📘 Gateway e Switch Gerenciável Industrial para Redes de Campo (Profinet e MRP)

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1. Identificação Normativa e Visão Geral

O Switch Gerenciável Industrial (especialmente certificado para barramentos de campo como PROFINET Conformance Class B/C, EtherNet/IP ou Modbus TCP) é o componente ativo de infraestrutura de rede responsável pelo roteamento determinístico, priorização de tráfego crítico e garantia de continuidade operacional de plantas industriais através de protocolos de reconfiguração de anel redundante em sub-milissegundos.

Diferente de switches corporativos de escritório (TI), que utilizam protocolos lentos de árvore de espalhamento (Spanning Tree Protocol - STP / RSTP, cujos tempos de convergência oscilam entre $1\text{s}$ e $30\text{s}$ — intoleráveis para o controle em tempo real), os switches industriais modernos implementam o Protocolo de Redundância de Mídia (MRP - Media Redundancy Protocol) diretamente por aceleração em silício, restaurando o tráfego do anel em menos de $20\text{milissegundos}$ ($<20\text{ms}$) no caso de corte físico de uma fibra ou cabo.

Normas internacionais determinantes:

• IEC 62439-2: Redes de comunicação industrial de alta disponibilidade - Protocolo de Redundância de Mídia (MRP).
• IEC 61784-2 / IEC 61158: Perfis de comunicação para Ethernet em tempo real (padronização de PROFINET RT e IRT).
• IEEE 802.1Q / IEEE 802.1p: Virtual Bridged Local Area Networks e Priorização de Tráfego de Qualidade de Serviço (QoS).
• IEC 61850-3 / IEEE 1613: Requisitos de imunidade eletromagnética e ambiental severa para equipamentos de comunicação em subestações de energia.

graph TD
    subgraph "Topologia em Anel Redundante MRP (IEC 62439-2)"
        MRM["Gerenciador de Anel (MRM - Master)"]
        SW1["Switch Cliente 1 (MRC)"]
        SW2["Switch Cliente 2 (MRC)"]
        SW3["Switch Cliente 3 (MRC)"]
        
        MRM ---|"Porta Primária"| SW1
        SW1 --- SW2
        SW2 --- SW3
        SW3 -.-|"Porta Secundária Bloqueada (Sem Loop)"| MRM
        
        LINK_BREAK["/!\\ CORTE DE CABO"] -.-> SW1
    end

Matriz Comparativa: Switch Comercial (TI) vs. Switch Industrial Gerenciável (TO)

Parâmetro de Engenharia	Switch Comercial para TI (Escritório)	Switch Gerenciável Industrial (Chão de Fábrica)
Gabinete e Fixação	Rack de $19\text{ polegadas}$ com ventoinhas ativas.	Chassi de alumínio fundido IP30/IP40 com fixação em trilho DIN de $35\text{mm}$.
Resfriamento Térmico	Ventoinhas mecânicas com filtros de ar (sujeitas a quebra).	Condução térmica pura 100% passiva (Fanless) sem ventiladores.
Temperatura de Operação	$0^{\circ }\text{C}\text{ a }40^{\circ }\text{C}$ (ambiente climatizado).	$-40^{\circ }\text{C}\text{ a }+75^{\circ }\text{C}$ contínua.
Alimentação Elétrica	Fonte simples CA de $110/220{\text{V}}_{\text{ca}}$ sem redundância.	Entrada dupla redundante $24/48{\text{V}}_{\text{cc}}$ com diodos ORing e contato de alarme.
Protocolos de Redundância	RSTP (IEEE 802.1w) com recuperação em $1\text{-}3\text{segundos}$.	MRP (IEC 62439-2) com recuperação garantida em $<20\text{ms}$ ou $<10\text{ms}$.
Tratamento de Tráfego PROFINET	Trata frames industriais como pacotes TCP/IP comuns (risco de atraso).	Reconhecimento nativo de EtherType 0x8892 e priorização absoluta por hardware.

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2. Aspecto Físico e Corte Estrutural

O switch industrial gerenciável é montado em chassi robusto de alumínio extrudado anodizado com aletas laterais profundas para dissipação por convecção natural. A carcaça oferece imunidade estrita contra ruídos de rádio frequência (RFI), transitórios elétricos rápidos (EFT) e descargas eletrostáticas severas até $8\text{kV}$ por contato e $15\text{kV}$ pelo ar.

Elementos Construtivos do Corte Técnico

• ① Matriz de Chaveamento Ethernet Industrial com Priorização QoS: Circuito integrado ASIC de comutação (Switching Fabric) operando em arquitetura Non-Blocking Wire-Speed. Inspeciona os cabeçalhos de todos os pacotes Ethernet recebidos e aloca os frames de tempo real com prioridade máxima (Classe 3 PROFINET) nas filas de saída de menor latência, impedindo atrasos gerados por câmeras IP ou tráfego corporativo.
• ② Controlador por Hardware de Anel Redundante Rápido (MRP < 20ms): Motor de estado finito implementado em FPGA/ASIC dedicado à execução das máquinas de estado do protocolo IEC 62439-2. Emite telegramas de teste periódicos (MRP_Test) a cada poucas centenas de microssegundos para certificar a integridade do laço e reverter o bloqueio da porta secundária instantaneamente em caso de corte.
• ③ Transformadores Magnéticos de Isolamento Galvânico (1.5 kV MagJack): Módulos magnéticos toroidais miniatura integrados aos conectores RJ45 blindados, proporcionando isolamento dielétrico de $1500{\text{V}}_{\text{rms}}$ entre a linha de transmissão e os transceptores PHY internos, além de rejeição de ruído em modo comum (Common Mode Choke interno).
• ④ Transceptores Ópticos SFP com Telemetria de Diagnóstico Digital (DDM): Gaiolas metálicas de encaixe a quente (Small Form-factor Pluggable) para módulos laser monomodo ou multimodo. Os transceptores possuem barramento de monitoramento digital (I2C) que mede continuamente a potência óptica emitida, a atenuação da fibra e a temperatura do diodo laser, gerando alarmes preditivos de quebra de fibra antes da queda do link.
• ⑤ Alimentação Dupla Redundante 24Vdc com Diodos ORing: Duplo estágio de entrada de alimentação contínua com desacoplamento por diodos Schottky ou MOSFETs de bloqueio. Se a fonte primária sofrer uma pane ou blecaute, a fonte secundária assume instantaneamente a carga com variação de tensão zero e sem provocar o reinício da CPU do switch.
• ⑥ Chassi Dissipador Térmico Sem Ventoinhas (Fanless): Estrutura mecânica integral em bloco maciço de alumínio acoplada termicamente aos chips de chaveamento através de almofadas condutivas de elastômero de silício (Thermal Pads), garantindo vida útil média (MTBF) superior a $\mathrm{1.000.000}\text{ de horas}$ (mais de 100 anos).

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3. Princípio de Funcionamento Físico

3.1 A Máquina de Estados do Protocolo de Anel MRP (IEC 62439-2)

Em uma topologia em anel fechado, qualquer pacote broadcast (como requisições ARP ou anúncios LLDP) circularia infinitamente, criando uma tempestade de broadcast (Broadcast Storm) que saturaria todas as portas e derrubaria a rede industrial em frações de segundo.

O protocolo MRP soluciona esse dilema elegendo dois papéis funcionais estritos na rede:

1. MRM (Media Redundancy Manager): Um único switch do anel assume a função de Gerenciador. Ele possui duas portas de anel dedicadas: a Porta Primária (P1) e a Porta Secundária (P2).
2. MRC (Media Redundancy Clients): Todos os demais switches operam como Clientes de Redundância, encaminhando tráfego normalmente entre suas portas de anel.

       ESTADO NORMAL (ANEL FECHADO)             ESTADO DE FALHA (ANEL ABERTO)
            [ MRM MASTER ]                           [ MRM MASTER ]
          P1            P2 (BLOQUEADA)             P1            P2 (DESBLOQUEADA)
         /                \                       /                \
        v                  v                     v                  v
     [MRC 1]            [MRC 3]               [MRC 1]            [MRC 3]
        \                  /                     \                  /
         \                /                       X (CABO CORTADO) /
          ---> [MRC 2] <--                         \              /
                                                    ---> [MRC 2] <

Funcionamento Dinâmico em Caso de Rompimento:

1. Em Condição Normal (Anel Sadio): O MRM mantém sua porta secundária P2 bloqueada para tráfego de dados, permitindo apenas a passagem de telegramas de teste de supervisão (MRP_Test). O anel comporta-se virtualmente como uma linha aberta sem loops.
2. Ocorrência de Falha (Corte do Cabo):
   • O MRM detecta a ausência dos pacotes MRP_Test enviados por P1 e esperados em P2 dentro do tempo limite ($T_{\text{timeout}}=3\times T_{\text{intervalo}}$).
   • Concomitantemente, os dois switches clientes adjacentes à ruptura detectam a perda física do sinal óptico/elétrico (Link-Down) nos transceptores PHY em menos de $1\text{ms}$ e enviam telegramas de emergência (MRP_LinkDown) em direção ao MRM.
3. Reconfiguração Fulgurante: O MRM desbloqueia imediatamente sua porta P2 e ordena que todos os switches purguem suas tabelas de endereços MAC (Flush Filtering Database). O anel é recomposto em duas linhas ativas convergentes em menos de $20\text{ms}$.

3.2 Priorização Determinística por VLAN IEEE 802.1Q (QoS PROFINET)

O tráfego de automação é classificado em diferentes níveis de prioridade conforme a norma IEEE 802.1Q (campo Priority Code Point - PCP de 3 bits, valores de 0 a 7):

       ESTRUTURA DO FRAME ETHERNET PROFINET COM CABEÇALHO IEEE 802.1Q
  +--------------+--------------+-------------------+-------------+--------------+-----+
  | MAC Destino  | MAC Origem   | Tag TPID (0x8100) | TCI (PCP:6) | Type: 0x8892 | ... |
  |   (6 bytes)  |   (6 bytes)  |    (2 bytes)      |  (2 bytes)  |  (2 bytes)   |     |
  +--------------+--------------+-------------------+-------------+--------------+-----+
                                                        ^
                                                        |
                                           PCP = 6 (Prioridade Real-Time)

• PCP = 6 ou 7 (PROFINET Real-Time - RT / IRT): Tratamento prioritário absoluto no switch. O frame contorna todas as filas de espera e é transmitido imediatamente na próxima janela de transmissão, assegurando um jitter temporal determinístico inferior a $1\mu \text{s}$.
• PCP = 0 (Tráfego Comum TCP/IP e Diagnóstico): Tráfego de melhor esforço (Best-Effort). Se houver congestionamento, pacotes TCP/IP comuns (como páginas web de diagnóstico ou download de firmware) aguardam nas filas inferiores sem interferir no controle da máquina.

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4. Esquema de Aplicação Prática Típica

O esquema a seguir demonstra a topologia de rede de missão crítica de uma fábrica automobilística, integrando robôs de solda e transportadores em um Anel Redundante PROFINET MRP interligado por fibra óptica monomodo com portas Gigabit e switches industriais com certificação Conformance Class B.

graph TD
    subgraph "Sala de Controle Central (Nível 2 / MES)"
        SCADA["Servidor Supervisório SCADA / Historiador"]
    end

    subgraph "Anel Redundante de Fibra Óptica (Topologia MRP)"
        SW_MASTER["Switch Industrial 1 (Configurado como MRM - Master)"]
        SW_ROBOT1["Switch Industrial 2 (MRC - Célula de Solda 1)"]
        SW_ROBOT2["Switch Industrial 3 (MRC - Célula de Solda 2)"]
        SW_CONVEYOR["Switch Industrial 4 (MRC - Linha de Montagem)"]
        
        SW_MASTER <===>|"Fibra Óptica SFP (Link 1)"| SW_ROBOT1
        SW_ROBOT1 <===>|"Fibra Óptica SFP (Link 2)"| SW_ROBOT2
        SW_ROBOT2 <===>|"Fibra Óptica SFP (Link 3)"| SW_CONVEYOR
        SW_CONVEYOR -.->|"Link Redundante Bloqueado (MRP P2)"| SW_MASTER
    end

    subgraph "Nível de Campo (Células Robotizadas de Solda)"
        PLC_MAIN["CLP Mestre de Solda (S7-1500)"]
        ROBOT_KUKA["Controlador de Robô Articulado 6-Eixos"]
        VALV_WELD["Ilha de Válvulas Pneumáticas de Fixação"]
        DRV_MOT["Servodrivers de Posicionamento de Chassi"]
    end

    SCADA --- SW_MASTER
    SW_MASTER --- PLC_MAIN
    SW_ROBOT1 ==> ROBOT_KUKA
    SW_ROBOT2 ==> VALV_WELD
    SW_CONVEYOR ==> DRV_MOT

    style SW_MASTER fill:#1e3a8a,stroke:#38bdf8,stroke-width:2px,color:#ffffff
    style SW_ROBOT1 fill:#14532d,stroke:#22c55e,stroke-width:1.5px,color:#ffffff
    style SW_ROBOT2 fill:#14532d,stroke:#22c55e,stroke-width:1.5px,color:#ffffff
    style SW_CONVEYOR fill:#14532d,stroke:#22c55e,stroke-width:1.5px,color:#ffffff

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5. Metodologia de Dimensionamento e Projeto Numérico

O projeto de engenharia de uma rede industrial de alta disponibilidade requer o cálculo metrológico de:

1. Tempo de Reconfiguração do Anel Redundante ($T_{\text{recov}}$): Garantia de que a recuperação do anel em caso de falta ocorra antes que o Watchdog de comunicação do CLP/I-Device expire e pare a fábrica ($T_{\text{recov}}\le T_{\text{WD,PROFINET}}$).
2. Balanço de Potência Óptica do Link de Fibra (Optical Link Budget): Comprovação de que a atenuação total introduzida por cabos, emendas e conectores não ultrapassa a sensibilidade do receptor SFP.
3. Cálculo da Taxa de Ocupação da Largura de Banda de Rede: Garantia de que o tráfego cíclico em tempo real mais o tráfego acíclico não ultrapasse a taxa de ocupação máxima recomendada pela associação PI (PROFIBUS & PROFINET International), que limita a ocupação permanente em no máximo $20\text{-}30\%$ da banda nominal.

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5.1 Fórmulas Matemáticas de Dimensionamento

1. Tempo Máximo de Reconfiguração do Anel MRP (IEC 62439-2)

Para um anel contendo $N$ nós switches clientes (MRC) coordenados por um mestre (MRM):

$T_{\text{recov}}=3\cdot T_{\text{intervalo\_teste}}+N\cdot T_{\text{encaminhamento}}+T_{\text{flush\_MAC}}$

Para perfis padrão industriais com detecção acelerada por hardware de Link-Down: $T_{\text{recov}}\le 20\text{ms}(\text{ou }\le 10\text{ms para perfil raˊpido de alto desempenho})$

2. Balanço de Potência Óptica (Optical Link Budget)

A margem de segurança de potência óptica $M_{\text{oˊptica}}$ de uma terminação óptica é dada pela diferença entre a potência do transmissor laser e a sensibilidade do fotodiodo receptor, subtraindo todas as perdas de inserção:

$P_{\text{orc¸amento}}=P_{\text{tx,mıˊn}}-P_{\text{rx,mıˊn}}$

$\text{Perdas Totais}=L_{\text{cabo}}\cdot {\alpha }_{\text{fibra}}+n_{\text{emendas}}\cdot A_{\text{emenda}}+n_{\text{conectores}}\cdot A_{\text{conector}}$

$M_{\text{oˊptica}}=P_{\text{orc¸amento}}-\text{Perdas Totais}\ge 3.0\text{dB}(\text{Margem mıˊnima de envelhecimento})$

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5.2 Exemplo de Projeto 100% Resolvido

Cenário de Engenharia: Dimensionar a infraestrutura de rede Ethernet industrial PROFINET em anel redundante MRP para interligar 16 células de robótica distribuídas ao longo de um galpão de estampagem de $1200\text{metros}$.

• Topologia: Anel fechado com 1 Switch Master (MRM) e 15 Switches Clientes (MRC).
• Distância física máxima do lance de fibra óptica mais longo entre dois switches vizinhos: $L=2.4\text{km}$ ($2400\text{m}$).
• Tipo de fibra especificada: Fibra óptica monomodo padrão OS2 ($9/125\mu \text{m}$) operando no comprimento de onda de $\lambda =1310\text{nm}$.
• Parâmetros ópticos da fibra e acessórios:
  • Atenuação geométrica da fibra a $1310\text{nm}$: $\alpha =0.35\text{dB/km}$.
  • Conectores ópticos tipo LC em cada extremidade: $n_{\text{conectores}}=2$ com perda unitária $A_{\text{conector}}=0.25\text{dB}$ por conector.
  • Emendas por fusão no trajeto: $n_{\text{emendas}}=2$ com perda unitária $A_{\text{emenda}}=0.10\text{dB}$ por fusão.
• Transceptores SFP Industriais selecionados (1000Base-LX Gigabit monomodo):
  • Potência mínima de transmissão do laser: $P_{\text{tx,mıˊn}}=-9.0\text{dBm}$.
  • Sensibilidade máxima do receptor (potência mínima detectável): $P_{\text{rx,mıˊn}}=-21.0\text{dBm}$.
• Requisito de tempo real do CLP: O tempo de Watchdog dos dispositivos PROFINET é configurado para um ciclo de envio de $T_{\text{send}}=2.0\text{ms}$ com contador de faltas $N_{\text{WD}}=32$, resultando em um tempo de tolerância a desconexão de $T_{\text{WD}}=2.0\text{ms}\times 32=64.0\text{ms}$.

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Passo 1: Cálculo do Balanço de Potência Óptica do Lance Mais Crítico

1. Potência total disponível do par de transceptores SFP (Link Budget): $P_{\text{orc¸amento}}=P_{\text{tx,mıˊn}}-P_{\text{rx,mıˊn}}=-9.0\text{dBm}-(-21.0\text{dBm})=12.0\text{dB}$

2. Cálculo da atenuação somada da linha:

   • Atenuação no cabo ($2.4\text{km}$): $A_{\text{fibra}}=2.4\text{km}\times 0.35\text{dB/km}=0.84\text{dB}$
   • Atenuação nos conectores LC ($2\times 0.25\text{dB}$): $A_{\text{con}}=0.50\text{dB}$
   • Atenuação nas fusões ($2\times 0.10\text{dB}$): $A_{\text{fus}}=0.20\text{dB}$

Perda total calculada no canal de transmissão: $\text{Perda Total}=0.84+0.50+0.20=1.54\text{dB}$

3. Cálculo da Margem de Potência de Segurança ($M_{\text{oˊptica}}$): $M_{\text{oˊptica}}=P_{\text{orc¸amento}}-\text{Perda Total}=12.0\text{dB}-1.54\text{dB}=10.46\text{dB}$

Como a margem mínima recomendada é de $3.0\text{dB}$ (para suportar envelhecimento térmico do diodo laser e microcurvaturas): $M_{\text{oˊptica}}=10.46\text{dB}\ge 3.0\text{dB}\text{[APROVADO COM EXCELENTE MARGEM DE OPERAC¸A˜O]}$

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Passo 2: Verificação do Tempo de Reconfiguração do Anel MRP vs. Watchdog do CLP

O switch industrial selecionado possui certificação MRP Perfil de $20\text{ms}$ (conforme IEC 62439-2):

• Tempo máximo de comutação do anel em caso de quebra de fibra: $T_{\text{recov,maˊx}}=20.0\text{ms}$
• Tempo limite de perda de pacotes aceito pela CPU do CLP antes de parar a linha de produção por alarme de segurança: $T_{\text{WD,CLP}}=64.0\text{ms}$

Calculando a margem temporal de segurança:

$M_{\text{tempo}}=T_{\text{WD,CLP}}-T_{\text{recov,maˊx}}=64.0\text{ms}-20.0\text{ms}=44.0\text{ms}$

Como o anel recompoe a comunicação em $20\text{ms}$ e o CLP tolera até $64\text{ms}$, a ruptura física de um cabo de fibra óptica não interromperá o processo fabril. O anel se recuperará de forma totalmente imperceptível para a dinâmica de controle dos robôs.

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Passo 3: Verificação da Ocupação de Largura de Banda de Rede

• Cada um dos 16 nós transmite telegramas PROFINET RT contendo $144\text{bytes}$ a cada intervalo cíclico de $T_{\text{ciclo}}=2.0\text{ms}$ ($500\text{vezes/segundo}$).
• Tráfego cíclico gerado por nó: ${\text{Taxa}}_{\text{noˊ}}=144\text{ bytes}\times 8\text{ bits}\times 500\text{ pacotes/s}=576.000\text{bps}=0.576\text{Mbps}$
• Tráfego total cíclico somado dos 16 robôs: ${\text{Taxa}}_{\text{total,cıˊclica}}=16\times 0.576\text{Mbps}\approx 9.216\text{Mbps}$
• Considerando tráfego acíclico de engenharia e supervisório SCADA ($\approx 5.0\text{Mbps}$): $\text{Traˊfego Total}=9.216+5.0=14.216\text{Mbps}$

Em uma rede com portas Gigabit ($1000\text{Mbps}$ no anel) e $100\text{Mbps}$ nos ramais locais: $\text{Taxa de Ocupac¸a˜o no Anel}=\frac{14.216\text{Mbps}}{1000\text{Mbps}}\approx 1.42\%\ll 20\%\text{[BANDA TOTALMENTE LIVRE DE GARGALOS]}$

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6. Modos de Falha, Diagnóstico e Manutenção

Tabela FMEA de Modos de Falha

Modo de Falha	Causa Física / Fenômeno Raiz	Efeito no Sistema	Método de Diagnóstico	Ação Mitigadora / Manutenção
Atenuação Excessiva no Link Óptico SFP	Contaminação por poeira ou graxa na ponteira de cerâmica do conector LC ou microcurvatura no cabo.	Taxa de erro de bits (BER) elevada; pacotes corrompidos descartados pelo switch; lentidão intermitente.	Diagnóstico DDM (Digital Diagnostic Monitoring) no switch indica potência óptica recebida próxima ao limiar ($P_{\text{rx}}<-19\text{dBm}$).	Limpeza a seco das ponteiras com caneta de limpeza de fibra (One-Click Cleaner); correção do raio de curvatura.
Queda de Fonte de Alimentação Primária	Queima do disjuntor de alimentação de $24{\text{V}}_{\text{cc}}$ da fonte 1 ou falha do retificador.	O switch continua operando ininterruptamente pela fonte 2, mas perde a redundância energética.	LED “PWR1” apaga e contato seco de alarme de relé comuta; envio de trap SNMP / alarme no SCADA.	Inspeção do disjuntor de entrada da fonte; troca preventiva do módulo de alimentação.
Tempestade de Broadcast por Fechamento Manual de Loop	Eletricista conecta acidentalmente as duas pontas de um cabo de rede em duas portas normais que não pertencem ao anel MRP.	Saturação de $100\%$ do processador do switch; paralisia completa do tráfego Ethernet da máquina.	LED de todas as portas piscando sincronizadamente em frequência máxima; CPU do switch em $100\%$.	Habilitar a função de segurança por hardware Broadcast Storm Protection e Loop Detection em todas as portas de acesso.
Ataque de Injeção de Pacotes ou Acesso Não Autorizado	Conexão indevida de laptop de terceiro na porta de campo com endereço IP conflitante.	Conflito de endereço IP com o CLP mestre; interrupção de produção.	Alarme de Port Security; o switch bloqueia a porta automaticamente ao detectar endereço MAC desconhecido.	Bloqueio físico com travas de porta RJ45 e configuração de Port Security (apenas MAC cadastrado comunica).

Melhores Práticas de Operação e Conectividade Industrial

1. Configuração Exclusiva de um Único MRM: Em um anel de redundância MRP, é proibido configurar mais de um switch como Gerenciador de Anel (MRM). A presença de dois MRMs no mesmo anel causará bloqueio mútuo e divisão da rede em dois segmentos isolados.
2. Utilização de Cabos PROFINET Blindados Categoria 5e / 6A (Tipo B ou C): Em ambientes fabris sujeitos a movimentação contínua de esteiras porta-cabos, deve-se empregar exclusivamente cabos de rede com condutores flexíveis e blindagem dupla (folha de alumínio mais malha de cobre estanhado trançada com cobertura mínima de $85\%$), garantindo dreno adequado para a carcaça metálica do conector RJ45 blindado.