Redes Industriais · MITCHELL, Ronald W. PROFIBUS – A Pocket Guide, ISA, 2004. ENGENHARIA...

Redes Industriais

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Redes Industriais e supervisórios

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Definição de Redes Industriais

Dentro da automação industrial e/ou instrumentação, define-se

como rede industrial os protocolos de comunicação utilizados

para supervisionar e controlar um determinado processo, com

uma troca rápida e precisa de informações

entre sensores, atuadores, computadores, CLPs, entre outros.

Termos importantes:

Informação;

Integração;

Flexibilidade;

Confiabilidade;

Robustez;

Custo.

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Ementa

Redes industriais para automação: Conceitos, aplicações,

topologias, protocolos e padrões comerciais.

Sistemas supervisórios.

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AVALIAÇÃO DA APRENDIZAGEM:

Nota Bimestral 1:

50 pontos – avaliação bimestral.

20 pontos – 04 relatórios.

10 pontos – 01 Exercício avaliativo

20 pontos - prova colegiada.

Nota Bimestral 2:

50 pontos – avaliação bimestral.

20 pontos – 04 relatórios.

30 pontos – 02 Exercícios avaliativos

Guias de sala e relatórios: Dentro do prazo – 100%;

Uma semana de atraso – 70%

Depois de uma semana – Não será recebido.

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BIBLIOGRÁFIA BÁSICA

MONTEZ, C. Redes de Comunicação para Automação

Industrial. 2005.

LOPES, Ricardo A. Sistemas de Redes para Controle e

Automação. Editora Book Express, 2005.

MITCHELL, Ronald W. PROFIBUS – A Pocket Guide, ISA,

2004.

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BIBLIOGRÁFIA COMPLEMENTAR

1 - Hermann Kopetz, “Real-Time Systems: Design Principles for Distributed

Embedded Applications”, Kluwer Academic Publishers, Massachusets, USA,

1997.

2 - Nimal Nissanke, “Real-Time Systems”, Prentice Hall Europe, 1997.

3 - MARSHALL, Perry S. e RINALDI, Jonh S. Industrial Ethernet. ISA,

2005.4. J. R. Jordan, “Serial Networked Field Instrumentation”, John Wiley &

Sons Inc, New York, USA, 1995.

4 - BOYER, Stuart A. SCADA. Supervisory Control and Data Acquisition. 3rd

ed. ISA, 2004.

5 - Jean Pierre Thomesse, “A Review of the Fieldbuses”, Annual Reviews in

Control 22 (1998) pp. 35-45, Pergamon.

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• Sistema de Comunicação bidirecional em tempo real que permite a troca de informação digital entre os dispositivos de nível de campo e os dispositivos de controle.

PLC1 IHM

Sensor

PLC2 ALLEN-BRADLEY

7 8 9

4 5 6

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F1

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F7

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v

Driver

Módulo I/O

Válvulas

Robo

O que é uma Rede Industrial?

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Evolução das Arquiteturas de Controle e Automação Industrial

Centralizado

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Evolução Tecnológica

Centralizado

• necessidade de:

– maior velocidade;

– maior capacidade de memória;

– alta confiabilidade;

– cabeamento

– conectores

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Distribuído e Integrado

Evolução Tecnológica

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Em Rede Local

Evolução Tecnológica

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Evolução das Instalações

Blocos de E/S distribuídos ao

longo da fábrica.

Menor custo de instalação.

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Evolução das Instalações

Sensores e atuadores inteligentes.

Ganho funcional.

Baixo custo de instalação.

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Evolução das Instalações Tendência

Sensores e atuadores inteligentes.

Ganho funcional.

Baixo custo de instalação.

Sistema aberto

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Internet das Coisas (IoT)

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Indústria 4.0 – Arquitetura Básica

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A rede convergente

As primeiras redes de dados limitavam-se a trocar informações baseadas em

caracteres entre sistemas de computadores conectados.

O telefone, o rádio e as redes de televisão tradicionais foram mantidos separados de

redes de dados.

Antigamente, cada um desses serviços exigia uma rede dedicada, com diferentes

canais de comunicação e tecnologias diferentes para carregar um sinal de

comunicação específico.

Cada serviço possuía seu próprio conjunto de regras e padrões para assegurar a

comunicação bem-sucedida.

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Computação em nuvem

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Controladores na neblina

Sensores recolhem dados e encaminham essas informações aos controladores. O

controlador pode encaminhar qualquer informação reunida pelos sensores para

outros dispositivos na neblina, como mostrado na figura.

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Sensores habilitados por IP

Alguns sensores e atuadores são compatíveis com TCP/IP, o que exclui a

necessidade de um controlador.

Neste exemplo, o gateway desempenha a função de roteamento necessária para

fornecer conectividade com a Internet para dispositivos habilitados por IP.

Os dados que esses dispositivos geram podem ser transportados para um servidor

regional ou global para análise e processamento.

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Redes industriais - Conceitos

O Sistema de Comunicação possui:

• Topologia;

• Meio de transmissão;

• Protocolos.

Escravos

Mestres

Token

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Redes industriais - Conceitos

O Sistema de Comunicação possui:

• Topologia: forma de interligação dos elementos

na Rede

BARRAMENTO

(BUS)

ANEL

(RING)

ESTRELA

(STAR)

ÁRVORE

(TREE)

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Redes industriais - Conceitos

O Sistema de Comunicação possui:

• Protocolos: Régras de comunicação entre

dispositivos

Modbus +

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•Fieldbus é um termo genérico para sistemas de comunicação

serial industrial.

Representa um sistema de comunicação digital bidirecional que

interliga equipamentos inteligentes de campo com sistemas de

controle ou equipamentos localizados na sala de controle.

Porém ocorria um problema: existiam vários fabricantes de

CLPs e milhares de fabricantes de dispositivos de entrada e

saída.

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No ano 2000 foi definida uma norma na tentativa de se

padronizar as redes de automação industrial, norma IEC 61158,

que é composta pelas redes:

• Controlnet;

• Profibus;

• Interbus;

• P-Net;

• WorldFIP;

• SwiftNet;

• Fieldbus Foundation.

Redes industriais - Conceitos

O Sistema de Comunicação possui:

• Meio de transmissão: Elemento físico utilizado

para a propagação de dados

485 - Par

Trançado Coaxial

Ethernet

Radio

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As redes industriais são padronizadas sobre 3 níveis de

hierarquias cada qual responsável pela conexão de diferentes

tipos de equipamentos com suas próprias características de

informação.

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• Information Layer:

- o escalonamento da produção

- operações de monitoramento estatístico

- utiliza Ethernet operando com o protocolo TCP/IP.

• Control Layer:

- nível de controle da rede

- incorpora PLCs, DCSc e PCs

• Discrete control:

- ligações físicas da rede ou o nível de I/O.

- conecta os equipamentos de baixo nível tais como

sensores discretos, contatores e blocos de I/O.

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Tipos de controle e dispositivos

Sentido de transmissão

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Sentido de transmissão

Canal Simplex: Direção de transmissão é inalterada.

Por exemplo: uma estação de rádio.

Canal Half-duplex: Direção pode ser revertida.

As mensagens podem fluir nas duas direções, mas nunca ao

mesmo tempo.

Canal Full-duplex: Permite que mensagens sejam trocadas

simultaneamente, em ambas as direções.

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Há dois métodos de transmissão de um sinal

elétrico

Single Ended - Um fio que carrega o sinal e outro de

referência;

Se houver N sinais para transmitir, haverá N + 1fios;

Desvantagem tem apenas um fio de retorno;

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Diferencial – Transmissão por pares de fios;

Há dois métodos de transmissão de um sinal

elétrico

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O meio de transmissão de dados serve para oferecer suporte ao

fluxo de dados entre dois pontos. Em ambiente industrial

apresenta características e necessidades especiais:

• ambiente hostil para operação;

• a troca de informações se dá, na maioria das vezes, entre

equipamentos e não entre um operador humano e o

equipamento;

• os tempos de resposta e a segurança dos dados podem ser

críticos;

• uma grande quantidade de equipamentos pode estar

conectada na rede, o que torna a questão de custos muito

importante.

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Modos de transmissão

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Modos de transmissão

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Características :

-Instalação média dificuldade - custo

alto - Taxa de transmissão: alta -

dezenas de Gbps

- Cabo longo (ordem de Km) -

Totalmente Imune à Interferência

eletromagnética

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Radiofrequência – Wireless

Características :

- Instalação simples - custo baixo

- Taxa de transmissão: média - dezenas de Mbps - Alcance

médio (centenas de m) - Média imunidade a Interferência

eletromagnética

CAN = Control Area Network

Criado e normalizado pela Bosh na década de 80 (ISO IS-

11898-2);

Sistema balanceado – referenciado ao terra no positivo e no

negativo (o sinal trafegado é a diferença entre CANH e CANL);

Distância máxima = 500 metros (para 125Kbps);

Taxa de transmissão máxima = Até 1Mbps (mais comum até

500Kbps).

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CAN = Control Area Network

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Application information.

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Manchester/APM

● A codificação Manchester/APM é um código de linha que tenta

manter a integridade da informação;

● Evita uma sequência longa do mesmo bit e com isso evita a

perda de sincronismo.

Consiste em substituir do sinal NRZ(não retorna a zero) o bit ‘0’

por ‘10’ e ‘1’ por ‘01’;

● O sinal codificado é modulado em APM (Alternate Pulse

Modulation), onde o sinal digital é convertido em variações de

fase de um sinal analógico;

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Manchester

● Taxa de transmissão típica = 31,25 Kbps (podendo chegar até

167,5 Kbps);

● Distância = depende do cabo utilizado (pode chegar até 1900

metros no Foundation Fieldbus);

● Transmitido sobre um sinal DC (rede com apenas 2 fios);

● Utilizado na rede AS-i com até 62 escravos.

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Manchester

RS-485 (Recommended Standard - IEEE)

● Capacidade de 32 unidades de carga;

● Sistema diferencial (balanceado) – sinal trafegado é a

diferença das tensões dos dois condutores do par trançado;

● Taxa de transmissão máxima = 10 Mbps;

● Distância máxima = 1200 metros;

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Nível lógico 0 → A+ e B-

Nível lógico 1 → B+ e A-

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Comunicação Serial

Taxa de Transferência (Baud Rate)

Velocidade com que os dados são enviados através

de um canal e é medido em transições elétricas por

segundo.

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Distância e taxa de transmissão

O RS 485 é robusto, pois se um ruído é introduzido na

linha, ele é induzido nos dois fios de modo que a diferença

entre A e B dessa interferência é tende a ser quase nula,

com isso o alcance pode chegar a aproximadamente 1200

metros.

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Comprimento x taxa de transferência

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Telecommunications Industry Alliance (TIA)

Electronic Industries Alliance (EIA)

Estrutura da transmissão assíncrona

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Estrutura da transmissão síncrona

Uma taxa de 9600 bauds corresponde a uma transferência

de 9600 dados por segundo.

Período T = 104,2μs = 1 / 9600

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Comunicação Serial

Paridade

Ruídos e distúrbios elétricos momentâneos podem

causar mudanças nos dados quando estão

trafegando pelos canais de comunicação.

O bit de paridade é adicionado ao pacote de dados

com o propósito de detecção de erro.

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Comunicação Serial

Paridade

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Funcionamento físico Transceptor MAX-485

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Interface Serial RS232 (EIA232)

A Eletronics Industries Association (EIA), que padronizou

o RS-232-C em 1969 define:

• Características elétricas como níveis de tensão, taxa de

sinalização, taxa de rotação dos sinais, nível máximo de

tensão, comportamento de curto-circuito e carga máxima da

capacitância;

• Características mecânicas da interface, conectores

"plugáveis" e identificação dos pinos;

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Interface Serial RS232 (EIA232)

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Interface Serial RS232 (EIA232)

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Tx

Rx

SG

Tx

Rx

SG

RTS RTS

CTS CTS

DSR DSR

DRT DRT

CD CD

Cabo DB09 para RS232 (EIA232)

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Configurar hyperterminal

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Principais limitações

Operação por níveis de tensão, sendo extremamente

suscetível a ruídos;

Utilização ponto a ponto, não permitindo que mais de dois

dispositivos; usem a mesma “linha de dados”.

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Adaptador RS232 para fibra óptica

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Adaptador RS232 para USB

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Tecnologia USB (Universal Serial Bus)

Tecnologia que tornou mais simples, fácil e rápida a

conexão de diversos tipos de aparelhos (câmeras

digitais, HDs externos, pendrives, mouses, teclados,

MP3-players, impressoras, scanners, leitor de cartões,

etc) ao computador, evitando assim o uso de um tipo

específico de conector para cada dispositivo.

http://www.usb.org/developers/wusb/

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Vantagens

• Padrão de conexão: qualquer dispositivo compatível como

USB usa padrões definidos de conexão (ver mais no tópico

sobre conectores), assim não é necessário ter um tipo de

conector específico para cada aparelho;

• Plug and Play (algo como "Plugar e Usar"): quase todos os

dispositivos USB são concebidos para serem conectados ao

computador e utilizados logo em seguida. Apenas alguns

exigem a instalação de drivers ou softwares específicos;

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Vantagens

• Alimentação elétrica: a maioria dos dispositivos que usam USB

não precisa ser ligada a uma fonte de energia, já que a própria

conexão USB é capaz de fornecer eletricidade. Por conta disso,

há até determinados dispositivos, como telefones celulares e

MP3-players, que têm sua bateria recarregada via USB;

A exceção fica por conta de aparelhos que consomem maior

quantidade de energia, como scanners e impressoras.

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Vantagens

• Ampla compatibilidade: o padrão USB é compatível com

diversas plataformas e sistemas operacionais. O Windows, por

exemplo, o suporta desde a versão 98. Sistemas operacionais

Linux e Mac também são compatíveis.

•Atualmente, é possível encontrar portas USB em vários outros

aparelhos, como televisores, sistemas de comunicação de

carros e até aparelhos de som;

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Vantagens

• Conexão de vários aparelhos ao mesmo tempo: é possível

conectar até 127 dispositivos ao mesmo tempo em uma única

porta USB. Isso pode ser feito, por exemplo, através de hubs,

dispositivos que utilizam uma conexão USB para oferecer um

número maior delas;

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Vantagens

• Cabos de até 5 metros: os cabos USB podem ter até 5

metros de tamanho, e esse limite pode ser aumentado com uso

de hubs ou de equipamentos capazes de repetir os sinais da

comunicação.

Cabos USB contam com quatro fios internos:

• VBus - (VCC) = é o responsável pela alimentação

elétrica(5 V ± 5% );

• D+ e D- = utilizados na transmissão de dados;

• GND = Controle elétrico, servindo como "fio-terra".

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Tipos de conectores USB

Tipo A

Tipo B

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Tipos de conectores USB

Mini USB

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Tipos de conectores USB

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