11/04/23 1REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI11/04/23 111/04/23 1

REDES INDUSTRIAISREDES INDUSTRIAIS

SEMANA 9 – HISTÓRICO E SEMANA 9 – HISTÓRICO E ARQUITETURA DE REDES INDUSTRIAISARQUITETURA DE REDES INDUSTRIAIS

11/04/23 2REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Automação - Objetivos Uso de computadores e redes na automação

de processos Realiza o trabalho repetitivo ou que de

alguma forma são nocivos ou perigosos a saúde.

Realiza medições e gerenciamento automático de processos.

Deu origem a indústrias como a Eletrônica de Consumo e Automotiva.

Trouxe um aumento na produção e qualidade de produtos.

11/04/23 3REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Histórico das Redes Industriais Início da década de 60: computadores utilizados de

forma isolada. 1838: Invenção do telégrafo, e a transmissão de

pulsos elétricos (código de Morse) desenvolvido por Samuel F.B. Morse.

Telefone Rádio Televisão TV a cabo Internet A fusão entre o Processamento de Informação e a

comunicação torna os sistemas computacionais mais eficientes e eficazes.

11/04/23 4REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

A fusão entre o Processamento de Informação e a comunicação Permite intercambiabilidade,

interoperabilidade, expansividade influindo nos custos e modos de gestão e manutenção.

11/04/23 5REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

SDCD – Sistemas Digitais de Controle Distribuído

Eram implementados com componentes digitais específicos para: O tipo de aplicação no que se refere ao

SO desenvolvido para a aplicação. Programas aplicativos de controle e

supervisão destinados a aplicação específica.

Hardware e dispositivos de E/S com configurações específicas voltadas a aplicação.

11/04/23 6REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Sistema Digital de Controle Distribuído antigo (EPY-100-ECIL)

11/04/23 7REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Exemplo de SDCD EPY-100 da ECIL: (a) sumário de alarmes; (b) diagrama de produção; (c) visão geral de controladores e (d) gráficos

de tendências.

11/04/23 8REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Bastidor de um SDCD antigo (EPY-100-ECIL)

11/04/23 9REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Arquitetura Genérica de um SDCD

Estações locais de interface com o processo que realiza controle, monitoração e comunicação com controladores de malha simples.

Interface homem-máquina interativa, para supervisão e monitoramento do processo, com vídeos coloridos e teclados funcionais.

Rede de comunicação redundante com cabo coaxial ou fibra óptica.

11/04/23 10REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

CD 600 Plus – Controlador Digital Multi-Loop - SMAR

O CD600Plus é um controlador versátil e confiável de módulo único, capaz de controlar simultaneamente até 4 malhas de controles, com 8 PIDs e estratégias de controle sofisticadas com mais de 120 blocos de função.

11/04/23 11REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

11/04/23 12REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Painel Frontal

11/04/23 13REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Arquiteturas Atuais de um SDCD

Devido o crescente desenvolvimento dos CLP (eficiência e confiabilidade) e das interfaces homem-máquina os SDCD passaram a ter uma nova arquitetura, tornando-se bem mais flexível e com um custo bem menor.

A maioria das implementações atuais passaram a ser redes de CLP gerenciadas por Sistemas de Controle e Aquisição de Dados (Supervisory Control and Data Acquisition – SCADA)

11/04/23 14REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Principais Diferenças entre Arquitetura Antiga e Atual dos SDCD

Os antigos eram computadores digitais que faziam controle, monitoramento e supervisão de sistemas de automação industrial de grande porte, com grande capacidade de processamento, grande número de E/S, interface homem-máquina (monitores) e programa supervisório.

Os atuais substituem esta tecnologia por redes de controladores supervisionados através de programas do tipo SCADA.

11/04/23 15REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Controlador Lógico Programável

Controlador Lógico Programável Segundo a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), é um equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com aplicações industriais.

Segundo a NEMA (National Electrical Manufacturers Association), é um aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para armazenar internamente instruções e para implementar funções específicas, tais como lógica, seqüenciamento, temporização, contagem e aritmética, controlando, por meio de módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas ou processos.

11/04/23 16REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

CLP

Um CLP é o controlador indicado para lidar com sistemas caracterizados por eventos discretos ou seja, com processos em que as variáveis assumem valores zero ou um (ou variáveis ditas digitais, ou seja, que só assumem valores dentro de um conjunto finito).

Podem ainda lidar com variáveis analógicas definidas por intervalos de valores de corrente ou tensão elétrica.

As entradas e/ou saídas digitais são os elementos discretos, as entradas e/ou saídas analógicas são os elementos variáveis entre valores conhecidos de tensão ou corrente.

11/04/23 17REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

CLP Os CLP's estão muito difundidos nas áreas de

controle de processos ou de automação industrial.

No primeiro caso a aplicação se dá nas industrias do tipo contínuo, produtoras de líquidos, materiais gasosos e outros produtos, no outro caso a aplicação se dá nas áreas relacionadas com a produção em linhas de montagem, por exemplo na indústria do automóvel.

Num sistema típico, toda a informação dos sensores é concentrada no controlador (CLP) que de acordo com o programa em memória define o estado dos pontos de saída conectados a atuadores.

11/04/23 18REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

CLP E SDCD Os CLPs tem capacidade de comunicação

de dados via canais seriais. Com isto podem ser supervisionados por computadores formando sistemas de controle integrados.

Softwares de supervisão controlam redes de Controladores Lógicos Programáveis.

Os canais de comunicação nos CLP´s permitem conectar à interface de operação (IHM), computadores, outros CLP´s e até mesmo com unidades de entradas e saídas remotas.

Cada fabricante estabelece um protocolo para fazer com que seus equipamentos troquem informações entre si.

11/04/23 19REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

CLP e PROTOCOLOS DE REDES INDUSTRIAIS

Os protocolos mais comuns são Modbus (Modicon - Schneider Eletric), EtherCAT (Beckhoff), Profibus (Siemens), Unitelway (Telemecanique - Schneider Eletric) e DeviceNet (Allen Bradley), entre muitos outros.

Redes de campo abertas como PROFIBUS-DP são de uso muito comum com CLPs permitindo aplicações complexas na indústria automobilística, siderurgica, de papel e celulose, e outras.

11/04/23 20REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Controlador Lógico Programável

11/04/23 21REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Painel de Comando Contendo Controlador

Lógico Programável

11/04/23 22REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Histórico do PLC O CLP foi idealizado pela necessidade de poder se alterar uma

linha de montagem sem que tenha de se fazer grandes modificações mecânicas e elétricas.

O CLP nasceu praticamente dentro da industria automobilística, especificamente na Hydronic Division da General Motors, em 1968, sob o comando do engenheiro Richard Morley e seguindo uma especificação que refletia as necessidades de muitas indústrias manufatureiras.

A idéia inicial do CLP foi de um equipamento com as seguintes características resumidas: 1. Facilidade de programação; 2. Facilidade de manutenção com conceito plug-in; 3. Alta confiabilidade; 4. Dimensões menores que painéis de Relês, para redução de

custos; 5. Envio de dados para processamento centralizado; 6. Preço competitivo; 7. Expansão em módulos; 8. Mínimo de 4000 palavras na memória.

11/04/23 23REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Um pouco de história 1960s…Modicon Inventora do PLC - 1968 (Richard Morley)

Criadora do primeiro protocolo industrial –bus

11/04/23 24REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Dick Morley

o Pai do PLC

11/04/23 25REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

CPL de 5ª Geração 5ª Geração: Atualmente existe uma preocupação em

padronizar protocolos de comunicação para os CLP's, de modo a proporcionar que o equipamento de um fabricante “converse” com o equipamento outro fabricante, não só CLP's, como Controladores de Processos, Sistemas Supervisórios, Redes Internas de Comunicação e etc., proporcionando uma integração a fim de facilitar a automação, gerenciamento e desenvolvimento de plantas industriais mais flexíveis e normalizadas, fruto da chamada Globalização.

Existem Fundações Mundiais para o estabelecimento de normas e protocolos de comunicação. A grande dificuldade tem sido uma padronização por parte dos fabricantes.

11/04/23 26REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

CD 600 Plus – Controlador Digital Multi-Loop - SMAR

O CD600Plus é um controlador versátil e confiável de módulo único, capaz de controlar simultaneamente até 4 malhas de controles, com 8 PIDs e estratégias de controle sofisticadas com mais de 120 blocos de função.

11/04/23 27REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

11/04/23 28REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Painel Frontal

11/04/23 29REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

CIM – Conceito de Manufatura Integrada por Computador

Sistemas que se caracterizam pelo gerenciamento de processos de forma integrada – Manufatura Integrada por Computador (CIM).

Os CIM possibilitam a interligação dos níveis de gerenciamento, controle e supervisão dos sistemas de automação de forma hierárquica com o uso de complexos algoritmos, distribuição do controle e centralização de macro decisões, possibilitando o gerenciamento do processo tanto técnico como administrativo.

Atualmente a base de um CIM é formada por SDCD que representa praticamente todos os níveis de controle e execução do processo.

11/04/23 30REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Estrutura do CIM

É relevante destacar a importância dos programas de aquisição de dados, supervisão e controle (SCADA).

Das redes de comunicação que utilizam protocolos industriais (fieldbus), essenciais ao bom funcionamento do CIM e do SDCD.

11/04/23 31REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Comparações entre número e volume de informações.

11/04/23 32REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Níveis Hierárquicos de um CIM

11/04/23 33REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Arquitetura de Redes Industriais - Histórico Início: sistemas de controle totalmente baseados em

controladores com malha única de realimentação (single-loop- controllers SLC)

Década de 1960: Sistemas baseados em Mini e grandes computadores digitais, os chamados Controles Digitais Direto – DDC.

Década de 70 e 80: Sistemas de Controle Distribuído (DCS) aplicados em sistema de automação.

Década de 90: Ocorreu um grande desenvolvimento na eficiência dos computadores, CLP, sensores, atuadores e sistemas de comunicação tornando os Sistemas Digitais de Controle Distribuído (SDCD) uma realidade.

11/04/23 34REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Uso dos SDCD

Todos os segmentos da automação: Processos Industriais Processos não industriais (sistemas de

água e esgoto, energia elétrica, telecomunicações, etc.)

Automação predial: controle de utilidades, detecção e alarme de incêndio, controle de acesso, etc.

11/04/23 35REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Particulares do SDCD

Misto entre os Controladores com Malha Única (SLC) e o DDC.

O DDC implementa um grande número de malhas em um único computador, que centraliza todas as informações e funções de controle.

O SDCD implementa as malhas de controle em pequenos grupos, cada grupo com o seu próprio processamento (controlador).

Os controladores são conectados via barra de comunicação de dados (Data Highway – BUS), que em alguns casos podem ser duplicados para aumentar a confiabilidade.

11/04/23 36REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Estrutura de um SDCD com barramento duplo.

11/04/23 37REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Vantagens do uso do SDCD

Controle das funções tão independentemente quanto se deseja, permitindo escolha através da relação custo/benefício.

Permite monitorar e ajustar as funções de controle de forma centralizada e com fácil operação.

Permite sistemas com multiprocessadores controlados por um único gerenciamento, com capacidade de executar uma mesma tarefa compartilhada dinamicamente.

Cada processador tem seu próprio gerenciamento (programa aplicativo) e realiza funções especiais.

11/04/23 38REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Razão para se usar o processamento distribuído e paralelo (multicomputador) em

sistemas de controle em tempo real:

Tempo de resposta necessário. Múltiplas cópias dos componentes dos

sistemas levam a uma maior flexibilidade e redundância.

Algumas aplicações são geograficamente distribuídas.

11/04/23 39REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Topologia de Redes: Em Estrela

11/04/23 40REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Topologia em Anel

11/04/23 41REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Topologia em Barramento

11/04/23 42REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Topologia em Árvore

11/04/23 43REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Resumo Comparativo entre as Topologias

11/04/23 44REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Redes Digitais: O Modelo OSI da ISO

11/04/23 45REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Comparação do Modelo OSI com o Protocolo TCP/IP

11/04/23 46REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Sistema de Controle Centralizado

Sistemas de controle centralizados com barramentos paralelos são os favoritos em aplicações onde uma alta eficiência de processamento é necessária.

Um sistema de multicomputadores é usado. O esquema centralizado é feito de forma a

manter os dispositivos juntos em uma única sala.

Neste sistema, vários computadores compartilham um barramento comum.

11/04/23 47REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

11/04/23 48REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

11/04/23 49REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

11/04/23 50REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

11/04/23 51REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

11/04/23 52REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Soluções para os Barramentos Paralelos

UME FUTUREBUS S100: Muito usado na década de 80 na

EUROPA, foi substituído pelo General Purpose Interface Bus – GPIB 488 da IEEE.

MULTIBUS II

11/04/23 53REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Um sistema a Multicomputador usado como uma máquina de controle consiste de um controle principal (mestre-master) e de

controladores escravos (slaves)

11/04/23 54REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Arquitetura Mestre Escravo

O controlador Mestre toma conta do Sistema Global de Controle.

O controlador Escravo opera a nível de atuador.

11/04/23 55REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Tarefas do Sistema Global de Controle

Comunicação com os níveis de controle superior

Interceptação de comandos Operação de sincronização M-E Coordenação de movimentos Cálculos.

11/04/23 56REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Tarefas do Atuador

Controle ou malha fechada. Processamento de Sinais. Medidas para manipular os eventos conforme

pré-determinado.

11/04/23 57REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

A estrutura em Estrela para transferência de informações é aceita de acordo com a prioridade do controlador principal, no caso o Mestre. Neste tipo de sistema somente ocorre diálogo entre o controlador Mestre e os controladores Escravos.

11/04/23 58REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

É possível que em um sistema o multicomputador não utilize a configuração mestre-escravo, apesar desta continuar espacialmente centralizada. Um sistema deste tipo consiste de controladores com muiticomputadores centralizados com prioridades iguais.

11/04/23 59REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Sistema a Multiprocessador ou um Sistema Distribuído

Sistema de Computadores com prioridades iguais.

Tomam conta juntos do sistema global de controle.

As tarefas do sistema global de controle são decompostas em subtarefas e repartidas entre os computadores do controle.

A troca dinâmica das tarefas entre os computadores também é possível para equalizar a carga de processamento.

11/04/23 60REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Sistema global de controle com distribuição

de tarefas iguais entre sistemas e atuadores.

11/04/23 61REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Sistema de Controle Distribuído

Caracterizado pelos transdutores, atuadores e controladores espacialmente distribuídos.

Usa uma rede de comunicação serial para conectar as partes e minimizar a complexidade do cabeamento em grandes instalações.

Este tipo de rede é chamado fieldbus (barramento de campo)

11/04/23 62REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Sistema de controle distribuído em que o controlador, sensores e atuadores fazem

parte da rede.

11/04/23 63REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Neste sistema o controlador coleta informações dos vários transdutores e, baseado nas informações do sistema (algoritmo dos programas aplicativos), controla um atuador ou grupo de atuadores. Em relação à distribuição das tarefas de controle, este sistema é completamente centralizado . Somente as atuações de baixo nível e as informações dos sensores são distribuídas.

11/04/23 64REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Configuração Hierárquica

A figura anterior possui distribuição hierárquica onde um controlador controla os níveis mais baixos e todas as funções associadas.

A idéia é reduzir a fiação entre o controlador e os sensores/transdutores/atuadores diminuindo os custos com cabeamento.

11/04/23 65REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Sistema de Controle totalmente distribuído, onde o controle das tarefas e o sistema físico são descentralizados. (2.14)

11/04/23 66REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

11/04/23 67REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

11/04/23 68REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

11/04/23 69REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

11/04/23 70REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

11/04/23 71REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

11/04/23 72REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

11/04/23 73REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

11/04/23 74REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

11/04/23 75REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

11/04/23 76REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Principais problemas com SDCD

Existência de vários fabricantes grandes como: Honeywell, Bailey, Yokogawa, Foxboro, entre outros com sistemas proprietários.

Sistemas proprietários de difícil interconexão.