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ENGG55 – REDES INDUSTRIAIS

Introdução aos Sistemas de

Comunicação Industrial

Prof. Eduardo Simas

([email protected])

DEE – Departamento de Engenharia Elétrica

Escola Politécnica - UFBA

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/UFBA

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.

Prof. Eduardo Simas – DEE/UFBA 3

Fig. retirada de: L. A. Guedes (2005)

Classificação das Redes para Automação

industrial, 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.


Introdução aos Sistemas de Comunicação



• 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).



• 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)


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 ?



• 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.




Sinal analógico Sinal amostrado e quantizado



• 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.



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:


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.


Análise no Domínio da FrequênciaExemplos de Pares da Transformada de Fourier


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);


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.


Exemplo – Modulação AM


Exemplo – Modulação FSK

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


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.


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.


Padrões Analógicos de Comunicação Industrial


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.


Padrão 4-20 mA


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.


Padrão 4-20 mA

• Malha de Corrente:


Protocolo Hart


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”.


Protocolo Hart


• 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.


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.


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