aula 11 - ltc36b

AULA 11 - LTC36B

Introdução a Disciplina de Controle Supervisório

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Prof. Leandro Castilho Brolin

UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do ParanáDAELN – Departamento de Eletrônica

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RESUMO

(1) Redes de Computadores(2) Protocolos de Comunicação(3) Sistema de Controle

OBJETIVO DA AULA

Ao final da aula o aluno terá uma noção básica dos tipos de redes empregadas na indústria e suas aplicações.

REDES DE COMPUTADORES

➢ As redes surgiram devido a necessidade de integração de todo o conjunto de informações contido na indústria;

➢ A comunicação se faz necessária entre o grande número de dispositivos digitais processados encontrados na indústria em diferentes níveis;

➢ Uma rede de computadores é composta basicamente por:

➢ Unidade de Processamento – Aplicativo gerador de dados;

➢ Sistema Especialista – Sistema gerenciador (equipamento de rede, placa que contém interface elétrica de comunicação, circuitos digitais especiais, buffers de memória e software);

➢ Meio Físico – Linha transmissora de dados (cabo coaxial, fibra ótica, radiofrequência, micro-ondas, satélites, entre outros).


➢ Um processo pode ser definido como sendo um conjunto de tarefas ou tomadas de decisões, executado pela unidade processadora para a realização de uma operação qualquer. Pode ser classificado em dois tipos:

➢ Centralizado – Todos os processos encontram-se no mesmo computador ex. Caixa eletrônico;

➢ Distribuído – Os processos encontram-se me lugares distintos;


PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO

➢ Para que uma mensagem trafegue na rede de dados, é preciso estabelecer um conjunto de regras que defina como, de que forma, essa mensagem vai chegar ao seu destino;

➢ Ao conjunto de regras, precedimentos e leis que governam a troca de informação entre dois ou mais processos, define-se como um Protocolo de Comunicação;

➢ O Protocolo tem como objetivo permitir a troca de informações entre dois processos quaisquer, dentro de um sistema distribuído;

➢ Confusão entre os vários Protocolos criados pelos diversos fabricantes;


➢ Todos os protocolos possuem funções tais como:

➢ Endereçamento;

➢ Estabelecimento de conexão;

➢ Confirmação de recebimento;

➢ Pedido de retransmissão;

➢ Conversão de código;

➢ Numeração e sequência;

➢ Controle de fluxo.


➢ Para o cumprimento das funções descritas anteriormente, os protocolos podem ser especificados segundo dois critérios:

➢ Especificação Lógica: é a parte do protocola que especifica o seu formato definindo o número de bits ou bytes da mensagem. Define se vai existir um bit no início e outro no final da mensagem, caracterizando o formato do tipo de controle. É responsável pela sintaxe do protocolo;

➢ Especificação procedural: é a parte do protocolo que especifica as ações tomadas por parte dos processos ao receberem a informação, ou seja, determina quando a comunicação deve ser estabelecida definindo quem inicia e quem termina a comunicação, quem valida a mensagem. É o responsável pela semântica do protocolo.


MODELO DE REFERÊNCIA OSI

➢ A ISO (International Stardard Organization), estabeleceu em 1977 um padrão de comunicação para um protocolo de comunicação de um barramento de campo;

➢ Criou o modelo OSI (Open System Interconection) que define sete camadas para o modelo do protocolo de comunicação.


MODELO DE REFERÊNCIA OSI


TAREFA DE CASA

ENTREGAR UM TRABALHO (ESCRITO À MÃO) NO DIA DA PROVA EXPLICANDO QUAL A FUNÇÃO DE CADA CAMADA ESTABELECIDA PELA ISO.


Tipos de Protocolos de Enlace

➢ São classificados em dois grandes grupos:

➢ Assíncronos: orientados a bit (ex. protocolo start-stop-bit), é simples, econômico, baixo grau de segurança e velocidade que varia entre 1200 e 16 k bits;

➢ Síncronos: orientados a byte (ex. protocolo HDLC), alto grau de confiança, os mais rápidos, os mais eficientes, custo mais elevado;

➢ OBS. Existem outros protocolos mais antigos utilizados para redes de longa distância, baseados em caractere.


ESTRUTURA DAS REDE DE COMUNICAÇÃO

➢ São encontradas duas formas básicas:

➢ Estrutura Hierárquica;

➢ Estrutura Distribuída;

Estrutura Hierárquica com Computador Central:

➢O computador central gerencia todo o conjunto de informações sobre a comunicação;

➢O SDCD estabelece diferentes níveis dentro da rede.


Estrutura Distribuída:

➢ Todos os integrantes da rede devem ser capazes de receber mensagens e reencaminhá-las;


Topologia em Barramento

➢ Esse tipo de configuração é muito utilizado no meio industrial, uma vez que ele não necessita tomar decisões complexas em roteamento, pois as mensagens vão tramitar na rede sem a participação dos nós de comunicação intermediários, não havendo, portanto, a ocorrência de armazenamento de mensagens em subsistemas;

➢ A única responsabilidade de cada nó é a de identificar as mensagens que lhe são destinadas;

AS REDES INDUSTRIAIS DE COMUNICAÇÃO E CONTROLE

A Interconectividade

➢ Necessidade de conexão dos SDCDs ao níveis hierárquicos mais elevados;

➢ Os dados no campo integrados aos banco de dados de gestão;

➢ Exemplos de técnicas: MES (Manufacturing Execution System), ERP (Enterprise Resource Planning) e similares;

➢ Estas técnicas incluem gateways capazes de adaptar os sinais e protocolos entre os SDCDs e a comunicação como a Ethernet;

➢ A automação e controle vêm acompanhando a tendencia de utilizar a internet como um meio de integração de dados.


➢ As vantagens da interconexão em rede dos diversos equipamentos das industrias podem ser:

➢ Visualização e supervisão do processo de produção;

➢ Aquisição de dados do processo mais eficiente e rápida;

➢ Melhora do rendimento do processo, em geral;

➢ Aumento do intercâmbio de dados de processo entre setores e departamentos distintos, com maior velocidade;

➢ Programação remota, sem necessidade de acesso físico a dispositivos de chão de fábrica.


A CLASSIFICAÇÃO DAS REDES

➢ É comum estabelecer 4 níveis para a implementação de uma rede industrial, respeitando a hierarquia dos equipamentos, assim tem-se:

1) Nível de administração:

✔ É o nível mais alto;

✔ Fazem ponte entre os processos produtivo e administrativo;✔ Ex. Supervisão de vendas, controle de estoque;✔ Tipos de rede empregados: Rede de Área Local (LAN – Local

Area Network) e Rede de Área Ampliada (WAN – Wide Area Network)


2) Nível de controle:

✔ Encarrega-se de agrupar e dirigir as distintas áreas de produção;

✔ Neste nível ficam as estações de projeto, controle de qualidade, programação, etc;

✔ Usa-se a rede tipo LAN;

3) Nível de campo e processo:

✔ Integra pequenas automações, CLPs, multiplexadores de E/S, controladores PID, etc., dentro de sub-redes ou ilhas;

✔ No nível mais elevado geralmente encontram-se os CLPs agindo como mestres da rede ou mestres flutuantes;

✔ Neste nível empregam-se alguns dos barramentos de campo.


4) Nível de entradas / saídas:

✔ É o nível mais próximo do processo;

✔ Encontram-se sensores, transmissores e atuadores.


REDES LAN INDUSTRIAIS

➢ São as redes de nível hierárquico mais elevadas. Os padrões mais conhecidos:

➢ MAP (Manufacturers Automation Protocol): Nasceu dentro da GM destinado ao ambiente industrial. Foi normalizado pelo IEEE. Não chega ao nível de barramento de campo, mas permite pontes terminais para acessá-los;

➢ Ethernet: Projetada pela Xerox e registrada junta à Digital e Intel, e é compatível com o modelo OSI nos níveis 1, 2 e 3 (este através de ponte). As velocidades vão de 10 a 100Mbytes da Fast-Ethernet.


BARRAMENTOS DE CAMPO

➢ Propiciam a interligação dos modernos instrumentos digitais de campo;➢ Não utilizam sinais de 4 à 20mA, e sim enviam sinais digitais no mesmo

cabo de alimentação utilizados nos equipamentos;➢ Assim, é possível transferir dados entre vários instrumentos de campo e

de sala de controle, simultaneamente, em tempo real, fazendo a aquisição de dados, o controle de malha, o diagnóstico dos instrumentos da rede, a configuração, os alarmes, alterar parâmetros de controle e etc;

➢ A ligação em série dos componentes é cada vez mais utilizada, devido ao menor custo de material e mão de obra, maiores velocidades nos tempos de comando, dentre outros;

➢ Interligação entre equipamentos de fabricantes distintos, o projetista fica livre para poder escolher;

➢ Constitui o nível mais simples e próximo do processo.


REDE AS-i (Actuator Sensor Interface)

➢ É uma rede simples para conexão direta a sensores e atuadores discretos;

➢ Formou-se em 1991 sendo aberta a qualquer fabricante ou usuário;

➢ Do nível mais baixo da automação (E/S) até a comunicação de redes de nível mais alto e dispositivos de controle;

➢ Reduz custo da instalação, transporta dados e alimentação no mesmo cabo;

➢ Pode ser ligado até 248 elementos na rede;

➢ Pode-se alcançar até 200m de rede utilizando repetidores;

➢ Alimentação do cabo em 24Vcc até 8A;

➢ Utiliza o código Manchester, que possibilita uma boa imunidade à interferências tanto na alimentação quanto nos dados;

➢ A configuração da ligação está na figura a seguir.


➢ PLC é o mestre e podem ser conectados até 31 escravos na rede, sendo que cada escravo pode conectar-se a mais 4 equipamentos;

➢Cada escravo tem um endereço atribuído pelo PLC mestre.


Modelo de comunicação do AS-i:

➢Utiliza o princípio de um cabo comum, onde podem ligar todos os elementos periféricos. O elemento básico do AS-Interface é um “chip” escravo, através do qual os sensores e atuadores se ligam ao cabo AS-Interface;

➢Em cada ciclo, 4 bits de informação são transferidos em série do mestre para todos os escravos. Outros 4 bits são devolvidos dos escravos para o mestre com entradas ou saídas;

➢O “chip” e outros componentes associados podem estar num módulo de interface onde sensores ou atuadores tradicionais podem ser ligados ou estarem integrados nos próprios sensores ou atuadores. Assim o utilizador pode usar tanto equipamento já existente como equipamento específico AS-Interface;


Comunicação Mestre-escravo do AS-i:

➢O sistema AS-Interface utiliza apenas um mestre por rede para controlar a troca de dados. O mestre chama cada escravo, sequencialmente e aguarda pela sua resposta. Utilizando uma transmissão de formato fixo, o AS-Interface elimina a necessidade de processos complicados de controle de transmissão;

➢O mestre consegue interrogar os 31 escravos e atualizar as E/S em menos de 5ms;

➢Podem existir 2 tipos de escravos: o primeiro é um módulo que permite a ligação de atuadores e sensores standard 24 VDC. Podem ser módulos IP67 ou IP20 (4 entradas e 4 saídas), para um total de 248 E/S num sistema;

➢O segundo tipo é o atuador ou sensor dedicado AS-Interface. Cada uma destas unidades gere 4 bits de entrada e 4 bits de saída;

➢Cada um destes equipamentos tem um endereço único na rede.


REDE BITBUS➢ É uma rede de comunicação em série tipo barramento de campo;

➢ Baseia-se numa linha compartilhada tipo RS-485 com várias estações penduradas no mesmo cabo;

➢ Pode ser implementada também em fibra ótica;

➢ Utiliza estações mestre e estações escravas;

➢ A prática mostra que com a utilização de cabos blindados, aterrados adequadamente, esta rede mostra-se excelente para ambientes ruidosos;

➢ Cada par de fios contém uma impedância de 120 ohms e devem ser terminados com uma resistência de 120 ohms (evita reflexão de ondas estacionárias);

➢ Contém um ou dois pares de fios torcidos e blindados, um par para dados e outro para o clock quando aplicado em modo síncrono;

➢ Normalizado pela IEEE;


➢ A rede Bitbus pode ser configurada de várias maneiras:

➢ Mestre-escravo;

➢ Em arvore com repetidoras para distâncias maiores, em auto-clock pois as repetidoras não retransmitem o sinal de clock;

➢ Árvore multinível, onde se usam acoplamentos mestre-escravo para formar sub-barramentos em vários níveis. Cada nível pode operar com velocidades diferentes e tem seus próprios endereços;

➢ Toda a rede Bitbus é composta por elementos básicos denominados de nós;

➢ Um nó é qualquer dispositivo que contenha ao menos uma interface com a rede.


➢ Os nós podem ser:

➢ Mestre: Controla o acesso à uma rede de qualquer nível, mediante um protocolo de comunicação tipo pergunta-resposta;

➢ Escravo: É um nó controlado pelo mestre, que só transmite quando o mestre o chama. Pode ser conectado a um bloco de E/S;

➢ Repetidor: Se encarrega de regerar os sinais de dados da rede (mas não é relógio). Aumenta o comprimento físico da rede;

➢ Expansão de entradas e saídas: é qualquer dispositivo E/S que se conecta à rede ao a um escravo;

➢ Obs. A troca de mensagem entre escravos só se dá perante a solicitação do mestre.


REDE PROFIBUS➢ Inclui ao menos 3 tipos que são:

➢ Profibus-DP (Decentralized Peripherals):

✔ Foi a primeira versão criada;

✔ Alta velocidade de acesso econômico;

✔ Mais utilizado para transmissão e controle das variáveis discretas nos sistemas de manufatura, com entradas e saídas distribuídas em campo;

✔ Configuração tipo plug and play.

➢ Profibus-PA (Process Automation):

➢ É a versão mais moderna do Profbus;

➢ Interconecta sensores, atuadores e controladores em um barramento comum;

➢ Aplicado em áreas classificadas;

➢ Transmissão de dados e alimentação em um único par de fios DC.


REDE PROFIBUS➢ Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification):

✔ Aplicado ao nível de controle e supervisão (onde encontram-se os CLPs);

✔ É adequado para tarefas de comunicação extensas e complexas.

● Implementado em chips ASIC produzidos por diversos fabricantes;● Baseada em RS485 e na especificação europeia EN50170;● Os tempos de resposta são bons, podendo chegar aos 5 ms para uma

rede a 12 Mbps.

Histórico:● Origem em 1987, pelos fabricantes de automação e o governo Alemão;● Definição do Profibus DP em 1993;● Aceite como norma europeia, EN50170, em 1996;● Incluída na norma IEC 61158 em 2000.


REDE Fieldbus Foundation – ISA SP-50➢ É um sistema de comunicação bidirecional, totalmente digital, serial, que

interconecta equipamentos de medição e controle, tais como sensores, atuadores e controladores;

➢ É uma rede local LAN para automação e instrumentação de controle de processos;

➢ Tem a capacidade de distribuir a aplicação de controle ao longo da rede, pois possuem blocos funcionais o que permite que os mesmos desempenhem a função do controlador;

➢ É baseado no padrão Profibus-PA, e juntamente com os Blocos de Descrições de Dispositivos, permitem uma comunicação simples, harmônica, e padronizada;

➢ Compõem malhas abertas para a aquisição de dados, ou fechadas, para controle, que funcionam de maneira autônoma, independente da salas de controle (mesmo com a supervisão desligada);

➢ O novo equipamento plugado na rede já anuncia sua presença na rede, facilitando ao operador sua configuração on-line;

➢ Função mestre secundário;


REDE Fieldbus Foundation – ISA SP-50➢ Redução no custo da instalação de até 60% nos cabos e infraestrutura;

➢ Economia nos desenhos e diagramas;

➢ Economia na mão de obra da instalação;

➢ Redução no tempo de partida da planta, já que as configurações dos Blocos Funcionais pode ser feito de forma off line;

➢ A vantagem da rede Fieldbus é que os dispositivos como atuadores e transmissores podem rodar os algoritmos de controle, descentralizando assim o sistema de controle;

➢ Outra grande vantagem é a calibração remota, diagnósticos avançados, alarmes, o TAG do instrumento, dentre outras associadas ao dispositivo;

➢ Não pertence à nenhuma empresa, ao contrário dos protocolos de redes proprietários. Não tem fins lucrativos;

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