IFF campus Maca

Protocolos de Redes IndustriaisEngenharia de Controle e Automao Industrial 7 perodo

SumrioRedes Locais Industriais ................................ ................................ ............................... 5

Nveis hierrquicos de integrao fabril ................................ ......................... 6 Caractersticas bsicas das redes industriais ................................ .................. 7Protocolos de Redes Industriais ................................ ................................ ................. 10 Solues para o CSMA determinstico ................................ ................................ ........ 15

1 Cabealhos forantes (Forcing Headers): ................................ ............... 15 2 Comprimento de prembulo (Preamble lenth) ................................ ....... 16 3 CSMA / DCR (CSMA with deterministic collision resolution) .................. 18Comunicao em tempo real ................................ ................................ ..................... 22

1 Servios sem conexo ................................ ................................ ............ 22 2 Servios com conexo ................................ ................................ ............ 22Confiabilidade................................ ................................ ................................ ............ 22 Modelo fisco ................................ ................................ ................................ .............. 23 Volume de informaes ................................ ................................ ............................. 24 1 - Projeto PROWAY:................................ ................................ ................................ .. 24 2 - Projeto IEE 802: ................................ ................................ ................................ .... 24

a) Norma IEEE 802.3 (CSMA/CD): ................................ ................................ . 25 b) A norma IEEE 802.4 (barramento com ficha Token Bus ) ....................... 27 c) A norma IEEE 302.5 (anel com ficha token ring ) ................................ .... 28 d) A norma iEEE 802.11 Wireless Networks ................................ .............. 30

3 - Projeto MAP ................................ ................................ ................................ ......... 31 4 - Projeto TOP ................................ ................................ ................................ .......... 31

1) A arquitetura MAP/TOP 3.0 ................................ ................................ ..... 32 2) As arquiteturas MAP/EPA e Mini-MAP ................................ ..................... 33 3) Servios de Mensagem Industrial (MMS) ................................ ................. 335 - Rede Fieldbus ................................ ................................ ................................ ....... 34

Vantagens da utilizao da rede Fieldbus: ................................ ................... 351) A proposta FIP (Factory Instrumentation Protocol)................................ ................. 37

a) A camada fsica ................................ ................................ ........................ 37 1

b) A camada de Enlace ................................ ................................ ................. 38 c) CAMADA DE APLICAO ................................ ................................ .......... 40 d) Funes de gerenciamento de redes: ................................ ...................... 402) A proposta PROFIBUS (Process Field Bus):................................ .............................. 40

a) A camada fsica ................................ ................................ ........................ 40 b) A camada de Enlace PROFIBUS ................................ ................................ 41 c) A camada de aplicao ................................ ................................ ............. 423) A proposta ISA SP-50 (Instrumentation Society of America - Standards and Practices 50) ................................ ................................ ................................ ................................ ......... 44

a) A camada fsica ................................ ................................ ........................ 44 b) A camada de enlace ................................ ................................ ................. 44 c) A camada de aplicao ................................ ................................ ............. 46 d) Camada do Usurio ................................ ................................ ................. 46Estudos de redes bastante utilizadas................................ ................................ .......... 48

Redes para Instrumentao ................................ ................................ ......... 48 Softwares para rede ................................ ................................ .................... 49 a) NOVELL NETWARE: ................................ ................................ .............. 49 b) PC-LAN ................................ ................................ ................................ 49 c) NETBIOS ................................ ................................ ............................... 49 d) TCP/IP ................................ ................................ ................................ .. 49 a) Redes sinec (SIEMENS): ................................ ................................ ........... 55 b) BITBUS (Intel) ................................ ................................ .......................... 55 c) CAN (Controller Area network) ................................ ................................ 56 d) VAN (Vehicle Area Network) ................................ ................................ .... 58 e) Device Net ................................ ................................ ............................... 59 f) Control Net ................................ ................................ .............................. 60 g) Protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer) ................... 61

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h) Interbus-s ................................ ................................ ................................ 61 i) ASI-BUS ................................ ................................ ................................ .... 63 j) Protocolo FAIS (FACTORY AUTOMATION INTERCONNECTION SYSTEM) .... 64 k) LON (Local Operating Network) ................................ ............................... 64 l) Rede P-Net ................................ ................................ ............................... 66 m) Rede SERCOS (Serial Real Time Communication System) ........................ 67 n) Rede MODBUS ................................ ................................ ........................ 68

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CrditosAutor: Professor Lus Alberto

Edio e Reviso: Caroline Pacheco rick Alexandre Felipe Beck Gleison Oliveira Ilana Costa Karine Alves Maurcio Barcelos Nivaldo Junior Raphael Ribeiro Walter Cony

Notas da verso: (2010-11-27) Apostila pronta.

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04/08/2010 Redes Locais IndustriaisAs redes locais industriais consideram as necessidades de comunicao de um processo de fabricao, no que diz respeito a tpicos como compartilhamento de recursos, tipos de dilogo que podem ocorrer no ambiente industrial e gerenciamento de sistemas heterogneos. Fatores econmicos so requisitos fundamentais num processo de fabricao. Outros requisitos so: garantia de tempo de resposta mdio ou mximo, confiabilidade dos equipamentos e da informao, alm da flexibilidade (capacidade de evoluir e interagir com sistemas diferentes) dos equipamentos. As arquiteturas de comunicao industriais tentam satisfazer aos requisitos acima. As necessidades de comunicao variam em importncia, de acordo com cada classe de atividades de uma empresa. O objetivo desta disciplina apresentar algumas arquiteturas de rede locais industriais e suas principais caractersticas. As funes de comunicao industrial exigem caractersticas descentralizadas. Portanto, no seria adequado adotar redes do tipo ponto a ponto numa ind stria, uma vez que elas so exemplo tpico de centralizao das funes de comunicao, pois o equipamento dos ns da rede comuta as mensagens transmitidas entre dois ns que no estejam ligados diretamente. As solues do tipo rede de difuso so bastante adotadas em indstrias devido s possibilidades de descentralizao do controle da comunicao. Na prtica h vrias redes interconectadas numa indstria, cada rede servindo de suporte comunicao no contexto de uma ou diversas atividades. Isso ocorre porque no existe uma nica rede capaz de corresponder s necessidades de todas as classes de atividades existentes numa fbrica.

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05/08/2010A descentralizao reduz a sobrecarga de processamento da unidade central. A figura a seguir apresenta sistemas de automao industrial decompostos em diferentes nveis hierrquicos de automao, cujos elementos inteligentes so interligados entre si atravs de sub-redes industriais.

Nveis hierrquicos de integrao fabrilNvel Hierrquico: Equipamentos: Arq. De comunicao:

Esta estrutura hierrquica tende a se aproximar cada vez mais das reas do processo, para dar origem a subsistemas independentes (mais descentralizados) e dotados de inteligncia local, sem perder as vantagens de uma superviso e conduo central do sistema como um todo. Os nveis hierrquicos inferiores transferem mensagens curtas, com alta frequncia, entre um grande numero de estaes. Os nveis hierrquicos superiores transferem mensagens longas entre um nmero menor de estaes a uma frequncia mais baixa. As subredes mais baixas so conectadas linha tronco ( backbone ) atravs de gateway , bridges e routers , de modo que todas as estaes possam ser

acessadas, formando um sistema de comunicao coeso que atenda toda a fbrica. A comunicao de dados em ambiente industrial tem caractersticas que formam as redes de escritrio (baseadas no protocolo CSMA/CD) inadequadas. Elas so:a) ambiente hostil para equipamentos (perturbaes eletromagnticas, calor, sujeira e etc)

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b) Troca de informaes entre equipamentos, e no entre um operador humano e um equipamento. c) O tempo de resposta e a segurana de dados so crticas. d) Conexo de muitos equipamentos a rede.

Caractersticas bsicas das redes industriais1 Comportamento temporal: Os protocolos de acesso ao meio tm papel fundamental no tempo de entrega de uma mensagem via rede. Aplicaes industriais requerem sistemas de controle e superviso com caractersticas de tempo real. Um sistema de tempo real requer reao quase imediata e estmulos oriundos do sistema a controlar. As mensagens em tempo real podem ser:a) Peridicas: Tem que ser enviadas em intervalos fixos e conhecidos de tempo, como as mensagens ligadas a malhas de controle. b) Espordicas: No tem perodo fixo. Porm, tais mensagens devem ter intervalo de tempo mnimo entre duas emisses consecutivas. Ex: Perodo de status, pedido de emisso de relatrio. c) Aperidicas: Tem que ser enviadas a qualquer momento, sem perodo nem previso. Ex: alarmes em caso de falhar.

O barramento de comunicao um recurso compartilhado entre as estaes a ele conectadas. Os mtodos de definio de direito de acesso utilizadas nas redes locais so denominadas protocolos de acesso ao meio. O problema de comunicao em tempo real est associado ao tipo de protocolo de acesso ao meio adotado. Considere o problema de assistir cinco mensagens diferentes, oriundas de cinco estaes na rede, indicado na figura a seguir:

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Conforme o deadline das estaes, a ordem de transmisso das mesmas fica M5, M2, M4 e M3. O protocolo MAC (Media Access Control controle de acesso ao meio) garante

rpido acesso ao barramento para mensagens espordicas de alta prioridade. Ele atende mensagens peridicas com o mximo de eficincia possvel, respeitando seus limites de entrega ( deadlines ). Dessa forma, o sistema de comunicao deve ter comportamento determinista, isto , seu tempo de reao deve ser conhecido. Alm disso, o controle lgico de enlace (LLC - Logical Link Control) deve escalonar mensagens locais pendentes por deadlines ou prioridade associada. Para garantir um melhor desempenho temporal do sistema, usual utilizar -se em sistemas de tempo real uma arquitetura de software com apenas trs camadas, com a camada de enlace subdividida em controle de acesso ao meio (MAC) e controle lgico de enlace (LLC), conforme figura a seguir.

Os protocolos de acesso ao meio podem ser classificados em 5 categorias:a) Alocao fixa: Estes protocolos alocam o meio s es taes por determinados intervalos de tempo (bandas), independente de haver ou no necessidade de acesso ao meio. Ex: TDMA = Time division multiple Access. Usado entre celulares. b) Alocao aleatria: Permitem acesso aleatrio das estaes ao meio. EX: CSMA = Carrier sense multiple Access. Caso haja envio simultneo de mensagem por mais de uma estao, ocorre uma coliso e as estaes envolvidas tm que transmitir suas mensagens aps a resoluo do conflito. c) Alocao controlada: cada estao tem direito de acesso apenas quando de posse de uma permisso, que entregue as estaes segundo alguma seqncia prdefinida. Ex: Token-passing-master-slaves. d) Alocao por Reserva: Estaes reservam intervalos de tempo (banda) com antecedncia, para usar o meio, enviando pedidos a uma estao controladora

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durante um intervalo de tempo pr-destinado. EX: CRMA = cycle reservation multiple Access. e) Hbridos: Consistem de duas ou mais categorias anteriores.

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12/08/2010 Protocolos de Redes IndustriaisProtocolos determinsticos so aqueles que definem um tempo limite para a entrega de uma dada mensagem, enquanto protocolos no determinsticos no oferecem tal possibilidade. O protocolo TDMA (Time Division Multiple Access) caracterizado por alocao fsica de tempo para cada estao. Este protocolo apresenta baixo desempenho, pois muito tempo pode ser perdido no caso de estaes que no tenham mensagens a transmitir. Outro exemplo de protocolos de acesso determinstico, alm do TDMA so aqueles barrados na passagem de ficha (Token Passing), onde uma ficha corresponde ao direito de transmisso e passado de estao a estao na rede. Ao receber a ficha, uma estao que no tenha mensagens a transmitir repassa a ficha estao seguinte na lista de estaes correspondente a rede (alocao controlada). Protocolos no determinsticos so caracterizados pela competio entre estaes pelo direito de acessar o meio de transmisso. Um exemplo desta classe o protocolo CSMA/CD. Protocolos MAC (Controle de Acesso ao Meio) no determinsticos: 1) CSMA persistente, no-persistente e p-persistente a- O protocolo CSMA (Carrier Sense Multiple Access) baseado no conceito de escrita do meio de transmisso para a seleo do direito de acesso a este.

A estao que deseja transmitir um quadro de dados escuta o canal (meio de transmisso) para confirmar se o meio est livre. Se o canal j estiver ocupado por uma transmisso, o protocolo CSMA persistente faz a estao aguardar na escuta at que o meio esteja livre para a emisso dos quadros. Aps a transmisso dos quadros, a estao emissora pode ser programada para esperar uma resposta da estao receptora, indicando a correta recepo dos dados. Em resposta conhecida por quadro de reconhecimento. Se mais de uma estao estiver escutando, vrias detectaro o meio livre do mesmo tempo, iniciando transmisso simultnea de dados e provocando coliso de 10

informaes, condio na qual o sinal de barramento se transforma em uma mistura ininteligvel de vrias mensagens. Quando ocorre coliso, se o servio utilizado na subcamada de controle lgico de enlace (LLC) for confivel, a estao receptora no envia o quadro de reconhecimento esperado e a estao emissora tentar transmitir dados novamente aps determinado tempo. Se o servio utilizado for no -confivel o quadro perdido. O protocolo CSMA persistente influenciado pelo tempo de propagao dos quadros no suporte de transmisso, conforme figura a seguir: Suponha que as estaes A e D queiram transmitir dados aps detectarem o meio livre e que A inicie primeiro o envio de quadros. Se o atraso de propagao do sinal transmitido por A tal que o sinal ainda no puder ser detectado por D , ento a estao D considerar o meio livre e emitir seu quadro, provocando coliso. Portanto, quanto maior o tempo de propagao do meio, pior ser o desempenho do protocolo.

b- Protocolo CSMA no-persistente: reduz a probabilidade de ocorrncia de colises. Uma estao que opera neste protocolo escuta o meio. Se o canal de comunicao estiver ocupado, a estao espera um perodo de tempo aleatrio para ento escutar novamente o meio. Essa espera aleatria reduz a ocorrncia de colise s, porm introduz um atraso maior de transmisso. Quando o canal estiver livre, a estao inicia a transmisso de dados. c- Protocolo CSMA p-persistente: um meio termo entre as propostas de protocolos CSMA persistente e no -persistente. A estao interessada em enviar dados escuta o canal de comunicao e, se o meio estiver livre, inicia a transmisso de um quadro com probabilidade igual a p. A probabilidade de estao no transmitir o quadro e aguardar um tempo fixo q=1-p.

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Se a escolha for pela no-transmisso, aps o tempo especificado a estao tentar novamente a disponibilidade do canal, para ento gerar as mesmas probabilidades de envio ou espera. O processo continua at a transmisso do quadro ou outra estao tomar posse do canal. Os protocolos CSMA no detectam colises e problemas de comunicao so percebidos apenas quando optamos por servios de enlace confiveis. Para resolver esse problema criou-se o protocolo do CSMA/CD, que detecta colises. d- Protocolo CSMA/CD (CSMA with Colision Detection): Neste protocolo, quando mais de uma estao detecta o meio livre, elas transmitem o quadro, provocando coliso. A primeira estao que detectar a coliso pra a transmisso, reiniciando o processo aps um tempo aleatrio, para tornar improvvel a ocorrncia de nova coliso. Para detectar a coliso a estao transmissora deve escutar aquilo que ela mesma colocou no meio. O sinal enviado requer tempo para se propagar no meio, denominado Time Slot . Os tempos de espera aleatrios so mltiplos de um Time Slot . Se aps algumas retransmisses as colises persistirem, a transmisso abortada. Embora o mtodo CSMA/CD otimize o uso do meio, quanto maior o nmero de estaes e o trfego de informaes da rede, maior ser a probabilidade de colises.

Protocolos MAC determinsticos (definem tempo -limite para entrega da mensagem). So classificados em:

Mtodos com comando centralizado. (ex. Mestre -escravo) Mtodos com comando distribudo. (ex. Token -passing ou variantesdeterminsticas do CSMA) a) Protocolo Mestre-escravo. Apenas a estao mestre detm o direito de transmisso, centralizando o comando. O direito de acesso ao meio distribudo por tempo limitado pela estao mestre s demais, que so denominadas estaes escravas. Todas as trocas de dados ocorrem apenas entre mestres e escravos. A estao mestre realiza varredura cclica em cada estao escrava, verificando se alguma delas quer transmitir dados. As estaes escravas respondem mestre com 12

um formato de quadro especfico para informar se querem ou no enviar dados. A configurao de protocolo mestre escravo bastante utilizada em sistemas de controle lgico programado onde o controlador o mestre e os escravos so sensores e atuadores microprocessados. Eis o esquema de um mtodo de acesso mestre escravo.

b) Protocolo Token-passing. Sistemas com comando distribudo persistem a definio de mais de uma estao com direito de acesso ao meio fsico. O protocolo token-passing (passagem de ficha) transmite o direito de acesso ao meio passando uma ficha entre as vrias estaes, que trocam dados entre si, sem intermedirias. A figura a seguir ilustra uma configurao de rede token bus que o barramento com passagem de linha.

Cada estao pode reter o token por tempo limita do, aps o qual envia o token para estao de maior prioridade. Quando a rede iniciada, o protocolo Token -passing bus cria um anel lgico nas estaes ligadas ao barramento e define uma prioridade para cada uma delas. Quanto maior o nmero definido para cada estao, mais elevada ser sua profundidade. Uma variao dessa tcnica o protocolo Token-ring, 13

onde utilizada uma rede com topologia, um anel no lugar do barramento, conforme figura abaixo.

Aqui o token circula no anel at ser removido por uma estao que deseje transmitir dados.

Variantes determinsticas do CSMA:

A vantagem de se definir protocolos determinsticos em CSMA a nonecessidade de uma entidade controladora de acesso (como a estao mestre no mtodo mestre-escravos ou o Token no mtodo Token-passing).

Cada estao pode tentar transmitir sempre que tiver mensagens pendentes, configurando assim um sistema de comunicao com comando distribudo e elevada autonomia dos ns. O problema como resolver questes das colises.

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18/08/2010 Solues para o CSMA determinstico1 Cabealhos forantes (Forcing Headers):Neste mtodo de acesso ao meio cada mensagem iniciada por um cabealho (header) composto por uma srie de bits, que definem sua prioridade. No pode haver duas mensagens com prioridades idnticas em uma mesma aplicao. A transmisso de um quadro comea pelo cabealho, que enviado bit a bit em baixa velocidade, para permitir que o sinal se propague pelo barramento e retorne ao emissor. Os bits so codificados de forma que uma coliso tem efeito equivalente a executar uma operao lgica AND sobre cada bit enviado ao barramento (para isto, a deteco de coliso pode ser ativada ao enviar um bit 1, e desativada ao enviar um bit 0). A transmisso em uma dada estao interrompida quando um bit 1 for enviado por ela e um bit 0 for lido. Se todos os bits do identificador forem zero, a prioridade considerada mxima. Se o cabealho for transmitido at o fim da coliso, porqu e aquela mensagem era a mais prioritria dentre as mais envolvidas na coliso e o resto da mensagem enviado. O mtodo determinista e, conhecendo-se a prioridade de uma mensagem, pode-se calcular o tempo de entrega da mesma no pior caso. Uma aplicao deste protocolo mostrada e vista na figura a seguir:

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Cinco estaes esto envolvidas na coliso inicial (ns 0 at 4), tendo os headers delas os valores 000 (mais prioritrio), 001, 010, 011 e 100 (menos prioritria), respectivamente. Aps o envio do primeiro bit do header de cada mensagem (0, 0, 0, 0 e 1, respectivamente), a estao nmero 4 desiste (enviar um 1 e ler um 0, resultante de 0 and 0 and 0 and 0 and 1). Aps o envio do segundo bit, os ns 2 e 3 desistem (ambos enviaram 1 e leram 0, resultante de 0 and 0 and 0 and 1). Aps o envio do terceiro bit, o n 1 desiste (enviou 1 e leu 0, resultante de 0 and 1) e o n 0 transmite seus dados at o fim (mais prioritrio). Resumindo, tem maior prioridade a estao cujos bits estiverem em nvel lgico 0 , lidos a partir do bit mais significativo do header (da esquerda para a direita). Segundo esse raciocnio, n 0 e n 1 transmitem primeiro, segundos depois dos ns 2 e 3. A transmisso encerrada pela estao conectada ao n 4.

2 Comprimento de prembulo (Preamble lenth)A cada mensagem associado um prembulo com comprimento diferente, que transmitido com a deteco de coliso desativada. Aps transmitir o prembulo de sua mensagem, cada estao reativa sua deteco de coliso. Neste momento, se for detectada uma coliso, esto existe outra mensagem mais prioritria sendo enviada (com prembulo maior) e a estao interrompe sua transmisso. A mensagem com prembulo mais longo ter mais prioridade, conforme figura abaixo, que mostra ns enviando mensagens com comprimento de prembulo diferente:

As estaes 4, 3, 2 e 1 possuem os prembulos mais curtos e desistem de enviar suas mensagens aps reativarem a deteco de coliso. Por ter o prembulo mais longo, a estao 0 termina de enviar sua mensagem. As estaes restantes (1, 2, 16

3 e 4) reiniciaro a transmisso simultnea. Aps reativarem a deteco de coliso, apenas a estao 1, cujo prembulo mais longo, conclui o envio de mensagens. A transmisso termina aps o n 4, cujo prembulo mais curto, terminar o envio de sua mensagem.

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19/08/20103 CSMA / DCR (CSMA with deterministic collision resolution)Este protocolo realiza uma busca determinstica em rvore binria balanceada quando ocorrem colises. As prioridades so atribudas a cada estao e no s mensagens. Cada estao deve saber, para operar corretamente, qual o status do barramento, que pode ser livre, ocupado com transmisso ou ocupado com coliso. As estaes tambm devem conhecer seu prprio ndice (prioridade), juntamente com o nmero total de ndices consecutivos alocados s fontes de mensagens (Q). Por exemplo, se existirem 12 estaes operando, Q = 12. O tamanho da rvore binria do nmero de estaes Q . Se Q = 12 24 = 16 => q = 16 >= Q.

As estaes envolvidas na coliso so classificadas de vencedores (W-winners) ou perdedores (L-losers): - W = ndices entre - L = ndices entre As estaes do grupo W tentam nova transmisso. Se ocorrer outra coliso realizada nova diviso em grupos: -W= -L= Se no ocorrer nova coliso (s sobrou uma estao no grupo W), a estao restante transmite seu quadro de dados. As estaes do grupo L desistem e aguardam trmino de transmisso bem sucedida de outro n seguida do meio livre. Se o grupo W estiver vazio, a busca revertida, isto , faz-se uma nova subdiviso de ns a partir do ltimo grupo L: -W= -L=

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A poca ou processo finalizado quando todas as estaes envolvidas na coliso original conseguiram transmitir seus dados sem coliso. O tempo de durao de uma poca pode ser calculado, produzindo resultado determinista. A sequncia de concesso de direito de acesso ao meio igual sequncia de ndices crescentes, de modo que os ns mais prioritrios transmitem prime iro. Vejamos o exemplo a seguir, para ilustrar a operao do protocolo. Uma rede com 16 fontes de mensagens ilustrada, mostrando-se apenas 6 estaes, que tentam transmitir simultaneamente, gerando uma coliso:

- Condies do exemplo: - Q = 16 (nmero de estaes) - q = 24 >= Q (tamanho da rvore binria) A altura da rvore binria : log 2q = log 224 = 4 Vejamos a rvore binria balanceada completa, onde os nmeros entre colchetes indicam a faixa de ndices considerados. Os nmeros no interior do crcu lo indicam a sequncia de execuo da busca na rvore.

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A ordem de prioridade da sequncia de execuo da rvore binria crescente, ou seja: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 e 16. Vejamos a evoluo do protocolo (busca na rvore binria ):

adicionada uma coliso por segurana . Explicao: o tempo at o incio da transmisso da estao com ndice 5 ser: 5 colises e 2 transmisses. O sinal leva um tempo para se propagar no meio, que definido como time-slot. Cada coliso demanda 1 time-slot. Assim, 5 colises = 5 * time-slot. Cada transmisso envia 1 quadro. Assim, 2 transmisses = 2 * tempo de envio de 1 quadro. Assumindo que cada quadro tem um tamanho fixo de 6 time -slots, o tempo de duas transmisses igual a 2 * 6 time-slots = 12 time-slots. Dessa forma, o tempo de espera para a transmisso da mensagem da fonte com ndice 5 seria: T incio(5) = 5 time-slots + 12 time-slots = 17 time-slots. Sendo dado 1 time-slot como igual a 40s, Tincio(5) = 17 * 40s = 680s.

Calculemos o tempo total de durao da poca: Tpoca = Tcolises + Ttransmisses + Tvazios. H 2 vazios, cada um deles gastando 1 timeslot. Assim, teremos:y y

7 colises , correspondentes aos trs primeiros nveis de rvore primria = 7 * slottime. 2 vazios = 2 * slot-times.

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y

6 transmisses = 6 * (tamanho do quadro em time-slots) = 6 * (6 * time-slots) = 36 * time-slots.

Portanto, aps 1.8 ms, todas as estaes envolvidas no conflito tero transmitidos suas mensagens. O tempo at o incio da transmisso da estao com o ndice 12 ser: 6 colises e trs transmisses. Cada transmisso envia 1 quadro, que tem tamanho de 6 slottimes. Assim:

.

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26/08/2010 Comunicao em tempo realAlm de definio de um protocolo determinstico, a soluo do problema da comunicao em tempo real inclui a realizao de um escalonamento de mensagens, para definir qual delas ter acesso ao meio de comunicao em um dado momento. Uma abordagem proposta atribuir prioridades fixas s mensagens, como nos protocolos CSMA/CA (Comprimento de cabealho e comprimento de prembulo), que so capazes de distinguir prioridades. A camada de enlace de uma rede para tempo real deve prover ao usurio ou ao software de camada logo acima um conjunto mnimo de servios, tais como:

1 Servios sem conexoy y

SEND (identificao do receptor; mensagem. Requisitos tempo real); Mensagem = RECEIVE (emissor).

Os requisitos de tempo real podem ser expressos sob a forma de uma prioridade ou tempo limite de entrega (deadline).

2 Servios com conexoy y y y

RTCID = CONNECT (receptor, requisitador transmisso,); SEND (RTCID, mensagem); Mensagem = RECEIVE (RTCID); Disconnect (RTCID).

RTC significa Real Time Connection Identifier , isto , um identificador para conexo.

ConfiabilidadeAplicaes industriais exigem sistemas de comunicao altamente confiveis, pois so transmitidos muitos cdigos de comando, de forma que o erro de um bit qualquer poderia ter consequncias desastrosas. Portanto usa-se o teste cclico de redundncia (CRC) para aumentar a confiabilidade nas mensagens transmitidas.

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Os cabos utilizados nos meios de transmisso so geralmente blindados, para evitar a interferncia eletromagntica. O nico problema com tal meio de transmisso seu custo elevado. Fibras ticas so mais utilizadas em sistemas com topologia em estrela ou anel. Esse meio fsico apresenta dificuldades para conexes de redes com topologia em barramento, necessitando, para bifurcaes, de acopladores ativos, que convertem sinal tico em eltrico e vice-versa, nos pontos de derivao. Bifurcaes encarecem a conexo, tornando a soluo cara para o nvel de c ho de fbrica. Uma soluo para evitar conexes em T usar HUBS, que simulam, um barramento para as placas de rede e atuam como estaes concentradoras, transformando a topologia fsica em estrela. Isso possibilitar o uso de fibras ticas sem a necessidade de bifurcaes. Apesar de apresentar maior sensibilidade s perturbaes (rudos), taxa de transmisso de dados mais baixa e cobrir pequenas distancias sem necessidade de regenerar sinal, o par tranado ainda a melhor soluo de redes de cho de fbrica, devido ao seu baixo custo. O cabo coaxial um meio fsico que apresenta uma soluo intermediria entre o par tranado e a fibra tica, em termos de custo, taxa de transmisso, sensibilidade a rudos e distncia mxima de envio sem necessidade de regenerao.

Modelo fiscoDirecionado operao de redes em reas de risco de exploso ou incndio. Permite topologia linear e em estrela. Esse modelo no permite alimentao do barramento, enquanto uma estao enviar dados. A norma IEC 1158-2 para a camada fsica estabelece transmisso de dados digital, bit sncrona e Manchester. A taxa de transmisso 31,25 Kbits/s e o cabo utilizado o par tranado. A topologia em rede em linha ou rvore. O nmero de estaes permitido 32 por segmento.

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Volume de informaesNveis hierrquicos superiores de informaes trocam pacotes externos, que podem levar minutos para serem transmitidos. Nas aplicaes mais prximas ao processo as mensagens enviadas so mais curtas, como:a) Comando para ligar ou desligar uma unidade (1 bit); b) Comando para ler sensor / medidor (bastam 8, 12 ou 16 bits, conforme a resoluo do conversor analgico / digital utilizado); c) Comando para alternar o estado de um atuador (idem acima); d) Comando para verificar o estado de uma chave ou rel (basta um bit).

Controladores Lgicos Programveis (CLP) requerem envio de programas, no incio da produo de um lote, que raramente ultrapassam 10 Kbytes em tamanho. Assim, uma taxa de transmisso baixa em nvel de camada fsica atente s necessidades de comunicao na maioria dos casos (1 Mbps quase sempre suficiente). Como h muita troca de mensagens o barramento est quase sempre ocupado. Portanto, devem-se evitar mensagens grandes, que monopolizem o meio de transmisso por muito tempo. A arquitetura de redes de comunicao industrial deve integrar sistemas heterogneos de diferentes fabricantes, suportando tanto a operao de cho de fbrica quanto as funes de apoio produo. Entre as diversas iniciativas para padronizao de redes industriais, destacam-se os seguintes projetos: PROWAY, IEEE 802, MAP, TOP e FIELDBUS.

1 - Projeto PROWAY:Adota a tcnica de Token-Passing, sua arquitetura composta de 4 camadas do modelo de referncia ISO/OSI, denominadas (Camada de enlace), aplicao). Network LINE (Camada fsica), application Highway

(Camada de rede) e

(camada de

2 - Projeto IEE 802:O IEEE (Institute of Eletrical and Electronics Engineers) definiu normas, no projeto 802, para as camadas fsica e enlace do modelo de referncia OSI. A camada de enlace subdividida nas camadas LLC (Logical Link Control) e MAC (Medium Access Control). 24

As propostas para aplicaes em automao industrial, que fazem parte do projeto IEEE 802 so:

a) Norma IEEE 802.3 (CSMA/CD):Define um protocolo da famlia CSMA/CD 1 -persistente, onde uma estao que desejar transmitir escuta o meio para verificar sua disponibilidade. Se o meio no estiver disponvel, a estao aguarda que ele seja liberado; caso contrrio a estao transmite o quadro considerado. Se houver coliso; as estaes envolvidas interrompem a transmisso e esperam um perodo aleatrio para recomea-la. Essa norma tem origem no padro Ethernet, definido pela Xerox, em 1976. A norma IEEE 802.3 utiliza diferentes suportes fsicos de transmisso, cujo comprimento mximo de 500 m. As taxas de transmisso vo de 1 a 10 Mbps. O formato de um quadro IEEE 802.3 :

Os campos referentes ao prembulo e ao delimitador de incio de quadro permitem que as estaes transmissora e receptora estabeleam sincronia, a nvel de bit e de caractere. Cada quadro tem 2 campos, que representam os endereos fsicos do destino e da fonte. O bit mais significativo dos endereos permite definir se o endereo individual (0) ou de grupo (1). O endereamento de grupo permite que um conjunto de estaes da rede receba o mesmo quadro, caracterizando uma comunicao em multicast. Se o endereo do destinatrio for composto apenas de bits em nvel lgico alto, o quadro ser enviado todas as estaes da rede, caracterizando uma comunicao em broadcast.

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O campo de dados pode variar de 0 a 1500 bytes caso a rea de dados seja inferior a 46 bytes, o quadro deve ser completado atravs do campo PDA, para atingir 64 bytes e garantir a deteco de coliso. O campo FCS - FRAME CHECK SEQUENCE contm uma palavra de 32 bits para controle de erros, utilizando a tcnica de redundncia cclica (CRC - Cyclic Redundancy Check), com um polinmio de grau 32. Aps uma coliso, as estaes esperam um temo aleatrio para recomear a transmisso. O tempo de espera mltiplo de um intervalo de tempo denominado time-slot. 1 time-slot corresponde a duas vezes o tempo de propagao entre duas estaes mais distantes da rede. A norma IEEE8023 prev suporte para diversos meios fsicos, como par tranado, cabo coaxial e fibra tica. Como a fibra menos susceptvel a rudos, quando comparada com outros meios fsicos de transmisso, pode operar com intervalos mximos de 2 km entre regeneradores de sinal (hubs). J o cabo de par tranado opera com intervalo mximos de 100 m entre Hubs. A topologia desta norma o barramento.

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01/09/2010b) A norma IEEE 802.4 (barramento com ficha Token Bus )O formato dos quadros da norma 802.3 impossibilita a definio de prioridades dos quadros, ponto importante em aplicaes industriais. Outro problema o aspecto no-determinstico do protocolo IEEE 802.3, que pode condenar uma estao a esperar longo intervalo de tempo para a transmisso de um quadro. A norma 802.4 procura cobrir esses aspectos permitindo a comunicao entre estaes conectadas a um barramento, porm baseado na existncia de uma ficha (TOKEN), que representa o direito de transmisso de uma estao. Embora as estaes sejam conectadas a uma estrutura linear (barramento), a norma IEEE 802.4 define um anel lgico, onde cada estao conhece o endereo das estaes vizinhas no anel. Quando o anel inicializado, a estao que possui o endereo m ais elevado pode transmitir o primeiro quadro. Ao final da transmisso, ela cede o direito de transmisso estao vizinha, enviando a esta um quadro especial denominado token (ficha). A ficha se propaga ao longo do anel lgico, tendo como regra que apena s a estao possuidora da ficha tem o direito de transmitir o quadro, durante certo tempo limite. Dessa forma, evita-se a ocorrncia de colises. O formato do quadro IEEE 802.4 apresenta um campo, identificado pelo nome controle de quadro, cuja funo distinguir os quadros de dados dos quadros de controle do anel lgico. O processo de evoluo do anel lgico d-se em funo do estado de cada estao fazendo parte deste. A cada instante h estaes ativas e outra encerrando atividades. O protocolo de acesso ao meio oferece instrues permitindo a atualizao do anel lgico de maneira ordenada. Vejamos o formato do quadro IEEE 802.4 Bytes:1 1 1 2 ou 6 2 ou 6 0-8182 Dados 4 FCS 1 Delimitador

Prembulo Delimitador Controle Destinatrio Fonte

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de incio

de Quadro

de fim

A estao que detm a ficha consulta periodicamente as estaes ativas, para verificar se alguma delas quer fazer parte do anel lgico. Isso feito pelo envio de um quadro do tipo Procura Sucessor . Se uma estao X situada entre duas estaes A e B quiser abandonar o anel, ela envia estao A um quadro indicando que sua vizinha (seguinte) a partir de agora ser a estao B . A norma IEEE 802.4 especifica camadas fsicas que apresentam caractersticas de redes utilizando canal nico e modulao em frequncia (FSK Keying) alm de topologia em barra bidirecional. As taxas de transmisso variam de 1 a 10 Mbps. As redes token bus tambm podem apresentar camadas fsicas operando em banda larga (vrios canais modulados em frequncia sobre o mesmo meio) ou utilizando fibra tica com topologia lgica em barra (mas fisicamente em estrela com um hub como elemento central). Frequency Shift

c) A norma IEEE 302.5 (anel com ficha token ring )Foi definida para redes com topologia em anel, que consistem em um conjunto de ligaes ponto a ponto em modo unidirecional, visto na figura a seguir, onde cada n do anel equipado com um acoplador que permite conectar duas extremidades de cabo:

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Quando no existem quadros transferidos sobre a rede, uma ficha (token) fica circulando. Quando uma estao deseja transmitir um quadro, ela captura a ficha. A ficha tem 3 bytes. A captura feita modificando um dos bits do 2 byte da ficha para 1 . Cada estao s pode transmitir por 10ms. Aps 10ms a estao encerra a transmisso e gera nova ficha, que ficar circulando no anel. Vejamos o formato do quadro IEEE 802.5: Bytes:1 1 1 2 ou 6 2 ou 6 Ilimitado Dados 4 FCS 1 ED 1 FS

Delimitador Controle Controle Destinatrio Fonte de (SD) Incio de Acesso (AC) de Quadro (FC)

y y

(ED) End Delimiter - limitador de fim. (FS) Frame Status - condio do quadro o 00: destinatrio inativo. o 10: destinatrio ativo e quadro no foi copiado o 11: destinatrio ativo e quadro foi copiado

A norma IEEE 802.5 prev o uso de segmentos com par tranado blindado ou comum, com at 250 repetidores no anel e operao de 4 a 16 Mbps. Os bits so codificados com a tcnica Manchester diferencial.

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08/09/2010d) A norma iEEE 802.11 Wireless Networks

Redes sem fio: Em redes sem fio, os pacotes s o transmitidos atravs de canais de frequncia de rdio ou infravermelho. Esse tipo de rede tem crescido nas instalaes de cho de fbrica, devido a flexibilidade de instalao e operao, pois no h necessidade de calor e canaletas para transmisso. Equipamentos mveis inteligentes de cho de fbrica podem ser configurados como estaes de rede sem fio. Exemplos desse tipo de equipamentos so AGV s (Automatic Guided Vehicles), robs autmatos e sensores inteligentes. Essas redes operam em bandas de frequncias denominadas ISM (Industrial, Scientific and Medical), que podem ser utilizadas sem que seja necessria uma licena. A norma iEEE 802.11 especifica como opes de bandas 902 -928 MHz, 2.4-2.48 GHz e 5.75-5.85 GHz O sinal emitido por uma estao operando nessas frequncias cobre rea de 500 m com potncia de apenas 100 mW. A qualidade da recepo varia muito medida que a estao se move no meio ambiente. Isso ocorre devido reflexo de ondas de rdio em objetos slidos, que pode enfraquecer o sinal recebido, resultante de vrias cpias que percorreram caminhos diferentes. Como vrias estaes compartilham o mesmo meio, caracterizando uma rede de difuso, utiliza-se um mtodo de acesso para disciplinar o compartilhamento. O protocolo utilizado para acesso ao meio em redes sem fio definido pela norma iEEE 802.11 como sendo o MACA ( Multiple Access with Collision Avoidance). Este protocolo faz com que o emissor de um quadro estimule o receptor a transmitir um quadro pequeno, que possa ser detectado por seus vizinhos, antes de mandar os dados em si. Com isso o protocolo MACA permite estao que pretende enviar um quadro de dados saber se h ou no atividade na rea do receptor. Vejamos a dinmica do protocolo MACA:

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Suponhamos que a estao B queira enviar um quadro para C. No protocolo MACA, a estao B envia para C primeiro um quadro especial denominado RTS (Request to Send). A estao C responde com um quadro CTS (Clear to send). B iniciar a transmisso quando receber o quadro CTS de C. Qualquer estao que captar o quadro RTS estar prxima de B e deve se manter em silncio por tempo suficiente para que B receba o RTS. Qualquer estao que captar o CTS estar prxima a C e deve se manter em silencio por tempo suficiente para que C receba o quadro de dados que B vai enviar aseguir.

3 - Projeto MAPO projeto MAP ( Manufacturing Automation Protocol ) define mecanismos de comunicao entre equipamentos de cho de fbrica, tais como robs, CNC s, CLP s, terminais de coletas de dados, computadores, etc. A verso MAP/EPA (Enhanced Performance Arquitecture) utilizada em aplicaes voltadas ao contedo da manufatura com tempos crticos. Sua finalidade conseguir tempos de resposta menores.

4 - Projeto TOPO protocolo TOP (Technical and Office Protocol) foi desenvolvido pela Boeing em 1983 e voltado s redes para automao de reas tcnicas e administrativas. baseado no modelo OSI de 7 camadas.

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16/09/2010 uma soluo de comunicao para os nveis hierrquicos mais baixos dentro da hierarquia fabril, interconectando os dispositivos primrios de automao instalados na rea de campo (sensores, atuadores, chaves etc.) e os dispositivos de controle de nvel imediatamente superior (clp, cnc, etc.). Detalhamento dos protocolos de redes industriais (manufacturing automation process). do projeto MAP

1) A arquitetura MAP/TOP 3.0Apresenta proposta para as diversas camadas do modelo OSI, conforme tabela a seguir:ESPECIFICAO CAMADA Aplicao Apresentao Sesso Transporte Rede Enlace Fsica TOP MAP MAP/EPA MMS FTAMVAZIO VAZIO

Mini-MAP

ACSE FTAM ISO 8822 ISO 8326/27 ISO 8072/73 ISO 8348-sem conexo LLC LLC MAC 802.3 MAC 802.4 Banda base Banda Larga 10 Mbps 10 Mbps

LLC-3 MAC 802.4 Banda base 5 Mbps

Os processos de aplicao oferecem as funes:a) b) c) d) MMS: para trocas de mensagens entre equipamentos de produo; FTAM: para o acesso e transferncia de arquivos; ROS: para a gesto de nomes (diretrio); Funes de gerenciamento de rede, para administrar recursos, medir desempenho e modificar os parmetros da rede.

A norma IEEE802.4 refere-se ao barramento com ficha (TOKEN). O servio de rede sem conexo, sendo cada mensagem roteada individualmente atravs da rede. A nvel do transporte as normas ISO 8072/73 definem um protocolo orientado a conexo, com controle de erros. O servio de transporte oferece tambm funes de fragmentao e montagem de mensagens trocadas a este nvel sejam de qualquer dimenso. 32

A camada de sesso baseada na norma ISO8326/27, que assegura as funes de comunicao full-duplex e de ressincronizao. A norma IEEEA802.3/ETHERNET refere-se ao protocolo baseado em escuta do meio com deteco de coliso.

2) As arquiteturas MAP/EPA e Mini-MAPAs 7 camadas proporcionadas pela arquitetura MAP apresentam excelente qualidade de servios prestados. Porm, a arquitetura de sete camadas demanda processamento computacional adicional, o que indesejvel nos nveis mais baixos das atividades de uma empresa. Para solucionar esse problema, criou-se uma verso simplificada da arquitetura MAP, denominada MAP-EPA, que desprovida das camadas de rede, transporte, sesso e apresentao, assim como a arquitetura Mini-MAP. A arquitetura Mini-MAP tambm suprimiu as camadas de 3 a 6 para evitar o overhead dos protocolos daquelas camadas. O fato de no possuir a camada de transporte fez introduzir um protocolo de enlace mais sofisticado que o da proposta MAP, o LLC tipo 3, datagrama com reconhecimento.

3) Servios de Mensagem Industrial (MMS)Foi normatizado na ISO (international Standard Organization) como sendo o conjunto de servios de comunicao oferecido s aplicaes industriais, para viabilizar as interaes entre equipamentos de produo programveis. Os servios de mensagem industrial permitem carregamento remoto de programas e controle remoto de equipamentos. a) Objeto MMS: Os usurios dos servios MMS so os processos de aplicao (APs) executando num equipamento de produo ou num computador de superviso. A comunicao entre dois AP s atravs dos servios MMS realizada segundo um modelo cliente-servidor onde o usurio cliente aquele que requisita operao sobre os recursos disponveis num equipamento de produo distante, sendo este modelado por um usurio servidor. O objeto de base em MMS o VMD (Virtual Manufacturing Device) - dispositivo virtual de produo que representa um equipamento real de produo. Todo processo de aplicao modelado por um servidor MMS possui, pelo menos, um objeto VMD, cuja estrutura apresentada abaixo: 33

O principal componente do VMD a funo executiva, responsvel pela gesto de acesso aos referentes recursos do equipamento considerado como: memria, processadores, portas de E/S, etc. Um operador humano pode se comunicar com o equipamento de produo, fazendo a entrada e sada de dados graas definio de um objeto estao operador, sendo que um VMD pode gerenciar uma ou mais estaes de operador. A norma ISO dos servios de mensagem industrial prev objetos semforos, que permite a sincronizao de processos e o acesso concorrente a recursos. A norma definiu tambm objetos chamados variveis , para se refletir a entradas e sadas de CLP s. A cada classe de objetos MMS associada uma classe de servios responsveis pela sua manipulao, sob demanda de um usurio cliente remoto.

5 - Rede FieldbusUma rede aplicada interveno de elementos simples a nvel de cho de fbrica chamada barramentos de campo , ou Fieldbus. O Fieldbus pode ser definido como uma linha de comunicao serial, digital, bidirecional (de acesso compartilhado) para a interligao dos dispositivos primrios de automao (instrumentos de medio, atuao e controle final) a um sistema integrado de automao e controle de processos.

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Vantagens da utilizao da rede Fieldbus:a) b) c) d) e) f) g) h) i) Reduo da quantidade de fios devido ao uso de meio fsico compartilhado; Reduo do nmero de canais de comunicao com o processo; Reduo de complexidade e tempo de projeto; Facilidade de deteco e localizao de falhas, atravs de funes de monitorao automtica; Maior flexibilidade de expanso de funes e mdulos; Aumento da confiabilidade da informao oriunda dos instrumentos de campo, atravs da digitalizao e pr-processamento; Sincronizao dos instantes de amostragem de entrada / sada; Maior desempenho da aplicao devido descentralizao do processo; Independncia de somente um fornecedor.

Enquanto as arquiteturas MAP-EPA e Mini-MAP permitem tempos de resposta de 100 ms, sistemas tipo Fieldbus reduzem esse tempo para a faixa de 1 a 10 ms, como requerido para o controle e superviso de grandezas fsicas envolvidas na automao, como: velocidade, posio dos eixos, torque, acelerao e for a. Para sistemas Fieldbus so definidas, por questes de eficincia, somente as camadas 1, 2 e 7 do modelo de referncia OSI. As funes das camadas 3 at 6 que so indispensveis para a comunicao so absorvidas pelas camadas 2 ou 7. Os dispositivos a serem interligados na arquitetura MAP tm custo inferior aos utilizados nas demais arquiteturas.

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22/09/2010H trs classes de aplicaes distintas.a) Sistemas Stand-Alone : nestes sistemas as transaes ocorrem somente entre dispositivos ligados em um mesmo segmento de rede.

b) Sistema em Cascata: Aqui os dispositivos conectados a segmentos distintospodem trocar informaes por meio de um bridge (ponte).

c) Sistemas Hierrquicos: onde o segmento fieldbus est interligado viagateway a uma rede interligando dispositivos de um nvel hierrquico superior da automao.

O fluxo de dados nas aplicaes pode se dar em 2 sentidos: Vertical: Ocorre entre nveis hierrquicos diferentes, para permitir a superviso do sistema. Para esta forma de aplicao so oferecidos servios que no so crticos no tempo, referentes a instalao, inicializao, parametrizao da aplicao e visualizao de dados para superviso. Horizontal: Ocorre entre elementos do mesmo nvel, compondo um sistema distribudo. A execuo dos servios oferecidos a esta aplicao crtica no tempo. Esses servios so destinados atualizao de dados e verificao de status. Em funo do tipo de aplicaes que se propem a atender, os seguintes requisitos so impostos s redes fieldbus:a) Elevado desempenho do protocolo para atender s aplicaes com requisitos de tempo crticos; b) Mtodo e meio de transmisso simples e de preo acessvel. Os sistemas field bus utilizam transmisso tipo baseband. o meio de transmisso o par tranado; c) Consistncia de dados; d) Servios compatveis com redes dos nveis hierrquicos superiores. Procura-se compatibilidade com os servios de mensagem industrial.

Ns veremos como matria para a segunda prova, as principais caractersticas dos sistemas Field Bus propostos para padronizao internacional .

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06/10/2010 1) A proposta FIP (Factory Instrumentation Protocol)A proposta levou em conta as restries de tempo real, impostas por grande nmero de aplicaes a nvel de cho de fbrica.

a) A camada fsicaO protocolo FIP oferece como meios de transmisso a fibra tica e o par tranado (blindado ou no). O par tranado prev trs velocidades de transmisso de dados:y y y y y y

S1 -> 31.25 Kbps, para uma distncia at 2000 m (sem blindagem). S2 -> 1 Mbps, para uma distncia at 500 m (com blindagem). S3 -> 2.5 Mbps, para uma distncia at 200 m (com blindagem). S1 -> Velocidade utilizada em reas sujeitas a exploso; S2 -> Velocidade padro; S3 -> Velocidade utilizada para aplicaes que requerem elevado desempenho temporal;

Para uso com fibra tica, prevista uma velocidade de 5Mbps. Os bits a serem enviados so codificados em Manchester, que permite o envio simultneo do sinal de sincronizao e dos dados propriamente ditos. A camada fsica do FIP suporta segmentos com comprimento de at 2000m e at 256 estaes. O barramento principal pode ser decomposto em vrios segmentos, que so ligados a este meio de taps . Os segmentos podem ser interligados por meio de repetidores, que fortalecem e reconstituem o sinal. A camada fsica oferece os seguintes servios de comunicao:y y

PHY_data_request: Pedido de transmisso de dados. PHY_data_indication: Indicao de servio concludo.

Os servios de gerenciamento oferecidos pela camada fsica so:y y y y

PHY_Reset: Reinicializao do nvel fsico; PHY_SetValue: Ajuste de parmetros de camada fsica; PHY_ReadValue: Leitura de parmetros ajustados; PHY_Event: Comunicao de eventos do nvel fsico.

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b) A camada de EnlaceNo distingue as sub camadas LLC e MAC, conforme a norma iEEE 802. O mtodo de acesso ao meio da rede FIP baseado na difuso (broadcasting), que organizada por uma entidade centralizada denominada rbitro de barramento . O projeto FIP baseou-se no fato de que, nas redes industriais, uma informao gerada em um determinado ponto pode interessar a vrias outras estaes (por exemplo, o dado gerado por um sensor de temperatura pode interessar ao controlador, ao atuador e ao terminal de vdeo do opera dor, simultaneamente). Os dados transmitidos pelo barramento so representados por objetos variveis. Cada objeto tem um nome nico no sistema e elaborado por um nico transmissor (produtor) e levado em conta por qualquer nmero de receptores (consumidores). Devido ao uso da difuso, os endereos de transmissores e receptores no precisam ser conhecidos pelas aplicaes. A figura demonstra o mtodo de acesso ao FIP:

y y y

O rbitro difunde na rede o nome da varivel (objeto) a ser transmitida (quadro de identificao ID_DAT); O produtor da varivel difunde, em seguida, a informao LIGADA AO identificador (quadro de dados RP_DAT); Todos os consumidores interessados passam a copi-la na fase final.

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07/10/2010

As estaes so autnomas. Elas so obrigadas a tomar uma atitude: difundir, sempre que solicitadas pelo rbitro do barramento, as variveis produzidas pelas estaes. A varredura das variveis peridicas feita a partir de uma lista implementada no rbitro na fase de inicializao. A transmisso de mensagens segue a norma iEEE 802.2, LLC (Logic Link Control) tipos 1 (sem conexo) e 3 (com reconhecimento). At 24000 objetos (variveis) so identificveis. Vejamos o formato de quadro do FIP.

i. ii.

iii. iv. v. vi.

vii.

PRE: Prembulo, utilizado para sincronizar o emissor e os receptores. FSD / FED: Frame Starter Delimiter e Frame End Delimiter. So delimitadores de incio e fim de quadros, codificados de forma a no serem confundidas com dados. EB: Equalization Bits. so bits de equalizao, que operam como bits de interface entre os delimitidores e dados codificados em Manchester III. DFS: Data Frame Sequence - Bits para controle de dados, envio de informaes e verificao da sequncia de quadro (FCS - Framce Check Sequence). Controle: define tipo de quadro, que pode ser quadro de identificao ou envio de informao (6 bits). Dados: Pode conter informaes, identificar ou representar endereo lgico de varivel, valor de varivel, mensagem, reconhecimento de mensagem ou lista de identificadores. FCS: Frame Check Sequence - O controle de erros feito atravs da tcnica polinomial, utilizando polinmio gerador de grau 32.

Os servios oferecidos pela camada de enlace so:I. II. III. IV. Atualizao cclica de dados; Atualizao no peridica de dados; Tranferncia de mensagens com ACK; Tranferncia de mensagens sem ACK.

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c) CAMADA DE APLICAODefine servios de mensagem industrial que no interferem com o trfego de tempo real. Esses servios so denominados MPS ( Message Periodic / Aperiodic Services ) e compreende leitura de variveis, escrita de variveis, acesso s listas de variveis, leitura das variveis e sincronizao.

d) Funes de gerenciamento de redes:a) b) c) d) e) f) Cofigurar a rede; Implementar e testar a configurao; Atualizar listas de objetos; Atualizar tabelas de varredura; Gerenciar operaes de partida/parada; Detectar e corrigir falhas.

2) A proposta PROFIBUS (Process Field Bus):Como nas demais redes Field Bus para aplicaes industriais, para atender aos requisitos de tempo de resposta o PROFIBUS implementa o modelo de referncia ISO / OSI reduzido a trs camadas (1, 2 e 7), descritas a seguir:

a) A camada fsicaBaseia-se no PADRO EIA RS-485 (EIA - Eletronic Industries Association), topologia barramento, utilizando como modelo fsico um cabo de par tranado blindado (130 OHMS). Permite i nterligar at 32 elementos (estaes) por segmento. So permitidos at 4 segmentos, totalizando um mximo de 128 estaes. A codificao usada a NRZ. As taxas de transmisso so 9.6, 19.2 e 93.75 Kbps para distncias at 1200m, 187,5 Kbps para distncias at 600m e 500 Kbps at 200m. A camada fsica oferece duas primitivas de servios acessveis camada de enlace: PHY-DATA.request (requisio de envio de dados) e PHY -DATA.indication (indicao de presena de dados).

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b) A camada de Enlace PROFIBUSDefine duas subcamadas para a camada de enlace de dados: a subcamada de controle de acesso ao meio (MAC) e a subcamada de controle de ligao lgica (LLC). Isso corresponde ao preconizado pela norma iEEE 802. Na subcamada MAC o PROFIBUS combina 2 mtodos determinsticos de acesso ao meio: estaes ativas encontram-se num anel lgico, onde o direito de acesso ao meio definido pela passagem de TOKEN, enquanto as estaes passivas comportamse como escravas, ou seja, acessam o meio apenas por requisio da estao ativa detentora do TOKEN. O token s repassado entre as estaes ativas, que podem entrar e sair do anel lgico de forma dinmica. O PROFIBUS representa assim uma combinao dos mtodos SLAVE e MASTER /

TOKEN-PASSING . O TOKEN repassado na ordem ascendente de

endereos, seguindo uma lista de estaes ativas, que gerado na inicializao e atualizada sempre que uma estao entra ou sai do anel lgico. Vejamos uma ilustrao do mtodo de acesso ao meio PROFIBUS:

Cada quadro PROFIBUS formado de vrios caracteres UART. Um caractere UART composto de 11 bits: 1 bit de incio ( Start Bit ), 8 bits de dados, 1 bit de paridade e 1 bit de finalizao ( Stop Bit ). Cada quadro apresenta os seguintes campos:i. ii. iii. iv. v. vi. SD: Start Delimiter - Delimitador de incio de quadro; DA: Destination Address - Endereo de destino DO QUADRO; SA: Source Address - Endereo de origem do quadro; FC: Framce Control - Controle de quadro; DATA_UNIT: Dados propriamente ditos; FCS: Frame Check Sequence - Sequncia de checagem de erros;

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vii.

ED: End Delimiter - Delimitador de fim de quadro.

O protocolo da camada de enlace o FDL ( Field Data Link ), que oferece servios de admnistrao do TOKEN, atualizao das estaes e trasnferncia de dados. A troca de dados feita em ciclos compostos por um pedido de envio (send_request) da estao ativa, seguido de uma confirmao de recebimento (ACK_Response) por uma estao passiva ou outra ativa.

c) A camada de aplicaoEst dividida em 3 subcamadas:1) Protocolo propriamente dito que o FIELDBUS MESSAGE INDUSTRIAL SPECIFICATION (FMS), derivado do servio de mesagem industrial; 2) LLI (LOWER LAYER INTERFACE) - responsvel pela interface com camada de enlace, mapeando o servio de aplicao em servios correspondentes de enlace; 3) ALI (Application LAYER Interface), responsvel pela interface com as aplicaes do usurio.

A ALI opera como solicitador de servios (cliente) a um dispositivo virtual de campo (VPD - VIRTUAL FIELD DEVICE), que opera como fornecedor de servios ( servidor ). O VFD equivalente ao VMD ( Virtual Manufacturing Device ) do MMS, usado em MAP, constituindo uma representao abstrata de vrias classes de dispositivos reais. As classes de objetos definidos so: Variveis; Domnios; alarmes; listas de variveis e invocaes de programa. Os objetos da rede so cadastrados em um diretrio de objetos (OV). Cada estao contm uma cpia do OV. So definidos servios de aplicao, administrao e gerenciamento de rede. So oferecidos servios com e sem conexo, cclicos e acclicos, entre estaes ativas e entre estas e estaes passivas. Os servios com conexo garantem troca de dados confivel.

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Servios sem conexo so usados para difuso (Broadcast e Multicast) de quadros entre todas as estaes ou entre certos agrupam entos pr-definidos de estaes.

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13/10/2010

3) A proposta ISA SP-50 (Instrumentation Society of America Standards and Practices 50)Segundo a proposta ISA, um elemento de comunicao composto de duas partes:y

y

DTE (Data Terminal Equipment), que inclui as funcionalidades das camadas de aplicao, de enlace e a parte da camada fsica independente do meio de transmisso adotado. DCE (Data Comunication Equipment), que inclui as partes da camada fsica que dependem do meio.

a) A camada fsica composta de trs subcamadas:y

y

y

Subcamada DIS (Data Independent Sublayer): atua como interface com a camada de enlace, recebendo pedidos de servio desta e repassando os dados recebidos (DTE). Subcamada MDS (Medium Dependent Sublayer): codifica os dados a enviar para um formato compatvel com o meio fsico a ser adotado. A subcamada MDS foi especificada para o par tranado, onde se adota a codificao tipo MANCHESTER BIFSICO (DCE). Subcamada MAU (Medium Attachment Unit):descreve o transceptor para o meio fsico (DCE). Para a camada fsica forma inicialmente propostos dois tipos de meio: o Meio H1: para aplicaes em controle de processos em reas de segurana intrnseca, usando par tranado, com taxa de transmisso de 31.25Kbps, cabo de at 1900 metros, que tambm utilizado para a alimentao dos dispositivos de campo. As topologias propostas so barramentos e estrela. o Meio H2: para processos de controle de alta velocidade, com taxa de transmisso de 1Mbps ou 2.5Mbps, topologia em barramento e distncia de 750m para 1Mbps ou 500m para 2,5Mbps, com 32 estaes por segmento.

H propostas alternativas, que utilizam fibra tica e sinais de rdio como meio fsico.

b) A camada de enlaceRealiza 4 funes: 44

I. II.

III.

IV.

Funes de Responder : estao s transmite dados em resposta a uma solicitao (estao escrava ); Funes de Initiator : estao pode se apoderar do direito de acesso ao meio (token), podendo enviar e requisitar dados a outras estaes por iniciativa prpria; Funes de link-master (LM): incluir as funes de responder e initiator, mas a estao pode exercer o papel de escalonador de enlace (LAS), administrando o token e gerenciando o tempo interno do sistema (semelhante ao papel de rbitro do barramento FIP); Funes de bridge : estao capaz de interligar entidades de enlace diferentes. Se houver mais de uma estao com as funcionalidades de um link master no sistema, estas disputam o papel de escalonador de enlace(rbitro). A estao vencedora chamada de LAS (link active scheduler). Existem, para isto, trs tipos de token: 1. Token de escalonamento (Scheduler Token): este token disputado na inicializao por todas as estaes tipo LINK-MASTER e define a estao LAS, que o retm; 2. Token circulado ou token de resposta (Reply Token): distribuido pelo estao LAS s demais estaes com funcionalidade de link-master, que formam um anel lgico conforme a norma IEEE 802.4. 3. Token delegado (Delegated Token): enviado pela estao LAS a uma estao qualquer por solicitao desta ou para atender s necessidades de um servio de comunicao escalonado pela LAS.

Vejamos uma ilustrao da operao tokens no SP-50:

A camada de enlace est dividida em 4 subcamadas, que so:

1. Subcamada de acesso a enlace: estabelece a interface com a camada fsica, gerencia o token e servios de resposta imediata;

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2. Subcamada de escalonamento de enlace: providncia as funes de escalonamento de atividades; 3. Subcamada de gerenciamento de conexes: Executa todas as funes referentes ao estabelecimento e rompimento de conexes. 4. Subcamadas de gerenciamento da ponte: s existe em estaes com funcionalidade de ponte.

A camada de enlace oferece 4 tipos de servios s entidades da camada de aplicao:1. Servio de gerenciamento de buffers ou filas, utilizados em transferncia de dados; 2. Servios de transferncia de dados com conexo, que estabelecem conexo e enviam dados entre estaes, garantindo servios confiveis; 3. Servios de transferncia de dados se conexo: enviando dados com menor confiabilidade, devido ao no estabelecimento prvio de conexo. So teis no envio de dados por difuso; 4. Servios de escalonamento de transaes, que permitem programar o escalonador ativo de enlace (LAS), definindo a sequncia de passagem de token (escalonamento do meio entre as estaes);

c) A camada de aplicaoPrev os seguintes servios:y y y

Servios MCSE(Message Common Service Element):estabelece e interrompe conexes entre processos de aplicao; Servios IMSE (Industrial Message Service Element): so semelhantes aos servios de mensagem industrial MMS do projeto MAP. Servios DDM (Distributed Database Maintenance): servios de acesso s bases de dados distribudas.

d) Camada do Usurio situada acima da camada de aplicao. Destina-se a aliviar o programador de detalhes de acesso ao sistema de comunicao e a oferecer servios adequados a diferentes tipos de aplicaes; Alm das funcionalidades das camadas j vistas, a proposta SP-50 inclui um conjunto de funes de gerenciamento de rede, que permitem monitorar o desempenho, controlar a operao e administrar configuraes.

46

A administrao de configuraes diz respeito a carregamento, inicializao de endereos e ajustes de comunicao e aplicao. O controle de operaes se refere s ferramentas de sincronismo escalonamento. A monitorao de desempenho trata de deteco e recuperao de erros, juntamente com avaliao e otimizao de desempenho.

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20/10/10

Estudos de redes bastante utilizadasRedes para InstrumentaoA interface de rede GPIB (General purpose interface bus) bastante usada na rea de instrumentao (multmetros, osciloscpios microprocessados). GPIB opera como um barramento paralelo, constitudo de 16 linhas. Sinais com tenso acima de 2v so consideradas como nvel lgico 0 e abaixo de 0.8 como nvel lgico 1. Assim, o sinal ativo GPIB baixo. A interface permite o envio de bits em srie e bytes em paralelo. Um barramento GPIB pode ter at 15 estaes, com comprimento mximo de cabo de 20 metros, operando a uma taxa de de transmisso de at 50Mbps. GPIB requer a existncia de uma estao controladora (mestre) do barramento, que define qual ser a estao transmissora de dados, aqui denominada talker (falantes) e quem sero as estaes receptoras de dados, aqui chamadas de listeners (ouvintes). GPIB bem aceito na rea de instrumentao porm no bem adaptada s necessidades de automao de cho de fbrica (sensores, atuadores, robs, CLPs, etc), pois os outros e a prpria interface de 16 condutores so caros. Alm disso, o sinal referenciado ao terra sensvel s perturbaes eletromagnticas e o comprimento mximo do barramento (20m) uma limitao fsica indesejvel. Apesar de certa difuso de redes com interfaces paralelas para comunicao de dados na rea de instrumentao, como a GPIB, nas redes de comunicao industrial as mensagens so enviadas de modo serial, para reduzir a interferncia de perturbaes eletromagnticas. e outros instrumentos

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Softwares para redea) NOVELL NETWARE: Opera sobre diferentes bases de hardware para rede (suporta as redes ARCNET, ETHERNET e TOKEN-RING). Oferece servios a nvel das camadas de sesso e apresentao. Vejamos uma tabela com alguns tipos de rede:Caractersticas \ rede Acesso ao meio Velocidade Nmero de ns ETHERNET CSMA/CD 10Mbps 1024 par tranado meio de transmisso fibra tica cabo coaxial Topologia STAR/BUS ARCNET TOKEN-PASSING 2,5Mbps 254 par tranado fibra tica cabo coaxial STAR/BUS RING TOKEN-RING TOKEN-PASSING 4 ou 16Mbps 255 par tranado cabo coaxial

STAR->estrela; BUS->barramento; RING->anel b) PC-LAN Sistema operacional que opera sobre a rede TOKEN-RING da IBM, interligando computadores PC. Requer o netBios para funcionar. c) NETBIOS uma interface para programas de aplicao CAPI (Aplication Program Interface) desenvolvido pela IBM, que prov servios a nvel das camadas de rede e transporte para PC s e servidores de LAN (Local Area Network). d) TCP/IP O protocolo TCP ( Transmission Control Protocol ) usado para implementar o sequenciamento e o controle de fluxo de informaes, correspondendo do modelo OSI. O protocolo IP ( Internet Protocol ) um protocolo no orientado conexo, cujas funes correspondem s atribuies da camada de rede.O protocolo ip engloba algumas funes pertencentes subcamada LLC da camada de enlace do modelo OSI 49

Os protocolos TCP/IP so a base de funcionamento da internet, tendo se estabelecido como padro para a ligao de redes heterogneas atravs do provimento dos seguintes servios: SERVIOS DO PROTOCOLO TCP/IP: 1) Gerenciamento de rede: DNS: um esquema de gerenciamento de nomes, hierrquico e distribudo, que define a sintaxe dos nomes na internet (DNS ( Domain Name System)). Os endereos TCP/IP so numricos, compostos por uma par te destinada a endereamentos de mquinas (hosts). O DNS contm um banco de dados distribudo, mantido por servidores de nomes (names servers), que permitem associar endereos IP (numricos) ao nome de uma mquina. Cada nvel hierrquico de um nome chamado de domnio. Por exemplo: atlas.lcmi.ufsc.br equivale ao endereo IP 150.162.14.1 .

SNMP(Simple Network Management Protocol): uma aplicao TCP/IP, que providncia uma maneira de gerenciar objetos dentro de uma rede TCP/IP. Os processos que realizam o gerenciamento so denominados gerentes e agentes e tm por objetivo detectar falhas no funcionamento de comp onentes da rede. O gerente envia comandos aos agentes, soliciantdo o informaes sobre o estado dos objetos gerenciados (comandos get e response) ou modificanndo este estado (comando put). Um agente tambm pode notificar o gerente da ocorrencia de eventos especficos (comando trap). Os objetos gerenciados podem ser estaes de trabalho, gateway, modems, bridges, concentradores, processos, etc.

Finger: um parte do protocolo TCP/IP que verifica quais hosts e users esto conectados a um determinado hotst.

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Ping: uma parte do protocolo TCP/IP que verica se um determinado host est ativo na rede. Funciona enviando uma mensagem para o host e aguardando uma resposta.Se o host no responde significa que no est conectado rede.

Netstat: parte do protocolo TCP/IP que providencia uma maneira de se verificar as conexes que esto ativas na rede TCP/IP. 2) Correio: SMTP (Simple mail transfer procotol): parte do protocolo TCP/IP, que providencia um correio eletrnico para troca de mensagens entre dois ou mais host s. 3) Compartilhamento de Arquivos: NFS(Network file System): providencia uma maneira de se compartilhar arquivos dos sistemas atravs de uma rede TCP/IP.O NFS mapeia os discos de servidores na rede TCP/IP, permitindo que arquivos como locais. 4) Comunicao: SLIP(Serial Line IP): um protocolo utilizado para conectar dois hosts atravs de uma linha serial, configurando-se numa ligao ponto a ponto. No providencia endereamento; cada um dos hosts tem que ser conhecido pelo outro; no identifica pacotes e no possui correo de erros os hosts desta rede enxergam este s

PPP(Point to Point Protocol) : tambm um protocolo para transmisso de pacotes atravs de linhas seriais que suporta linhas sncronas e assncronas. O PPP um protocolo utilizado para transmisso de pacotes IP na Internet, transportando os pacotes atravs de uma conexo full duplex entre dois pontos. os pacotes so entregues em ordem. 5) Emulao de Terminais: Telnet: providencia uma interface atravs da qual um programa em um host (Cliente telnet) acessa recursos em outro host (servidor telnet) como se fosse um terminal local conectado ao servidor de terminais:

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6) API s (Aplication Program Interfaces): RPC (Remote Procedure Call): define um protocolo para execuo remota de procedimentos em computadores ligados em rede. Uma mensagem RCP tm trscampos inteiros, que so identificados por Remote Program Number, Remote Program Version e Remote Procedure Number. A operao do protocolo RPC coleta os dados dos parmetros, forma a mensagem, envia a mensagem, espera a resposta e devolve a resposta atravs dos parmetros. O RPC providencia uma interface de aplicao que permite a comunicao entre dois programas, que so executados em dois hosts diferentes (processamento cliente / servidor). 7) Transferncia de arquivos: FTP (File Transfer Protocol): Protocolo que possibilita a transferncia de arquivos entre dois hosts diferentes. O FTP baseado no envio de comandos, que sempres geram uma resposta por parte de servidor. 8) Aplicaes Grficas: X Window (X Window System): um protocolo que providencia apresentao em forma grfica tambm conhecido por X -11, o protocolo padro para GUI(Graphics User Interface) no sistema operacional Linux. O X-11 funciona segundo o modelo cliente-servidor. O servidor X-11 recebe pedidos via uma porta; um cliente x conecta-se ao servidor x e envia seus pedidos utilizando o protocolo x atravs da biblioteca. O caso mais comum e de programas clientes rodando na mesma mquina do servidor, atravs de diferentes canais de comunicao entre processos. O X suporta operaes de janelas, textos e grficos. 9 ) Impresso Remota: LPR (Line Printer Redirection): Redireciona arquivos de impresso para um host atravs de uma rede TCP/IP.

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LPD (Liner Printer Driver): Servidor de impresso para hosts remotos em uma rede TCP/IP. 10) Execuo Remota: RSSH(Remote Secure Shell Protocol): Trata-se de um protocolo de rede que providencia uma interface de aplicao que permite a conexo com outro computador da rede de forma a executar comandos de uma unidade remota. Possui as mesmas funcionalidades do TELNET, com a vantagem da conexo entre cliente e sevidor ser criptografada

REXEC(Remote Execution Command Protocol): um servidor que permite a execuo de um comando REXEC de um host remoto atravs de uma rede TCP/IP. O servidor realiza um login automtico incluindo a verificao do usurio. A parte cliente relizada pelo processo REXEC. 11) Servidor de Boot: BOOTP (Boot Strap Protocol): um servidor de boot remote para hosts atravs de uma rede TCP/IP. muito utilizada por terminais grficos.

Relao entre modelo OSI e arquitetura TCP/IPModelo OSI Modelo Arquitetura TCP/IP

APLICAO APRESENTAO SESSO TRANSPORTE REDE ENLACE (LLC/MAC) FSICA FSICA

APLICAO

TRANSPORTE (PROTOCOLOS TCP, UDP, DCCP REDE (IP, ICMP, ARP, RARP)

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12) Transferncia de dados HTTP (Hyper Text Transfer Protocol): um protocolo utilizado para transferir dados por redes internas e pela rede mundial de computadores (internet). HTTP um protocolo de aplicao responsvel pelo tratamento de pedidos / respostas entre cliente e servidor na internet. O HTTP surgiu da necessidade de distribuir informaes pela internet, tornando-se uma forma padronizada de comunicao entre programas requisitantes (clientes) e programas receptores (servidores) da rede.

54

28/10/2010

a) Redes sinec (SIEMENS):Conjunto de solues de rede da Siemens composto de vrias verses, que so compatveis com a norma IEEE 802.3 e com o padro MAP. A rede INEC L2 e uma rede FIELD BUS, assim como a vero SINEC L1, que compatvel com a norma alem PROFIBUS. A verso SINEC L2-DP desenvolvida para aplicaes que exigem respostas rpidas, envolvendo sistemas remotos de entrada e sada, como CLP s ligados a sensores e atuadores. Utiliza o padro RS485 ou f ibra tica na camada fsica. A interface RS485 admite cabo de 1200 metros com taxa de transmisso de 93.75 kbps, 1000 metros com taxa de 187.5 kbps, 200 metros com taxa de 1.2 Mbps ou 100 metros com taxa de 1.5 Mbps. Suporta at 127 estaes em 4 segmentos de rede ligados por repetidores. Prev uma operao com mestre nico (single master) e escravos, adotando portanto o protocolo mestre/escravos na camada MAC. Usa somente servios sem conexo e sem reconhecimento (LLC tipo1). Os servios de aplicao so para leitura e escrita de variveis remotas (read/write). A verso SINEC L2-FMS foi concebida para troca de dados entre sistemas inteligentes autnomos. Por isso, utiliza na subcamada MAC os protocolos tokenpassing juntamente com MESTRE/ESCRAVOS, conforme norma PROFIBUS. Usa servios LLC tipos 1 e 3. Os servios de aplicao seguem o padro FMS (Fieldbus Message Services). Utiliza tambm o padro RS485 ou fibra tica na camada fsica. Tambm suporta 127 estaes em 4 segmentos de rede.

b) BITBUS (Intel) uma rede com topologia em barramento e operando com mtodo de acesso ao meios mestre/escravos. Foi desenvolvido pela INTEL para integral componentes no nvel mais baixo de automao industrial(sensores, atuadores, controladores e instrumentos de medio). O bitbus apresenta uma arquitetura de trs camadas. A camada fsica utiliza a interface padro RS-485 com par tranado e taxas de transmisso de 62.5 Kbps at 2.3 Mbps (Modo sncrono, com 4 fios). No modo 55

assncrono a rede requer apenas 2 fios e opera com taxas de transmisso de at 1Mbps. Cada segmento da rede suporta no mximo 28 estaes, mas atravs de repetidores podem ser conectados at 250 elementos na rede. Para a camada de enlace o BITBUS emprega o protocolo SDLC(Syncronus Data Link and Control), um sub-conjunto do protocolo HDLC padronizado pela ISO. A nvel da camada de aplicao a INTEL definiu um conjunto de servios denominados RAC(remote access and control), para atender aplicaes envolvendo sensores e atuadores. Esses servios RAC so enumerados abaixo:1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. Reset_Slave; Create_Task; Delete_Task; Get-Function_ID Read_IO; Write_IO; Update_IO; Upload_Memory Download_Memory OR_ID AND_ID XOR_ID STATUS_READ STATUS_WRITE

c) CAN (Controller Area network)Rede para integrar eletrnica inteligente em veculos autnomos. Foi desenvolvida pela Bosch. Esta rede adequada ao cho de fbrica, devido s suas caractersticas a seguir apresentadas:1. Topologia: Barramento ou estrela (com concentrador); 2. Taxa de Transmisso: 128 Kbps ou 1 Mbps; 3. Comprimento mximo do barramento: 40m para 1 Mbps; at 1 Km para 128 Kbps. 4. Nmero mximo de ns: 16. 5. Codificao de bits: NRZ (Non Return to Zero). 6. Meio de transmisso: Par tranado ou fibra tica. O mtodo de acesso ao meio o forcing headers (cabealhos forantes) com prioridades para mensagens. Ele definido na subcamada MAC.

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Na subcamada LLC determina-se o comprimento mximo dos quadros como sendo 8 bytes e o controle de erro por CRC (Cyclic Redundancy Check). As camadas 3 at 6 do modelo OSI foram suprimidas, a exemplo do que ocorre nas redes de Field Bus. O mtodo de acesso da camada LLC da rede CAN o CSMA/NBA - Carrier Sense Multiple Acess With non - destructive Bitwise Arbitration. Cada n tenta transmitir seo meio estiver livre, como no pado ethernet. Se dois ou mais ns iniciarem transmisso simultnea, o conflito resolvido por arbitragem bit a bit usando o campo identifier, visto no formato de quadro CAN abaixo:

SOF

11 bit identifier

control field

length

0 to 8 bytes data||

CRC

ACK

EOF

||

SOF:start of frame ACK:acknowledgement EOF:end of frame O BIT 0 dominante no fio sobre 1 (operao AND binria). Se um n transmie 1 mas escuta 0 , ele imediatamente pra a transmisso. O n vencedor envia o resto da mensagem. Esse mecanismo garante que no haja perda de informaes, nem perda de tempo. Exemplo: N 1 transmite para o meio.

0

10110110100

0

0

0

1

0

00000001

XXXX

11

EOF

N 2 transmite:

0

10110111

N 2 perde arbitragem e para transmisso.

Assim, o quadro do meio igual ao n 1:

57

0

10110110100

0

0

0

1

0

00000001

XXXX

11

EOF

O quadro no contm campos especficos para o endereo destino / origem. O campo identificador pode conter o endereo de uma estao, de grupos de estaes ou as mensagens so difundidas para todas as estaes (broadcasting). O gerador da mensagem chamado de produtor e as estaes interessadas no contedo das mensagens so os distribuidores. O sistema suporta at 2032 objetos diferentes. O tempo para leitura de dados a nvel da camada de enlace da ordem de 420 micro segundos para o objeto de maior prioridade.

d) VAN (Vehicle Area Network)De origem francesa, adotada pela Renault e pela Peugeot. Sua camada fsica caracterizada por topologia em barramento, taxas de transmisso de 100Kbps at 250Kbps, mximo de 16 ns, comprimento mximo de barramento igual a 20 metros e codificao de bists em manchester ou NRZ. O mtodo de acesso ao meio definido na subcamada MAC como o Forcing Headers e os erros so controlados pela tcnica de redundncia cclica. O quadro de dados da subcamados LLC pode apresentar 8 ou 28 bytes.

58

s p b r q t ih g f c e d cb a b b p ( & R #% R S R # `X X X Y & # & 1 # X X X & & R & & 1 # W V U % $ R # U $e ess e 2 se ee s s ess s1 2

7@GEQ CB@ @Q C 7F A FE @E C 7F A PC@9 7CP@ 9 73@ DI8 FE D79 HC@9 7A7G FE D79 CB@ A73@988 7v e e S c c c s Vej s sc s e e ev ce e2 S S S V 1 S SS

(2 1 0) ( % $ # ' & % $ # "! e se e c s es e e ev ce c s s e e ece e c s v v e c s s c ec s es e e ce e s ves s v sc s e ys e c

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/ 010

e) Device Net

c

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464543

464543 464543

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Mas e -s ave esc av s s e v am dados em res os a varredura do mes re eer- o- eer: comunica o livre entre fontes destinos quaisquer (par a par);

s e

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64

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e 24 V c es

se

125

e

e

500

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e

250

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c

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125

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s e

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59

ves

es

ce e

3. Multi-Master: Vrios mestres e escravos; 4. Produo Cclica dos dados: estaes enviam dados entre si em intervalos fixos de tempo.

O campo identifier estabelece prioridade nos processos de arbitragen. Esse campo usado pelos ns receptores para identificar mensagens. H dois tipos de mensagem:1. Mensagens explcitas para funes cliente/servidor; 2. Mensagens de I/O para dados de controle crticos no tempo;

Dados maiores que 8 bytes so fragmentados. H deteco de identificadores duplicados e verificao de consistncia dos dados de aplicao.

f) Control NetSua camada fsica carcterizada por topologias em barramento, rvore ou estrela. A taxa de transmiso de 5Mbps. O endereamento de at 99 estaes. Os meios fsicos podem ser:1. Cabo Coaxial de 1km com 2 ns, 500 m com 32 ns e 250m com 48 ns sem repetidores. Suporta um limite mximos de 5 km com 5 repetidores. 2. Fibra tica de 3 km sem repetidores e at 30 km com 5 repetidores (dispositivos de regenerao de sinal).

A camada de enlace apresenta campo de dados com at 510 bytes e realizado controle de erros no quadro por redundncia cclica, atravs de um polinmio modificado de 16 bits. Vejamos, por exemplo, qual seria o polinmio para a sequncia de bits 1001101100110100 . P(x)= 1 x^15 +0 x^14 +0 x^13 +1 x^12 +1 x^11 +0 x^10 +1 x^9 +1 x^8 +0 x^7 +0 x^6 +1 x^5 +1 x^4 +0 x^3 +1 x^2 +0 x^1 +0 x^0, ou seja: P(x)= x^15 + x^12 + x^11 + x^9 + x^8 + x^5 + x^4 + x^2. O CRC (Controle de redundncia cclica) o resto da diviso polinomial entre os dados a enviar e um polinmio gerador adequadamente escolhido, que pode ser:1. 2. 3. 4. CRC-32; CRC-16(x)=x^16+x^15+x^2+x^0 ou 11000000000000101 CRC-12(x)=x^12+x^3+x^1+x^0 ou 1000000001011 CRC-8(x)=x^8+x^2+x^1+1 ou 100000111

60

Subcamada MAC (Medium Access Control): O acesso ao meio regulado pelo protocolo CTDMA (concurren t time domain multiple access), que regula a oportunidade de transimitir cada n em intervalos de tempo ajustveis camados NUT (Network Update time) A menor NUT de 2ms. Informaes prioritrias so enviadas no incio de cada NUT . A camada de aplicao orientada a objetos e se comunca pelos modos produtor/ consumidor; mestre/escravo; multi -mestre ou ponto a ponto (peer to peer). A leitura dos dados cclica ou efetuada por solicitao.

g) Protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer)Vejamos as principais caractersticas deste protocolo, que utilizado nas indstrias para interligar equipamentos de campo inteligentes:1) Meio fsico: par tranado; 2) Taxa de transmisso de 1200 bps; 3) Transmisso assncrona a nvel de caracter UART (compostos por 1 start bit, 8 bits de dados, 1 bit de paridade e 1 stop bit); 4) Tempo mdio para aquisio de um dado: 378,5 ms; 5) Mtodo de acesso ao meio: mestre/escravo; 6) Topologia: barramento ou rvore; 7) Modulao: FSK (Frequency Shift Keying), onde o sinal lgico 1 representado por um sinal senoidal de baixa tenso e com frequncia de 1200Hz. Por outro lado o sinal lgico 0 representado por um sinal senoidal de baixa tenso e com frequncia de 2200Hz.

A modulao adotada possibilita transmisso simultnea de quadros digitais pelo barramento e sinais de 4 a 20 mA. Circuitos integrados de baixa potncia servem como modems em equipamentos de campo, realizando modulao.

h) Interbus-sEste protocolo foi concebido para integrar sensores e atuadores a um elemento de tomada de deciso (CLP, CNC, etc) , que opera como estao mestre. Sensores e atuadores so tratados como estaes escravas que realizam operaes de entrada e sada. A iniciativa da comunicao parte do mestre, que executa uma varredura cclica dos escravos por meio de quadros especficos para este fim. O Interbus-S adotou a 61

topologia em anel, com mtodo de varredura denominado quadro concatenado ou quadro somado, que funciona como um registrador de deslocamento. Neste mtodo de varredura, o mestre monta um quadro nico contendo campos reservados para cada um dos escravos. Quando o mestre deseja enviar dados a um dos escravos. Quando o mestre deseja enviar dados a um dos escravos, preenc e o campo reservado quele escravo com os dados do processo ou parmetro a enviar. s

O quadro ento enviado ao primeiro escravo do anel, que reconhece no quadro o incio de sua janela de dados e verifica o contedo somente do campo reservado a ele, ignorando o resto do quadro. O escravo l a informao contida em seu quadro r servado, copiando-a para e um buffer de recepo, e substitui o contedo do campo pelos dados de resposta, que estavam espera em um buffer de envio. Dessa forma o mestre pode enviar novos dados para serem colocados nas sadas do escravo e receber em lugardeles os dados atualizados das entradas do mesmo escravo. Em seguida, o primeiro escravo envia o quadro completo para o prximo escravo do anel. O processo se repete at que o quadro tenha percorrido todos os escravos do anel e retornado ao mestre. -S: Vejamos o esquema de varredura dos escravos no protocolo INTERB S

C

FCS

M4

M3

M2

M1

H

O tempo que o quadro leva para percorrer o anel depende do nmero de esta es escravas e determinstico.

O protocolo Interbus-s suporta at 2048 entradas e sadas, que podem ser

varridas em 7,2 ms A distncia entre esta es consecutivas no anel pode chegar at 400m.

62

u

v

w

w

O nmero mximo de estaes 256, de modo que o anel do Interbus -s pode ocupar 13 km sem repetidores. A taxa de t ransmisso de 500 Kbps. O Interbus-s oferece servios PMS (Peripherals Menage Services), que incluem gerenciamento de conexes, identificao de status, gerencimamento de objetos, acesso a variveis (read, write, update, etc) e gerenciamento de programas (download, upload, start, resume, etc).

i) ASI-BUSO protocolo ASI-BUS (Actuator/Sensor Interface) foi elaborado para interligar por rede elementos perifricos (sensores e atuadores), como chaves fim de curso, sensores de proximidade indutivos e capacitiv os, rels, vlvulas, etc. Todos esses elementos requerem informao mnima para operar (1 bit com comandos tipo ON/OFF). O protocolo ASI foi concebido como um sistema Mestre/Escravos com topologia em barramento. O mestre executa uma varredura cclica dos e scravos, enviando quadros de solicitao de dados e aguardando o quadro de resposta. Vejamos o formato de quadro do mestre ASI, que apresenta um total de 17 bits;Bits 1 1 5 bit-slave address 4 bit parameter 4 bit data 1 1

Start bit

Command bit

Test bit

Stop bit

O quadro de resposta do escravo tem 7 bits. Como todas as respostas so destinadas ao mestre, esse quadro no tem campo de endereo, conforme apresentado a seguir:

1 Start bit

4 bit data

1 Test bit

1 Stop bit

Como os quadros utilizados so sempre iguais aos acima mostrados, a varredura de cada escravo implica no envio e recepo de um total de apenas 24 bits. Um escravo ASi possui 4 portas de I/O conectadas a dispositivos perifricos, conforme figura abaixo:

63

O mestre pode ler ou escrever em qualquer uma das 4 portas remotas de cada escravo devido aos 4 bits de dados reservados nos quadros de envio e recepo. ASi suporta at 31 escravos em um barramento. A varredura completa dos 31 escravos, atualizando todas as 124 entradas e sadas, requer 5 ms. Um segmento de rede ASi pode ter at 100 m de comprimento.

S STEM)

Trata-se de uma verso atualizada do protocolo MINI MAP, voltada -

automao fabril no nvel hierrquico de clula, onde se encontram robs, CLP s, sistemas de transporte, etc. A arquitetura FAIS tambm composta das camadas OSI 1, 2 e 7. A camada fsica comporta cabo coaxial com tcnica de transmisso em Base Band com 5 ou 10Mbps ou fibra tica com 10 Mbps. Camada de Enlace: A subcamada MAC utiliza o protocolo TOKEN BUS, enquanto a subcamada LLC usa o servio sem conexo com reconhecimento, conforme padro IEEE 802.2. A camada de aplicao prev o uso de MMS (manufacturing message services), juntamente com servios de gerenciamento de rede NM ( network management) e dicionrio de objetos OD (object dictionary).

k) LON (Loc l