Barramentos e Redes - Redes Industriais

Marcos Jesus Nazar de Castro

Redes Industriais

Introduo a Automao de Processos


Introduo a redes

Evoluo dos processadores dos computadores;

Aumento da capacidade de processamento: velocidade X volume;

Capacidade de gerenciamento de redes e distribuio de funcionalidades pela arquitetura.


FLUXO DE INFORMAES

A informao flui do cho-de-fbrica; Passa pelo gerenciamento dos dados de

processo; Atinge a departamentos estratgicos da

corporao, ao qual determina as aes com relao ao mercado.


FLUXO DE DADOS PELA EMPRESA

AUTOMAO DE PROCESSO

AUTOMAO DE FBRICA

FABRICAO& CONTROLE DE

PROCESSOCONTROLE &

I/O DE CAMPO

VALORES DE PROCESSOVALORES DE CONTROLESINAIS BINRIOS PREDOMINANTEMENTE

SINAIS BINRIOS

SCADATENDNCIAS, ALARMES, HISTRICOS E RASTREA-BILIDADE P/AUDITORIAS

REDES &CONFIGURAO DE

DISPOSITIVOS

QUANTITATIVOS, ALARMES AJUSTES

RECEITASINFORMAO DA PLANTAGERENCIAMENTO DA PLANTA E HMI

1



GERENCIAMENTO DE INFORMAO / SISTEMA

EXECUTIVOGERENCIAMENTO DA PLANTA E HMI

PLANEJAMENTO DE PRODUO &

PROGRAMAO

MATERIAIS &PLANEJAMENTO DE

SUPRIMENTOS

ARMAZENAMENTO &DESPACHO

GERENCIAMENTO DA CADEIA DE SUPRIMENTO

EMPRESA/ GERENCIAMENTOCORPORATIVO

1

FATURAMENTO

CONTABILIDADE GERENCIAMENTOFINANCEIRO

GERENCIAMENTODE MATERIAIS

ENTRADAS DEORDENS DE

VENDAS

CONTROLE DEQUALIDADE



CHO DE FBRICA+

CONTROLE E SUPERVISO

MES

ERP

PROCESSO

CORP. SEM INTEGRAO COMAS CAMADAS PRODUTIVAS

A PRODUO DEVE PRODUZIR MAIS OU NO?

CORP.

DESCONEXO

COMO OS DEPARTAMENTOS IRO PRODUZIR RESULTADOS SEMUM RUMO A SEGUIR?


Hierarquia da Comunicao Fabril

Cho-de-fbrica

Inpu/Output

Rede de controle

Intranet & HMI

Intranet empresarial & gerenciamento de suprimento

HART/

4@20mA

FIELDBUS

SAP


Requisitos de Rede

A demanda dos dados de transmisso dependem da fonte e o tipo de dado;

Dados de escritrio: planilhas, textos, banco de dados;

Baixa freqncia, mas grande volume; No campo, o oposto verdadeiro: uso

constante da rede, tempo de resposta curta, pacotes pequenos e determinismo;


Caractersticas dos dadosTipo de Dado

Caracterstica Grficos Dados NC programs

Sinais de relgio

Valores de processo

Alarmes

Tempo de Resposta

1-100 s 1-100 s 1-100 s 1-100 ms 20-100 ms 0,1-80 ms

Tamanho da string

> 10 kbit 1 10kbit >10 kbit >8-64 bits


Redes para Automao de Processos

Modelo OSI de Referncia


CamadaCamada FunFunoo TarefaTarefa Padres/realizaPadres/realizaes es p/p/FieldbusFieldbus

Camada 7 Aplicao Fornece ao usurio comandos e funes sobre a rede

DHCP, SNTP e SNMP

Camada 6 Apresentao Codifica os dados da camada de aplicao antes de disponibiliz-la e decodifica os dados que chegam para o device

No relevante para o fieldbus

Camada 5 Sesso Sincroniza as sesses de comunicao entre duas aplicaes

No relevante para o fieldbus

Camada 4 Transporte Prepara os data string para transmisso e assegura que a troca confivel

TCP e UDP

Camada 3 Rede Escolhe a rota dos dados e assegura que a rede no esteja sobrecarregada

IP

Camada 2 Enlace Estabelece e mantm a conexo entre dois participantes

Token passing, CSMA/CD, PROFIBUS-PA, FF

Camada 1 Fsica Pe os dados num meio fsico e os conduz ao seu destino

RS-232, RS485, 100BaseT


Implementaes no Modelo OSI

Foram trs as implementaes: MAP; TOP; EPA-MAP;

Essas implementaes produziram efeitos marcantes para as caractersticas de algumas redes at hoje, ou ainda, consolidaram uma soluo.


Manufacturing Automation Protocol1/2

Desenvolvida em 1983 pela General Motors e padronizada IEEE 802;

Suporta troca de dados numa WAN e definida nas 07 camadas do modelo OSI;

No passado a GM viveu problemas de comunicao com seus robs;

Apontada a necessidade de troca de dados com o restante da empresa.


Manufacturing Automation Protocol2/2

Nessa conjuntura, a Boeing desenvolveu um protocolo para escritrio;

Os dois foram combinados e formaram o MAP verso 3.0;

Muitos vendedores passaram a oferecer interfaces para o MAP;

Permitia diversas alternativas para cada camada do modelo: token passing e o CSMA/CD.


Technical Office Protocol

Definido pela Boeing para uso tcnico-cientfico e ambientes de automao no escritrio;

Mais tarde foi combinado com o MAP e gerou o MAP verso 3.0.


Enhanced Performance Architecture- MAP

Necessidade de se redefinir o MAP para atender redes locais;

Estes dispositivos so extremamente simples quanto ao SO ou codificao de dados;

O EPA condicionou a sua soluo a essas necessidades;

Acabou estabelecendo para fieldbus apenas eram necessrias as camadas de aplicao, enlace e fsica;

Essa base usada para diversos fieldbuses HOJE.


Redes de Controle 1/3

Boa parte delas j esto dentro, ou parte delas, no quadro OSI;

Pela camada fsica define-se o meio de transmisso, modo, taxa de transferncia, comprimento e etc;

O enlace define como os devices comunicam uns com os outros: importante para determinar o tempo de atualizao das informaes e o determinismo do sistema.



Recentemente, o padro na camada de aplicao era pouco avanado;

Por isso existem poucas redes abertas e muitas proprietrias;

Muitos protocolos obedecem a norma IEC 61158; Muitos protocolos ainda no se falam por causa da

camada de aplicao: ControlNet TCP/IP e o Modbus TCP/IP.



O Modbus deve ser visto como umpadroindustrial que deve operar numa variedade de camadas fsicas;

Pode ser considerado que o PROFIBUS e o FF sejam abertos para o nvel de campo, embora rigor, proprietrios;

ControlNet e DeviceNet possuem relao semelhante.


Atributos RS-232 RS-422 RS-485 IEC61158-2

100BaseTX

Devices(t/r) 01 1 Trans/16 recpt

32/32 32/32 Pela classe

Sinal Pulsos de 12 V

Diferencial Diferencial Manchester II

8B6T

Topologia Estrela Bus Bus Bus Estrela

Compr. 15 m 1200 m 1200 m 1900 m 100 m

Linhas Min 3 4 2 2 4

Taxa 19,2 Kbps 10Mbps 10 Mbps 37.5 Kbps 100 Mbps

Modo Duplex Duplex Half-duplex Half-duplex Duplex

Tipo Assncr. Assncr. Sncrono Sncrono Sncrono

Conector DB9 / 25 N/E N/E N/E RJ45


Redes para Automao de Processos

A Empresa Hoje


A necessidade fluxo pela empresa

Em geral existe mais padronizao nos nveis mais altos da camada hierrquica;

O nvel do campo o nvel de abertura ainda baixo;

Essas informaes devem ser disponibilizadas pela empresa;

Os requisitos da aplicao iro determinar quantos e quais protocolos sero implementados no campo.


Nveis Corporativo e Gerenciamento da Planta 1/2

O protocolo usado o Ethernet TCP/IP; As redes so construdas dentro do padro

Internet; Existem componentes como os hubs,

switches e roteadores; Dentro da empresa, existe troca de dados

entre esses dois nveis: SAP ou Programas Microsoft.


Nveis Corporativo e Gerenciamento da Planta 2/2

Com relao a troca de dados com o nvel de controle, a grande maioria dos PLCs tm uma porta ETH;

As workstations so PCs de escritrio ou industriais, mas que SO difundido;

Rodam programas proprietrios para o SCADA, mas devem disponibilizar troca com interfaces como o SAP.


Nvel de Controle 1/4

O IEC 61158 nada alm de padronizar um nmero de conflitantes, e em muitos casos, padres proprietrios;

PROFIBUS-DP, FF e ControlNet so uns dos mais interessantes para a Automao de Processo.



ControlNet o par do DeviceNet, mas tambm oferecem link para o FF H1;

J no compatvel com o barramento H2 do FF;

Essencialmente um protocolo para manufatura que pode ser adaptado para a automao de processo;

Boa faixa de componentes no mercado.



FF HSE foi projetada para automao de processo e prev o uso de componentes no padro Internet para construo da rede;

Uma variedade de equipamentos est prevista para conectar-se a ela;

No incio, o FF sofreu com a publicao tardia das especificaes da HSE;

Com isso, houve um grande nmero de solues proprietrias para conexo ao barramento HI.



PROFIBUS-DP: divulgado desde 1996, o que resultou uma grande variedade de controladores que possui interface com este protocolo;

A verso DPV1 e PROFIBUS-PA so usado em automao de processo;

Est com uma grande base de devices no mercado.


Nvel de I/O e Campo

O fieldbus no foi to longe o suficiente para ser dominante na tecnologia de campo;

O PROFIBUS-PA, por exemplo, somente foi instalado na Alemanha em 2001;

Por alguns anos, o 4@20mA/HART e tecnologias de fieldbus iro conviver juntas;

Alm disso, existem as informaes binrias que precisam ser integrados a rede, mas deparam com forte concorrncia de outros protocolos.


Nvel de I/O e Campo: devicesbinrios

O mtodo de integrao conectar estes dispositivos a cartes de entrada digital dos DCS ou PLC;

As redes de campo necessitam ainda de um mdulo I/O remoto para integrar esses sinais;

Quando esses devices so equipados de modo conveniente, podem ser integrados via Modbus ou ASI.


Nvel de I/O e Campo: devices4@20mA

O mtodo de integrao pode ser conectar estes dispositivos a cartes de entrada analgica dos DCS ou PLC;

Se no tiverem devidamente equipados, pode ser usado mdulo remoto;

Se for transmisso a dois fios, o PLC ou uma unidade de I/O alimentam a malha.


Sistema 4@20mA


Nvel de I/O e Campo: devices4@20mA/HART

O mtodo de integrao pode ser conectar estes dispositivos a cartes de interface dos DCS ou PLC se a comunicao digital no for necessria;

Se for solicitada devem ser considerados alguns mdulos auxiliares;

Quando integrados dessa forma, os dados so coletados pelo SCADA.


Nvel de I/O e Campo: devicesPROFIBUS-PA

Os dispositivos so conectados num segmento que integrado dentro do PROFIBUS-DP;

Um acoplamento age como link entre as duas rede e fornece alimentao para os dispositivos da PROFIBUS-PA. A rede intrinsecamente segura.


PROFIBUS-PA


Nvel de I/O e Campo: devicesFoundation Fieldbus

O barramento em ETH foi divulgado tardiamente e agora est sendo considerado na arquitetura;

Por essa razo muitos fabricantes oferecem carto de entrada FF/H1;

Alternativamente a ControlNet pode ser usada com o device para link;

No momento, no existe possibilidade de integrao com devices binrios no bus H1, mas atravs de I/O remoto no nvel H2.


Integrao - fieldbus


O que vem por a?

A mudana mais radical dos ltimos cinco anos na automao de processo no foi a publicao do padro IEC 61158;

Mas o aumento da penetrao de tecnologia Internet no mundo da instrumentao e controle;

Apesar de se apresentarem muito atrativas, as tecnologias Ethernet e wireless tm alguns pontos que precisam ser melhor dirimidos.


Nvel de I/O e Campo: Ethernet

Houve muita conversa recentemente sobre devices em ETH;

Mas antes de penetrar nesse nvel, existem 3 questes a serem respondidas: O custo e disponibilidade dos chips aplicveis; Contedo da informao e tempo de resposta; Alimentao dos dispositivos.


Nvel de I/O e Campo: Ethernet 1questo

Uma questo de oferta e procura; Se existe uma tendncia para devices em

ETH, o custo ir cair na proporo da proporo;

Em longo prazo isso no ser impedimento; O fato que eles no chegaram ao custo dos

processadores de 8-bits usados hoje; O padro TCP/IP tem no mnimo 72 bytes.



A transmisso da informao rpida; O protocolo sobre ele alivia o tempo, e faz ter

resposta rpida; A ETH no est pronta no momento para os

pontos digitais, como o ASI; O aumento da velocidade prov uma ligeira

vantagem; A medio poderia ser atualizada mais rpido do

que o intervalo de polling.



A alimentao com segurana intrnseca a principal razo pela qual o IEC 61158 tem desenvolvido para a automao de processo;

No apenas uma questo de entregar energia para o barramento, mas de conseguir reduzir o consumo cada vez mais;

Assim isso pe uma limitao no tamanho do chip de memria;

Os chips ETH so devoradores de energia e requerem mais memria;

Para penetrar neste nicho, dever ser resolvida essa questo.


Nvel de I/O e Campo: Wirelessvantagens

Essa tecnologia deu sinais de interesse em penetrar nesse campo;

A economia com cabos seria monstruosa; Deve ser considerado que os elementos

devem ser alimentados inclusive para reas classificadas.


Nvel de I/O e Campo: Wirelessdesvantagens

Problemas com incompatibilidade eletromagntica: interferncia com os equipamentos de campo+ao+ferro;

No existe um acordo para uma padronizao; A Microsoft no incluiu o Bluetooth no SO

Windows XP, por alegar falta habilidade de fabricantes em divulgar seus produtos;

Com esse clima de incertezas, a utilizao do wireless nesse nicho torna-se distanciada.


Dvidas

Muito obrigado!

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