PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS

INFORMÁTICA AVANÇADA I – “SUPERVISÓRIOS”

Engenharia de Controle e Automação

Prof. Júlio Cesar Braz de Queirozjqueiroz@pucminas.br

SISTEMAS DE SISTEMAS DE SISTEMAS DE SISTEMAS DE AUTOMAÇÃOAUTOMAÇÃO

Arquitetura centralizada

Re d e Co r p o r a t iv aCamada de Clientes

Su p e rCo m p u ta d o r e s Ca m a d a Co r p o r a t iv aServidor Main-Frame

Processamento de Dados

T e r m in a i sCamada de Controle

Funções: Controle, Seqüenciamento, IntertravamentoCo n t ro l a d o r e s Lo ca i sE l e t r ôn i co s o uE l e t ro m e c ân i co s (R e l é s )

Camada de Clientes

Funções: Acesso ao Servidor

Camada de Instrumentação

Funções:Medição, AtuaçãoA tu a d o r e s S en s o r e s“ b u r ro s ”

Arquitetura distribuída

Re d e Co r p o r a t iv aE s ta ç õ e sd eO p e ra ç ã o S i s t e m a s d eO t i m iz a ç ã o S e r v i d o r d eD a d o s Lo ca l Camada de Supervisão

Funções: Supervisão, Otimização, Armazenamento de Dados

S e r v i d o r d eD a d o s G l o b a l E s ta ç õ e sG e r en c i a i s Ca m a d a Co r p o r a t iv aEstação SERVIDOR

Funções: Planejamento e Programação, da Produção

Camada de Controle

Funções: Controle, Seqüenciamento, Intertravamento

Re d e d e Co n t ro l eCo n t ro l a d o r e sP ro g ra m á v e i s Eq u i p a m en to sin t e l i g en t e s Re d e d e C a m p o

Camada de Instrumentação

Funções: Controle, Medição, AtuaçãoA tu a d o r e s S en s o r e s D i s p o s i t i vo sin t e l i g en t e s

CAMADACAMADADEDEDEDE

INSTRUMENTAÇÃOINSTRUMENTAÇÃO

Camadas de uma arquitetura distribuída

Camada de Instrumentação

Connvell, 1988:"Todo controle começa com a medição e a Qualidade do Controle não será maior que a Qualidade da Medição"

Sensores que realizam as medidas do processo com base em fenômenos físicos;

Transdutores que traduzem estas medidas em sinais elétricos ou conjunto de bits para que possam ser transmitidas aos dispositivos de controle;

Atuadores que agem sobre o processo sob o comando dos controladores.

Camada de Instrumentação

Tecnologia analógica convencional

Utilização de grande quantidade de cabos (2, 3 ou 4 cabos por instrumento)

Necessita de cartões de entrada e saída para realizar a interface com o controlador

Maior vulnerabilidade a desgaste, interferência eletromagnética e mau contato

Demanda maior tempo de instalação

Requer mais manutenção

Possibilidade de conversão do sinal para digital

Camada de Instrumentação

S is t e m a d e Su p e r v is ão

Interligação dos instrumentos em rede

Redução drástica da necessidade de cabos e cartões de controladores

Menor tempo de instalação

Programação e configuração de instrumentos através de rede

Tecnologia digital(micro-processada)

C o n t ro l a do rR e d e d e C a m po instrumentos através de rede

Realização de diagnósticos dos instrumentos e emissão de alarmes e mensagens

Desenvolvimento de estratégias de controle no próprio instrumento

Implementação e execução de tarefas via software

Camada de Instrumentação

Tecnologia digital

Implementação de estratégias de controle

Facilidades de programação e configuração através de computadores da rede

REDES DE CAMPOREDES DE CAMPOREDES DE CAMPOREDES DE CAMPO

Redes de Campo

Redes de Campo

Redes de Campo

Os primeiros passos...

Redes de Campo

Redes de Campo

Criado pela FIELDBUS FONDATION visando uma integração dos

níveis de camadas de controle e gestão

Pode ser usado em aplicações de componentes com

características digitais ou analógicascaracterísticas digitais ou analógicas

É dividido em três classes distintas: H1, H2 e HSE

Possui blocos de função para controle de dispositivos de campo

Meio físico e enlace baseado na norma IEC 61158-2 com

segurança intrínseca

Redes de Campo

Rede HSE (Ethernet Alta Velocidade)

Rede H2 (Alta Velocidade)Rede H1 (Baixa Velocidade)

Bridge

Rede H1 (Baixa Velocidade)

Redes de Campo

Redes de Campo

Redes de Campo

Criado por iniciativa da Siemens, Bosch, e Klockner-Moeller em 1987

Profibus = Process Field Bus

É dividido em três classes distintas: DP, PA e FMS

Possui blocos de função para controle de dispositivos de campo

Meio físico e enlace baseado na norma EN 50170/50254

Redes de Campo

Rede FMS (Ethernet Alta Velocidade)

Rede PA (Automação de Processos)Rede DP (Periféricos Descentralizados)

Redes de Campo

Redes de Campo

Protocolo desenvolvido pela Modicon Industrial AutomationSystems, hoje denominada Schneider

Protocolo SERIAL, antecessor dos protocolos FIELD

Capaz de comunicar um dispositivo mestre com outros

dispositivos escravos, independentemente do tipo de rede

utilizada

É talvez o protocolo serial mais utilizado

Meio físico baseado na norma IEA/TIA 232 e 485

Redes de Campo

Redes de Campo

Redes de Campo

Protocolo padrão (LONTalk)

Rede de controle cujos nós possuem “inteligência

descentralizada“

Capacidade computacional localizada

Possui “transceivers” para vários meios físicosPossui “transceivers” para vários meios físicos

Adequada para aplicações de pequeno porte

Redes de Campo

Redes de Campo

Redes de Campo

Protocolo padronizado

Rede de alta velocidade

Topologia em anel por hardware

Redes de Campo

CAN CAN CAN CAN ---- ControllerControllerControllerController AreaAreaAreaArea NetworkNetworkNetworkNetworkCAN CAN CAN CAN ---- ControllerControllerControllerController AreaAreaAreaArea NetworkNetworkNetworkNetwork

Redes de Campo

Desenvolvida pelos fabricantes de chips Intel, Motorola, Philips/Signetics, NEC, Hitachi e Siemens

Tecnologia aberta com protocolos padronizados: CANOpen,

DeviceNet, SDSDeviceNet, SDS

Rede de controle cujos nós possuem “inteligência

descentralizada“

Capacidade computacional localizada

Resposta rápida

Redes de Campo

Redes de Campo

Redes de Campo

Desenvolvidas pela Rockwell Automation

Utiliza o modelo OSI com apenas algumas camadas

A rede CONTROLNET é dedicada ao nível de controle

A rede DEVICENET é dedicada ao nível de dispositivosA rede DEVICENET é dedicada ao nível de dispositivos

Padrão amplamente adotado por fabricantes de dispositivos

Redes de Campo

Rede ControlNet

Rede DeviceNet

Redes de Campo

ETHERNET ETHERNET ETHERNET ETHERNET INDUSTRIALINDUSTRIAL

Padrão criado pela Xerox

Concebida para ser uma rede de barramento multidrop (100Base-5)

com conectores do tipo vampiro (baixa praticidade)

Evoluiu para a topologia estrela utilizando cabo do tipo par trançado

Redes de Campo

Evoluiu em velocidade: 10 Mbps para 100 Mbps e agora alcançam 1

Gbps (IEEE802.3z ou gigabit Ethernet)

2,94 Mbps > 10 Mbps >> 100 Mbps >>> 1 Gbps >...> 10 Gbps

Disputa com a tecnologia ATM o direito de ser a espinha dorsal

(backbone) das redes nas empresas

Rede não determinística

Definida em 1985 pelo comitê IEEE 802.3, que publicou a norma

IEEE802.3 Carrier Sense Multiple access with Collision Detection

(CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications

Os protocolos são definidos com base no modelo OSI

Diferentes protocolos como IPX, TCP/IP, MODBUS e Net BEUI

Redes de Campo

Diferentes protocolos como IPX, TCP/IP, MODBUS e Net BEUI

podem ser utilizados com o mesmo hardware

Padrão

Lançamento

do

primeiro

padrão

Taxa de

dados

(Mbps)

Topologia Mídia

Tamanho máximo de

segmentos de cabos

(m).

Half Full

10Base5DIX (1980)

802.3 (1983)10 Barramento

Cabo coaxial 50-ohm

(Thick Ethernet) (10mm thick)500 n/a

10Base2 802.3a (1985) 10 BarramentoCabo coaxial 50-ohm RG 58

(Thin Ethernet) (5mm thick)185 n/a

10Broad36 802.3b (1985) 10 Barramento Cabo broadband 75-ohm CATV 1800 n/a

Redes de Campo

FOIRL 802.3d (1987) 10 Estrela Duas fibras ópticas 1000 >1000

1Base5 802.3e (1987) 1 Estrela Dois pares de cabo telefônico trançado 250 n/a

10Base-T 802.3i (1990) 10 EstrelaDois pares de 100-ohm Categoria 3

ou cabo UTP melhorado.100 100

10Base-FL 802.3j (1993) 10 Estrela Duas fibras ópticas 2000 >2000

10Base-FB 802.3j (1993) 10 Estrela Duas fibras ópticas 2000 n/a

10Base-FP 802.3j (1993) 10 Estrela Duas fibras ópticas 1000 n/a

100Base-TX 802.3u (1995) 100 EstrelaDois pares de cabo 100-ohm

Categoria 5 UTP.100 100

CATEGORIA DE CABLING SUPORTE A APLICAÇÃO ANO DA PADRONIZAÇÃOCategoria 3 Voz, 10 Base-T 1991

Categoria 4 Token Ring 16 Mbps 1993

Categoria 5 100 Base-TX ( Fast Ethernet ) 1994

Categoria 5E 1000 Base-T * ( Gigabit Ethernet ) 1998 - adendo 4 da TIA 568-A

Categoria 6,7 Sem referência até então Sem definição até antes de 2000

Redes de Campo

Limitações da Ethernet

O problema fundamental em se aplicar a Ethernet no chão de

fábrica está no mecanismo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple

Access with Collision Detection), através do qual a rede Ethernet

Redes de Campo

Access with Collision Detection), através do qual a rede Ethernet

define o compartilhamento do meio físico e corrige erros de

colisão dos dados. Este mecanismo é não determinístico

Limitações da Ethernet

Largura de banda é compartilhada e não dedicada

Compartilhamento necessita de arbitragem do barramento sem o

conceito de prioridade

Compartilhamento resulta em colisões quando 2 ou mais dispositivos

Redes de Campo

Compartilhamento resulta em colisões quando 2 ou mais dispositivos

desejam transmitir simultaneamente.

Colisões bloqueiam a rede e impedem outros dispositivos de transmitir

Mais dispositivos em um segmento aumenta a probabilidade de colisão

Não existe como diferenciar o tráfego de alta e de baixa prioridade

Não existe como assegurar um caminho de baixo atraso para o tráfego

de tempo real

Carga X Performance

Degradação da

Redes de Campo

Aumento da carga

Degradação da performance de redes CSMA

Melhoramentos da rede Ethernet

Aumento da banda passante 10 Mbps > 100 Mbps > 1Gbps

Inclusão de um campo definindo prioridade na estrutura da mensagem

Uso de switches em vez de hubs

Redes de Campo

Ligação full duplex em vez de half duplex

Possibilidade de implementar estratégias de redundância

LAN isoladaBarramento colapsado

Redes de Campo

Servidor / Cliente

Topologias tradicionais

Barra

Estrela

Redes de Campo

Topologias redundantes

Anel

Duplo anel

Redes de Campo

Aplicações na indústria

Rede corporativa (intranet) – interliga a camada de supervisão às

estações gerencias do sistema corporativo e sistemas de informação

Rede internet – interliga a corporação ao ambiente externo

Redes de Campo

Rede de controle – interliga os controladores programáveis às

estações de operação, aos sistemas coletores de dados e às estações

de otimização

Rede de campo – interliga os sensores, atuadores e equipamentos

microprocessados aos controladores programáveis

Redes de Campo

Integração X Segmentação

Internet

Re d e Co r p o r a t iv a

A B N...

Dispositivos de rede industriais

HUBFunção: Repetidor, Derivador

Redes de Campo

RoteadorFunção: Conectar redes locais a WANConexão entre meios físicos diferentes => BridgeConexão entre redes com protocolos diferentes => Gateway

Dispositivos de rede industriais

Redes de Campo

Switch para sala de controleFunção: Chaveamento proporciona conexões independentes

Switch para nós remotos

Dispositivos industriais

Redes de Campo

Tomada simples em ambiente industrial

Conectores industriais

Softwares gerenciadores

Redes de Campo

Instrumentos padrão Ethernet

Controlador de porta IP para sensores

Redes de Campo

Wireless?

Roteador sem fio Coletores, Palms,Celulares

Redes de Campo

Switch sem fio

Palms,Celulares