with redundant ports and an additional cable system are used. This additional cabling must be routed in such a way that any damage to one of the networks is not replicated to the other. Devices with redundancy support have the following identification. For an effective redundancy operation, it is recommended that the transmission delay difference between channels A and B be a maximum of 1.6µs. Therefore, it is important that the lengths of the channel sections are as close as possible.
Relevant factors for the degradation of the CNET signal quality
Absence of terminators – Each segment must be terminated by a 75Ω ± 3% terminator, whose main function is to absorb any reflection of the transmitted signal, preventing its propagation;
Excessive cable length – Like all electrical conductors, RG-6 cables also have their characteristic impedance, responsible for the signal fading along the course. This impedance tends to increase over the life of the cable. Such growth will primarily depend on the operating and environmental conditions in which the segment is installed. In practice, it is usual and recommended that repeaters be used in sections longer than 200m, given the increase in impedance resulting from the natural degradation of the RG-6 coaxial cable.
Inadequate routing of cables in sections subject to electromagnetic induction (near power circuits eg frequency inverters or power supplies that generate 3rd, 5th and 7th order harmonics). Standard IEC-61784-5-2 recommends a minimum spacing of 1.5m between cables and any high voltage enclosure or microwave sources. If an intersection is unavoidable, it must occur perpendicularly to the coaxial cable routing direction.
Figure 10 - RG-6 cables routed together with power circuits
Propagation delay – Currently, with the development of network devices with very low latency, this parameter is no longer considered critical in a network architecture. However, it is important to point out that 121µs is the maximum permissible delay for the propagation of the communication signal through the bus. Below are the propagation delay times for the main CNET devices.
Absence of grounding in cable trays/beds – The network infrastructure project must provide for interconnection and grounding continuity throughout the supported stretch. If a potential difference is detected between 2 different grounded points, equipotentialization cables with a nominal section established in accordance with the IEC-61918 standard must be provided.
CERTIFICATION OF CONTROLNET NETWORKS
The CNET network certification process consists of performing procedures to analyze the physical integrity and operational performance of the network. These procedures are based on the requirements established in the following standards and technical specifications:
Physical certification:
It consists of carrying out the following activities:
- Analysis of the topology of the installed network, as well as its compliance with the project's reference documents and with the aforementioned standards;
- Visual inspection of all network components (RG-6 cables, Taps, Connectors, communication cards, terminators, panels, racks and grounding mesh).
- Verification, with the aid of the devices listed below, of the parameters related to the integrity of cables and connectors:
1- Length of the segment
2- Ohmic resistance
3- Short circuit test between conductor and shield
4- Cable type and health status.
Operational Analysis
Basically, it consists of the following sub-steps:
Measurement and recording of the quality of the communication signal at each node of the segment, with the devices in operation. For this procedure, the 1788-CNCHKR diagnostic tool is used in conjunction with an oscilloscope. The following parameters are extracted for analysis:
- Communication signal voltage levels;
- Status on the presence of distortions and/or noise (Poor Signal);
- Information about corrupted message traffic (Illegal Framing);
- Possible excessive signal attenuation (Slow Edges)
Extraction and recording of communication statistics from all CNET cards on the network (including CRC errors, bad frames, number of transmitted/received datagrams, etc.). As well as bandwidth usage statistics. With this information, it is possible to diagnose or predict, in a more precise way, any potential anomaly causing loss of communication and, consequently, unplanned process stops. Mitigating risks of loss of production, as well as possible unsafe operating conditions of the plant.
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