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Redes Industriais de Comunicação
Universidade Estadual de Londrina
Classificação
Redes Industriais
Redes de controle Interligam o equipamentos e sistemas inteligentes de controle, como
por exemplo: CLP´s, SDCD´s, etc.
Entre os principais tipos tem-se: Profibus HSE, Micrisofot (Ethernet, TCP/IP)
Fazem troca de dados entre equipamentos e o sistema administrativo
Classificação
Redes de dispositivos subordinadas a um equipamento inteligente de controle, como por
exemplo SDCD, CLP ou computador com software adequado.
Redes de processos para comunicação entre equipamentos de campo (sensores, atuadores,
etc.) e sistemas inteligentes (SDCD, CLP). Exemplos: HART, Foudantion Field Bus, Profibus PA, etc.
Redes abertas são redes que suportam equipamentos e dispositivos de diferentes
fabricantes. Vantagens: não gera dependências ou limitações, é mais versátil para
controlar o processo. Desvantagens: possibilidade de falhas de comunicação, velocidades
variáveis de comunicação, domínio do protocolo de cada fabricante
Redes proprietárias são redes utilizadas pelos fabricantes para estabelecer a conectividade
entre seus equipamentos. Vantagens: estabilidade de comunicação, facilidade de instalação de novos equipamentos Desvantagens: utiliza um único fabricante, dependência de upgrades dedicados
Par trançado Possui dois tipos de construção: com blindagem (shielded) e sem
blindagem (unshielded)
Cabos par trançado sem blindagem (UTP – Unshielded Twisted Pair)
- aplicados em telefonia e em redes de alta velocidade
- quanto mais apertado o enrolamento, maior a taxa de transmissão.
Meios Físicos de Transmissão
Cabos par trançado com blindagem (STP – Shielded Twisted Pair)
- Para ambientes sujeitos a interferências
Cabos coaxial- Em algumas aplicações é mais eficiente que o par trançado
Fibra ótica- Constituída por um núcleo de fibra de vidro, envolvido por várias camadas de
material isolante
- Ideal para grandes distâncias
Controle centralizado
Tipos de Controle
Controle ponto a ponto
Controle produtor-consumidor
Sistema digital de controle distribuído (SDCD)
Comparação das Tecnologias
A escolha das tecnologias de redes de comunicação a serem utilizadas
depende dos requisitos de cada aplicação.
A IEC 61158 Comunicação Digital para Medição e Controle Fieldbus para Uso em Sistemas de Controle Industrial, considerou um padrão multi-opção, que inclui oito protocolos de campo:
(Type 1) - Fieldbus Foundation H1, (Type 2) - ControlNet; (Type 3) – PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) (Type 4) - P-Net; (Type 5) - Fieldbus Foundation High-Speed Ethernet; (Type 6) - SwiftNet; (Type 7) - WorldFIP; e (Type 8) - Interbus-S.
IEC 61158 Fieldbus Standard
Pirâmide da Automação
Modbus
SensorBus
DeviceBus
FieldBus
DataBus
ETHERNET
Níveis de Aplicação
Aplicações nas Plantas Industriais
Nível 4
Administração Corporativa
Nível 3
Gerenciamento de Produção
Nível 2
Sistemas de Supervisão
Nível 1
Dispositivos de Controle
Nível 0
Sensores / Atuadores
Nível 2 - DataBus
Computadores (Hosts)
Nível 1 - FieldBus
Dispositivos Inteligentes
Nível 0.5 - DeviceBus
E/S e Periféricos
Nível 0 - SensorBus
Dispositivos
Dispositivos Redes
Nível 0 - SensorBus
Sensores e Atuadores tipicamente discretos
Mensagens de dados de alguns bits
Frequência de comunicação de dezenas de milisegundos
Distância de dezenas de metros
Concepção determinística
Nível 0 - DeviceBus
Distribuição de periféricos de controle
Mensagens de dados de bytes ou words
Frequência de comunicação de dezenas de milisegundos
Distância de centenas de metros
Concepção determinística
Nível 1 - FieldBus
Integração entre unidades inteligentes
Mensagens de dados de words ou blocos
Frequência de comunicação de centenas de milisegundos
Distância de centenas de metros
Modbus+
Nível 2 - DataBus
Transferência maciça de dados entre equipamentos
Mensagens de dados de blocos ou arquivos
Frequência de comunicação de segundos ou minutos
Grandes distâncias (LAN / WAN / Internet)
ETHERNETETHERNET FDDI MAP
Estrutura das Redes - Modelo OSI (Open System Interconnection)
Física
Rede
Transporte
Sessão
Apresentação
Aplicação
Ligação
Utilização da Rede (serviços)
Formatação e codificação de dados
Alocação de recursos para a aplicação e sincronização
Transferência de informações
Roteamento de informações
Estruturação, acesso e checagem de erros
Transmissão de dados binários através do meio de comunicação
Assunto a ser tratado
Linguagem comum
Enquanto um fala o outro escuta
Central telefônica
Sistema de comunicação
Conversão da voz em sinal modulado
Sinal elétrico e linha telefônica
Exemplo
Estrutura da Rede Ethernet TCP/IP (DataBus)
Física
Rede
Transporte
Sessão
Apresentação
Aplicação
Ligação
Par Trançado / Coaxial / FO
Internet Protocol
Transmission Control Prot.
CSMA - CD
A Ethernet foi criada antes do modelo OSI
Estrutura Típica Sensor/Device/FieldBus
As camadas estão implementadas em componentes padronizados e intrínsecos aos dispositivos simplificando a estrutura a apenas três níveis.
Física
Rede
Transporte
Sessão
Apresentação
Aplicação
Ligação
Multiplos Meios Físicos
ASIC / Chip Set
Drivers / Software
Critérios para Dimensionamento
Meio Físico de Comunicação Cobertura Geográfica (Topologia e Distância) Método de Acesso Desempenho (Velocidade x Throughput) Confiabilidade (Determinística x Probabilística) Protocolo de Comunicação
Meios Físicos de Comunicação
Elemento físico utilizado para a propagação de dados
Jacket of PVC or Teflon
Jacket made of PVC or Teflon
Cabo Coaxial
Cabo de Par Trançado
Fibra ÓpticaRadio Frequência
Cobertura Geográfica
Topologia: forma de interligação dos elementos na Rede
Distância: espaço máximo coberto pelo meio físico de comunicação utilizado pela Rede.
BARRAMENTO(BUS)
ANEL(RING)
ESTRELA(STAR)
ÁRVORE(TREE)
Método de Acesso
Polled Access
Pergunta-Resposta (Query - Response)
Mestre-Escravo
Token Access
Equalização de Acesso à Rede
Redes Peer-to-Peer
Carrier Sense Multiple Access (CSMA)
Acesso Aleatório
Cliente-Servidor
Método de Acesso
Mestre / EscravoMestre / Escravo
Pergunta
Resposta
Método de Acesso
Token RingToken Ring
Método de Acesso
HUB
CSMACSMA
Desempenho da Rede
Velocidade: Taxa de transferência total de dados por unidade de tempo. Considera informações (dados úteis) e o envelope de comunicação
(dados de controle do protocolo).
Throughput: Taxa de transferência de informações por unidade de tempo. Considera apenas os dados efetivamente úteis para os integrantes
da rede.
bps
Confiabilidade
Redes Probabilísticas: Permite apenas calcular a probabilidade da transferência de
informações ocorrer em um determinado intervalo de tempo.
Redes Determinísticas: Permite determinar com precisão o tempo necessário para a
transferência de informações entre os integrantes da rede.
Confiabilidade
Checagem de erros: É feita por meio de algoritmo utilizado para garantir a integridade
dos dados transferidos na rede.
Exemplos: Paridade:
Probabilidade de 50 % CRC-16 (Ciclical Redundant Check 16 bits):
Probabilidade de 10-15 %
Considerações Adicionais
Compatibilidade Rede - Ambiente (Física / Elétrica) Baixo Custo (Projeto / Instalação / Produtos) Fácil Instalação / Configuração / Expansão Procedimento de Manutenção Simples Quantidade de Dispositivos Tecnologia Consolidada Disponibilidade de Produtos
Protocolos de Comunicação
AS-i (Actuator Sensor Interface)
PROFIBUS (PROcess FIeld BUS)
Foudation Field Bus
Protocolo AS-i (Actuator Sensor Interface)
AS-I surgiu em 1990, quando empresas se uniram em um consórcio para tornar seus equipamentos compatíveis
Foi concebida como um sistema monomestre com comutação Cyclic polling (processo de varredura), neste sistema somente o mestre insere dados nos escravos em intervalos de tempo definidos.
Foi desenvolvida para atender aos requisitos de comunicação a nível de “chão-de-fábrica”.
Características
Classificação: SensorBus Ampla oferta de produtos Topologia:Barramento / Anel / Estrela / Arvore Tempo de Ciclo c/ 256 Discretas (16 Nós c/ 16 E/S): 4.7ms Max. número de nós 248 E/S (31 dispositivos) Distância Máxima: 100 metros / 300 c/ repetidor Mestre-Escravo c/ pooling cíclico
Níveis de Aplicação
Nível de gerenciamento: computadores são conectados uns com os outros, às vezes fábricas inteiras via Ethernet; o volume de dados é da ordem de megabyte e não precisa ser em tempo real;
Nível de produção e processo: cada vez mais o PROFIBUS está se difundindo; o tipo DP com 12Mbit/s é perfeito para altas exigências;
Nível de atuadores e sensores: a rede AS-i consagrou-se com mais de um milhão de pontos já instalados;
Arquitetura Típica
7 8 9
4 5 6
1 2 3
+ 0 -
12
34
SensoresInteligentes
Sensores
Partida deMotores
Interfaces
Máquina
Interfaces de Operação
Painel
Gateway
Fonte
Processo com Rede ASi
Acessórios
Cabo
Derivador para dispositivo ASi
Derivador para dispositivo convencional
Cabo planoAS-i
Concetividade
Interoperabilidade
Interoperabilidade
Protocolo PROFIBUS
PROFIBUS desenvolvido na Alemanha, inicialmente pela Siemens em conjunto com a Bosch e Klockner-Moeller em 1987.
Em 1988 tornou-se um "Trial Use Standard" no contexto da
norma DIN (DIN V 19245, parte 1), que define as camadas Física e Enlace.
Posteriormente, grupo de 13 empresas e 5 centros de pesquisa propuseram alterações nas camadas Física e Enlace e definiram a camada de Aplicação (norma DIN V 19245, parte 2).
Esta proposta é atualmente apoiada por mais de 300 empresas européias e internacionais.
Protocolo PROFIBUS
É uma rede de campo aberta, independente dos fabricantes, ao alcance de uma larga variedade de aplicações de manufatura e processos de automação
A sua independência e a garantia de ser uma rede aberta é assegurada pelas normas internacionais
A comunicação entre dispositivos de diferentes fabricantes ocorre sem ajustes especiais
Pode ser usado em tarefas que requerem comunicação em tempo real, alta velocidade e de comunicação complexa
Perfis de comunicação PROFIBUS – DP (Distribuited Process) PROFIBUS – PA (Process application) PROFIBUS – FMS (Fieldbus Massage Especification)
Protocolo PROFIBUS
PROFIBUS DP É o perfil de comunicação mais utilizado Otimizado para velocidade, eficiência, baixos custos de ligação e está
projetado para comunicações entre sistemas de automação e periféricos distribuídos
PROFIBUS PA Permite conectar sensores e atuadores até mesmo em um barramento
comum em áreas intrinsicamenteseguras Pode ser usado com tecnologia 2 fios de acordo com o padrão
internacional IEC 1158-2
Protocolo PROFIBUS
PROFIBUS – FMS Solução de propósito geral para comunicação de tarefa ao nível de
célula Os recursos FMS poderosos abrem um amplo alcance de aplicações
com grande flexibilidade Pode ser usado para tarefas de comunicação extensas e complexas
Protocolo PROFIBUS
Profibus DP / PA
Classificação: Devicebus Mais de 300 fornecedores de equipamentos Topologia:Linha / Estrela / Anel Velocidade de transmissão: DP - Máx: 12 Mbps ; PA - Max: 31.25 kbps Tempo de Ciclo c/ 256 Discretas (16 Nós c/ 16 E/S): < 2.0 ms (dependente
da configuração) Max. número de nós: 127 Distância Máxima: 100m entre segmentos (12Mbaud) ; 24Km (Dependente
do meio e do Baudrate) Mestre-Escravo - “peer to peer”
Profibus DPProfibus DP Profibus PAProfibus PA
Process AutomationProcess Automation
Arquitetura Típica Profibus DP/PA
SegmentSegmentCouplerCoupler
• Inserindo Mestre • Inserindo Escravos
Configuração Profibus DP/PA
• GSD - Identificador do dispositivo
Configuração Profibus DP/PA
• Configuração do sistema via software
Profibus DP / PA
Foundation Fieldbus - H1
Classificação: Fieldbus Crescente número de fornecedores de equipamentos Topologia: Barramento / Estrela Velocidade de transmissão: 31.25 kbps Tempo de Ciclo c/ 256 Discretas (16 Nós c/ 16 E/S): < 100 ms Max. número de nós: 240 /segmento - 65.000 segmentos Distância Máxima: 1900m (31.25 K) Cliente / Servidor - Notificação de eventos
Arquitetura Típica Foundation Fieldbus H1
Arquitetura Típica Foundation Fieldbus HSE
HSE – high speed ethernet trabalha a 100 Mbits/s e fornece integração de
controladores de alta velocidade (CLP´s) e subsistemas
Principais Tecnologias Existentes
Modbus
ETHERNET
Não existe uma solução única que atenda
a todas as necessidades de comunicação de dados
em automação industrial.
Conclusões
As linguagens de programação de CLP´s já seguem um padrão, sendo que as mais utilizadas são Ladder e Grafcet;
As outras linguagens estão difundindo-se; Atualmente, as redes industriais são aplicadas, na maioria das vezes, em
processos de grande porte; Os protocolos mais aplicados, ultimamente, são o Profibus e ASi; Em pequenos processos, o custo da instalação de redes é razoavelmente
alto; A tendência é de que as redes sejam mais utilizadas, mesmo em processos
de pequeno porte. Não existe uma solução única que atenda a todas as necessidades de um
processo de comunicação de dados em automação industrial.
OBRIGADO !
Filme Walking Technology
Referências CLP – Curso Avançado, SENAI-DN.
Redes Industriais – Curso Avançado, SENAI-DN.
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