Protocolos de Comunicação de Segurança na Automação Industrial

Comunicação de segurança em sistemas de automação industrial

Os sistemas de segurança na automação industrial moderna dependem cada vez mais de comunicações em rede, substituindo gradualmente as ligações dedicadas por cablagem física. À medida que as máquinas se tornam mais complexas e os ambientes de produção exigem maiores níveis de produtividade, flexibilidade e disponibilidade, cresce a necessidade de garantir que a comunicação com dispositivos de segurança, como os interbloqueios de segurança (interlocks), seja efetuada de forma segura através das principais redes industriais.

Os protocolos de comunicação de segurança tornam esta realidade possível ao permitirem a transmissão de dados relacionados com a segurança através das infraestruturas de comunicação industrial. Embora existam diferentes tecnologias e abordagens, todas partilham um objetivo comum: assegurar que a informação crítica para a segurança é transmitida de forma fiável e íntegra.

Para isso, estes protocolos incorporam mecanismos capazes de detetar erros de comunicação, identificar falhas na transmissão de dados e garantir a integridade das informações de segurança, mesmo quando a rede ou sistema de transporte subjacente não foi originalmente concebido para desempenhar funções de segurança.

Normas de segurança de máquinas aplicáveis às redes industriais

O modelo OSI: o que é e qual a sua importância?

As redes industriais são frequentemente descritas com base no modelo OSI (Open Systems Interconnection), uma arquitetura de referência que organiza a comunicação de rede em sete camadas distintas: Física, Ligação de Dados, Rede, Transporte, Sessão, Apresentação e Aplicação.

Cada uma destas camadas desempenha uma função específica no processo de comunicação. Enquanto as camadas inferiores são responsáveis pela transmissão física dos dados através da rede, as camadas superiores tratam do processamento, interpretação e disponibilização da informação às aplicações industriais.

Esta divisão funcional permite compreender de que forma os dados circulam numa rede industrial e como diferentes tecnologias de comunicação podem coexistir e interoperar de forma eficiente.

No contexto da segurança funcional em automação industrial, os protocolos de comunicação de segurança implementam mecanismos de verificação e validação em determinadas camadas do modelo OSI. Estes mecanismos são essenciais para garantir a integridade dos dados relacionados com a segurança, detetar erros de transmissão e assegurar que informações críticas chegam ao seu destino sem alterações.

Este conceito assume especial relevância na implementação do chamado Black Channel, uma abordagem amplamente utilizada pelos atuais protocolos de comunicação de segurança para redes industriais.

O que é o conceito Black Channel?

O Black Channel é um dos conceitos fundamentais dos modernos protocolos de comunicação de segurança utilizados na automação industrial. Este conceito parte do princípio de que a infraestrutura de comunicação subjacente não foi concebida nem certificada especificamente para funções de segurança funcional.

Na prática, a rede industrial é encarada como uma espécie de “caixa negra”, não sendo assumida como intrinsecamente segura do ponto de vista da transmissão de dados de segurança. Isto significa que elementos como a camada física, a camada de ligação de dados e outros componentes da infraestrutura de comunicação podem transportar informação, mas não são responsáveis por garantir a integridade dos dados relacionados com a segurança.

Para ultrapassar esta limitação, os mecanismos de validação, diagnóstico e deteção de erros são implementados na camada de comunicação de segurança (Safety Communication Layer). É nesta camada que são executadas verificações adicionais para detetar falhas, perdas de dados, duplicações, atrasos ou alterações indevidas das mensagens.

Esta abordagem permite que os protocolos de segurança funcionem sobre uma grande variedade de redes industriais existentes, sem que estas necessitem de certificação específica para aplicações de segurança.

Erros de comunicação de dados de segurança e respetivos mecanismos de proteção

Os sistemas de comunicação de segurança devem ser capazes de identificar e responder a diferentes tipos de erros que possam comprometer a integridade dos dados transmitidos. A norma IEC 61784-3, que define os requisitos para protocolos de comunicação de segurança em redes industriais, identifica várias classes de erros que devem ser detetadas e mitigadas de forma eficaz.

Entre os principais erros de comunicação encontram-se:

• Corrupção de dados (data corruption);
• Repetição de mensagens (message repetition);
• Sequenciamento incorreto de mensagens (incorrect message sequencing);
• Perda de mensagens (message loss);
• Erros de atraso ou temporização (delay errors);
• Inserção ou mascaramento de mensagens (insertion or masquerade errors);
• Erros de endereçamento (addressing errors).

A ocorrência de qualquer uma destas falhas pode comprometer o funcionamento seguro de máquinas e equipamentos, tornando essencial a implementação de mecanismos específicos para a sua deteção e correção.

Para garantir a integridade da comunicação, os protocolos de comunicação de segurança incorporam diversas técnicas de proteção, entre as quais:

• Verificação por redundância cíclica (CRC) para deteção de alterações indevidas nos dados;
• Validação redundante de mensagens para confirmar a consistência da informação transmitida;
• Numeração sequencial das mensagens, permitindo identificar repetições ou perdas de dados;
• Monitorização temporal para detetar atrasos excessivos na comunicação;
• Mecanismos de feedback e confirmação entre os dispositivos intervenientes;
• Validação dos pontos finais de comunicação, assegurando que os dados são enviados e recebidos pelos dispositivos corretos.

Embora a implementação destes mecanismos varie entre protocolos como PROFIsafe, CIP Safety, FSoE ou IO-Link Safety, o princípio é sempre o mesmo: garantir que qualquer falha de comunicação seja identificada antes de poder colocar em risco pessoas, equipamentos ou processos produtivos.

Estas estratégias de mitigação constituem a base da comunicação de segurança moderna e permitem que os sistemas de automação industrial alcancem elevados níveis de desempenho e fiabilidade, sem comprometer os requisitos de segurança funcional.

Principais protocolos de comunicação de segurança para redes industriais

Os protocolos de comunicação de segurança permitem a transmissão de dados relacionados com a segurança através das redes industriais modernas, garantindo a integridade da informação mesmo quando esta partilha a mesma infraestrutura utilizada pela comunicação de controlo e automação. Embora todos tenham como objetivo assegurar a comunicação segura entre dispositivos, cada protocolo apresenta características próprias que o tornam mais adequado para determinadas aplicações.

CIP Safety (Safety over EtherNet/IP)

O CIP Safety funciona sobre redes EtherNet/IP convencionais, utilizando toda a pilha de comunicação do modelo OSI. Neste tipo de arquitetura, os dados de segurança e os dados de controlo convencionais são transmitidos através da mesma infraestrutura de rede.

Em vez de depender da própria rede Ethernet para validar a segurança da comunicação, o CIP Safety implementa mecanismos de proteção na sua camada de protocolo. As mensagens de segurança incluem informações adicionais, como carimbos temporais (timestamps), Safety Network Numbers (SNN) e verificações por redundância cíclica (CRC), que permitem validar a integridade dos dados transmitidos.

Dependendo dos requisitos da aplicação, o protocolo pode utilizar formatos de mensagens de segurança curtos ou longos. Para assegurar o desempenho da comunicação, especialmente em ambientes com elevado volume de tráfego, as redes EtherNet/IP recorrem frequentemente a mecanismos de Quality of Service (QoS), que atribuem prioridade aos dados críticos de segurança em relação ao restante tráfego da rede.

FailSafe over EtherCAT (FSoE)

O FailSafe over EtherCAT (FSoE) é o protocolo de segurança desenvolvido para ambientes baseados em EtherCAT, uma das tecnologias de comunicação industrial mais rápidas atualmente disponíveis.

Ao contrário de muitos outros protocolos, o FSoE contorna algumas das camadas intermédias do modelo OSI, permitindo uma comunicação mais direta entre a camada de ligação de dados e a camada de aplicação. Esta abordagem contribui para minimizar tempos de latência e aumentar a velocidade de atualização dos dados.

As redes EtherCAT funcionam segundo uma arquitetura mestre-escravo (master-slave), em que cada dispositivo processa os dados à medida que a trama atravessa a rede. Esta característica permite alcançar tempos de resposta extremamente reduzidos, tornando o FSoE uma solução frequentemente utilizada em aplicações de controlo de movimento de alta velocidade.

PROFIsafe sobre PROFINET

O PROFIsafe é implementado sobre redes PROFINET e é uma das soluções mais utilizadas em ambientes industriais que necessitam de elevada escalabilidade e integração com redes de fábrica mais abrangentes.

Uma das principais vantagens do ecossistema PROFINET é a sua capacidade de suportar diferentes modos de comunicação:

• Non-Real-Time (NRT) para configuração e diagnóstico;
• Real-Time (RT) para troca determinística de dados;
• Isochronous Real-Time (IRT) para aplicações com requisitos rigorosos de sincronização temporal.

O modo IRT é particularmente relevante em aplicações de controlo de movimento, onde vários dispositivos devem operar de forma perfeitamente coordenada.

Para garantir que os dados críticos de segurança são transmitidos com a prioridade necessária, as redes PROFINET podem recorrer a mecanismos de gestão de tráfego, como a segmentação e priorização VLAN, assegurando que as mensagens PROFIsafe recebem tratamento preferencial dentro da rede.

O PROFIsafe é frequentemente utilizado em sistemas de automação que exigem um vasto ecossistema de dispositivos e integração com redes de comunicação ao nível da fábrica.

IO-Link e IO-Link Safety

O IO-Link é uma tecnologia de comunicação ponto a ponto (point-to-point) que estabelece a ligação entre dispositivos de campo e mestres IO-Link através de cabos e conectores normalizados.

Esta abordagem simplifica significativamente a integração de sensores e atuadores, reduz a complexidade da cablagem e permite aceder facilmente a dados de configuração, diagnóstico e monitorização dos dispositivos ligados à rede.

O IO-Link Safety expande este conceito para aplicações de segurança funcional, permitindo que dispositivos de segurança e dispositivos convencionais coexistam na mesma infraestrutura de comunicação sem comprometer a integridade dos dados relacionados com a segurança.

Os mestres IO-Link disponibilizam normalmente portas Classe A e Classe B, adaptadas a diferentes requisitos de alimentação e ligação elétrica. A tecnologia IO-Link Safety é frequentemente aplicada ao nível da máquina, especialmente em sistemas compactos onde é necessário combinar sinais de segurança e sinais standard de entrada/saída numa arquitetura simples e eficiente.

Como selecionar o protocolo de comunicação de segurança mais adequado?

A escolha do protocolo de comunicação de segurança depende sobretudo da arquitetura do sistema, dos requisitos de desempenho e da infraestrutura de comunicação já instalada. Cada tecnologia apresenta características próprias que a tornam mais adequada para determinados tipos de aplicação.

Aplicações de elevada velocidade

Máquinas que exigem tempos de resposta muito reduzidos e comunicação determinística beneficiam frequentemente da utilização do FailSafe over EtherCAT (FSoE). Este protocolo é particularmente comum em ambientes de controlo de movimento onde a tecnologia EtherCAT já se encontra implementada.

Máquinas com um número reduzido de dispositivos

Em aplicações com um número limitado de dispositivos de segurança e requisitos moderados de entradas e saídas, o IO-Link Safety pode ser uma solução vantajosa. A sua arquitetura simplifica a cablagem e facilita a integração dos dispositivos no sistema.

Instalações industriais de grande dimensão

Quando é necessária a integração dos sistemas de segurança com redes de comunicação ao nível da fábrica e com um vasto conjunto de dispositivos, o PROFIsafe é frequentemente a tecnologia escolhida em ambientes baseados em PROFINET.

Por outro lado, em instalações onde já existe uma infraestrutura EtherNet/IP, o CIP Safety permite implementar funções de segurança mantendo a compatibilidade com a rede de controlo existente.

Interbloqueios de segurança e redes de comunicação industrial

Os interbloqueios de segurança são utilizados para controlar o acesso a zonas protegidas e impedir o funcionamento das máquinas quando uma proteção móvel é aberta. Nos sistemas modernos, estes dispositivos são cada vez mais ligados através de redes industriais, em vez de serem diretamente cablados a um controlador de segurança.

Comparativamente às arquiteturas tradicionais, a comunicação de segurança em rede pode oferecer diversas vantagens operacionais. A redução da cablagem e do número de ligações simplifica a instalação e facilita futuras expansões do sistema, enquanto as funcionalidades de diagnóstico integradas permitem identificar e resolver falhas de forma mais rápida.

Os interbloqueios ligados em rede podem também disponibilizar dados adicionais para manutenção e diagnóstico, incluindo:

• Tempo de funcionamento do dispositivo;
• Número de ativações do solenóide;
• Número de remoções do atuador do interbloqueio;
• Número de acionamentos de paragens de emergência;
• Número de ativações dos mecanismos de libertação de emergência.

As redes de segurança permitem ainda que os interbloqueios coexistam com outros dispositivos de segurança, como botões de paragem de emergência e cortinas óticas, partilhando, em alguns casos, a mesma infraestrutura de comunicação utilizada pelos sistemas de controlo.

Tecnologias como o IO-Link Safety simplificam a integração através da utilização de conectores normalizados e descrições de dispositivos padronizadas, facilitando a substituição e configuração dos equipamentos.

Além disso, por se tratar de uma tecnologia independente do fabricante, a arquitetura IO-Link mantém-se inalterada independentemente do fieldbus industrial utilizado.

Descubra como a BMW utiliza interbloqueios de segurança em rede para aumentar a segurança e reduzir riscos nos seus processos de fabrico de baterias:

Principais conclusões sobre os protocolos de comunicação de segurança

Os protocolos de comunicação de segurança, como CIP Safety, FSoE, PROFIsafe e IO-Link Safety, permitem que dispositivos de segurança comuniquem através de redes industriais, assegurando a transmissão fiável de dados críticos para a proteção de pessoas e equipamentos.

Compreender as diferenças entre estas tecnologias, bem como as suas características de desempenho e aplicações típicas, ajuda os projetistas, integradores e fabricantes de máquinas a selecionar a solução mais adequada à arquitetura e aos requisitos operacionais de cada sistema.

Independentemente do protocolo utilizado, os interbloqueios de segurança continuam a desempenhar um papel essencial nas funções de segurança das máquinas. A principal diferença reside na forma como a informação de estado destes dispositivos é transmitida e nos mecanismos utilizados pelos protocolos para garantir que essa comunicação ocorre de forma segura e fiável.

Além dos benefícios em termos de segurança funcional, os dispositivos de segurança ligados em rede oferecem vantagens operacionais significativas, incluindo:

• Instalação simplificada;
• Redução da cablagem;
• Substituição mais rápida de dispositivos;
• Maior disponibilidade de dados de diagnóstico para apoio à manutenção.

FAQS

Qual é o papel dos protocolos de comunicação de segurança na automação industrial?
Os protocolos de comunicação de segurança permitem a transmissão de dados relacionados com a segurança através de infraestruturas de comunicação industriais.

Porque é que os sistemas de segurança em rede estão a tornar-se mais comuns?
Os sistemas de segurança na automação industrial moderna dependem cada vez mais da comunicação em rede em vez de ligações dedicadas por cablagem direta.

Qual é o propósito do modelo OSI nas redes industriais?
As redes industriais são frequentemente descritas em termos do modelo Open Systems Interconnection (OSI), que divide a comunicação em rede em sete camadas.

O que é o conceito de Black Channel?
Refere-se a um sistema de comunicação em que as camadas de transmissão subjacentes não são concebidas nem validadas de acordo com normas de segurança funcional. Esta abordagem permite que a comunicação de segurança opere sobre uma vasta gama de redes industriais existentes sem exigir que essas redes sejam certificadas para segurança.

Como é que os protocolos de segurança garantem a integridade dos dados?
Estes protocolos implementam mecanismos que detetam erros de comunicação e garantem a integridade dos dados de segurança, mesmo quando o sistema de transporte subjacente não foi originalmente concebido para funções de segurança.

Que fatores influenciam a seleção de um protocolo de segurança?
A seleção de um protocolo de comunicação de segurança adequado depende em grande parte da arquitetura do sistema, dos requisitos de desempenho e da infraestrutura existente.

Quais são os benefícios dos interbloqueios em rede?
A redução da cablagem e de requisitos de ligação pode simplificar a instalação e a expansão do sistema, enquanto os diagnósticos integrados permitem identificar e resolver falhas de dispositivos de forma mais rápida.

NOTA: Este artigo foi adaptado para português a partir do artigo original da Fortress Safety, Safety Data Communication Protocols in Industrial Automation.