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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Redes Industriais
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Redes Industriais
Prof. Murilomuriloleme@uol.com.brAulas: Tera-feira: 13:00 15:30
Permanncia COELE:Tera: 15:50 16:30 / 20:20 21:10Quinta: 13:50 15:30
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Ementa:
Redes de cho de fbrica. Estrutura de redes industriais. Caractersticas dos principais modelos de redes industriais. Protocolos de comunicao de redes industriais. Tipos de redes existentes. Redes industriais de sensores. Redes industriais de dispositivos. Redes industriais de instrumentao. Gerenciamento e manuteno de redes industriais.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Contedo Histrico de redes industriais - Histrico - Aplicaes Ethernet em automao industrial - Protocolos Seriplex, Interbus-S, Interbus loop e CAN - Protocolos Hart , Wirelles Hart e Modbus - Tecnologia AS-i - Aspectos de instalaes AS-i - Aspectos de Dimensionamento de rede AS-i - Tecnologia DeviceNet - Aspectos de instalaes DeviceNet - Aspectos de dimensionamento de rede DeviceNet
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Contedo Arquitetura PROFIBUS - Tecnologia Profibus - Nveis de comunicao (Profinet, PROFIBUS DP e PA) - Meio fsico, cabeamento e instalaes PROFIBUS DP e PA - Couplers, links, terminadores e repetidores - Nmero de dispositivos e limites de troncos e ramos - Fontes de alimentao e topologia de rede - Nveis de sinais e medies de redes H1 - Aspectos de redundncia em redes PROFIBUS - Aspectos de segurana em redes e aplicaes PROFIBUS - Blocos funcionais PA - Mestres classe 1 e 2 - Arquivos GSD - Aspectos de dimensionamento de redes PROFIBUS
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
ContedoArquitetura Fundation Fieldbus - Tecnologia FF - Aspectos do protocolo FF - Camada fsica: HSE e H1 - Servios da camada de enlace - Camada do usurio blocos de funes - Aspectos de comunicao OPC Superviso - Meio fsico, cabeamento e instalaes FF - Fontes de alimentao e topologias de rede - Limitao de troncos, ramos e nmero de equipamentos H1 - Segurana intrnsica em aplicaes FF - Nveis de sinais e medies de redes H1 - Blocos funcionais - Mecanismos de propagao de status e falha segura - Aspectos de dimensionamento de redes FF
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Bibliografia ALDAB, Ricardo. Sistemas de redes para controle e automao. Rio de
Janeiro: Book Express, c2000. www.fieldbus.org www.profibus.org.br www.as-interface.net www.iebmedia.com
Fabricantes:
www.smar.com.br www.sense.com.br www.encoderonline.com www.softing.com www.procentec.com www.siemens.com
Artigos e matrias tcnicas durante o semestre.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Avaliao
2 Provas individuais 60% da nota final.
Trabalhos individuais ou em grupo de at 3 alunos 30% da nota final.
Exerccios ou atividades individuais ao final daaula para entrega na aula seguinte 10% danota final.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Informaes importantes
Horrio Notebook Celular Material
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Previso de provas:
03/05 Primeira prova 28/06 Segunda prova 05/07 Substitutiva
Nota para aprovao: 6,0 No h exame final!
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Perguntas?
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Qual a finalidade de uma rede industrial?
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Redes Industriais: Introduo 1768 James Watt Mquina a vapor 1878 James Maxwell Teoria / Controlador de Watt 1930 Harry Nyquist Teorias em Controle Automtico
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Neste perodo alguns artefatos mecnicos, sobretudo munidos de sistemas hidrulicos e pneumticos passaram a ser aplicados nas linhas de produo, reduzindo os esforos dos operadores e aumentando a preciso no controle dos processos e equipamentos.
Horas de Trabalho - Fbricas:
1780 - 80 horas por semana;
1820 - 67 horas por semana;
1860 - 53 horas por semana
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
J no sculo XX, houve o incio da produo em srie, sobretudo das tcnicas desenvolvidas e aplicadas por Henry Ford nos Estados Unidos;
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Com a evoluo do controle alguns processos passaram a ser realizados atravs de gigantescos e elaborados circuitos lgicos controlados por dispositivos eletromagnticos, originando o que conhecemos como lgica de rels;
Os sistemas controlados por lgicas de rels trouxeram grande avano na automao de processos produtivos dos automveis
Entretanto havia alguns inconvenientes:
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
O espao ocupado era imenso; A capacidade de trabalho com variveis analgicas
era muito limitada; Na ocorrncia de um defeito, o diagnstico era muito
demorado. O pessoal da manuteno poderia levar dias para encontrar uma bobina queimada ou um contato defeituoso dentro do circuito;
Quando era necessrio mudar o comportamento do sistema (devido mudana no modelo de carro produzido, por exemplo) era necessrio sucateartodo o processo e comear a fazer tudo do zero o que custava meses de trabalho;
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Painel de rels de controle de elevadores:
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
A eletrnica e os processadores: Com o advento da eletrnica e o aperfeioamento das
tcnicas e sistemas de medio & controle durante a dcada de 50, a indstria comea a trabalhar com equipamentos de controle e comando numrico; com isso, o conceito de distribuio de salas de controle comea a ser difundido;
Em 1947, Willian Shockley, John Barden e Walter Brattaindesenvolvem o transistor;
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
A partir de 1961 surgem os primeiros computadores que comearam a ser utilizados na indstria dando origem aos primeiros robs industriais;
Os computadores podiam tomar decises de controle de uma mquina como lig-la, deslig-la, moviment-la, sinalizar defeitos e at gerar relatrios operacionais;
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Dentro deste conceito, surgiram microcomputadores desenvolvidos especialmente para efetuar operaes e controles lgicos sobre os equipamentos com possibilidade de reprogramao de suas funes;
Este equipamento especial foi chamado de PLC (Programmable Logic Controller) ou em portugus, CLP Controlador Lgico Programvel.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Processos Industriais Controle Contnuo
Uma planta pode ser imaginada como uma coleo de tanques em que os materiais so aquecidos, refrigerados e/ou reagidos, e tambm das tubulaes em que esses materiais fluem.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Controle Automtico de Processos
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
IMPORTANTE:As redes industriais so fundamentaispara processos contnuos ou em batelada, pois o processo produtivo diferente daindustria de manufatura.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Uma Malha de controle Composta por 8 mdulos distintos:
1 Elementos Primrios;2 Indicadores Analgicos, Digitais e Vdeo;3 Transmissores, Transdutores, Conversores, Interfaces;4 Linha de Transmisso;5 Registradores, Memria;6 Controladores;7 Elementos Finais de Controle;8 Sistema de Alarme e Segurana
Definies em Controle
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Transmissores InteligentesTRANSMISSOR A 2 FIOS
- Alimentao (24 Vdc) e comunicao (4 a 20 mA) no mesmo par de fios.
TRANSMISSOR A 4 FIOS
- Alimentao e comunicao independentes.
Alimentao (110 vac)
Sada digital
Sada 4 a 20 mA
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
IMPORTANTE:Transmissores a 2 e 4 fios so maisantigos e mais caros.Seu princpio de funcionamento analgico e sofre interfernciaeletromagntica.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Controladores Analgicos CD600 Smar
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
DCS TradicionalRede Local
DCS
CAMPODPT101 PT101 FCV101 DPT102 PT102 FCV102
4 - 20 mA
E/S
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
IMPORTANTE:
DSC: Sistema de controle digital distribudoOs protocolos de E/S so proprietriosCentraliza-se as informaes dos controladores somente, ou seja, telemetria.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Segmentos de Mercado
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Redes de Comunicao Digital
REDE DEREDE DE CAMPO CAMPO
REDE DEREDE DE CONTROLE CONTROLE
A outros nveisA outros nveis
REDE DEREDE DEGERENCIAMENTO GERENCIAMENTO
Rede de ControleRede de Controle
SupervisoSupervisoBanco deBanco de Dados Dados
Rede de PlantaRede de Planta
Rede deRede deCampoCampo
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Rede em Fibra tica Redundante
Salas de Controle atuais
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Conceitos em Redes Industriais
A automao industrial vem h vrios anos tentando substituir o velho padro de corrente 4-20mA, por um sistema de comunicao serial (digital);
As redes industriais apresentam como grande vantagem a reduo significativa de cabos de controle e seus acessrios (bandejamento, leitos, eletrodutos, conectores, painis, etc) que interligam os elementos de campo ao sistema controlador;
A reduo tambm muito significativa no projeto e na instalao, pois com menos cabos, diminui-se o tempo de projeto e dos detalhes de encaminhamento dos cabos.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Conceitos em Redes Industriais
Na instalao inicial o tempo tambm reduzido na mesma proporo, pois menos cabos sero lanados e painis de rearranjo no sero mais necessrios e menos conexes sero realizadas;
Do ponto de vista da manuteno, ganha-se medida que o sistema fornece mais informaes de status e diagnsticos, mas por outro lado requer-se pessoal mais qualificado e treinado para compreender e utilizar os recursos disponveis.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Existe tambm uma tendncia de todos os dispositivos serem inteligentes e poderem se comunicar com a rede, principalmente devido a crescente reduo dos custos dos componentes microcontrolados;
Por outro lado nem sempre h distribuio total da inteligncia nos elementos bsicos tais como: sensores, chaves, sinaleiros, rels, etc;
Pode-se ainda optar por mdulos E/S inteligentes que concentram as informaes de vrios elementos bsicos principalmente de E/S digitais reduzindo o trfico na rede.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Tradicional:Cada dispositivo conectado
individualmente ao controlador
Tendncia:Dispositivos ligados em rede com o
controlador
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Conceitos em Redes Industriais
Requisitos de comunicao fabril: - Compartilhamento de recursos;- Gerenciamento da heterogeneidade;- Gerenciamento de diferentes tipos de dilogo;- Garantia de tempo de resposta mdio ou mximo;- Confiabilidade dos equipamentos e da informao;- Conectividade e interoperabilidade;- Evoluo (update/upgrade) e Flexibilidade.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
necessrio definir arquiteturas, topologias e protocolos apropriados para redes de comunicao industrial;
Redes do tipo ponto-a-ponto: centralizao das funes de comunicao;
Redes de difuso: possibilidade de descentralizao da comunicao;
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Conceitos em Redes Industriais
Idia do final dos anos 70 e incio 80: rede nica para toda a fbrica;
Idia atual: no existe uma rede nica que atende as necessidades de todas as atividades existentes em uma fbrica;
Nas empresas modernas temos grande quantidade de computadores operando em diferentes setores;
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Operao do conjunto ser mais eficiente se estes computadores forem interconectados, permitindo:
Possibilidade de compartilhar recursos; Possibilidade de troca de dados entre mquinas de
forma simples e confortvel para o operador; Vantagens gerais de sistemas distribudos e
downsizing atendidos; Redes so muito importantes para a realizao
da filosofia CIM (Computer Integrated Manufacturing).
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Os Nveis Hierrquicos de Integrao FabrilAdministraoCorporativa
Planejamento(Factory)
rea(Shop)
Clula(Cell)
Subsistema(Subsystem)
Componente(Component) S A S A S A S A
EnterpriseNetwork
EthernetFieldbus,Profibus,DeviceNet
Sensorbus
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Caractersticas da comunicao em CIM
Vida til etamanho
mdio dosdados
Trfegomdio
Pacotes /seg.
Tempoocioso entre
transmisses
Nmerode
estaes /segmento
Administrao Corporativa
Planejamento
rea
Clula
Unidade (subsistema)
Componente
Customdio
de umaestao
Hostilidadedo meio
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Conceitos em Redes Industriais Maioria das redes de comunicao existentes foram concebidas
para automao de escritrios;
Ambiente industrial tem caractersticas e necessidades que tornam redes para automao de escritrios mal adaptadas:
- Ambiente hostil para operao dos equipamentos (perturbaes eletromagnticas, elevadas temperaturas, sujeira, reas de segurana intrnseca, etc.);
- Troca de informaes se d entre equipamentos e, s vezes, entre um operador e o equipamento;
- Tempos de resposta crticos;
- Segurana dos dados crtica;
- Grande quantidade de equipamentos podem estar conectados rede acarretando alto custo de interconexo (crticidade).
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Caractersticas e Requisitos Bsicosdas Redes Industriais
1 - Comportamento Temporal - Sistemas em Tempo Real;
2 Confiabilidade;
3 - Requisitos do Meio Ambiente:- Meios de Transmisso;- Segurana Instrnsica
4 - Tipo de Mensagens e Volume de Informaes;
5 Conectividade / Interoperabilidade (Padronizao).
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
1- Comportamento Temporal
Aplicaes Industriais freqentemente requerem sistemas de controle e superviso com caractersticas em Tempo-Real;
Em aplicaes em tempo real, importante poder determinar o comportamento temporal do sistema de comunicao;
Mensagens em STR podem ter restries temporais:
Peridicas: tem que ser enviadas em intervalos conhecidos e fixos de tempo. Ex.: mensagens ligadas a malhas de controle.
Espordicas: mensagens sem perodo fixo, mas que tem intervalo de tempo mnimo entre duas emisses consecutivas. Ex.: pedidos de status, pedidos de emisso de relatrios.
Aperidicas: tem que ser enviadas a qualquer momento, sem perodo nem previso. Ex.: alarmes em caso de falhas.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Sistemas em Tempo-Real
Um STR um sistema computacional que deve reagir a estmulos (fsicos ou lgicos), oriundos do ambiente dentro de intervalos de tempo impostos pelo prprio ambiente.;
A correo no depende somente dos resultados lgicos obtidos, mas tambm do instante no qual so produzidos;
A aplicao de modelos e padres se far necessria para a garantia do determinismo no controle de processos.
Sistema
a
Controlar
(Ambiente)
Sistema
de
Controle
SENSOR
ATUADOR
INTERFACE
estmulo
resposta
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Arquitetura para Sistemas Tempo-Real
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
M1
DL = 10
End. 01
M2
DL = 15
End. 02
M3
DL = 50
End. 03
M4
DL = 25
End. 04
M5
DL = 5
End. 05
Mensagens pendentes em cada estao devem ser entregues a seu destino antes de um prazo limite (deadline) associado;
Problema de comunicao tempo real: como definir concesso do direitos de acesso ao meio de forma a garantir que todas as mensagens sejam entregues antes de seu deadline ?
A Problemtica da Comunicao em Tempo-Real
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
O protocolo MAC precisa garantir rpido acesso ao barramento para mensagens espordicas de alta prioridade.
O protocolo MAC deve atender mensagens peridicas com a maior eficincia possvel, respeitando seus deadlines.
O MAC deve ter comportamento determinista e, idealmente, permitir escalonamento timo global de mensagens.
O LLC (Controle Lgico de Enlace) deve escalonar mensagens locais pendentes por deadline ou prioridade associada.
Comunicao em Tempo-Real
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Camada de Aplicao
Controle Lgico de enlace (LLC)
Controle de Acesso ao Meio (MAC)
Camada Fsica
AP APSoftware
Aplicativo
Arquitetura do software de rede para Comunicao em Tempo Real
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Classificao dos Protocolos MAC
Alocao fixa: alocam o meio s estaes por determinados intervalos de tempo, independentemente de haver ou no necessidade de acesso (ex.: TDMA = Time Division Multiple Access);
Alocao aleatria: permitem acesso aleatrio das estaes ao meio (ex.: CSMA = Carrier Sense MultipleAccess). Em caso de envio simultneo por mais de uma estao, ocorre uma coliso e as estaes envolvidas tem que transmitir suas mensagens aps a resoluo do conflito resultante (protocolos de conteno);
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Classificao dos Protocolos MAC Alocao controlada: cada estao tem direito de
acesso apenas quando de posse de uma permisso, que entregue s estaes segundo alguma seqncia predefinida (ex.: Token-Passing, Master-Slaves);
Alocao por reserva: para poder usar o meio, as estaes tem que reservar banda com antecedncia, enviando pedidos a uma estao controladora durante um intervalo de tempo pr-destinado e este fim (ex.: CRMA = Cyclic Reservation Multiple Access);
Hbridos: consistem de 2 ou mais das categorias anteriores.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Classificao dos Protocolos MAC
Classificao com relao ao comportamento temporal:
protocolos deterministas: caracterizados pela possibilidade de definir um tempo limite para a entrega de uma dada mensagem (mesmo que somente em pior caso);
protocolos no deterministas: tempo de entrega no determinvel (aleatrio ou probabilstico).
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Protocolos MAC no deterministas
CSMA 1-persistente, p-persistente e no persistente
- CSMA = Carrier Sense Multiple Access (Acesso Mltiplo por Deteco de portadora) : baseia-se no conceito de escuta do meio de transmisso para a seleo do direito de acesso a este;
- CSMA p-persistente: estao que quer enviar dados escuta meio. Se canal livre, envia quadro com probabilidade p. Seno, aguarda na escuta at que o meio esteja livre. Caso particular: p=1;
- CSMA no persistente: idem anterior, mas se canal ocupado, estao espera um perodo de tempo aleatrio e escuta o canal novamente.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
CSMA persistente e no persistente CSMA 1-persistente: faz melhor uso da banda, mas tem
grande chance de gerar colises CSMA no persistente: faz pior uso da banda, mas tem
menor probabilidade de gerar colises CSMA p-persistente (p
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
O protocolo CSMA/CD CSMA/CD = Carrier Sense Multiple Access with Collision
Detection:
- Se mais de uma estao est pronta para emitir uma mensagem com o meio livre, gera-se uma coliso;
- A primeira estao que detectar a coliso interrompe a transmisso, reiniciando-a aps um tempo aleatrio => improvvel ocorrncia de nova coliso.
emissor
emissor receptor
emissor
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
O protocolo CSMA/CD Mtodos de acesso CSMA convencionais: tempo de
reao no pode ser exatamente determinado (no determinismo);
No se sabe de antemo: se haver colises; quantas colises seguidas podem ocorrer; o tempo (aleatrio) de espera em caso de coliso.
Tempo de espera randomizado segundo algoritmo BEB (Binary Exponential Backoff).
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Probabilidade de coliso
Trfego x nmero estaes
CSMA/CD
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Protocolos MAC Deterministas
- Mtodos de acesso deterministas: tem tempo de resposta limitado e determinvel (ao menos pior caso).
- Podem ser classificados em:
- Mtodos com comando centralizado (ex.: Mestre-Escravos, rbitro de barramento);
- Mtodos com comando distribudo (ex.: Token-Passing, variantes deterministas do CSMA).
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
escravo escravo escravo escravo
Comando Centralizado: Mestre-escravos
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receptor
emissorficha
Comando Distribudo: Token-bus
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Estao
Interfacep/ anel
anel unidirecional
TAP
Token
Comando Distribudo: Token-Ring
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Comando Distribudo: Forcing Headers
- Variante determinista de CSMA (CSMA/NBA = CSMA with Nondestructive Bitwise Arbitration);
- Estaes enviam bit a bit um identificador da mensagem, que define prioridade da mesma;
- Cada mensagem tem que ter prioridade diferente das demais;
- Se todos os bits do identificador so 0, prioridade mxima;
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Comando Distribudo: Forcing Headers
- Camada fsica executa AND sobre cada bit enviado ao barramento (Collision Detection ativada ao enviar um 1 e desativada ao enviar um 0);
- Transmisso interrompida quando um 1 enviado e ocorrer coliso (0 lido);
- Se o identificador transmitido at o fim sem coliso, o restante da mensagem enviado.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
100 dados
000 dados 001 dados 010 dados 011 dados
Frame a enviarN 4
N 0 N 1 N 2 N 3
Header do frame
Comando Distribudo: Forcing Headers
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Comando Distribudo: Forcing Headers
Para evitar o monoplio do meio pelo n gerador de mensagem de alta prioridade, espaos entre quadros so preenchidos por um campo de bits em 1 inserido no final de cada quadro;
O barramento s considerado livre para o mesmo n enviar nova mensagem, aps ter detectado que o espao inter-framesno foi interrompido por um bit em 0;
A estao possuidora da mensagem de alta prioridade ter que esperar ao menos o envio de uma mensagem de prioridade menor para tomar o barramento para si novamente.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Comando Distribudo: Comprimento De Prembulo
Variante determinista de CSMA/CD;
A cada mensagem associado um prembulo com comprimento diferente, que transmitido com CD desativada;
Aps o trmino de envio do prembulo, o CD reativado;
Se h coliso, existe outra mensagem mais prioritria sendo enviada e a estao fica a espera de meio livre.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Frame a enviarN 4
N 0 N 1 N 2 N 3
Prembulo do frame
Comando Distribudo: Comprimento De Prembulo
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Mensagem do n 4
Mensagem do n 3
Mensagem do n 2
Mensagem do n 1
Mensagem do n 0
Instantes de inicio de deteco de coliso em cada estao
Comando Distribudo: Comprimento de Prembulo
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Um dos requisitos de uma rede a possibilidade de acesso mltiplo ao bus, ou seja, vrios ns podem ler do bus ao mesmo tempo mas, para evitar colises (dois ou mais ns a enviar ao mesmo tempo uma mensagem diferente, o que resultaria numa mensagem invlida), preciso um mecanismo de prioridades;
O mecanismo utilizado o Carrier Sense MultipleAccess/Deterministic Collision Resolution (CSMA/DCR);
Comando Distribudo: CSMA/DCR
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Comando Distribudo: CSMA/DCR
Cada mensagem leva consigo um identificador, uma identidade que atribuda pelo n. Quando o bus estem estado de espera (idle), vrios ns podem iniciar as suas transmisses ao mesmo tempo;
Cada n l do bus os bits enviados e compara seus valores. Caso o bit que o n tenha tentado escrever seja recessivo (1), ser lido do bus um bit recessivo, se e somente se, todos os ns que esto transmitindo naquele momento estiverem enviando um bit recessivo;
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Comando Distribudo: CSMA/DCR
Durante a transmisso do identificador da mensagem, o algoritmo CSMA/DCR decide de forma unvoca, no destrutiva e sem atrasos ou retransmisses quem transmite ou no a mensagem;
No funcionamento do algoritmo CSMA/DCR em que n ns tentam escrever no bus, e assumindo que todos tentam enviar mensagens diferentes, n-1 ns vo desistir de transmitir a mensagem para que o nrestante possa transmitir a dele;
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Comando Distribudo: CSMA/DCR
Depois da transmisso da mensagem do n que ganhou o bus, os outros ns tentam novamente transmitir as suas mensagens;
Com a utilizao do algoritmo CSMA/DCR, possvel estabelecer ordens de prioridade nas mensagens, porque estas tm identificadores programveis;
A figura a seguir mostra um exemplo de funcionamento do algoritmo CSMA/DCR;
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Comando Distribudo: CSMA/DCR
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Comando Distribudo: CSMA/DCR
O caso descrito mostra trs ns (1,k,n) que tentam enviar uma mensagem em certo momento;
No bit 7, o n 1 percebe que enviou um bit recessivo mas leu do bus um bit dominante e desiste de enviar a sua mensagem fica em modo de escuta apenas;
No bit 3, o n n tambm entende que enviou um bit recessivo mas leu um bit dominante. Tambm este ndesiste de transmitir a mensagem. Desta forma, o n k prevalece e transmite a sua mensagem.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
2 - Confiabilidade Em aplicaes industriais, erro de 1 bit pode ter
conseqncias desastrosas;
Para aumentar confiabilidade, enlace usa teste cclico de redundncia (CRC - Cyclic Redundancy Check) sobre quadros (tcnica polinomial);
Em sistemas que necessitem de uma operao contnua, pode ser utilizado um meio de transmisso e estaes redundantes;
Recomenda-se usar cabos blindados em ambientes com fortes campos magnticos;
Uso crescente de fibra ptica.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
3 - Requisitos do Meio Ambiente Perturbaes eletromagnticas requerem escolha adequada
do meio de transmisso;
Fontes: acionamentos de motores eltricos de grande porte, fontes chaveadas, estaes de solda, conversores estticos, etc.
Par tranado (assncrono)
Par tranado (sncrono)
Cabo coaxial
Fibra tica Custos
Sensibili-dade pertur-
Taxade
transmisso
Distncia
baes
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Meios De Transmisso
Cabo coaxial:
- Boas caractersticas eltricas.
- Requer resistncias terminais.
- Conectores BNC fceis de abrir.
Par tranado:
- Usualmente usado com HUB/Switcher
- Atualmente soluo mais usada para cho fbrica.
- UTP (Unshielded Twisted Pair) CAT-5 / STP (Shielded Twisted Pair).
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Meios De Transmisso
Fibra ptica:
- timo para rejeitar perturbaes eletromagnticas.
- Dificuldade de realizar topologia em barramento(bus): derivaes ativas x passivas.
- Mais usado em topologias ponto a ponto: anel, estrela, rvore.
- Aplicaes envolvendo HUB e Switch.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Meios De Transmisso
Fibra ptica:
- timo para rejeitar perturbaes eletromagnticas.
- Dificuldade de realizar topologia em barramento(bus): derivaes ativas x passivas.
- Mais usado em topologias ponto a ponto: anel, estrela, rvore.
- Aplicaes envolvendo HUB e Switch.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
reas de Risco (Segurana Intrnsica)
Sujeitas a incndio, exploso;
Presena de lquidos ou gases inflamveis/explosivos;
No pode haver faiscamento;
Freqncia de sinais eltricos limitada;
Modelo de Entidade baseado em valores (clculo) de Tenso, Corrente, Potncia, Capacitncia, Indutncia e nas caractersticas e Resistncia dos Cabos;
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
reas de Risco (Segurana Intrnsica)
Modelo FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept): desenvolvido na Alemanha pelo PTB (PhysikalischTechnische Bundesanstalt);
Reconhecido mundialmente como modelo bsico para operao de redes em reas de risco de exploso ou incndio.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
reas de Risco (Segurana Intrnsica)
Princpios de transmisso segundo modelo FISCO: Cada segmento possui uma nica fonte de alimentao; No se alimenta o barramento enquanto uma estao est
enviando; Cada dispositivo de campo consome uma corrente constante
de pelo menos 10 mA e que alimenta o dispositivo; Os dispositivos de campo funcionam como uma carga
passiva de corrente; Existe uma terminao passiva em ambos os extremos da
rede; Topologias permitidas: linear, em rvore e em estrela.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
reas de Risco (Segurana Intrnsica)
Norma IEC 1158-2 para camada fsica: Transmisso de dados: digital, bit - sncrona, Manchester; Taxa de transmisso: 31,25 kbit/s, modo voltagem; Cabo: STP com 2 fios; Alimentao remota: opcional, via linhas de dados; Classes de proteo contra exploso: Intrinsically safe
(EEx ia/ib) e encapsulation (EEx d/m/p/q); Topologias: linha e rvore ou uma combinao; Numero de estaes: at 32 estaes por segmento,
mximo de 126 com 4 repetidores.
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Tipo de Mensagens e Volume de Informaes Nveis hierrquicos superiores:
- mensagens grandes (KByte); - podem ter tempos de transmisso longos (seg. at min.); - longos intervalos entre transmisses.
Aplicaes mais prximas ao processo: mensagens curtas:- ligar ou desligar uma unidade = 1 bit ;- fazer leitura de um sensor / medidor = 8 Bytes ;- alterar o estado de um atuador = 8 Bytes ;- verificar o estado de uma chave ou rel = 1 bit .
Requisitos: taxa de transmisso de dados no muito elevada; taxa de ocupao do barramento elevada (grande nmero de pequenos pacotes a serem transmitidos); tempo de entrega conhecido.
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Conectividade / Interoperabilidade(Padronizao)
Verifica-se a necessidade de uma especificao de redes locais para aplicaes industriais diferente daquela adotada em automao de escritrio;
J existem diversas redes proprietrias para ambiente fabril, mas no permitem a interligao de equipamentos de outros fabricantes;
Maior entrave conectividade e interoperabilidade: no padronizao das interfaces e protocolos de comunicao;
Grandes esforos tem sido despendidos para solucionar estes problemas (padronizao de projetos).
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Redes Industriais
Aula 2
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Protocolos Industriais
Durante a dcada de 50 foram introduzidos os conceitos de transmisso de dados ou informaes representadas por sinais analgicos de 4-20mA que passaram a emular os sinais 3-15psi em uso;
Nos anos 80 surgiu a transmisso digital de dados, e o uso de microprocessadores implementando os chamados protocolos de comunicao de redes;
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Protocolos Industriais Atualmente, devido a seu grande avano tecnolgico, as redes
de automao so largamente utilizadas, apresentando vantagens em relao a sistema convencionais de cabeamento: diminuio da afiao, facilidade na manuteno, flexibilidade na configurao da rede e, principalmente, diagnstico dos dispositivos;
Alem disso, por usarem protocolos de comunicao digitais padronizados, essas redes possibilitam a integrao de equipamentos de vrios fabricantes distintos. Tais sistemas dizem-se abertos, e so uma tendncia em todas as reas da tecnologia devido a sua flexibilidade e capacidade de expanso;
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Categorias dos Protocolos de Campo
Nvel Baixo: conecta equipamentos simples e pequenos diretamente rede;
Os equipamentos deste tipo de rede necessitam de comunicao rpida em nveis discretos e so tipicamente sensores e atuadores de baixo custo;
Estas redes no almejam cobrir grandes distncias, sendo sua principal preocupao manter os custos de conexo to baixos quanto for possvel;
Exemplos tpicos de rede sensorbus incluem Seriplex, AS-i e INTERBUS Loop.
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Categorias dos Protocolos de Campo
Nvel Mdio: Pode cobrir distncias de at 500 m; Os equipamentos conectados a esta rede tero mais pontos
discretos, alguns dados analgicos ou uma mistura de ambos;
Alm disso, algumas destas redes permitem a transferncia de seis blocos em uma menor prioridade comparados aos dados no formato de bytes;
Esta rede tem os mesmos requisitos de transferncia rpida de dados da rede de sensorbus, mas consegue gerenciar mais equipamentos e dados;
Alguns exemplos de redes deste tipo so CAN, DeviceNet, PROFIBUS-DP, LONWorks, Modbus e INTERBUS-S.
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Categorias dos Protocolos de Campo Nvel Alto: dados no formato de pacotes de mensagens, a
rede se interliga aos equipamentos de I/O mais inteligentes e pode cobrir distncias maiores;
Os equipamentos acoplados rede possuem inteligncia para desempenhar funes especficas de controle tais como loops PID, controle de fluxo de informaes e processos;
Os tempos de transferncia podem ser longos, mas a rede deve ser capaz de comunicar-se por vrios tipos de dados (discreto, analgico, parmetros, programas e informaes do usurio);
Exemplos: 4-20mA/HART, Wireless HART, Foundation Fieldbus e PROFIBUS-PA.
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Sensorbus Seriplex AS-i INTERBUS Loop
Devicebus CAN DeviceNet PROFIBUS-DP LONWorks Modbus Interbus-S
Fieldbus 4-20mA/HART Wireless HART Foundation Fieldbus PROFIBUS-PA
Quantidadede
Dados
Tipos de Controle
ControleProcessos
ControleLgico
Menorbit
Mdiobyte
Maiorbloco
Equipamentos Simples Equipamentos Complexos
ControleProcessos
Com Diagnstico
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E o Ethernet ???
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Protocolo Ethernet Industrial
A Ethernet a tecnologia de rede local (LAN) mais utilizada no mundo em aplicaes de rede de comunicao comercial. Ela est presente nos mais variados segmentos (automao bancria, controle de processos, aplicaes cientficas, entre outras);
Sua verso industrial largamente aplicada no gerenciamento de processos de fbrica. Nos ltimos anos grande o interesse da indstria pela rede Ethernet como uma real alternativa no cho de fbrica e no controle de processos.
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Protocolo Ethernet Industrial
A rede Ethernet uma especificao de cabos, conectores e nveis de sinais criados originalmente pela empresa XEROX, no final de 1970. Em 1985 foi incrementada, passando a ser utilizada at hoje;
A technologia Ethernet (padro IEEE 802.3 utiliza a camada Fsica (1) e Enlace (2) do modelo OSI, conforme a figura ao lado;
Nveis no definidos
TCP/IP
IP
Ethernet1
3
5
4
6
7
2
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Protocolo Ethernet Industrial
As velocidades da rede evoluram de 10 Mbps para 100 Mbps, e devero alcanar em breve a taxa de 1 Gbps de acordo ao IEEE802.3z ou Gigabit Ethernet;
Devido s dificuldades apresentadas no tratamento de colises (determinismo), esta rede indicada para pacotes de informao de gerenciamento, deixando o nvel de clulas para outros protocolos (FF, Profibus, DeviceNet, etc);
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Protocolo Ethernet Industrial
A Ethernet Industrial difere da Corporativa em alguns aspectos: No definio das camadas mais altas; Formato de frame diferenciado:
TPID tag protocol identifier; TCI tag control information; CFI canonical format indication
Prembulo(7 Bytes)
SFD(1 Bytes)
MAC Dest(6 Bytes)
MAC Orig(6 Bytes)
TAG(4 Bytes)
Dados / PAD(46 a 1500 Bytes)
FCS(4 Bytes)
COMP/TIPO(2 Bytes)
TPID TCITag Protocol ID
16 bitsPrior. do Usurio
3 bitsCFI1 bit
VLAN ID12 bits
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Protocolo Ethernet Industrial
Temperatura de funcionamento, conectores, tipos de cabos, encapsulamento e tenso de alimentao, conforme tabela abaixo:
Itens Produtos para Ethernet Comercial
Produtos para Ethernet Industrial
Temp. Operao 5C a 40C 0C a 60CPlaca multi layer e imunidade a rudo
No Sim
Conectores RJ-45 DB9, RJ45 e Fibra ticaRedundncia No Sim
Encapsul. Ind. No SimAlimentao 110 Vac 24 Vdc
Compat. at 10 anos No Sim
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Protocolo Ethernet Industrial
A Ethernet possui importantes caracterstcas que so significativas para vrias aplicaes: Rpido startup graas a simplicidade de conexo; Alto grau de flexibilidade, expanso e performance, j
(tecnologia de Switches); Integrao em diferentes aplicaes, desde a rea de
escritrios, at a produo; Comunicao integrada de toda a planta, j que pode
ser conectada a uma WAN (Wide Area Network), tais como ISDN (Integrated Services Digital Network telefonia) e Internet.
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Servios TCP/IP Disponveis
Entre os servios disponveis ao TCP/IP, destacam-se:
HTTP (Hypertext Transport Protocol): trata-se de um grupo de regras que controla a troca de arquivos na internet. Em automao este servio funciona nos dispositivos com servidores WEB que permite a manuteno e o diagnostico dos produtos alocados na rede atravs de um navegador padro;
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Servios TCP/IP Disponveis DHCP ("Dynamic Host Configuration Protocol" ou
"protocolo de configurao dinmica de endereos de rede") permite que todos os micros da rede recebam suas configuraes de rede automaticamente a partir de um servidor central, sem que voc preciseficar configurando os endereos manualmente em cada um;
SNMP (Simple Network Management Protocol): todos os equipamentos com esse servio podem ser monitorados por um software-padro, permitindo seu diagnostico e analise de desempenho;
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Servios TCP/IP Disponveis
Virtual LAN: Permite suporte de segurana e isolao por segmentao virtual dos dados do cho de fbrica que so enviados de outros componentes e usurios;
Fast Spanning Tree: Este protocolo permite uma rpida convergncia da rede. Se ocorrer um defeito em algum n da rede, o link redundante alternativo assumirautomaticamente a comunicao. Assim, as redes so comutadas de forma muito veloz e os ns se tornam disponveis em menos de um segundo.
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Servios TCP/IP Disponveis
OPC (OLE for Process Control): uma especificao tcnica no proprietria que define um conjunto de interfaces padro baseadas na tecnologia OLE/DCOM da Microsoft;
O OPC cria um ambiente ininterrupto entre as aplicaes de automao e controle, bem como sistemas e componentes de campo e aplicaes do nvel administrativo.
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Vantagens do Ethernet Enorme popularidade da tecnologia;
Baixo custo de implementao, treinamento e manuteno;
Alta velocidade e alta performance;
Atualizao tecnolgica constante;
Facilidade de interconectividade e acesso remoto;
Capacidade de alavancar tecnologia comercialmente barata;
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Vantagens do Ethernet Os principais fabricantes de CLP ou SCD suportam sistemas
de fieldbus especficos, mas todos suportam Ethernet;
Capacidade de transportar elevado fluxo de informaes entre o processo industrial e a corporao;
Elevado nmero de pessoal tcnico qualificado;
Habilidade de prover diagnstico e atuao remotamente;
Aplicao como BACKBONE das arquiteruras de controle digital em aplicao;
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Desvantagens para o padro de campo:
Ausncia de interoperabilidade pela falta da camada de aplicao (por si s, apresenta definies apenas para as camadas 1 e 2 do modelo ISO);
Falta de determinismo e tempo de resposta insuficiente para algumas aplicaes industriais;
Dificuldades de sincronismo no nvel de ms;
Falta de soluo para segurana intrnseca.
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Desvantagens para o padro de campo:
Com objetivo de resolver o desempenho das redes Ethernet Industrial preciso combinar a soluo de uso correto dos servios e pacotes de dimensionamento e projeto fsico das redes;
A configurao de um sistema deve levar em considerao: Para baixar a probabilidade de atrasos, o trfego
deve ser mantido significativamente inferior aos limites tericos, evitando as possveis colises;
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Desvantagens para o padro de campo:
Redes Ethernet mais rpidas no eliminam as colises, mas podem aumentar a probabilidade de entrega dos pacotes num instante predeterminado e quando acontece a coliso, esta afeta diretamente a largura de banda;
Para atenuar os problemas relacionados ao determinismo pode-se empregar recursos de segmentao de rede, atravs de Domnios (grupo de computadores e componentes de rede que possuem um nome associado) e Workgroups (grupo de computadores que regularmente dividem os mesmos recursos de uma rede), conectados via switches e roteadores.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Desvantagens para o padro de campo:
Outros problemas associados: Gerao de Runts pacotes de dados muito
pequenos, que violam as regras da Ethernet, originados na rede;
Broadcast Storm difuso de grande quantidade de pacotes do tipo broadcast em um curto espao de tempo, que podem ser melhorados em sua maioria pelo seccionamento da rede em grupos menores.
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Barramento de Campo SERIPLEX
Difundido pela Schneider Electric durante os anos 90;
Cerca de 2.500 instalaes e 1 milho de ns instalados;
Aplicado em configuraes: Mestre - Escravo a 4 fios; Ponto a ponto (sem mestre); Distncias de 1650m (5000 ps); Tempo de varredura menores que 1 ms; Endereos definidos pelo mestre ou por programao; 32 funes lgicas embutidas;
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Aplicaes SERIPLEX
Apoio a mdulos Mestres de Barramento: (PLCs, Acopladores e Gateways);
Botoeiras, Partida de Motores, Banco de Indicaes;
Mdulos de Interface para acionamento rpido;
Indutores de Proximidade, Detectores Fotoeltricos;
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Barramento de Campo SERIPLEX
Topologia: Estrela, rvore, anel ou barramento; Distncias de at 1500m; At 510 dispositivos;
Comunicao e alimentao (24V) em um mesmo cabo com 4 fios;
Comunicao direta com PLC ou Gateway ou sem mestre.
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Barramento de Campo SERIPLEX
O Barramento Seriplex um concorrente direto do AS-ie Interbus-Loop com possibilidade de manipular maiores quantidades de dados (at 64 bits por elemento);
Na configurao mestre-escravo h um controlador na rede nico capaz de determinar mudanas nas sadas dos dispositivos da rede;
Na configurao ponto a ponto os ns enviam as suas informaes a todos os outros elementos da rede;
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Barramento de Campo SERIPLEX
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Barramento de Campo SERIPLEX
Cada dispositivo em uma rede Seriplex contm um CHIP Seriplex onde configurado um endereo de 3 dgitos entre 001 e 255 usando um terminal porttil de configurao hand-held;
O dispositivo conectado ao cabo blindado com 4 condutores. O cabo fornece alimentao CC ao dispositivo e tambm fornece uma linha de clock(sincronizao).
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Barramento de Campo SERIPLEX
Um CLP geralmente usado e contm o mdulo de sincronizao assim como a fonte de alimentao CC, contudo estas funes so disponveis independentemente de um CLP;
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Protocolo INTERBUS - S
O Interbus-S foi desenvolvido na Alemanha pela empresa Phoenix Contact em 1987;
O Interbus-S foi concebido para integrao de sensores e atuadores a um elemento de tomada de deciso (CLP, CNC, etc.), envolvendo controle determinstico e velocidade otimizada;
O INTERBUS utilizado em mais de 10 milhes de ns instalados e possui mais de 600 fabricantes em todo o mundo;
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Protocolo INTERBUS - S
O elemento de tomada de deciso (PLC) opera como estao mestre;
Sensores e atuadores formam as estaes escravas que executam operaes de entrada/sada;
Interbus-S adotou a comunicao EIA-485 e topologia em anel;
O mestre monta um quadro nico contendo campos reservados para cada um dos escravos;
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Protocolo INTERBUS - S O mestre preenche o campo reservado quele escravo
com os dados de processo ou parmetros a enviar;
O quadro ento enviado ao primeiro escravo no anel;
O primeiro escravo reconhece no quadro o incio de sua janela de dados e verifica o contedo somente do campo reservado a ele;
O escravo l a informao contida no seu campo reservado e substitui o contedo do campo pelos dados de resposta;
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Protocolo INTERBUS - S
Em seguida, o primeiro escravo envia o quadro completo para o prximo escravo no anel;
O processo se repete at que o quadro tenha percorrido todos os escravos do anel e retornado ao mestre;
Este processo tambm conhecido como shift register;
O tempo que o quadro somado leva para percorrer o anel (ciclo de varredura), depende do nmero de escravos e determinista;
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Protocolo INTERBUS - S
Analogia pode ser feita com um trem (quadro somado) que pra em diversas estaes (escravos), deixando alguns passageiros e pegando outros.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Protocolo INTERBUS - S
O nmero mximo de entradas e sadas suportadas pelo Interbus-S de 4096, que podem ser varridas em 7.2 ms;
As distncia entre estaes consecutivas no anel podem chegar a 400 metros, expansveis at 13km com acopladores e sem repetidores;
Nmero mximo de 256 estaes por barramentoremoto e 512 no total, conforme diagrama anexo;
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Protocolo INTERBUS - S
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Protocolo INTERBUS - S
As informaes que o mestre envia para os escravos podem ser: Dados de processo: comandos a executar ou valores
a colocar em uma sada (sujeitos restries de tempo real);
Parmetros de configurao do escravo (sem restries de tempo) enviados em time slotsreservados no quadro somado.
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Protocolo INTERBUS - S A camada de Aplicao define servios PMS (Peripherals
Message Services), que incluem: gerenciamento de conexes; identificao e verificao de status; gerenciamento de objetos; acesso a variveis (read, write, update, etc.); gerenciamento de programas (dowload, upload, start,
stop, resume, etc.);
Organizaes de empresas (DRIVECOM e ENCON) ocupadas em definir padres de utilizao e configurao para INTERBUS-S;
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Protocolo INTERBUS - S
O protoco INTERBUS baseado no modelo OSI porrazes de eficincia, utilizando as camadas de aplicao1, 2, e 7. Certas funes das camadas de 3 a 6, foramtambm includas na camada de aplicao 7.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Configurao Rede INTERBUS-S O dado de processo transmitido de forma acclica em
tempo real, enquanto dados de parametrizao so atualizados de forma acclica em volumes maiores de dados como ou quando necessrio.
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Aplicaes INTERBUS-S Seu campo tradicional de aplicao a indstria automotiva
indstria, mas o INTERBUS est cada vez mais sendo usado como uma soluo de automao de outros processos como:
Transporte de Materiais via esteira;
Indstria de papel e impresso; Alimentcia & Bebidas;
Automao predial, Sistemas da segurana
Indstria de transformao da madeira; Montagem Robtica, Sistemas de aquecimento, ventilao
e ar condicionado;
Iluminao de rua e controles pblicos, etc.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Aplicaes INTERBUS-S
Para aplicaes em condies ambientais crticas ou ambientes que esto sujeitos a interferncia eletromagntica, o cabo serial INTERBUS pode ser substitudo por fibraspticas;
Dependendo dos requisitos, os usurios podem utilizar aplicaes envolvendo cabo de cobre ou transmisso via fibra ptica, sem ter de fazer quaisquer mudanas na topologia da rede ou sistema de estrutura;
Ambos os meios de transmisso podem ser combinados, conforme desejado na rede e sem restries;
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Aplicaes INTERBUS-S
Distribuio de Potncia
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Aplicaes INTERBUS-S
Controle de Moagem...
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Aplicaes INTERBUS-S
Mudana de Processo Alternativo em Centro de Usinagem...
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Protocolo INTERBUS Loop Em 1995 houve o desenvolvimento de INTERBUS Loop,
tambm conhecido como o loop de sensor barramentode instalao local), como extenso lgica do INTERBUS para a conexo direta de sensores e atuadores, atravs de cabo a dois fios;
A tecnologia, INTERBUS Loop (loop sensor, IP 65), oferece uma mtodo fsico de transmisso onde os dispositivos individualmente sero conectados atravs de um cabo a 2 fios sem blindagem em forma de anel e onde a alimentao de 24 V para at 32 dispositivos tambm fornecida atravs do cabo.
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Protocolo INTERBUS Loop
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Protocolo INTERBUS Loop Os dados so transmitidos como sinais de corrente, que
tm um maior nvel de imunidade a interferncias do que os sinais de tenso normalmente utilizados;
Os dados a serem transmitidos so modulados utilizando o cdigo Manchester na tenso de alimentao de 24 V;
As caractersticas fsicas do barramento so convertidas por um mdulo terminal adequado, que pode ser conectado ao anel INTERBUS em qualquer ponto do segmento remoto.
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Protocolo INTERBUS Loop
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Protocolo CAN - Control Area Network Rede CAN (Controller Area Network) desenvolvida pela BOSCH em
1984 com colaborao da Intel para integrar elementos inteligentes em veculos autnomos (eletrnica embarcada);
O CAN veio a ser posteriormente desenvolvido para a aquisio de dados de sensores discretos;
Automvel pode possuir mais de 200 microprocessadores:
- Carburao eletrnica;
- Frenagem anti-bloqueante (ABS);
- Controle e superviso da temperatura do leo e do radiador, presso de leo de freio, etc;
- Ajuste automtico de espelhos retrovisores, banco do motorista, etc.
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Protocolo CAN - Control Area Network
Em 1987 lanado chip 82526 (INTEL); A partir de 1991 outros fabricantes licenciados:
Phillips/Signetics (chips 82C200, 87C592, 82CE598 e 82C150).
Motorola (chip 68HC05). NEC (chip 72005). Siemens, Thompson, National, Hitachi.
Cia CAN in Automation: entidade constituda de usurios e fabricantes de produtos para automao industrial baseados no protocolo. At 1993, a Cia j tinha 64 associados fora da industria automobilstica.
CAN vendeu mais de 5 milhes de chips s em 1995.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Protocolo CAN - Control Area Network Camada fsica (padro ISO/DIS 11898):
Topologia: barramento ou estrela; Taxa de transmisso: 125 Kbps at 1 Mbps;Comprimento mximo do barramento 40m com taxa
de 1 Mbps e at 1Km com taxa de 125 Kbps;Nmero mximo de ns: 64 dispositivos;
A comunicao entre os dispositivos do barramento realizada em modo Multi-Cast, que consiste em identificar a mensagem enviada para o barramento com um identificador nico de rede (os dispositivos no tm identificadores prprios);
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Protocolo CAN - Control Area Network
Os outros dispositivos que esto escuta, ao receberem a mensagem, verificam se a mensagem deve ser processada ou no atravs de um teste de aceitabilidade;
O identificador (IDENTIFIER) tambm responsvel pela definio da prioridade da mensagem, ou seja, quanto menor for o seu valor numrico, maior ser a prioridade da mensagem no barramento. O mtodo utilizado para transmisso de mensagens o CSMA/CD.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Protocolo CAN - Control Area Network
Subcamada MAC: Mtodo de acesso ao meio (Forcing Headers) com
prioridades para mensagens;
Subcamada LLC: Comprimento mximo dos quadros de dados: 8
Bytes; Controle de erro por CRC de 16 bits.
Camadas 3 at 6 do modelo OSI foram suprimidas.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Protocolo CAN - Control Area Network
CSMA/NBA - Carrier Sense Multiple access with Non-destructive Bitwise Arbitration (Forcing Headers);
Qualquer n pode acessar o meio se estiver livre; NBA garante 100% de utilizao do meio e priorizao de
mensagens baseada no identificador de 11 bits do frame; Abaixo vemos um frame CAN:
SOF - Start of FrameEOF End of FrameCRC - Cyclic Redundancy Check (CRC 16)
ACK - Acknowledgment
CRCACK
EOF
SOF
11 bit IDENTIFIER Length 0 to 8 bytes Data
ArbitrationField
ControlField
Data Field
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Protocolo CAN - Control Area Network Como na Ethernet, cada n tenta transmitir se o meio encontra-
se livre. Diferentemente de Ethernet, no h colises; Se 2 ou mais ns iniciam transmisso simultnea, o conflito
resolvido por arbitragem bit a bit usando o campo IDENTIFIER: 0 dominante no fio sobre 1 (operao AND binria); Se um n transmite 1, mas escuta 0, ele imediatamente
pra a transmisso; O n vencedor envia o resto da mensagem; Mecanismo garante que no se perde informaes nem
tempo; O valor do campo IDENTIFIER define prioridade durante
arbitragem (IDENTIFIER mais baixo vence). Isto significa que dois frames no podem ter o mesmo IDENTIFIER.
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CAN Exemplo de Arbitragem
0 0 0 1 00000001 xxxx 11EOF
10110110100 0
N 1 Transmite:
No meio:
0 0 0 1 00000001 xxxx 01EOF
10110110100 0
N 2 Transmite:
0 10110111
N 2 perde arbitrageme pra transmisso!
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Protocolo CAN - Control Area Network
Modelos de comunicao: Frame no contm campos especficos para endereo
destino/origem; Campo IDENTIFIER pode conter endereo de uma
estao, grupo de estaes (multi-casting) ou mensagens a serem difundidas para todas as estaes (broadcasting);
Campo IDENTIFIER pode identificar o contedo da mensagem (dados), que difundida para todas as estaes;
Gerador da mensagem: PRODUTOR; Estaes interessadas no contedo da mensagem:
CONSUMIDORES.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Protocolo CAN - Control Area Network A norma CAN no define especificao para a camada de
Aplicao; Especificao para aplicaes em automao:
CMS (CAN Message Services): servios de leitura e escrita de variveis remotas e tratamento de eventos, baseados no MMS;
NMT (Network Menagement): servios de inicializao e gerenciamento da rede;
DBT (Distributor): prov uma distribuio dinmica de nomes definidos pelo usurio para identificar as mensagens.
O sistema suporta at 2032 objetos, aos quais associado um nmero de identificao nico na aplicao.
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Protocolo LonWorks Lonworks faz parte de um conjunto grande de protocolos
e sistemas que so chamados de Fieldbus. Eles nasceram da necessidade de reduo de custos e do aumento da qualidade em substituio ao modelo 4-20mA em uso desde os anos 60;
A plataforma construda em um protocolo de baixa largura de banda criado pela Echelon (USA) na dcada de 90 para dispositivos de controle para funcionar sobre par tranado, transmisso de dados sobre a rede eltrica, cabo par tranado, fibras ticas e rdio frquncia
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Protocolo LonWorks
muito popular para automao de varias funes prediais como a iluminao, ar condicionado e climatizao (HVAC);
Em 1999 o protocolo de comunicaes (conhecido ento como LonTalk) foi submetido ao ANSI (American National Standards Intitute) e este aceitou-o como um padro para redes de controle;
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Sistema de controle HVAC surge do termo em ingls"Heating, Ventilation and Air Conditioning", o termo relacionado a sistemas que utilizam estas tcnicas. "calefao, ventilao e ar condicionado".
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Protocolo LonWorks
O protocolo tambm uma derivao do padro BACnet para a automatizao de edifcios;
De acordo com estatsticas da Echelon Corporation, jexistem aproximadamente 60 milhes de dispositivos instalados com a tecnologia Lonworks;
Os fabricantes de uma variedade de reas, incluindo construo civil, transportes, utilidades, automao industrial, adotaram o Lonworks como padro;
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Protocolo LonWorks A tecnologia LonWorks possui um protocolo chamado
LonTalk que implementa as sete camadas do modelo OSI - Modelo de Referncia para Interconexo de Sistemas Abertos e possui mecanismos que impedem a modificao acidental ou intencional;
Inclui ainda, outras caractersticas tais como: funes de reconhecimento, comunicao, prioridade na transmisso, deteco de mensagens duplicadas, evitam colises, retransmisso automtica, deteco e correco de erros, padronizao e identificao do tipo de dados;
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Protocolo LonWorks
O protocolo prev dois tipos de camadas fsicas, as redes dedicadas por par tranado ou mesmo fibra tica e a comunicao por linha de energia;
Quando baseada em rede dedicada, opera em 78kbit/s usando codificao Manchester enquanto a verso utilizando a linha de energia, opera em 5.4kbit/s ou 3.6kbit/s;
A plataforma Lonworks aberta permitindo sua integrao com redes TCP/IP, internet e implementao em processadores de mercado (solution provider);
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Protocolo LonWorks
Isto significa que aplicaes que requerem processadores de 16 ou 32 bits no necessitam mais de programa de interface para o microprocessador.
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Protocolo LonWorks
Camada de enlace: subcamada MAC: CSMA preditivo p-persistente com
deteco de coliso e atribuio de prioridades s mensagens (comportamento preditivo quando usado servio com reconhecimento)
subcamada LLC: servios sem conexo (com ou sem reconhecimento) e oferece funes de montagem de quadros e checagem de erros com CRC.
Elementos para interconexo de subredes LON: roteadores pontes
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Aplicaes usando o Lonworks
Linhas de montagem Fabricao de semicondutores Controle de iluminao Controle e gerencia de Energia Sistemas de aquecimento, ventilao e ar condicionado Sistemas da segurana Automao residencial Controles de dispositivos genricos Iluminao de rua e controles pblicos Controle da estao de Petrleo Controle de freios em trens de carga
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Aplicaes usando Lonworks Existem mais de 1 milho de ns instalados nos USA em
aplicaes tais como: Controle de iluminao e controle de eletrodomsticos,
Termostatos e sistemas HVAC Sensores de presena, luminosidade e segurana em
geral; Equipamentos de udio e vdeo (por exemplo, Home
Theaters); Gerenciamento de energia; Controle otimizado de elevadores; Subsistemas de gua e gs (vlvulas, sensores de nvel e
outros componentes), etc.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
HART - Histrico
1. Sistema 4 a 20mA4 a 20mA
Se Resistor = 250, a tenso variar de 1 a 5Vpara corrente entre 4 a 20mA
Comporta-se como umaFonte de corrente.
Programador Porttil(Handheld)
2. Sistema 4 a 20mA edigital proprietrio
4 a 20mA
3. Sistema HARTProgramador Porttil
(Handheld)
4 a 20mA
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Antigamente o controle de processo era feitocom sistemas analgicos: pneumtico e corrente 4 a 20mA. Com o barateamento dos microcontroladores e memrias, o sistema 4 a 20mA comeou a ser substitudo pelos sistemashbridos proprietrios (4 a 20mA e com protocolo de comunicao digital proprietrio).
Tais sistemas no eram interoperveis e prendiam o cliente nas mos das empresasdevenvolvedoras do protocolo.
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O HART, embora hbrido, foi adotado por vrias empresas e tornou-se umareferncia de protocolo simples e robusto e interopervel. A HART Communication Foundation foi criada em 1993. A rede HART a malha de controle!>> Limitaes dos equipamentos analgicos:a) Imprecises no controle de loop fechado Muitas converses D/A e A/D desnecessrias
b) Nenhuma verificao (check) de integridade do sinal Loops de terra e variao na impedncia da fiao podem, por
exemplo, influenciar no sinal de controlec) Potncia limitada (corrente operao < 4mA) Limita o nvel de sofisticao dos equipamentos
d) Risco da existncia de faixas no casadase) Operam limitados determinadas faixas de trabalho Desperdiam-se informaes dos sensores fora da faixa calibrada
f) Equipamentos simples e pouco inovadoresg) No suportam atualizaes de firmwaresh) No reportam alertas.
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Protocolo HART HART:
Highway Addressable Remote Transducer Origem:
Fischer Rosemount 1980
Protocolo Aberto: HCF HART Communication Foundation 1989
HART User Group: Incluindo Siemens, Hitachi, Toshiba, Yokogawa,
ABB, Endress+Hauser, Fischer & Porter, RosemountInc., Camile Bauer, Smar International e outras).
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Protocolo HART
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Protocolo HART Protocolo de comunicao de campo baseado no modelo Mestre /
Escravo. Comunicao bi-direcional entre Mestre e Escravo. Possibilidade de dois mestres (hospedeiros)
Primrio Sistema de Controle, Asset Management,
Secundrio Programador Porttil Handheld (HHT).
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Protocolo HART
Utiliza padro de comunicao Bell 202 FSK (modulao em frequncia porchaveamento);
Opera em modo de comunicao half-duplex assncrono, sobreposto ao sinalanalgico de corrente;
Taxa de comunicao: 1200 bps.
1200 Hz1
2200 Hz04
20
1 mA
Tempo
FSKFSKFSK
mA
Sinal analgico
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Simultaneos 4-20 mA e Comunicao Digital:
Dois Mestres de rede possveis: DCS e HHT
Comunicao Multidrop, at 15 devices. Mestre-Escravo
Compativel com cabos convencionais, controladores, registradores, indicadores, etc.
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Protocolo HART Topologia Multidrop:
Permitidos at 15 equipamentos. Cada um com endereo diferente (de 1 a 15).
Sinal analgico de corrente fixo 4mA
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Protocolo HART
Baseado em Comandos, que possibilitam a troca de dados entre hospedeiro e equipamento de campo
So classificados em trs classes:
Universal;
Common Practice;
Device Specific.
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Protocolo HART
Universal commands :
Reconhecidos e suportados por todos os equipamentosHART.
Possibilitam acesso a informaes importantes duranteoperao normal.
Leitura da PV e unidades Leitura de fabricantes e tipo de equipamento Leitura da corrente de sada e porcentagem da faixa Leitura do nmero de srie e limites do sensor.
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Protocolo HART Common Practice commands :
Opcionais. No necessariamente implementados portodos os equipamentos HART. A Norma recomendaque sejam suportados quando aplicveis:
Comandos teis para transmissores de pressopodem no ser para transmissores de temperatura;
Exemplos: Execuo de auto-diagnstico; Requisitar que a corrente de sada v para um valor
fixo.
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Protocolo HART
Device Specific commands :
Representam funes que so nicas, especficas paracada equipamento.
Permitem acesso a informaes de inicializao e calibrao do equipamento.
Exemplos: Leitura e escrita do tipo de sensor. Leitura e escrita de tabelas com dados do
equipamento.
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Identificao do equipamento: Tag; Descriptor; Tipo do equipamento.
Calibrao: Faixa de operao; Calibrao dos valores de 4 e 20mA; Unidade de engenharia da PV.
HART - Comissionamento
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HART Comissionamento
Comissionamento simples, terminado no campo. Loop test pode ser muito til e, se possvel, deve ser sempre efetuado paragarantir correta instalao e operao de todo o loop de controle. Indicadores, registradores e telas do sistema de controle podem ser verificados e validados.
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Verificao da integridade da malha de controle
50 % 50 % 50 % Modo de Corrente Constante
12 mA
Permite que se fixe a corrente da malha independente do processo;
uma maneira fcil de testar e calibrar indicadores, registradores, controladores e telas de usurio.
12mA
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Protocolo HART Camada Fsica:
Meio fsico: par tranado com at 3.000 m;
Taxa de transmisso: 1.200 bps;
Transmisso assncrona com caracteres UART (1 startbit, 8 bits de dados, 1 bit de paridade e 1 stop bit);
Topologia: barramento ou rvore;
Camada de Enlace:
Mestre-Escravos e Token-Passing;
Tempo mdio de resposta: 378.5 ms;
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Protocolo HART
Camada de Aplicao:
Comandos, respostas, definio de tipos de dados e emisso de relatrios de status.
Os chips HT2012 (Smar Research) e SYM20C15 (SymbiosLogic) servem como modems de baixa potncia para uso em equipamentos de campo;
O chip requer a adio de filtros e comparadores para a operao do protocolo.
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Protocolo HARTDistncia Mxima Tipo de Cabo mm2 (AWG)
1534 m Cabo de par tranado pela 0,2 (24)
3048 m Cabo de par tranado com blindagem
0,5 (20)
Instrumentos/ capacitncia 65 nF/km 95 nf/km 160 nf/km 225 nf/km
1 2800 2000 1300 1000
5 2500 1800 1100 900
10 2200 1600 1000 800
15 1800 1400 900 700
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Protocolo HART
DD Device Description: Arquivo texto fornecido pelo fabricante do equipamento e
formatado segundo as linguagens DDL ou EDDL. Descreve caractersticas e funes especficas de um
equipamento Inclue detalhes de menus e diretrizes para
apresentao grfica das caractersticas Documenta acesso a todos os comandos suportados
pelo equipamento, bem como a todos os parmetros e dados no equipamento
Usado pelo Hospedeiro (inclusive Programador Porttil), que usa o dado e apresenta-o como o usurio deseja.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Comunicao digital no interfere no controle 4 a 20mA;
Fcil de usar e entender; Altamente preciso e robusto; Interopervel e confivel; Larga variedade de equipamentos; Suportado pela maioria dos fabricantes de
equipamentos e sistemas.
HART - Benefcios
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Protocolo HART
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Wireless HART
Objetivo:
Estabelecer um padro aberto e interopervel de comunicao sem fio para as aplicaes de processos industriais para as prximas dcadas(sculo 21).
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Arquitetura
Network Manager distribui chaves de segurana configura e coordena equipamentos e rede.
Gateways interfaceiam os equipamentos sem fio com os hospedeiros. Serial, Ethernet e Wi-Fi, por exemplo, podem ser usadas.
Adaptadores integram equipamentos HART existentes rede. Programadores Portteis (sem fio).
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Wireless HART - Mesh Simples: - Todos os equipamentos sem fio tm
as mesmas potencialidades;- Todos podem ser roteadores.
Confivel:- Podendo atingir 99% medida que a
rede mesh cresce.
Seguro :- Usa chaves e encriptao de dados - Algoritmo AES 128.
Redundncia de caminho garantida:
- Por exemplo, em caso de obstruo
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Meio Fsico
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Meio Fsico EIA - 232
O meio fsico EIA-232 constitudo por um conjunto de especificaes eltricas publicado pela EIA - ElectronicIndustries Association, e que se destina a promover a comunicao srie entre computadores;
Podemos consider-lo como um conjunto de definies e regras que descrevem a interface fsica e o protocolo de comunicao de dados em comunicaes srie de relativamente baixa velocidade, e que so utilizadas normalmente entre computadores e perifricos;
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Meio Fsico EIA - 232 Exemplos concretos da utilizao deste protocolo so:
A comunicao entre PCs, via porta srie; A comunicao entre PCs e e alguns tipos de
impressoras ou plotters; A comunicao entre PCs e modems; entre PCs e
telemveis; entre PCs e PDAs.
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Meio Fsico EIA - 232
No entanto estas aplicaes mais "domsticas" esto hoje gradualmente sendo substitudas pela ligao USB (Universal Serial Bus);
Assim as ligaes por porta srie mantm-se hoje a um nvel "mais industrial", concretamente em programao de PLCs, Centrais Telefnicas, Mquinas Industriais de CNC, etc.
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Meio Fsico EIA - 232 - Paralela A porta paralela original de 8 bits foi desenvolvida pela
IBM em 1981, foi construda para ser usada como um interface muito rpido para impressoras mecnicas de agulhas;
Este tipo de comunicao resultava muito mais rpida do que usar a comunicao porta srie. O sistema de porta paralelo muito mais rpido que a porta srie, pois utiliza 8 linhas paralelas por onde fluem os 8 bits de um byte simultaneamente. Assim o tempo que demora a enviar 1 byte, mesmo que em comunicao srie levaria a enviar um nico bit
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Meio Fsico EIA - 232 - Paralela
Alm destes 8 bits de dados so tambm enviados vrios sinais de handshaking ou informaes de controle;
Cada um destes sinais vai pela sua linha prpria, logo no interferindo com a velocidade de transmisso de dados, e garantindo a consistncia do processo de transmisso.
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Meio Fsico EIA - 232 - Paralela
O maior inconveniente do sistema de porta paralela originalmente denominada SPP (Santdard Paralell Port), o fato de permitir apenas um sentido na comunicao, isto , do computador para a impressora, pois originalmente a comunicao paralelo foi desenvolvida, para acelerar a velocidade de funcionamento das impressoras;
Devido a isso o sistema SPP evoluiu para o ECP e EPP, como detalhado a seguir:
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Sigla Significado Velocidade Descrio
SPP Standard Parallel Port. Razovel
Este protocolo a inclui 8 bits bidireccionais, mas mantm ainda 4 bits unidireccionais.Este tipo de norma foi includa na BIOS de PCs construdos at 1995.
EPP Enhanced Parallel Port. Rpida
Permite operao com transmisso de dados em alta velocidade. Pode-se encontrar esta norma na BIOS de PCsconstrudos com chipsets Intel SL, ou compatveis.
ECP Extended Capabilities Port. Mais rpida
Permite operao com transmisso de dados em alta velocidade. Pode-se encontrar esta norma na BIOS de PCsconstrudos aps 1994 com chipsets da SMC e National, entre outros.
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Meio Fsico EIA - 232 - Paralela O modo ECP permite uma transferncia de dados,
bidirecional e simtrica. Os dados podem ser transferidos entre dois sistemas, oito bits de cada vez em modo halfduplex. Este modo permite velocidade de transmisso de 2 Mbytes/s a 4 Mbytes/s;
O modo EPP permite uma transferncia de dados bidirecional em half duplex e controlada pelo computador. Este modo utilizado essencialmente para comunicao com CDROMs externos, unidades de BACKUP externas ligadas porta paralelo e permite atingir velocidades de transmisso da ordem dos 2 Mbytes/s.
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Meio Fsico EIA - 232 - Paralela
Os principais inconvenientes que as ltimas especificaes tentaram corrigir so o crosstalk e o limite de comprimento no uso de cabos.
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Meio Fsico EIA - 422
A EIA-422 (anteriormente RS-422) um protocolo de comunicao de dados serial que descreve comunicaes a 4-fios, full-duplex, linha diferencial e multi-drop;
Fornece transmisso de dados balanceada com linhas de transmisso unidirecionais;
O comprimento mximo do cabo de 1200m. A taxa mxima de dados de 10 Mbit/s a 12m ou 100 Kbit/s a 1200m;
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Meio Fsico EIA - 422
O EIA-422 no pode implementar uma rede de comunicao realmente multi-point (tal como EIA-485), ainda que somente um driver possa ser conectado a at 10 receivers;
Um uso comum de EIA-422 para extenses RS-232. Em estdios de edio de vdeos ele usado para interligar o quadro de controle central e os equipamentos de execuo/gravao de vdeo e udio. Alm disso, uma variante do EIA-422 compatvel com EIA-232 usando um conector mini-DIN-8 foi amplamente usada em equipamento Macintosh at ser substituda pelo Barramento Serial Universal (USB) da Intel;
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Meio Fsico EIA - 485
O padro EIA-485, criado em 1983, capaz de prover uma forma bastante robusta de comunicao multiponto que vem sendo muito utilizada na indstria em controle de sistemas e em transferncia de dados para pequenas quantidades e taxas de at 10 Mbps;
No EIA-232, os sinais so representados por nveis de tenso referentes ao terra. H um fio para transmisso, outro para recepo e o fio terra para referncia dos nveis de tenso;
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Meio Fsico EIA - 485
Este tipo de interface til em comunicaes ponto-a-ponto a baixas velocidades de transmisso. Visto a necessidade de um terra comum entre os dispositivos, h limitaes do comprimento do cabo a apenas algumas dezenas de metros;
Os principais problemas so a interferncia e a resistncia do cabo. J o padro EIA-485 utiliza um princpio diferente, no qual apenas dois fios so utilizados, que sero chamados de A e B:
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Meio Fsico EIA - 485
Nesse caso tem-se nvel lgico 1 quando, por exemplo A for positivo e B negativo, conseqentemente tem-se nvel lgico 0 quando B for positivo e A negativo.Verifica-se que o nvel lgico determinado pela diferena de tenso entre os fios, da o nome de modo de operao diferencial;
Umas das vantagens da transmisso balanceada sua robustez a rudos e interferncias
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Meio Fsico EIA - 485
O alcance do padro EIA-485 pode chegar a 1300m (4000 ps), porm quanto maior a distncia a ser percorrida pelos dados menor ser a taxa de transmisso, tem-se como base que para distncia de at 40 ps a taxa pode chegar a 10Mbps e para uma distncia de 4000 ps a taxa varia em torno de 100Kbps;
Como o padro EIA-485 foi desenvolvido para atender a necessidade de comunicao multiponto o seu formato permite conectar at 32 dispositivos, sendo 1 transmissor e 1 receptor por dispositivo;
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Meio Fsico EIA - 485
Outra grande vantagem do padro EIA-485 a facilidade de converso do padro EIA-232 ao EIA-485, simplesmente utilizando um CI. Com isso tem-se que a compatibilidade com dispositivos existentes no mercado mantida, visto que a maioria dos computadores jpossui sada EIA-232;
O protocolo RS-485 do tipo half-duplex e no define nem recomenda nenhum protocolo de comunicao.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Protocolo MODBUS O protocolo MODBUS foi criado em 1978 pela Modicon
(hoje Schneider Automation); O protocolo visava originalmente implementar uma maneira
simples de transferir dados entre controladores, sensores e atuadores usando uma porta RS232 (serial convencional);
Aps sua criao, tornou-se padro industrial de-factoadotado por muitas empresas com uma segunda opo para intercmbio de dados;
MODBUS um protocolo proprietrio da Schneider Automation. No entanto, a Schneider Automation optou por uma licena sem royalties e as especificaes do protocolo esto disponveis em seu web-site gratuitamente;
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Protocolo MODBUS
O MODBUS essencilamente uma estrutura de troca de mensagens usada para comunicao tipo mestre -escravo / cliente-servidor entre dispositivos inteligentes;
Como o protocolo MODBUS somente uma estrutura de troca de mensagens, ele independente da camada fsica subjacente;
MODBUS usualmente implementado tambm utilizando RS422, ou RS485 sobre uma variedade de meios de transmisso (fibra, rdio, celular, etc.);
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Protocolo MODBUS
Exemplos: ler grupo de entradas; ler dados de um grupo de registradores; ler status do escravo para diagnstico; escrever em um grupo de sadas ou registros; permitir carregamento, gravao ou verificao do programa no escravo;
Quando o escravo responde ao mestre, este campo indica se a operao ocorreu sem erros (ecoa dado recebido).
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
A imagem abaixo mostra um exemplo de rede Modbuscom um mestre (PLC) e trs escravos (mdulos de entradas e sadas, ou simplesmente E/S);
Em cada ciclo de comunicao, o PLC l e escreve valores em cada um dos escravos;
Como o sistema de controle de acesso do tipo mestre-escravo, nenhum dos mdulos escravos inicia comunicao a no ser para responder s solicitaes do mestre.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Protocolo MODBUS
Basicamente, uma comunicao em Modbus obedece a um frame que contm o endereo do escravo, o comando a ser executado, uma quantidade varivel de dados complementares e uma verificao de consistncia de dados (CRC);
Exemplo: Se o PLC precisa ler as 10 primeiras entradas analgicas (do endereo 0000 ao 0009) no mdulo 2 ser necessrio utilizar o comando de leitura de mltiplos registros analgicos (comando 3);
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Variaes MODBUS
Em redes seriais baseadas em RS-485 ou RS-232 o Modbuspode ter duas variaes: RTU e ASCII;
Modbus RTU: Neste modo os dados so transmitidos em formato binrio
de oito bits, permitindo a compactao dos dados em pequenos pacotes;
RTU a sigla inglesa para Remote Terminal Unit; No modo RTU, os endereos e valores podem ser
representados em formato binrio; Nmeros inteiros variando entre -32768 e 32767 podem
ser representados por 2 bytes; O mesmo nmero precisaria de quatro caracteres ASCII
para ser representado (em hexadecimal).
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Variaes MODBUS Em redes seriais baseadas em RS-485 ou RS-232 o Modbus
pode ter duas variaes: RTU e ASCII; Modbus RTU:
Neste modo os dados so transmitidos em formato binrio de oito bits, permitindo a compactao dos dados em pequenos pacotes;
RTU a sigla inglesa para Remote Terminal Unit; No modo RTU, os endereos e valores podem ser
representados em formato binrio; Nmeros inteiros variando entre -32768 e 32767 podem
ser representados por 2 bytes; O mesmo nmero precisaria de quatro caracteres ASCII
para ser representado (em hexadecimal).
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Redes Industriais
Aula 3
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Redes Industriais
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Redes de Automao IndustrialPirmide da Automao:
nvel de controle
nvel de produo
nvel de remotas
nvel de processo e controle
nvel de sensores e atuadores
ERP, Ethernet
PROFIBUS-DP/PAFoundation FieldbusDeviceNet,4-20mA/HART
AS-Interface
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
O que um Sistema de Bus?
Um sistema de Bus uma rede de comunicaoserial usada para a transmisso de dados digitais.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Associao AS-i H 9 associaes AS-Interface pelo mundo com 80
membros internacionais
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Como o AS-i Diferente? Sistemas tradicionais consistem em fiao paralela
Cada sensor ter 2 ou 3 fios conectados ao PLC; Grande quantidade de fiao e localizao de
problemas um pesadelo;
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
O sistema AS-i A alternativa inteligente:
Sensores e atuadores podem ser conectados aosistema em qualquer ponto;
Design modular; O master AS-i substitu os cartes de E/S.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
O sistema AS-i Livre escolha da topologia da rede:
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As Vantagens do AS-i Um par de fios ao invs de multi-cabeamentos; Auto-Sensing; Tempo de Scan Rpido: 5,0ms a 10,0ms Conexo de sensores e atuadores binrios; Instalao de baixo custo; Menor tempo de comissionamento; Conexo de sensores inteligentes; Diagnstico de todos os participantes AS-i; Reduo de documentao; Melhora na manuteno - diagnstico do tipo e localizao de
problemas; Economia - reduo de fiao, menores cabines de controle, menor
tempo de planejamento e instalao; Fcil programao.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Limitaes do AS-i
O AS-i foi conscientemente construdo e otimizado para uso em aplicaes abaixo dos fieldbuses;
Sendo assim, algumas capacidades dos fieldbuses de alto nvel no podem ser realizadas em AS-i. Algumaslimitaes devem ser conhecidas:
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Limitaes do AS-i Os dados transmitidos em AS-i so limitados a 4 bits
por escravos que podem ser trocados a cada ciclo. Mensagens longas podem ser transmitidas dividindo-as em vrios ciclos. Isto pode ser usado em processos de dinmicas lentas, como presso ou temperatura (valores analgicos);
AS-i estritamente mestre-escravo, com varredura cclica por escravos. Isto impede a transmisso assncrona pelos sensores e atuadores. Os escravos devem aguardar 10 ms (no caso de uma rede com 62 escravos) at ser chamado novamente;
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Limitaes do AS-i
A transferncia de dados de escravo para escravo s possvel via mestre;
A limitao de comprimento do cabo de 100m sem o uso de repetidores. Esta limitao fsica se deve a manuteno de outros critrios como o tempo de ciclo da rede, tipo de topologia livre e a no exigncia de resistores de terminao.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Caractersticas do AS-interface
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Como o AS-i Funciona?
O master AS-i organiza a comunicao com os escravos;
A informao transferida serialmente;
Modo sncrono / Modo Assncrono
Os dados so codificados:
A informao transformada em uma forma de ondaque mais fcil de transmitir, mais robusta e com maior nvel de imunidade a rudos.
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Componentes da Rede AS-i
Flat Cable
Master AS-i
Escravo AS-i
Fonte AS-i
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Comunicao Mestre - Escravo
ALLEN-BRADLEY
7 8 9
4 5 6
1 2 3
. 0 -
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Caractersticas Rede As-i
Cabo AS-Interface:Alimentao CC no mesmo par de comunicao
Fonte ASI30,5 Vcc
100m Max.31 Escravos Max.
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Topologias Aplicveis
Topologia livre, somente h limitaes no comprimento do cabo
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Flat Cable AS-i
O cabo perfilado previne a inversode polaridade do cabo;
Instalao de baixo custo graas a tecnologia de conexo;
Um mdulo de acoplamento para um grande range de aplicaes: Mdulos de I/O, derivadores, etc.
Para a transmisso de dados e energia;
Interface padronizada garante a compatibilidade.
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Flat Cable AS-i
Flat cable perfilado: mesma tecnologia para a transmisso de dados AS-i
e alimentao Tecnologia de conexo:
Simples e segura Proteo IP67
Conexo simples e direta de sensores/atuadores ou mdulos;
Diferentes tipos de cabos: Cabo PUR resistente a leo Cabo PVC resistente agua
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Flat Cable AS-i
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Flat Cable AS-i
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Master AS-iControlador com 1 ou 2
masters e interface serial (RS 232 C or RS 485)
Controlador AS-i DP com 1/2 master(s), interfaces serial e
field bus (Profibus-DP)
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Softwares AS-i
De acordo com o padro IEC 1131-3; Softwares para o manuseio completo do controlador; Escolha de diferentes linguagens de programao:
Ladder Diagram Blocos de Funes Lista de Instrues Sequential Function Chart (SFC)
Permitem o desenvolvimento do projeto AS-i completo; Comissionamento e teste de I/Os; Controle e visualizao do status do master; Visualizao integrada.
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Software AS-i
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Escravos AS-i
Tecnologia modular AS-I; Tecnologia de conexo de baixo custo instalao,
simples atravs de uma chave-de-fenda; Pequenos mdulos de I/O descentralizados para
montagem em campo com fator de proteo IP 67; Vrias combinaes possveis por causa da interface
EMS padronizada; Parte inferior para a conexo de mdulos, repetidores,
extensores, derivadores; Opo de flat cable ou cabo coaxial.
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Escravos AS-i
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1 Sem. /2011 Redes Industriais
Sensor AS-i Inteligente
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Fonte de Alimentao AS-i
Fornece energia para a gerao do sinal de dados
Responsvel pela filtragem de dados (potncia e dados no mesmo cabo);
Modo chaveado projetado para uma maior eficincia, menor tamanho e peso;
Diferente da maioria das fonte
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