Aula III –Redes Industriais - dee.eng.ufba.br III - Redes Industriais.pdf · Introdução • As redes de comunicação por sinais elétricos foram introduzidas em ambientes industriais

1

Aula III – Redes Industriais

Universidade Federal da BahiaEscola PolitécnicaDisciplina: Instrumentação e Automação Industrial I (ENGF99)Professor: Eduardo Simas ([email protected])

Prof. Eduardo Simas – DEE/UFBAENGF99 – Instrumentação e Automação Industrial I (Aula III – Redes Industriais)

Introdução

• Muitas vezes, para que a informação medida em campo seja utilizadacorretamente, é necessário transmiti-la para o local onde vai serprocessada ou analisada.

• As redes de comunicação industriais fazem este papel.

• Entre as funções de uma rede industrial pode-se destacar:

– Transmitir a informação medida nos sensores para as unidade deprocessamento ou para os sistemas de controle e supervisão daplanta;

– Transmitir os comandos enviados pelos sistemas de controle esupervisão para os elementos atuadores (motores, válvulas, fornos,etc).

• Neste módulo serão estudados alguns padrões de comunicação utilizadosem redes industriais.

2Prof. Eduardo Simas – DEE/UFBAENGF99 – Instrumentação e Automação Industrial I (Aula III – Redes Industriais)

Introdução

• Ao longo dos anos o modo de transmissão da informação nos ambientesindustriais foi gradualmente evoluindo em busca de tecnologias maisavançadas.

• Atualmente os protocolos de redes de campo estão cada vez maisdifundidos.


3

Fig. retirada de: L. A. Guedes (2005)Classificação das Redes para Automaçãoindustrial, Notas de Aulas DCA/UFRN

Introdução

• As redes de comunicação por sinais elétricos foram introduzidas em ambientesindustriais a partir de da década de 1960 e permitiu a substituição de grandequantidade de tubos utilizados para a transmissão pneumática.

• Isso contribuiu para:

– Reduzir os custos de instalação;

– Reduzir o tempo de transmissão dos sinais.

• Inicialmente os sensores geravam sinais analógicos que eram transmitidos para oselementos de controle (sistemas de supervisão, computadores ou controladoreslógicos programáveis – CLPs).

• A comunicação digital entre pequenos dispositivos de chão de fábrica só foiiniciada na década de 1980 e sua aceitação aumentou apenas na década seguinte.

• Com o aumento da complexidade dos sistemas automatizados, foram propostosdiferentes protocolos (padrões) de comunicação para redes industriais.

• Se tornou necessário trabalhar no sentido de uniformizar os protocolos e garantira interconexão de dispositivos de diferentes fabricantes.


4

Introdução aos Sistemas de Comunicação


5


• Um sistema de comunicação simples é formado por: fonte de informação,transmissor, canal (ou meio) de transmissão, receptor e destino.

• O objetivo é enviar o conteúdo de uma mensagem (informação) de umlocal (transmissor) para outro (receptor).


6


• Os sistemas de comunicação podem ser classificados quanto à natureza dainformação transmitida em:

– Analógico

– Digital

• Uma fonte de informação analógica pode ser convertida para digital porum processo chamado conversão A-D (analógico-digital).

• A conversão A-D envolve a execução de algumas etapas como:

– Amostragem (amostras do sinal analógico devem ser tomadas aintervalos que respeite o limite de Nyquist para amostragem segura)

– Quantização (os valores da amplitude do sinal analógico sãoaproximados pelo nível de quantização mais próximo, esse processointroduz erros de quantização)

– Codificação (os níveis de quantização são associados a palavrasdigitais)


7

Transmissão Analógica x Digital

• O termo “analógico” está relacionado à palavra análogo, pois o sinal queele representa tenta representar de modo fiel o processo físicocorrespondente.

• Para a obtenção de um sinal digital a partir de sua representaçãoanalógica é preciso realizar um processo conhecido como conversãoanalógico-digital(embora existam sinais naturalmente discretos no tempo,i.e. a temperatura diária, o valor de uma ação no fechamento da bolsa devalores, etc).

• Considerando que:

– Grande parte dos fenômenos e sinais existentes naturalmente sãoanalógicos.

– A conversão analógico-digital sempre introduz erros de quantização aosinal digitalizado.

• Então, porque o processamento digital é tão difundido atualmente ?


8


• Os circuitos digitais são mais tolerantes a variações nos componenteseletrônicos;

• O sinal digital é mais imune ao ruído aditivo na transmissão (mais simples deminimizar o erro em cada bit, pois este só pode assumir os valores 0 ou 1);

• A crescente disponibilidade de dispositivos para o processamento digital(computadores pessoais, sensores digitais equipamentos móveis, hardwarededicado, etc);

• É possível utilizar sinais multiplexados por divisão no tempo.

• Desvantagens:

– São necessárias duas etapas adicionais para o processamento de um sinalanalógico (conv. AD e DA).

– Os circuitos de processamento digital, em geral, consumem mais energiaque os analógicos, pois utilizam sempre dispositivos eletrônicos ativos nasua construção.


9



10

Sinal analógico Sinal amostrado e quantizado



11

• É no processo de codificação que osdiferentes níveis de quantização sãoassociados às palavras digitais.

• No exemplo ao lado uma codificação a 4 bitsé utilizada para representar até 16 níveis dequantização diferentes.

• O número de níveis de quantização (NQ) quese pode representar é função do número debits (NB) de codificação utilizada:

• O máximo erro de quantização pode serestimado por:

Sendo Δx a faixa de excursão (range) da variável.

�� 2��

�� ∆�

2 ��



12

Sinal digital

As informações das

amostras quantizadas

do sinal analógico são

representadas por

palavras digitais

Análise no Domínio da Frequência

• A informação contida num sinal pode ser melhor interpretada se ele foranalisado num domínio diferente do original.

• As operações matemáticas que realizam uma mudança de domínio numafunção são chamadas de transformadas.

• A Transformada de Fourier realiza a transformação de um sinal h(t) nodomínio do tempo para um sinal H(w) no domínio da frequência:


13

Análise no Domínio da Frequência

• Neste slide são mostrados exemplos de um sinal no domínio do tempo x(t)e seu respectivo espectro de frequências.

• A presença de altas frequências indica que o sinal no domínio do tempotem variações rápidas.

• Para sinais de áudio as baixas frequências correspondem aos sons graves eas altas frequências aos agudos.


14

Análise no Domínio da FrequênciaExemplos de Pares da Transformada de Fourier


15

Técnicas de Modulação / Multiplexação

• Para possibilitar a transmissão de mais de um sinal de informaçãocompartilhando o mesmo meio de transmissão é necessário utilizartécnicas de modulação ou de multiplexação.

• As técnicas de modulação consistem basicamente em aproveitardiferentes faixas do espectro de frequência disponível no meio detransmissão para enviar informações de diferentes fontes ao mesmotempo (Exemplos: Modulação AM, FM, PM, ASK, QAM, etc).

• De modo análogo, o processo de Multiplexação tem o objetivo detransmitir diversas fontes de informação utilizando o mesmo meio, mas demodo intercalado ou multiplexado (Exemplos: Multiplexação por divisãono tempo, multiplexação por divisão na frequência, multiplexação pordivisão no comprimento de onda);


16

Exemplo – Modulação AM

• Um sinal x(t) émultiplicado por umaportadora senoidal defrequência fixa econhecida f:

XAM(t)=x(t)sen(2πft + θ)

• Deste modo ainformação de x(t) é“movida” para a faixade frequências emtorno de f.


17

Exemplo – Modulação FSK

• Nesta forma de modulação a frequência do sinal transmitido varia com ovalor do sinal de informação digital:


18

Exemplo – Multiplexação por Divisão no Tempo

• Na multiplexação por divisão no tempo, as informações digitais dediversas fontes são transmitidas por um mesmo meio de modointercalado no tempo (aproveitando intervalos de tempo que não seriamutilizados na transmissão de apenas um canal).

• A taxa de transmissão de informação no meio é a soma das taxasindividuais de cada fonte.


19

Multiplexação por Divisão na Frequência• Os sinais de informação são deslocados da “banda base” para diferentes faixas de

frequência e transmitidos ao mesmo tempo. Se não houver sobreposição nosespectros é possível recuperar a informação original de todos os canais.


20

Introdução a Redes de Comunicação


21

O Modelo OSI de 7 Camadas


22

• O modelo OSI (Open Systems Interconnection) foi definido com o objetivo depadronizar o modo de conexão de redes de dados, possibilitando a interconexãoentre redes de diferentes padrões e protocolos.

• O padrão define sete camadas, cada uma com funções próprias e bem definidas.

• As camadas adjacentes se comunicam através de interfaces específicas.

Especificações de Redes Industriais

• As redes industriais, assim como as telecomunicações de um modo geralexperimentaram uma ampla evolução nos últimos anos com apopularização da internet e dos dispositivos móveis.

• Para garantir que uma rede de comunicação atenda aos requisitos daplanta industrial devem ser considerados aspectos como:

– Taxa de transmissão;

– Topologia física da rede;

– Meio físico de transmissão;

– Tecnologia de comunicação;

– Quantidade de dispositivos;

– Custos de instalação;

– Confiabilidade e segurança.


23

Meio Físico de Transmissão


24

Par trançado

Par trançado multipar

(conector RJ45)

• O par trançado é um dos meios de transmissãomais utilizados em telecomunicações,principalmente pelo baixo custo e simplicidadede conexão.

• Os pares trançados mais simples são utilizadosem aplicações de telefonia, onde cada usuáriorecebe um par de fios.

• Em redes de computadores é mais comum autilização de pares trançados agrupados numcabo multipar.

• Os pares trançados podem ser blindados(shielded) ou não blindados (unshieded). Ablindagem torna o cabo mais imune ainterferências entre os pares e a ruídos externos.

• A depender da categoria é possível transmitir até100 Mbps (Fast Ethernet) usando parestrançados.

Meio Físico de Transmissão• Os cabos coaxiais são altamente resistentes à

interferências de fontes externas de ruído.

• Outra vantagem em relação ao par trançado époder suportar maiores distâncias de transmissão.

• Em compensação, o par trançado é mais fácil deinstalar, mais barato e ocupa menos espaço.

• O conector mais utilizado para cabos coaxiais é oBNC

• A fibra óptica é utilizada para transmissão de sinaisde luz no lugar de sinais elétricos. Deste modo ainterferência eletromagnética é eliminada.

• Cabos de fibra óptica podem transmitir a distânciamuito maiores e ocupam espaço significativamentemenor que os pares trançados e os coaxiais.

• É preciso utilizar conversores eletro-ópticos nospontos de transmissão e recepção.


25

Coaxial

Fibra óptica

Meio Físico de Transmissão

Transmissão sem Fios

• Atualmente os sistemas de comunicaçãosem fios são utilizados em diversasaplicações.

• O ar é utilizado como meio detransmissão da informação.

• Na indústria, os sistemas sem fioscontribuem para aumentar aflexibilidade e a simplicidade deinstalação.

• Como desvantagem pode-se mencionara menor imunidade ao ruído, secomparado a sistemas com fios.


26

Ocupação do Espectro Eletromagnético


27

Frequência x Comprimento de Onda:

Sendo:

- v a velocidade de propagação da onda, no caso da

onda eletromagnética v=c (velocidade da luz);

- λ o comprimento de onda;

- f a frequência.

Formas de Utilização do Meio Físico


28

Topologia Física (Exemplos)


29

Ponto a

ponto

EstrelaAnel

Barramento

Redes de Comunicação Industriais


30

Pirâmide da Automação


31

Pirâmide da Automação


32

• Diagrama dos níveis 1,2 e 3 da pirâmide deautomação.

• Estes níveis estãodiretamente ligados aoperação da planta.

• Os níveis 4 e 5 estãorelacionadas comações gerenciais

Topologias de Redes Industriais

• Barramento de campo distribuído:

• Devido às características físicas que normalmente existem nas instalaçõesindustriais (longas distâncias, linhas de produção, etc), as redes industriaisutilizam muito a conexão via barramento.


33

Topologias de Redes Industriais

• Sistema de controle distribuído:

• Os barramentos de campo de diferentes áreas da indústria podem serconectados gerando um sistema de controle distribuído.


34

Tecnologias de Comunicação

• As redes industriais podem adotar diferentes formas de comunicação como:

• Mestre-Escravo: o escravo é um periférico (dispositivos entrada/saída, drivers deacionamento de máquinas, atuadores, etc), que recebe uma informação doprocesso ou utiliza informações de saída do mestre para atuar na planta. Eles sãodispositivos passivos que somente respondem a requisições diretas vindas domestre. Uma rede de automação pode operar com apenas um (monomestre) oucom vários mestres (multimestre) num mesmo barramento.

• Produtor-consumidor: neste modelo os dados possuem um identificador único deorigem ou destino, há uma economia na transmissão de dados, pois eles só sãoenviados aos dispositivos que os requisitarem. Quando um nó da rede necessitade uma informação (consumidor) a solicitação é “anunciada” na rede e outro nó(produtor) que dispõe da informação solicitada a envia.


35

Padrões Analógicos


36

Padrões Analógicos

• Os padrões de transmissão de informação a partir de sensores com saída analógicaainda são utilizados em plantas industriais (embora com aplicações reduzidas).

• O Padrão ISA S50.1-1972 regulamenta o uso destes sinais. Os valores da variável elétricadevem ser proporcionais aos sinais de informação a serem transmitidos.

• Padrões existentes:

0-5V, 0-10V, 1-5V, 2-10V, 4-20mA, 1-5mA, 0-20mA, e 10-50mA.

• Padrões de tensão:

– São de fácil entendimento;

– São bastante afetados pela impedância da linha.

• Padrões de corrente:

– Maior imunidade à ruído;

– Pode ser transmitido a longas distâncias pois possui relativa independência no quese refere ao comprimento do cabo.


37

Padrão 4-20 mA


38

Padrão 4-20 mA

• Características:

– Utiliza uma malha de corrente com variação de 4 a 20 mA.

– A variação de corrente na malha é em geral linearproporcionalmente à variável do campo.

• Vantagens:

– Imunidade ao ruído

– Não existe perda de sinal

• Desvantagens:

– Não é muito intuitivo o uso de variações de corrente.


39

Padrão 4-20 mA

• Malha de Corrente:


40

Protocolo Hart


41

Protocolo Hart

• O protocolo Hart (Highway Addressable Remote Transducer) foidesenvolvido no início dos anos 80 por Rosemount.

• É um protocolo aberto.

• Em 1993 foi criado o HART Communication Foundation para proversuporte e gerenciar o protocolo.

• Características:

– Possibilita comunicação de forma digital entre dispositivos de campo econtroladores;

– Comunicação bidirecional não interfere no sinal analógico 4 – 20 mA;

– Utiliza chaveamento de frequência (FSK) com frequência de 1200 Hzpara binário “1” e a frequência de 2200 para binário “0”.


42

Protocolo Hart


43

• Padrão de modulação FSK utilizado no protocolo HART:

Protocolo Hart

• A separação no domínio da frequência permite a utilização do mesmomeio de transmissão (em geral o par trançado) para o sinal analógico e osinal do protocolo HART.


44

Protocolo Hart

• Características:– Taxa de transmissão de 1200 bps– O valor indicado pelo sensor é transmitido no sinal de 4 a

20 mA enquanto medidas adicionais, configuração,calibração, etc.

– Pequena variação de tensão

• Tipos de comunicação entre dispositivos:– mestre-escravo (um dispositivo “mestre” faz as solicitações

de informação aos “escravos”);– Brust (ou rajadas, neste modo os frames de dados são

enviados apenas quando necessário);– Etc.


45

Protocolo HART

• Exemplo de uma rede HART operandono modo mestre-escravo.

• A estação de controle envia oscomandos para os dispositivos decampo solicitando as informações.


46

FIELDBUS


47

Padrão Fieldbus - Introdução

• Fieldbus é um termo genérico que descreve uma rede digital decomunicação usada para interligar dispositivos de campo.

• Foi uma tentativa de estabelecer um padrão para a interconexão dedispositivos.

• Baseia-se em 4 premissas:

– Substituição dos sinais analógicos (4-20 mA)

– Maior interação com o campo

– Interoperabilidade

– Abertura do padrão

• O Fieldbus provê um sistema de comunicação:

– digital

– serial

– bidirecional


48

Fieldbus - Características

• O padrão opera nas seguintes taxas de transmissão: 31.25 Kbps, 1Mbps e2.5Mbps

• Topologias:

– Barramento com derivação

– Árvore

– Ponto a ponto

– Mista

• Utilização de par trançado com polaridade específica.

• Comprimento máximo:

– 1900m para taxa de 31.25Kbps

– 750m para taxa de 1Mbps

– 500m para taxa de 2.5Mbps


49

Fieldbus - Dispositivos

• Sensores

• Controladores

• Atuadores

• Conectores

• Blocos terminais

• Host

• Repetidores

• Bridges

• Gateways


50

Fieldbus - Topologias


51



52



53

Diagrama de Conexão de um Bloco Terminal


54

Fieldbus – Protocolo de Comunicação

• Referência ao modelo OSI com apenas três das sete camadas

– Camada física

– Camada de enlace de dados

– Camada de aplicação


55

Fieldbus – Protocolo de Comunicação


56

Fieldbus - Conclusões

• O Fieldbus constitui uma tecnologia de ponta para a área de automação.

• Baseia-se na interconexão de dispositivos em um barramento comum.

• Novas tecnologias surgiram baseadas no Fieldbus tais como:

– Fieldbus Foundation,

– Bitbus,

– Lonkwork,

– DeviceNet,

– Modbus,

– Profibus

– entre outras.


57

Em apresentações complementares a esta iremos estudar os padrões de

comunicação:

PROFIBUSCAN

AS-Interface


58

Comparação entre Diferentes Tecnologias


59

Comparação entre Diferentes Tecnologias


60

Exercícios de Fixação

1. Comente a respeito da importância das redes de comunicação em processos industriais atualmente.

2. Na conversão de um sinal analógico que varia entre -1 e 1 V, para um sinal digital, supondo que foiutilizada uma representação a 10 bits, qual o máximo erro de quantização esperado ?

3. No problema da questão 02, qual a taxa de bits produzida na conversão AD quando o sinal analógico éamostrado com uma frequência igual a 1 kHz ?

4. Qual o valor de corrente esperado na saída de um sensor analógico (no padrão 4 a 20 mA), quando:

1. O sensor mede uma temperatura que varia entre 10 e 40 oC e o valor instantâneo medido é 13 oC;

2. O sensor mede uma corrente elétrica que varia entre 0 e 4 A e o valor instantâneo medido é 1,4 A.

5. Explique o processo de separação dos sinais do protocolo HART do sinal analógico;


61

Fontes Utilizadas

• Na preparação deste material didático foram utilizadas diversas fontes, entre asquais destacam-se:

– O material de aulas do Prof. José Sergio da Rocha Neto da UFCG;

– O livro Engenharia de Automação Industrial de Moraes e Castrucci, 2007.

– O material disponível no site da Profibus (www.profibus.com.br).

• Das fontes listadas foram retirados alguns dos diagramas utilizados.


62

Documents

Aula III –Redes Industriais - dee.eng.ufba.br III - Redes Industriais.pdf · Introdução • As redes de comunicação por sinais elétricos foram introduzidas em ambientes industriais