Redes Industriais 01

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ÍÍnnddiiccee Sistemas de Controle Distribuídos 01

•••• Evolução tecnológica dos sistemas de controle 02 •••• Controle baseado em PC 02 •••• Sistemas mistos 04 Redes de automação 05

•••• Arquitetura 05 •••• Tipos de Arquitetura de Redes 05 •••• Protocolo 07 •••• Meio físico 08 •••• Mecanismo de controle de acesso 10 •••• Rede TCP/IP 13 •••• Funcionamento das Rede TCP/IP 14 •••• Tipos de rede IP 15 •••• Redes de Automação 24 •••• Outros elementos de sistema 26 •••• Software de Supervisão e Controle 26 •••• Interfaces Homem/Máquina (IHM) Local 27 •••• Apresentação das Redes 27



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1. Sistemas de Controle Distribuídos 1.1. Evolução tecnológica dos sistemas de controle

Desde que o homem começou a produzir coisas já era necessário realizar algum tipo de controle da produção. No início, quando a produção era artesanal, uma única pessoa ou grupo de pessoas tinha total domínio do processo produtivo. Todas as medições, ajustes e decisões eram feitas pelo artesão. A empresa era muito pequena e comercialização era feita pelas mesmas pessoas que produziam.

Com o início da Revolução Industrial, a produção passou a ser feita em escala. Cada trabalhador era responsável por uma pequena parte da produção, as máquinas passaram a fazer a maior parte do serviço e surgiu a preocupação com a produtividade, controle de qualidade, custos e manutenção. Para que os produtos fossem sempre iguais, os métodos de controle precisaram ser desenvolvidos.

No início do século XX, a maioria das fábricas possuía máquinas automatizadas eletromecanicamente e controladas por sistemas pneumáticos. Nesta época, toda a automação era local e cada máquina necessitava de um operador que supervisionava permanentemente seu funcionamento. Na década de 50, com o desenvolvimento da instrumentação pneumática e da eletrônica analógica, era possível criar salas de controle centralizadas de onde os operadores podiam operar várias máquinas simultaneamente.

Na década de 60, a eletrônica digital e a informática tornaram-se suficientemente baratas para que o controle pudesse ser feito por computadores de uma forma centralizada. Neste modelo, todos os instrumentos analógicos e digitais eram interligados cabos com, às vezes, centenas de vias, o que tornava o cabeamento responsável pela maior parte do custo de instalação. O computador central, por controlar toda a fábrica, precisava ser de grande porte altamente confiável, além de possuir programas muito extensos e difíceis de manter e alterar.

Na década de 70, com o surgimento dos CLPs, o controle foi novamente descentralizado. Um CLP era um computador de pequeno porte, responsável por uma pequena parte do processo total. A fiação da instrumentação podia ser mais curta, chegando apenas até os armários de controle. Inicialmente, cada CLP era independente de todos os demais, e dados de uma parte do processo que interferissem em outra parte deveriam ser inseridos manualmente. Com o desenvolvimento das redes de comunicação, os CLPs passaram a ser interligados e a troca de informações entre as partes do processo passaram a ser feitas pela rede. Isso também permitiu que computadores de pequeno porte, com função apenas de supervisão, pudessem ser instalados centralmente utilizando a mesma rede para obter informações dos vários controladores da planta.

Na década de 90, surgiram as redes de chão de fábrica, especializadas na transmissão de pequenas quantidades de sinais analógicos e digitais. Estes sinais trafegam diretamente dos instrumentos ou atuadores para os controladores distribuídos ou centrais. Esta filosofia permite a máxima economia em fiação e também possibilita que os próprios dispositivos de medição e controle (instrumentos e atuadores) realizem uma parte do processamento, liberando os CLPs e sistemas de supervisão para tarefas mais complexas.

1.2. Controle baseado em PC

Além dos CLPs é possível utilizar computadores pessoais (PCs) como controladores de processo. Esta filosofia é chamada de softlogic ou softPLC porque o controle baseia-se inteiramente no software de aplicação. O software emula a CPU de um CLP e é programado da mesma forma que um CLP, utilizando a mesma estruturação e as mesmas linguagens Como os PCs não possuem entradas e saídas apropriadas para a conexão de sinais de controle e medição, utilizam-se cartões e módulos de aquisição de dados. Estes módulos são interligados a placas controladoras específicas ou a redes de comunicação.

Normalmente nesta forma de controle, os módulos de entrada e saída são instalados no campo de forma distribuída, ou seja, um pequeno número de entradas e saídas é colocado em cada ponto



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próximo à máquina ou processo controlado. Isto economiza fiação e torna o controle mais modular. Uma rede de comunicação é utilizada para interligar todos os módulos e o computador central. As redes mais utilizadas para este tipo de controle são: Ethernet, Profibus-DP, RS 485 com protocolo ASCII ou Modbus, CAN, Interbus e DeviceNet. Também podem ser integrados a estes sistemas, redes de instrumentação como FOUNDATION Fieldbus ou Profibus-AP. No computador é instalado um software de controle de processos, que acessa os módulos de entradas e saídas e realiza o processamento da mesma forma que um CLP. Na verdade, a maioria destes softwares pode ser programada da mesma forma que um CLP. Alguns dos principais softwares de controle em PC são: Paradym 31, CoDeSys, ISAgraf, Steeplechase, WizPLC. Estes programas possuem recursos de monitoração e visualização que permitem testar o programa antes que ele controle efetivamente o processo. Como é necessária uma grande confiabilidade dos equipamentos utilizados em controle de processos, os computadores adotados são modelos industriais, apropriados para trabalhar ininterruptamente sob condições adversas de umidade, temperatura e vibração. Alguns computadores industriais são semelhantes a computadores de mesa, com gabinete, teclado e monitor em montagem tradicional. No entanto também existem PCs industriais em encapsulamentos especiais, sem teclado ou monitor, que podem ser conectados quando necessário. O mesmo computador utilizado para realizar o controle pode executar um software de supervisão que é utilizado como Interface Homem-Máquina e também para armazenar dados históricos e alarmes. A maioria dos softwares de supervisão e controle possui integração a softwares de controle em PC, compartilhando variáveis e trechos de programa. Este sistema permite a redundância de controle por dois ou mais PCs, o que aumenta a confiabilidade e disponibilidade do sistema. A figura abaixo mostra a arquitetura básica de um sistema de automação baseado em PC:

1.3. Sistemas mistos



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Os sistemas de controle baseados em PC ainda não são muito difundidos e normalmente, os usuários não utilizam somente esta tecnologia para controle de plantas complexas. Neste caso é utilizada uma arquitetura mista, com CLPs, controladores baseados em PC e sistemas de aquisição de dados, interligados a uma ou mais estações de operação e supervisão. A figura abaixo mostra a arquitetura básica de um sistema misto de automação:

2. Redes de automação



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Em processos de pequeno porte (como um painel de comando de Booster), um CLP isolado pode atender bem às necessidades. No entanto, em processos mais complexos, cada subprocesso depende e influencia os outros. Por isso, eles não podem trabalhar isoladamente e devem ser interligados para trocar informações e intertravamentos. Praticamente todos os equipamentos e softwares de controle possuem recursos de comunicação que permitem interligá-los e fazê-los trabalhar conjuntamente. 2.1. Arquitetura

A arquitetura de um sistema é a forma de interligação entre os componentes de um sistema de automação. Os tipos de arquitetura mais comuns são os sistemas de controle centralizado, os sistemas de controle distribuído e os sistemas SCADA. Arquitetura centralizada É aquela em que todos os sinais de campo vão para uma única sala de controle, onde os controladores e operadores se localizam. Este tipo de arquitetura está deixando de ser usado devido ao alto custo da fiação e do risco de se ocorrer um acidente na sala de controle que causaria a parada total do sistema. Apenas em instalações em áreas classificadas ou sistemas pequenos é empregada a arquitetura centralizada. Com o surgimento das redes de instrumentação, é possível adotar arquitetura distribuída mesmo em áreas classificadas. Arquitetura distribuída Neste tipo de arquitetura, os controladores ou módulos de entradas e saídas ficam próximos ao processo reduzindo o custo de cabeamento até os instrumentos e atuadores. Os controladores e os módulos de entradas e saídas são interligados através de uma rede local – LAN (Local Área Network) para trocar informações entre si e com o sistema de supervisão. Se um controlador ou módulo de entradas e saídas apresentar defeito apenas uma pequena parte do processo será prejudicada. Sistemas SCADA A arquitetura SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition – Controle Supervisório e Aquisição de Dados) é utilizada quando existem sistemas muito espalhados geograficamente e é necessário realizar a supervisão e controle a partir de um Centro de Controle de Operação – CCO. Um sistema SCADA é uma variação da arquitetura distribuída. O controle, supervisão e aquisição de dados são realizados por remotas ou CLPs que se interligam ao CCO através de redes de telecomunicações (Rádio, satélites, telefone fixo ou celular).

2.1.1. Tipos de arquitetura de rede Rede em Anel Nesta arquitetura, os controladores ou módulos de entradas e saídas são interligados de forma que os dados caminhem seqüencialmente, de um dispositivo para o próximo. O anel é físico quando cada trecho de cabo de comunicação interliga somente dois módulos seqüenciais de forma que o conjunto seja um caminho fechado (anel), conforme a figura da esquerda. O anel é lógico quando outra forma de interligação física é utilizada, mas os dados circulam seqüencialmente entre os módulos sempre na mesma ordem, como mostrado na figura da direita. Várias redes de chão de fábrica utilizam este método. A rede Interbus é um exemplo de rede em anel físico e a rede Profibus pode utilizar, entre outros métodos, um anel lógico.



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Rede em Barramento Nesta forma de comunicação os equipamentos são interligados uns aos outros em forma de barramento, ou seja, todos têm condições de se comunicar com todos, pois estão ligados em paralelo ao mesmo conjunto de cabos. A comunicação é serial, e obedece aos padrões físicos da rede e aos padrões lógicos do protocolo adotado. As redes Ethernet, Profibus, CAN e todas as redes baseadas no padrão RS-485 são interligadas em barramento.

Rede em Estrela Nesta topologia todas as estações são ligadas a um único ponto central (normalmente um hub - equipamento de derivação - ou um switch - chaveador que separa as seções lógicas da rede). Logicamente todos os nós da rede estão interligados, mas cada ponto de conexão do hub é eletricamente isolado dos demais. Isto permite isolar defeitos que ocorram em uma única estação sem que o restante da rede seja comprometido. Cada conexão a um hub ou switch é chamada segmento. Cada segmento pode possuir um único dispositivo conectado a ele ou vários dispositivos conectados em estrela, barramento ou anel. Quando um ou mais segmentos estão interligados em estrela, a rede correspondente costuma ser chamada rede em árvore. Quando se utilizam hubs todas as comunicações provenientes de um segmento são repetidas para todos os



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outros segmentos. Isto significa que cada ramo da rede pode sofrer colisões (ver item 8.3.3) vindas de outros ramos. Quando o gerenciador é um switch, cada segmento da rede é logicamente isolado dos demais e comunicações entre segmentos só ocorrem quando a informação for explicitamente direcionada ao outro segmento. Um switch armazena uma tabela de roteamento com os endereços físicos dos dispositivos conectados a cada segmento. Quando uma comunicação é destinada a um endereço que ainda não consta na tabela, o switch redireciona a comunicação para todos os segmentos exceto o de origem. À medida que os dispositivos iniciam comunicações, seus endereços são adicionados à tabela. Desta forma, assim que o switch é ligado, ele se comporta exatamente como um hub mas sua operação vai sendo otimizada com o próprio tráfego da rede.

Nuvem Em sistemas de telecomunicações roteáveis, não há necessariamente uma conexão fixa entre os dispositivos de rede. Muitas vezes a conexão entre uma remota e o CCO pode ocorrer através de diversos caminhos. Nestes casos ocorre uma conexão virtual entre as extremidades da rede através do endereçamento ou chaveamento dos sinais e a determinação do caminho não é relevante para o usuário (transparente). Este tipo de arquitetura é comumente chamado de nuvem. O melhor exemplo de uma nuvem é a Internet. A nuvem pode ser composta de diversas tecnologias tais como: redes de comutação de pacotes (Frame Relay, X.25, ATM), sistemas baseados em rádio e celular (GPRS, CDMA2000 1xRTT), redes comerciais de fibras ópticas ou combinações de todas estas tecnologias. Por exemplo, uma remota em um booster pode utilizar um modem GPRS da TIM para se interligar à Internet e o CCO pode obter os dados através de uma conexão de fibra óptica da Telefônica. As interligações necessárias para criar este link, bem como todo o roteamento e conversão de protocolos são efetuados pelas empresas de telecomunicações de forma transparente para a Sabesp.

2.2. Protocolo Para permitir a comunicação entre todos os processos possíveis numa rede, é essencial o estabelecimento de um conjunto de regras governando as interações, para assegurar que elas prossigam satisfatoriamente. A forma com que as mensagens são transferidas ao longo da rede e o modo pelo qual um único cabo de rede é compartilhado por múltiplos nós fazem parte dos Protocolos de Comunicação.

2.2.1. O modelo de 7 camadas OSI

A OSI (Open Systems Interconection) é um conjunto de normas definidas pela ISO que define os padrões para elaboração de protocolos de comunicação. Uma das partes da OSI é o modelo de 7 camadas de comunicação. Cada uma das camadas representa um processo de codificação/decodificação dos dados para transmissão em uma rede. A maioria dos protocolos existentes no mercado segue o modelo OSI, mas na maioria das vezes apenas algumas das



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camadas são utilizadas. Isso acontece porque o modelo foi elaborado para suprir as necessidades de uma rede bastante complexa como a internet, mas em automação apenas alguns dos níveis são necessários.

CAMADA FUNÇÃO 7 APLICAÇÃO 6 APRESENTAÇÃO 5 SESSÃO 4 TRANSPORTE 3 REDE 2 ENLACE 1 FÍSICO

As camadas utilizadas nos protocolos descritos a seguir utilizam apenas as camadas 1, 2 e 7. Camada 1 – Física: Esta camada define o meio físico de comunicação dos dados. Uma definição desta camada inclui material, bitola e impedância de cabos ou fibras ópticas, especificação de conectores, encaminhamentos, arquiteturas de ligação, freqüência, velocidade de transmissão, tipo de modulação e outros dados referentes à transmissão dos dados. Também é nesta camada que é definido o tamanho dos blocos de dados e os bits de controle de transmissão e erro no início e fim de cada bloco. Camada 2 – Enlace: A principal função desta camada é definir o método de acesso ao meio, ou seja, o mecanismo utilizado pela rede para definir qual das estações tem o direito de utilizar o meio físico em cada momento. Os métodos mais comuns serão detalhados mais adiante. Em algumas redes também é nesta camada que é definido o mecanismo de endereçamento das estações. Camada 7 – Aplicação: Nesta camada cada estação envia e recebe pela rede mensagens codificadas em um formato específico em que cada parte da mensagem tem um significado pré-definido de acordo com a linguagem da aplicação. O software aplicativo numa estação que esteja enviando dados deve montar a mensagem utilizando esta linguagem para solicitar/enviar informações de/para outras estações. A estação que recebe os dados deve interpretar a mensagem de acordo com a mesma linguagem e responder adequadamente às solicitações recebidas.

2.2.2. Meio Físico Em automação os meios mais utilizados são cabos elétricos, cabos ópticos e rádio. Para cada um deles existem várias configurações possíveis, dependendo do protocolo utilizado. Dentre as características mais importantes na definição do meio físico devemos considerar: �� Distância máxima – este item engloba a distância entre estações e a distância total de um

extremo a outro da rede. Deve se escolher um meio físico adequado à distância, pois a operação fora dos limites definidos para cada protocolo pode acarretar falha de comunicação.

�� Taxa de transmissão – este fator normalmente é dependente da distância quando se

utilizam cabos elétricos ou ópticos. Quanto maior a distância, menor será a taxa de transmissão segura. Deve-se considerar neste item a influência do método de controle de acesso ao meio na taxa efetiva de transmissão. Uma alta taxa no meio físico não significa necessariamente que uma alta quantidade de informação será transmitida em determinado tempo. Em alguns métodos de controle de acesso ao meio a maior parte do tempo da rede é ociosa e, portanto, a taxa efetiva de transmissão será menor do que a taxa física. Esta taxa é medida em bps (bits por segundo).

�� Configurações possíveis – Alguns meios físicos só permitem ligações ponto a ponto, ou

seja, apenas duas estações se comunicam através da mesma conexão. Outros meios permitem configurações com várias estações (ou nós) na rede. Estas configurações com múltiplos nós podem possuir nós passivos, quando basta interligar qualquer estação à linha



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principal sem necessidade de nenhum componente ativo, ou nós ativos, quando é necessário utilizar componentes especiais de conexão ao meio, como hubs, switchs ou tranceivers.

�� Número máximo de estações – A rede deve ser dimensionada para suportar com folga o

número de estações necessárias à execução de todas as tarefas do sistema. Em alguns casos é possível criar sub-redes para aumentar a capacidade da rede. Às vezes o meio físico não possui limites como por exemplo a rede Ethernet. Nestes casos o limite será definido por camadas superiores, como a camada de enlace ou a de rede. Por exemplo, quando se usa TCP/IP numa rede Ethernet, é a camada de rede (IP) que definirá o número máximo de estações.

Os meios físicos mais comuns são cabos elétricos, fibras ópticas e rádio. Cada um deles possui características específicas mais apropriadas para cada aplicação. Cabos metálicos Normalmente são compostos de pares de fios trançados com isolação e blindagem projetados para operação em ambiente industrial. Podem ser atingidas distâncias (até alguns quilômetros) e altas velocidades (Da ordem de Gbytes), mas nunca simultaneamente. A resistividade e capacitância do cabo interferem na transmissão e podem atenuar o sinal ou filtrar determinadas freqüências. Por isso quando se deseja utilizar altas taxas de transmissão, o comprimento máximo deve ser limitado. Para transmissões em longas distâncias a taxa de transmissão deve ser reduzida. Quando necessário, podem ser utilizados repetidores de sinal para aumentar a distância máxima da rede. Este tipo de cabo está sujeito à indução de interferências eletromagnéticas, por isso em áreas industriais, os cabos devem ser blindados ou encaminhados em eletrodutos metálicos. A blindagem deve ser aterrada. �� RS232-C – Meio físico desenvolvido inicialmente para comunicação ponto a ponto, com

distância máxima de 15 m entre as estações e taxa de transmissão de no máximo 115 kbps. Existem dois caminhos de dados independentes e em sentidos opostos neste meio, o que permite que as duas estações transmitam e recebam simultaneamente (mecanismo conhecido como full-duplex). Normalmente este protocolo é utilizado para conexão de equipamentos de programação ou para interligar um equipamento a um modem ou conversor de protocolos (gateway). Apenas as camadas física e enlace estão definidas para este protocolo. A aplicação deve ser desenvolvida caso a caso.

�� RS485 – meio físico ponto/multiponto com velocidade máxima de 115 kbps e distância

máxima de 1200 m. No máximo 32 estações podem participar de cada linha, mas com o uso de repetidores, até 256 estações podem ser endereçadas. Pode funcionar em configurações half-duplex ou full-duplex. Os nós são passivos, bastando interligar todas as estações da rede em paralelo. Esta especificação inclui as camadas física e enlace e, opcionalmente, uma camada padronizada de aplicação (Protocolo ASCII). Por sua simplicidade de configuração, este protocolo é bastante utilizado em sistemas de aquisição de dados. O meio físico RS485 é utilizado como base na maioria das redes de automação.

�� Ethernet (IEEE 802.3) – conjunto de meios físicos baseados em cabos metálicos. A padronização define características de cabos, conectores e dispositivos de chaveamento que conjuntamente recebem o nome de rede Ethernet. As principais variedades são: 10BASE2 (10 Mbps em cabo coaxial fino), 10BASE-T (10 Mbps em cabo de par trançado), 100BASE-TX (Fast Ethernet. 100 Mbps em cabo de par trançado) e 1000BASE-T (Gigabit Ethernet. 1000 Mbps em cabo de par trançado)

�� Linha telefônica – quando se necessita transmitir sinais a longas distâncias esta é a melhor

opção, pois não há limites de distâncias atingidas por telefone, uma vez que o sinal passa por diversas centrais e repetidoras ao longo do percurso. Por muito tempo este foi o método preferencial para transmissão de dados entre remotas e centrais de controle nos sistemas SCADA. Para utilizar linhas telefônicas devem ser utilizados modems nas duas extremidades da linha. É possível utilizar linhas discadas ou privativas. O custo de implantação de sistemas de transmissão telefônicos é baixo, mas o custo de operação é alto em longo prazo. Com o uso de tecnologias de compressão digital (ADSL e ISDN) podem ser obtidas taxas de



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transmissão máximas na ordem dos Mbps. Em linhas comuns, as taxas de transmissão são limitadas à ordem dos kbps.

Fibras ópticas

Podem ser feitas de vidro ou de cadeias poliméricas. As fibras de vidro são mais transparentes e por isso a luz consegue percorrer longas distâncias sem necessidade de repetidores. No entanto a conexão de fibras de vidro exige ferramentas e pessoal especializado. As fibras poliméricas podem ser facilmente instaladas por usuários comuns, mas a distância máxima sem repetidores é consideravelmente menor. As fibras poliméricas também são mais baratas que as de vidro. Cada extremo de uma fibra óptica possui um emissor luminoso e um elemento foto-sensor. Quando se utiliza um emissor de laser podem-se conseguir distâncias de até 20 km com fibras de vidro, mas esta é uma solução muito cara para um sistema de automação. Nestas aplicações costuma-se utilizar LEDs como emissor mas a distância máxima é reduzida para cerca de 1 km para fibras de vidro, 300m, para fibras mistas e 100m para fibras poliméricas. Podem-se conseguir altas taxas de transmissão em fibras ópticas. Como não sofrem interferência eletromagnética nem são condutoras de eletricidade, elas podem ser utilizadas em áreas sujeitas a descargas atmosféricas ou próximas a fontes de indução eletromagnética. Rádio Quando se necessita transmitir sinais a longas distâncias e não é possível utilizar telefone, o rádio é uma boa opção, pois é possível dimensionar a potência, freqüência de portadora e antenas para conseguir distâncias de centenas de quilômetros com altas taxas de transmissão. Também é necessário utilizar modems. O custo de implantação de sistemas de rádio é muito alto, mas o custo de operação é menor que sistemas telefônicos. Existem dezenas de tecnologias e faixas de freqüências disponíveis. Determinadas faixas exigem o licenciamento das freqüências junto à Anatel. Rádios de baixa freqüência que operam nas bandas de 900 Mhz e 1800 MHz e tecnologia Spread-spectrum não necessitam de licenciamento, mas estão limitados à potência de 1W. Existem redes comerciais de rádio que podem ser usadas para a transmissão de dados, como a Nextel, porém as taxas de transmissão são limitadas. �� Satélite – As transmissões por satélite também utilizam ondas de rádio em freqüências da

ordem das centenas de GHz. Para utilizá-los é necessário contratar o serviço de uma operadora e pagar uma assinatura semelhante ao telefone. As taxas de transmissão por satélite são baixas (em torno de 9,6 kbps) e os custos de operação são altos, mas pode ser uma boa opção para transmissão de dados em locais isolados onde as demais tecnologias ficariam mais caras.

�� Telefonia móvel – Outro sistema que utiliza redes de rádio freqüência. O serviço é obtido

por assinatura e estão disponíveis várias operadoras. As tecnologias utilizadas atualmente são baseadas nos sistemas CDMA e TDMA (GSM). Para a transmissão de dados podem ser usadas mensagens curtas (SMS), sistemas baseados em conexão (CSD e HSCSD) e sistemas de pacotes (GPRS e CDMA2000 1xRTT). Na geração atual, podem ser atingidas taxas de transmissão teóricas de até 300 kbps.

2.2.3. Mecanismos de controle de acesso

Quando o meio físico permite o acesso multiponto, é necessário estabelecer regras para a sua utilização. Se duas ou mais estações transmitirem simultaneamente haverá mistura de sinais provenientes de cada estação e a rede não consegue separar novamente estas informações. Este fenômeno é chamado de colisão. Por isso é necessário garantir que somente uma estação transmita em cada momento. Existem diversas maneiras de evitar as colisões que são normalmente chamadas de mecanismos de controle de acesso ao meio, sendo que entre os vários mecanismos existentes os principais pertencem a uma das seguintes categorias: Mestre-Escravo Existe um elemento denominado mestre que gerencia toda comunicação. Esta só ocorre se o mestre tomar a iniciativa, determinando qual nó deve transmitir e quando. Normalmente o mestre envia solicitações ou comandos. Quando um escravo recebe uma solicitação, responde enviando o



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dado solicitado. Quando recebe um comando, executa a operação indicada e envia de volta ao mestre um sinal de reconhecimento. Todas as estações escravas recebem as comunicações do mestre, mas somente a estação de destino tem autorização para responder. Este método não permite que uma estação escrava tome a iniciativa da comunicação, portanto, não é possível priorizar sinais de segurança. Além disso, se o mestre ficar inativo, toda a rede pára de funcionar. Token-Passing Neste mecanismo a informação é passada através da rede, de um nó para outro. Um grupo de mensagens é finalizado por uma mensagem especial denominada Token (Marca, Bastão. Analogia com as corridas de revezamento em que um corredor passa o bastão para o próximo), indicando assim o seu término. Cada nó remove a mensagem dirigida ao mesmo, adicionando novas informações a serem transmitidas. Numa rede deste tipo, todos os elementos têm a mesma prioridade. O que determina a sua vez de transmitir mensagens é o Token. Por ser um protocolo determinista, é possível saber com certeza que cada nó da rede transmitirá em intervalos regulares. Além disso, se uma estação não passa o bastão para a próxima até um tempo limite, um mecanismo de segurança permite que a próxima estação assuma a comunicação. No entanto não é possível também priorizar comunicações, pois cada estação deve esperar sua vez. CSMA - CD (Carrier Sense Multiple Access - Collision Detection – Acesso Múltiplo por Detecção de Portadora – Detecção de Colisão) Neste método, cada um dos nós fica monitorando o meio de transmissão e só transmite quando o meio está desocupado. Os nós monitoram as próprias transmissões e cessam de transmitir no instante em que detectam a presença de outras transmissões. Neste caso, interpreta-se que ocorreu uma colisão. Antes de uma tentativa de retransmissão, os nós aguardam um intervalo de tempo selecionado aleatoriamente para evitar nova colisão. A Ethernet (IEEE802.3) usa o mecanismo CSMA-CD. Este tipo de protocolo tem como desvantagem o fato de ser probabilístico, ou seja, não é possível garantir com certeza que um nó da rede irá transmitir suas informações em uma determinada unidade de tempo, pois isso dependerá do carregamento do meio de transmissão e o tempo ocioso da rede é muito alto. Neste método qualquer estação pode enviar e receber dados para qualquer outra sem a necessidade de aguardar solicitação de um mestre nem obedecer a nenhuma ordem de transmissão. Isso permite que qualquer estação tome a iniciativa da transmissão sempre que houver dados relevantes a transmitir. CSMA - CA (Carrier Sense Multiple Access - Collision Avoidance – Acesso Múltiplo por Detecção de Portadora – Prevenção de Colisão) Também neste método, cada um dos nós fica monitorando o meio de transmissão e só inicia a comunicação quando o meio está desocupado. Quando deseja transmitir, um dispositivo envia um sinal de reserva do meio. Após aguardar um tempo mínimo necessário para que todos os outros nós se coloquem em espera, a transmissão dos dados é iniciada. Desta forma não chegam a ocorrer colisões. Este mecanismo é utilizado em redes de rádio baseadas na norma IEEE 802.11 (Wi-Fi). Assim como o CSMA-CD, este tipo de controle é probabilístico, mas as chances de colisão são mínimas.

CSMA - BA (Carrier Sense Multiple Access - Bitwise Arbitration - Acesso Múltiplo por Detecção de Portadora - Arbitragem de bits) Semelhante ao CSMA-CD, no entanto, quando ocorre uma colisão a estação mais prioritária continua a transmissão e a outra aguarda. Quando termina a transmissão, a estação que anteriormente colidira, inicia imediatamente a transmissão. Isso evita que ela sofra nova colisão no momento de outra tentativa. Este método possui noção de prioridade e tende a ter tempo ocioso menor que o CSMA-CD. Produtor/Consumidor Uma das estações da rede é definida como escalonador e seu papel é sincronizar a transmissão dos dados. Em cada ciclo o escalonador solicita a cada uma das estações que ocupe o meio de



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transmissão por um tempo determinado. A estação que possui o controle do meio (produtor) envia mensagens a todas as estações da rede. As estações a que interessam as comunicações (consumidores) aproveitam as mensagens e as demais as ignoram. Ao fim da comunicação a estação informa ao escalonador que solicita a outra estação que ocupe o meio. TDMA (Time Division Multiple Access – Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo) Criado para o gerenciamento do meio em redes de telefonia móvel, o TDMA é usado principalmente nas redes GSM. O meio é compartilhado entre todos os participantes através da criação de intervalos de tempo (Time Slots). Cada intervalo é considerado um canal virtual, ou seja, se forem criados 8 intervalos é como se houvesse 8 canais disponíveis para transmissão em cada freqüência. O dispositivo aguarda um canal livre e o ocupa pelos ciclos que forem necessários para a transmissão total da informação. Se houver disponibilidade, o mesmo dispositivo pode usar mais de um intervalo por ciclo. A taxa de transmissão depende da faixa de freqüência e do número de canais utilizados. Em sistemas GSM/GPRS a máxima taxa teórica é de 160 kbps (quando todos os intervalos do canal são utilizados pelo mesmo dispositivo). Na prática as taxas não excedem 50 a 80 kbps. A figura abaixo demonstra este princípio.



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Espalhamento espectral (Spread Spectrum) Nesta técnica, cada dispositivo utiliza uma banda maior que a necessária para transmitir sua informação, ocupando uma faixa larga do espectro de freqüências. Daí deriva o nome espalhamento espectral. Dois métodos são utilizados:

�� Frequency Hopping Spread Spectrum – FHSS

O sinal é rapidamente comutado entre diferentes freqüências da banda total do canal. A seqüência de saltos é pseudo-aleatória. Apenas o emissor e o receptor conhecem previamente a seqüência, o que permite que ambos façam os saltos em sincronismo. Outros rádios na mesma rede podem transmitir na mesma banda utilizando seqüências diferentes. Como a banda é dividida em dezenas de canais, a probabilidade de colisões é pequena e vários canais virtuais podem ser criados e compartilhar o espectro.

�� Time Hopping Spread Spectrum - THSS O sinal é transmitido em pequenos pulsos gerados em tempos irregulares e pseudo-aleatórios. O receptor conhece de antemão o momento em que o sinal relevante ocupará a banda. Outros canais podem usar a mesma faixa, usando tempos diferentes.

�� Direct Sequence Spread Spectrum – DSSS Os dados são modulados em uma freqüência muito mais alta que a do sinal. O código varia em uma seqüência pseudo-aleatória, utilizada novamente para reconstruir o sinal original. Em caso de interceptação por um aparelho que não conheça o código, o sinal é indistinguível do ruído.

As técnicas FHSS e DSSS são utilizadas em redes de rádio baseadas em TCP/IP – (Wi-Fi 802.11). Também podem ser usadas em rádio-modems para protocolos seriais (RS232/ASCII). CDMA (Code Division Multiple Access – Acesso Múltiplo por Divisão de Código) Tecnologia utilizada para acesso a redes de rádio. Compreende uma série de padrões diferentes, mas em geral o termo se refere à tecnologia criada pela Qualcomm e utilizada nas redes de telefonia móvel. O CDMA utiliza tecnologia semelhante ao DSSS para espalhar a transmissão em uma banda larga. Diferentemente da TDMA e de outras tecnologias de divisão de espectro, no CDMA não há criação de canais virtuais. Todos os dispositivos transmitem simultaneamente utilizando a mesma freqüência. Cada dispositivo codifica o sinal de forma única e a separação é feita por um algoritmo de decodificação que extrai apenas a parcela do sinal desejada. Se ocorrer interceptação da transmissão, a informação não pode ser extraída sem o código, o que torna a transmissão bastante segura. O padrão CDMA foi inicialmente definido pela norma IS95 (cdmaOne). Atualmente se utiliza o padrão de segunda geração CDMA2000 que permite a transmissão de dados até 144kbps. A terceira geração se baseia no padrão W-CDMA que permitirá a transmissão de dados até 2,5 Mbps.

2.3. Rede TCP/IP

O conjunto de protocolos TCP/IP foi desenvolvido para implementar as camadas de enlace e rede em redes locais, inicialmente utilizando Ethernet como meio físico. Posteriormente tornou-se a principal tecnologia na qual se baseia a Internet. Após o final da década de 90, o mercado das telecomunicações passou a convergir para as redes baseadas nos protocolos TCP/IP, devido à grande popularização da internet. Atualmente a maior parte das redes utiliza, ainda que parcialmente, estes protocolos, eventualmente para encapsular frames de outros protocolos e transmiti-los assincronamente através da internet e intranets. A grande popularização das redes TCP/IP se deve principalmente às seguintes características: �� Modelo baseado em pacotes. Ao contrario das redes baseadas em conexão, não há

necessariamente de estabelecer um canal ou uma sessão (uma ligação física ou lógica permanente entre os dispositivos). Quando necessário, um pacote é criado e enviado ao endereço do destinatário.



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�� Grande capacidade de transmissão. O protocolo IP permite a transmissão de pacotes de dados com até 64 kbytes (na prática, devido a limitações do meio físico esses pacotes podem ser fragmentados em frames menores).

�� Protocolo roteável. Os pacotes podem percorrer caminhos alternativos pela rede. Caso uma conexão física seja perdida, caminhos alternativos são buscados automaticamente. Isto torna este tipo de rede virtualmente a prova de falhas.

�� Interoperabilidade com outros protocolos. Os dados de qualquer outra rede podem ser encapsulados em pacotes IP. Isso permite que diversos protocolos coexistam no mesmo meio físico sem interferência mútua.

�� Diversidade de meios físicos. Existem redes baseadas em IP que funcionam em todos os meios físicos existentes. Além disso, o encapsulamento e o caráter assíncrono do conjunto TCP/IP permite que os dados sejam transmitidos sucessivamente através de diversos meios físicos.

Por outro lado algumas desvantagens existem em todas as redes baseadas em IP:

�� Grande overhead. Os cabeçalhos dos pacotes TCP e IP e dos quadros tipicamente utilizados

nessas redes (Ethernet, Frame Relay, Token Ring) são longos e os mecanismos de verificação de erro utilizam longas seqüencias de checksum ou CRC. Isso representa uma grande carga adicional aos dados, que se torna mais grave em redes tarifadas por volume de dados, pois os dados de cabeçalho são cobrados e muitas vezes representam uma parcela muito grande do total de dados transmitidos.

�� Protocolo de baixa confiabilidade. Redes baseadas em IP utilizam métodos probabilísticos de controle de acesso ao meio e não apresentam garantia de entrega. Podem ocorrer atrasos decorrentes de perda de pacotes, chegada de pacotes em ordem errada ou entrega em duplicidade.

2.3.1. Funcionamento das redes TCP/IP

De acordo com o modelo de referência Open Systems Interconnection – OSI para interconexão de sistemas abertos de redes, na camada de rede (3) as Unidades de Informação – UI são chamadas “pacotes” (packets) e na camada de enlace (2) de “quadros” (frames). Como exemplo pode ser citado quadros Ethernet, Token Ring e Frame Relay e pacotes IP e IPX. Normalmente existe uma relação 1:1 entre eles, ou seja, um pacote IP normalmente é transportado por um quadro Ethernet, por exemplo. Os dados são tratados pelo protocolo de aplicação e encapsulados em um ou mais frames de aplicação (representados em azul na figura abaixo). Esta camada não é padronizada e os frames de aplicação podem servir a diversos propósitos, tais como a identificação dos dados, o endereçamento de tabelas de dados e o controle de mensagens de aplicação. Se, por exemplo, utilizarmos o protocolo Modbus TCP, o frame de aplicação conterá o comando a ser executado (leitura ou escrita de dados), o endereço inicial e a quantidade de bytes a serem lidos ou escritos e os dados propriamente ditos. Ao final do frame um finalizador é anexado para verificação de erros.



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O frame de aplicação é enviado à próxima camada para ser encapsulado em um pacote TCP (Transmission Control Protocol), representado em vermelho na figura. Todo o frame de aplicação é tratado como dados pela camada TCP. Isso permite transportar qualquer tipo de protocolo em redes TCP/IP, de forma transparente. Essa flexibilidade é responsável pela grande popularidade da internet. Entre os protocolos mais comuns na internet estão o http (responsável pela transmissão de páginas web), ftp (protocolo de transferência de arquivos), smtp/pop3 (transmissão e recepção de correio eletrônico). Também é possível encapsular qualquer protocolo de automação. Esta é a base para as redes Modbus/TCP, Profinet (Profibus em Ethernet) e Ethernet/IP (Device Net em Ethernet). O objetivo da camada TCP é dividir os dados em pacotes, identificá-los para garantir a reconstrução ordenada pelo receptor, mesmo que os pacotes cheguem em ordem inversa. Se faltarem pacotes, o protocolo TCP solicita a retransmissão e também descarta os pacotes duplicados. Pode-se dizer que este protocolo é responsável pelo estabelecimento de uma conexão entre os participantes durante o tempo necessário para transmitir um arquivo de dados. Além do envio de dados, o protocolo TCP é responsável pela criação de portas virtuais, pelo estabelecimento de conexões (handshaking), sincronização de comunicação e finalização da conexão. Os dados a serem transmitidos são enviados em “janelas” de tamanho variável. O TCP pode variar o tamanho da janela de acordo com a quantidade de dados a serem enviados. A janela mínima é de 2 bytes e pode atingir até 1Gbyte. O frame TCP é então enviado para a camada seguinte, gerenciada pelo IP (Internet Protocol), azul claro na figura. Cabe lembrar que para cada camada, todos os dados recebidos, incluindo os cabeçalhos e verificação de erro, são considerados como dados. O protocolo IP é responsável pelo endereçamento, empacotamento e transmissão ao meio físico. Em um pacote IP podem ser transmitidos até 64 kbytes, mas este frame pode ser diminuído caso o meio físico tenha limites menores. Por exemplo, para a transmissão via Ethernet, o máximo frame de dados é de 1500 bytes. Como o próprio cabeçalho IP ocupa 20 bytes, sobram 1480 bytes de dados. Se o protocolo IP recebeu um pacote TCP com 10 kbytes, os dados precisarão ser fragmentados em sete pacotes IP para a transferência completa. Por fim, os dados são encapsulados uma última vez no frame físico. No nosso exemplo, será acrescentado um cabeçalho e um terminador para a transmissão pela Ethernet.

2.3.2. Tipos de rede IP

Em geral há dois perfis de aplicação em que redes baseadas em IP são aplicadas em automação: Redes locais em Sistemas de Supervisão e Controle e Transmissão a longa distância para dados de telemetria em sistemas SCADA. No primeiro caso a opção mais utilizada é a rede Ethernet, mas recentemente a tecnologia Bluetooth e redes Wi-Fi passaram a ser opções interessantes quando as distancias são pequenas e o nível de ruído eletromagnético é baixo. Para a transmissão à distância são utilizadas soluções baseadas principalmente em Frame Relay, GPRS/CDMA 1x e Rádios Wi-Fi. Ocasionalmente podem ser utilizadas as tecnologias ADSL e ISDN. Ethernet-TCP/IP Tornou-se o padrão informal em sistemas de supervisão e controle por se tratar de uma rede de baixo custo e pela falta de um padrão formal para automação. Com esta tecnologia podem-se construir redes com topologias complexas e um número praticamente ilimitado de participantes de participantes (o protocolo IP v4 pode endereçar mais de 4 bilhões de estações). As taxas de transmissão em Ethernet vão até 1000 Mbps. Apesar disso, a rede Ethernet não é a melhor solução para todos os níveis de um sistema de automação, pois existem problemas de segurança e eficiência quando usada nos níveis mais baixos. A Ethernet é uma rede probabilística, baseada no mecanismo CSMA/CD, ou seja, não é possível determinar com precisão o tempo de transmissão de uma determinada informação. Por este motivo, apesar de sua grande velocidade, esta rede pode sofrer atrasos e não conseguir transmitir rapidamente dados prioritários como alarmes e comandos de emergência. Este



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problema pode ser contornado se a rede for segmentada com switches ou bridges e utilizar altas velocidades de comunicação: 100 Mbps (Fast Ethernet) ou 1Gbps (Gigabit Ethernet). Além disso, redes baseadas em TCP/IP são projetadas para transmitir grandes quantidades de dados que são divididas em pacotes. Os pacotes TCP/IP possuem um grande número de informações de cabeçalho para o roteamento, endereçamento e controle de tráfego. Os frames TCP e IP adicionam 20 bytes de cabeçalho cada aos dados, além do cabeçalho do protocolo de aplicação de tamanho variável e dos 18 bytes adicionados a cada frame Ethernet. Isso significa que, na melhor das hipóteses, 48 bytes são adicionados aos dados. Quando são enviados grandes arquivos de dados, com vários kbytes, os cabeçalhos não representam uma grande perda, mas para dados de automação que tipicamente ocupam poucas dezenas de bytes, os cabeçalhos ocupam a maior parte do tempo de transmissão. Nestes casos, a eficiência fica tão baixa que seria melhor utilizar redes de “chão de fábrica”, que utilizam protocolos determinísticos e possuem cabeçalhos curtos, sendo, portanto, mais adequadas para a transmissão de pequenas quantidades de bytes com velocidades compatíveis ao processo. No nível superior da rede, entre controladores programáveis e sistemas de supervisão e controle, a quantidade de dados é maior e o sincronismo não é uma característica crítica. Nestes casos, a Ethernet pode ser uma excelente opção. Os padrões mais usados para este tipo de aplicação são as redes Ethernet em par trançado 10/100BASE-T e a Ethernet em Fibra óptica 10/100BASE-F, ambas definidas pelas especificações IEEE 802.3. ADSL ADSL é a sigla para Assymmetric Digital Subscriber Line ou "Linha Digital Assimétrica para Assinante". Trata-se de uma tecnologia que permite a transferência digital de dados em alta velocidade por meio de linhas telefônicas comuns. É o meio mais utilizado atualmente para conexões em banda larga em residências e pequenas empresas. Eventualmente pode ser usado em aplicações de telemetria. A tecnologia ADSL divide a banda de freqüências da linha telefônica em três canais virtuais: um para voz, um para download (em alta velocidade) e um para upload (com velocidade média se comparado ao canal de download). Teoricamente, as velocidades de download podem ir de 256 Kbps até 6.1 Mbps. No caso do upload essas taxas variam de 16 Kbps até 640 Kbps. É por causa dessas características que o ADSL ganhou o termo "assymmetric" (assimétrica) no nome, pois indica que a tecnologia possui maior velocidade para download e menor velocidade para upload. A velocidade efetiva depende da infra-estrutura do sistema telefônico. O fornecedor do serviço pode limitar a taxa de transmissão devido a fatores tarifários ou para atender mais assinantes. Em geral a banda disponível é compartilhada por um grupo de assinantes, o que restringe a taxa a valores menores que o nominal. Entre os três canais há um disponível para voz. Isso permite que o usuário fale ao telefone e ao mesmo tempo navegue na internet, ou seja, não é necessário desconectar para falar ao telefone. Para separar voz de dados na linha telefônica, é instalado na linha do usuário um pequeno aparelho chamado Splitter. Nele é conectado um cabo que sai do aparelho telefônico e outro que sai do modem, permitindo o uso simultâneo para voz e dados sem interferência mútua. Quando uma linha telefônica é usada somente para voz, as chamadas utilizam freqüências baixas, geralmente entre 300 Hz e 4000 Hz. As características do cabo telefônico permitem usar freqüências mais altas, mas elas acabam sendo desperdiçadas. Explicando de maneira simples, o que o ADSL faz é aproveitar para a transmissão de dados, as freqüências que não são usadas. Como é possível usar mais de uma freqüência ao mesmo tempo na linha telefônica, é então possível usar o telefone para voz e dados ao mesmo tempo. A tecnologia ADSL utiliza um modem específico para esse tipo de conexão na residência ou empresa do usuário. A comunicação de dados ocorre em freqüências acima de 5000 Hz, não interferindo na comunicação de voz (que funciona entre 300 Hz e 4000 Hz). Como a linha telefônica é usada unicamente como um meio de comunicação entre o modem do usuário e a



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central telefônica, não é necessário pagar pulsos telefônicos, pois a conexão ocorre por intermédio do modem e não discando para um número específico, como é feito com o acesso à internet via conexão discada. Isso deixa claro que todo o funcionamento do ADSL não se refere à linha telefônica, pois esta é apenas um canal, mas sim ao modem. Quando seu modem estabelece uma conexão com o modem da central telefônica, o sinal vai para um roteador, em seguida para o provedor e finalmente para a internet. É importante frisar que é possível que este sinal saia diretamente do roteador para a internet. No Brasil, o uso de provedor é obrigatório por regras da Anatel (Agência Nacional de Telecomunicações). O sinal é separado na central telefônica e os dados vão para um equipamento DSLAN (Digital Subscriber Line Access Multiplexer), que limita a velocidade do usuário e une varias linhas ADSL (é este equipamento que faz com você navegue à 256 Kbps mesmo quando sua conexão suporta 2 Mbps) enviando o sinal para uma linha ATM (Asynchronous Transfer Mode) de alta velocidade que está conectada à internet. Em outras palavras, a central telefônica suporta uma certa quantidade de usuários ao mesmo tempo. Cabe ao DSLAN gerenciar todas essas conexões, "agrupá-las" e enviar esse grupo de conexões à linha ATM, como se fosse uma única conexão. Praticamente todas as empresas que fornecem ADSL só o fazem se o local do usuário não estiver a mais de 5 km da central telefônica. Quanto mais longe estiver, menos velocidade o usuário pode ter e a conexão pode sofrer instabilidades ocasionais. Isso se deve às limitações do meio físico. Quanto maior a distância, maior é a taxa de ruído. Para que haja uma conexão aceitável é utilizado o limite de 5 km Acima disso pode ser possível, mas inviável o uso de ADSL.

O protocolo PPPoE

O ADSL por si só é um meio físico de conexão, que trabalha com os sinais elétricos que serão enviados e recebidos. Funcionando dessa forma, é necessário um protocolo para encapsular os dados de seu computador até a central telefônica. O protocolo mais utilizado para essa finalidade é o PPPoE (Point-to-Point over Ethernet RFC 2516). O protocolo PPPoE trabalha com a tecnologia Ethernet, que é usada para ligar sua placa de rede ao modem, permitindo a autenticação para a conexão e aquisição de um endereço IP dinâmico. Frame Relay O Frame Relay é uma eficiente tecnologia de comunicação de dados usada para transmitir de maneira rápida e barata a informação digital através de uma rede de dados, dividindo essas informações em frames (quadros) ou packets (pacotes) a um ou muitos destinos de um ou muito end-points. Em 2006, a internet baseada em ATM e IP nativo começam, lentamente, a impelir o



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desuso do frame relay. Também o advento do VPN e de outros serviços de acesso dedicados como o ADSL aceleram a tendência de substituição do frame relay. Há, entretanto, muitas áreas onde o DSL e o serviço de cable modem não estão disponíveis e a modalidade de comunicação de dados mais econômica muitas vezes é uma linha frame relay. Assim, uma empresa muito distribuída como a Sabesp pode utilizar frame relay em algumas regiões para conectar pontos de acesso à rede corporativa. (provavelmente com a adoção de uma VPN para segurança). Descrição No fim da década de 80 e início da década de 90, vários fatores combinados demandaram a transmissão de dados com velocidades mais altas como: �� A migração das interfaces de texto para interfaces gráficas �� O aumento do tráfego do tipo rajada (bursty) nas aplicações de dados �� O aumento da capacidade de processamento dos equipamentos de usuário �� A popularização das redes locais e das aplicações cliente / servidor �� A disponibilidade de redes digitais de transmissão

Os projetistas do frame relay visaram um serviço de telecomunicação para a transmissão de dados de alto custo-benefício para tráfego do tipo rajada (bursty) nas aplicações de dados entre redes locais (LANs) e entre end-points de uma WAN, a fim de atender a estes requisitos.

A conversão dos dados para o protocolo Frame Relay é feita pelos equipamentos de acesso ainda na LAN, geralmente um roteador. Os frames gerados são enviados aos equipamentos de rede, cuja função é basicamente transportar esse frames até o seu destino, usando os procedimentos de chaveamento ou roteamento próprios do protocolo. A rede Frame Relay é sempre representada por uma nuvem, já que ela não é uma simples conexão física entre 2 pontos distintos. A conexão entre esses pontos é feita através de um circuito virtual permanente (PVC) configurado com uma determinada banda. A alocação de banda física na rede é feita pacote a pacote, quando da transmissão dos dados, ao contrário do TDMA em que a banda alocada é fixa, masmo que não haja dados a transmitir. O Frame Relay é um serviço de pacotes ideal para tráfego de dados IP, que organiza as informações em pacotes de dados com endereço de destino definido, ao invés de coloca-los em slots fixos de tempo, como é o caso do TDMA. Este procedimento permite ao protocolo implementar as características de multiplexação estatística e de compartilhamento de portas. O protocolo Frame Relay, sendo descendente direto do X-25, utiliza-se das funcionalidades de multiplexação estatística e compartilhamento de portas, porém com a alta velocidade e baixo atraso (delay) dos circuitos TDM. Considerando o modelo OSI para protocolos, o Frame Relay elimina todo o processamento da camada de rede (camada 3) do X.25. Apenas algumas funcionalidades básicas da camada de enlace de dados (camada 2) são implementadas, tais como a verificação de frames válidos, porém sem a solicitação de retransmissão em caso de erro. Desta forma, as funcionalidades implementadas nos protocolos de aplicação, tais como verificação de seqüência de frames, o uso de frames de confirmações e supervisão, entre outras, não são duplicadas na rede Frame Relay. Isto exige redes confiáveis para a sua implementação eficiente, pois em caso de erro no meio de transmissão, ocorre um aumento significativo no número de retransmissões. Características

O Frame Relay é baseada no uso de Circuitos Virtuais (VC's). Um VC é um circuito de dados virtual bidirecional entre 2 portas quaisquer da rede, que funciona como se fosse um circuito dedicado. Existem 2 tipos de Circuitos Virtuais: O Permanent Virtual Circuit (PVC) e o Switched Virtual Circuit (SVC). O PVC é um circuito virtual permanente configurado pelo operador na rede através de um sistema de Gerência de Rede, como sendo uma conexão permanente entre 2 pontos. A rota através dos equipamentos de rede pode ser alterada ao passo que ocorrem falhas ou reconfigurações, mas as portas de cada extremidade são mantidas fixas. Já o SVC é um circuito virtual comutado, que é



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disponibilizado na rede de forma automática, conforme a demanda, sendo utilizado principalmente por aplicações de voz que estabelecem novas conexões a cada chamada. O Frame Relay também possibilita a utilização de múltiplos canais lógicos em uma mesma linha de acesso, o que o torna ponto-multiponto. Isto significa que podemos, utilizando uma única linha dados em um ponto de concentração (CCO, por exemplo), acessar diversos pontos remotos. Cada ponto remoto é acessado através de um endereço lógico diferente, chamado DLCI. Outra característica interessante do Frame Relay é o CIR (Commited information rate). O Frame Relay é um protocolo de redes estatístico, voltado principalmente para o tráfego tipo rajada, em que a sua infra-estrutura é compartilhada pela operadora de telefonia e, conseqüentemente, tem um custo mais acessível do que uma linha privada. Isto significa que quando um usuário de serviços de telecomunicações contrata uma linha Frame Relay com 128 Kb/s, não quer dizer que ele tenha alocado na rede da operadora esta banda todo o tempo, pois, já que a infra-estrutura é compartilhada, haverá momentos ociosos e outros em que pode ocorrer congestionamento. No ato da assinatura do contrato com a operadora, o usuário escolhe uma taxa de CIR, que pode ser de 25%, 50%, a que o usuário escolher, e no momento do congestionamento, a operadora garante que terá disponível a banda correspondente ao CIR. Por exemplo, se um usuário tem um Frame Relay de 128 KB/s com um CIR de 50%, caso a rede não esteja congestionada o mesmo poderá realizar uma rajada de tráfego a até 128 KB/s. Porém, caso haja congestionamento, esta banda vai sendo automaticamente degradada até o valor de CIR, podendo este usuário no pior caso trafegar a 64 KB/s. Quando maior o CIR, maior o custo da linha. ATM Asynchronous Transfer Mode, ou simplesmente ATM é um protocolo para comunicação de alto nível, que encapsula os dados em pacotes de tamanho fixo (53 bytes: 48 bytes de dados e 5 de cabeçalho), em oposição aos pacotes de tamanho variável, comuns nas redes de comutação de pacotes (como os protocolos IP e Ethernet). No ATM, esses pacotes são denominados células. O protocolo VPI (Virtual Path Identifier) que é utilizado neste tipo de tecnologia de rede, possui 8 bits na interface UNI e 12 bits na interface NNI. A tecnologia ATM permite a transmissão de dados, voz e vídeo. O ATM é uma tecnologia de comunicação ou mais especificamente, de comutação rápida de pacotes que suporta taxas de transferência de dados com variação de velocidades sub-T1 (menos de 1,544 Mbps) até 10 Gbps. Como outros serviços de comutação de pacotes (Frame Relay, SMDS), ATM atinge as suas altas velocidades em parte pela transmissão de dados em células de tamanho fixo, e também por dispensar protocolos de correção de erros. A principal vantagem da utilização de células de tamanho fixo está na maior facilidade de tratamento dado por hardwares baseados em chaveamento (switches), quando comparado a quadros de tamanhos variáveis. A desvantagem está na maior quantidade de cabeçalhos acarretando um enorme overhead no meio de transmissão chamado de “cell tax”. Em conexões de alta velocidade isto é pouco relevante, por essa razão o ATM é mais utilizado para prover pontos de acesso dedicados à internet, com velocidades acima de T1. Os links ATM são estabelecidos geralmente através de fibras ópticas, mas também há versões via rádio (wireless ATM) O endereçamento ATM utiliza um formato de 20 bytes. Para evitar o endereçamento em cada célula, o que representaria um overhead de mais de 50%, é estabelecido um canal virtual no início de cada transmissão. Todas as células alocadas ao mesmo canal recebem um código VPI/VCI (Virtual Path Identifier - 8 bits / Virtual Channel Identifier - 16 bits) como parte de seu cabeçalho. Este mecanismo permite o endereçamento único e aumenta a eficiência deste tipo de rede. Wi-Fi Wi-Fi (também WiFi, Wi-fi, Wifi, or wifi) é o nome pelo qual são comercialmente conhecidas as redes Ethernet sem fio baseadas no conjunto de especificações IEEE 802.11. As especificações foram criadas originalmente para a conexão de dispositivos portáteis como laptops e palmtops a



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redes Ethernet. Este tipo de aplicação requer o uso de uma espécie de hub sem fio (Access Point ou Hotspot). A especificação IEEE 802.11 possui diversas variações, cada uma delas utilizando mecanismos de controle de acesso ao meio diferentes e conseqüentemente, com taxas de transmissão variáveis. Como todas as especificações da família IEEE 802, as redes Wi-Fi são compatíveis e podem ser diretamente interligadas através de Switches, roteadores e hubs a qualquer rede Ethernet padrão. As características de endereçamento físico (MAC address) e o frame físico de 1500 bytes também são semelhantes às redes Ethernet em cabo metálico ou fibra óptica. Em geral, são utilizadas as faixas de freqüências de 2,4 GHz e 5GHz. O controle de acesso ao meio é feito através de FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) ou OFDM (Ortogonal Frequency-Division Multiplex). Estas faixas permitem a criação de redes locais ou conexões ponto a ponto sem licenciamento, desde que a potência máxima do rádio não exceda 1W. Embora tenha sido criadas inicialmente para redes locais (LANs), as especificações da série 802.11 evoluíram para permitir conexões de longa distância. As taxas de comunicação podem chegar a 54 Mbps e o alcance pode ser superior a 10 km se for usada a potência máxima de rádio e antenas de alto desempenho. A tabela abaixo resume as principais características das diversas versões da IEEE 802.11:

Norma Faixa de freqüência

Taxa de Transmissão

padrão

Taxa de Transmissão máxima

Controle de Acesso ao meio

802.11 2,4 GHz 2 Mbps 2 Mbps CSMA/CA 802.11a 5 GHz 54 Mbps 108 Mbps OFDM 802.11b 2,4 GHz 11 Mbps 22 Mbps FHSS ou DSSS 802.11g 2,4 GHz 54 Mbps 54 Mbps OFDM 802.11n 2,4 GHz 200 Mbps 540 Mbps OFDM

Bluetooth Bluetooth é uma tecnologia de baixo custo para a comunicação sem fio entre dispositivos móveis. Começou a ser desenvolvida em 1994, pela Ericsson, e a partir de 1998 pelo Bluetooth Special Interest Group (SIG), consórcio inicialmente estabelecido pela Sony, Ericsson, IBM, Intel, Toshiba e Nokia, hoje este consórcio inclui mais de 2000 empresas. É usado para comunicação entre pequenos dispositivos de uso pessoal, como PDAs, telefones celulares de nova geração, e também a comunicação de periféricos, como impressoras, scanners, fones de ouvido, entre outros. Alguns fabricantes fornecem dispositivos para a interligação de canais seriais a redes Ethernet através de uma conexão bluetoot. Isso permite estabelecer conexões seriais virtuais entre um computador conectado à Ethernet e o dispositivo conectado à porta serial bluetooth. Isso permite, por exemplo, a programação remota de um CLP através de uma porta seria virtual. Dispositivos Bluetooth operam na faixa ISM (Industrial, Scientific, Medical) centrada em 2,45 GHz que era formalmente reservada para alguns grupos de usuários profissionais. Os dispositivos são classificados de acordo com a potência e alcance, em três níveis: classe 1 (100 mW, com alcance de até 100 m), classe 2 (2,5 mW e alcance até 10 m) e classe 3, (1 mW e alcance de 1 m, uma variante muito rara). Cada dispositivo é dotado de um número único de 48 bits que serve de identificação. Os dispositivos Bluetooth se comunicam entre si e formam uma rede denominada piconet, na qual podem existir até oito dispositivos interligados, sendo um deles o mestre (master) e os outros dispositivos escravos (slave); uma rede formada por diversos mestres (no máximo de 10) pode ser obtida para maximizar o número de conexões. A banda é dividida em 79 portadoras espaçadas de 1 MHz, portanto cada dispositivo pode transmitir em 79 diferentes freqüências. Para minimizar as interferências, o mestre, após sincronizado, pode mudar as freqüências de



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transmissão do seus escravos por até 1600 vezes por segundo, num mecanismo de espalhamento espectral. A taxa de transmissão pode chegar a 721 Kbps e a banda inclui três canais de voz. As desvantagens desta tecnologia são: o raio de alcance de no máximo 100 metros e o número máximo de dispositivos que podem se conectar ao mesmo tempo, o que diminui a gama de aplicações em automação. GPRS O GPRS - General Packet Radio Service é uma tecnologia de transmissão de pacotes utilizando redes de telefonia móvel no padrão GSM. Geralmente este padrão é descrito como parte da Geração 2,5 de telefonia móvel. GPRS permite medias taxas de transmissão ao aproveitar os Time Slots TDMA não utilizados pelo serviço de voz em um canal GSM. Originalmente havia a intenção de extender a padronização para permitir GPRS em redes TDMA, mas isto nunca se realizou na prática, uma vez que estas redes foram convertidas para GSM. Em situações ideais o GPRS pode atingir a taxa de 160kbps. No entanto na prática, essa taxa está em torno dos 80 kbps. As primeiras tecnologias de transmissão de dados em redes celulares eram baseadas na comutação de circuitos, modo no qual uma conexão (ou circuito) é estabelecida do ponto de origem da transferência de dados ao destino. Recursos da rede são dedicados por toda a duração da chamada, até que o usuário interrompa a conexão. Estas tecnologias tarifam a transmissão por tempo de conexão, o que pode tornar muito onerosa sua utilização. No GPRS o serviço é “sempre ativo”, ou seja, não é necessário estabelecer um circuito ou conexão entre origem e destino. Um dispositivo que possua pacotes a transmitir ocupa um ou mais time slots até que todos os pacotes sejam transmitidos e libera novamente a rede para que outros usuários possam utilizá-los. Esta técnica permite o compartilhamento de recursos da rede. O resultado são custos mais baixos e tarifação por dados transmitidos e não por conexão. O tempo ocioso não é cobrado, nem há taxas de conexão.

Os pacotes GPRS podem ser IP ou X.25, mas o IP é preferido devido à facilidade de conexão à Internet. Quando IP é utilizado, cada terminal pode ter um ou mais endereços IP alocados. Um protocolo de tunelamento pode ser utilizado para estabelecer uma VPN (Virtual Private Network) entre um servidor central e o dispositivo remoto, através de conexões GPRS e outros meios, tais como redes ATM ou frame relay. Dessa forma um modem GPRS pode conectar diretamente um CLP ao CCO, como se ambos estivessem na mesma WAN. Em outros casos, um servidor de conexão pode ser utilizado como Gateway através de uma conexão à internet. O conteúdo dos pacotes IP é irrelevante para a rede GPRS, permitindo o uso de diversos protocolos em camadas superiores, como TCP, UDP, HTTP, FTP e qualquer protocolo de automação industrial. As Classes GPRS Dispositivos GPRS são classificados de acordo com sua capacidade de acesso aos serviços de rede. Classe A Podem ser conectados aos serviços GPRS e GSM (voz, SMS), usando ambos

simultaneamente. Pouco comuns atualmente.



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Classe B Podem ser conectados aos serviços GPRS e GSM (voz, SMS), mas apenas um de cada vez. Durante uma ligação GSM (Chamada de voz ou transmissão SMS), o GPRS é suspenso e reiniciado automaticamente após sua conclusão. A maioria dos dispositivos de classe B são aparelhos celulares.

Classe C São conectados ou ao GPRS ou aos serviços GSM. A seleção entre os serviços é manual. Muitos modelos de Modem GSM são classe C.

Um dispositivo realmente classe A pode precisar transmitir em duas freqüências diferentes ao mesmo tempo e, portanto, necessita dois transceptores de radio. Para conseguir isso com menor custo, um celular GSM pode implementar o dual transfer mode (DTM – Modo de Transmissão Dual). Um aparelho capaz de DTM pode usar pacotes de dados e voz simultaneamente e a rede coordena a transmissão para que não seja necessário utilizar duas freqüências simultaneamente. Estes aparelhos são considerados pseudo-classe A. Algumas redes terão disponibilidade de DTM em 2007. Classes Multislot GPRS A taxa de transmissão do GPRS é uma função direta do número de time slots TDMA alocados, que deve ser menor que: (a) o máximo que uma célula em particular permite e (b) a máxima capacidade do aparelho móvel, expresso como Classe Multislot GPRS. Para classe há um número máximo de time slots (intervalos) disponíveis em cada sentido (Downlink – da célula para o dispositivo móvel. Uplink – do dispositivo para a célula). A soma dos slots para downlink e uplink não podem exceder o número máximo de slots simultâneos. A tabela abaixo resume as classes atualmente em uso.

Classe Multislot

Slots Downlink Slots Uplink

Slots ativos (simultâneos)

1 1 1 2 2 2 1 3 3 2 2 3 4 3 1 4 5 2 2 4 6 3 2 4 7 3 3 4 8 4 1 5 9 3 2 5 10 4 2 5 11 4 3 5 12 4 4 5

As classes mais comuns são: Classe 2 – Implementação mínima do GPRS. Classe 4 – Implementação modesta 50% mais rápida que a classe 2. Classe 6 – Implementação modesta com upload mais rápido que a classe 4. Classe 8 – Download 33% mais rápido que as classe 4 e 6. Classe 10 – Implementação melhor, com upload mais rápido que a classe 8, usado atualmente em aparelhos celulares e modems de maior custo. Classe 12 – A melhor implementação atual, com o máximo desempenho de upload, tipicamente usado apenas em modems avançados. Codificação GPRS As velocidades de transferência dependem também da codificação utilizada. A codificação mais rápida (embora menos robusta), CS-4, é utilizada em dispositivos próximos da Estação Rádio Base (ERB). A codificação é degradada para esquemas mais lentos e eficientes (CS-3, CS-2 e CS-1), conforme o dispositivo móvel se afasta da ERB.



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Com o CS-4 é possível atingir taxas de 20 kbps por time slot. No entanto, quando esse esquema é utilizado, a cobertura da célula é 25% menor que o normal. Com CS-1, a velocidade maxima é de 8 kbps com uma cobertura de 98%. CS-2 pode atingir 12 kbps por slot e CS-3, 14 kbps. ERBs de última geração conseguem adaptar a taxa de transmissão automaticamente de acordo com a distância do dispositivo móvel. EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution, ou EDGE, é uma tecnologia digital de aperfeiçoamento de redes GPRS. EDGE (também conhecido como EGPRS) é uma evolução do GPRS e pode funcionar em redes GSM que tenham passado por um upgrade de software e adaptações nos transceptores para permitir a utilização do esquema de codificação de portadoras. A principal vantagem do EDGE sobre o GPRS é a maior velocidade de transmissão. A chave para essa aceleração é o uso de um mecanismo de codificação na onda portadora. Assim como o GPRS, EDGE possui diversos esquemas de coificação, com taxas de transmissão e coberturas diferentes. Atualmente há 9 esquemas de codificação e os cinco mais rápidos utilizam modulação GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) e 8-PSK (8 phase shift keying). Isso significa que o sinal é modulado por alteração de fase na onda portadora e palavras de três bits são transmitidas simultaneamente em ondas com fases diferentes. Isso efetivamente triplica a taxa de transmissão original. Além disso EDGE utiliza a tecnologia de Redundância incremental. Ao invés de transmitir todo um pacote perdido em caso de perdas, o EDGE transmite o sinal com redundância. Isso permite reconstruir pacotes danificados e diminui a necessidade de retransmissão em caso de erros. A taxa máxima para o EDGE é de 236.8 kbps para 4 time slots (teoricamente seria possível 473.6 kbps em 8 time slots) em modo de pacotes. A aplicação do EDGE se iniciou em 2003 e atualmente já se encontra presente na maior parte das redes GSM. Para utilizar EDGE os modems e as centrais devem estar habilitados para este protocolo. GPRS e EDGE podem coexistir na mesma rede e o chaveamento pode ser feito automaticamente pela ERB de acordo com o dispositivo móvel conectado. Disponibilidade dos serviços GPRS e EDGE

Em São Paulo, a Claro e a TIM oferecem acesso ao GPRS e EDGE. O serviço TIM Connect Fast permite conexões GPRS a 40 kbps e EDGE a 200 kbps no máximo. As tarifas variam de R$ 4,20 a R$ 6,00 por MByte, de acordo com o volume mensal de dados transmitidos. Há preços diferenciados para grandes quantidades de dados. É possível acessar a internet sem necessidade de provedor (ISP). A Claro oferece conexões GPRS e EDGE em sua rede GSM, com tarifas a partir de R$ 6,00 por MBytes, podendo ser menores para grandes quantidades de dados. Os serviços GPRS VPN e GPRS LP permitem utilizar tunelamento para conectar os terminais remotos diretamente à rede da empresa via internet (VPN) ou através de uma Linha Privativa (LP). O preço destes serviços é R$ 120,00 por mês independente do número de dispositivos conectados, mais os dados transmitidos. CDMA 1x CDMA2000 é uma família de padrões de telefonia móvel de terceira geração (3G) e gerações intermediárias (2.5G e 2.75G) em redes CDMA. CDMA2000 envolve uma série de tecnologias para envio de voz, dados e sinalização entre celulares e ERBs CDMA. CDMA2000 1xRTT A denominação CDMA2000 1xRTT (1x Radio Transmission Technology) refere-se a celulares CDMA que operam em um par de canais com largura de banda de 1,25 MHz cada, em oposição aos sistemas 3xRTT, que operam em bandas 3 vezes maiores (3,75 MHz). O padrão CDMA2000 permite a transmissão de voz e dados através dos mesmos dispositivos. Embora o padrão



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permita altas taxas de transmissão de dados, a maioria das redes limita a velocidade em 144 kbps para permitir o compartilhamento por mais usuários. As conexões CDMA2000 1xRTT são baseadas em pacotes e tarifadas por volume de dados transmitidos. Em relação ao padrão CDMA anterior (IS95), o CDMA melhorou a confiabilidade da transmissão de dados e implantou mecanismos de garantia de entrega e verificação de erro (QoS). CDMA2000 1xEVDO CDMA2000 1xEV-DO (1x Evolution-Data Optimized, originalmente 1x Evolution-Data Only), também chamado 1xEV-DO, EV-DO, EVDO, ou simplesmente DO, é uma evolução do CDMA2000 1x, com alta capacidade de transmissão. Neste sistema o link de download (forward link) utiliza o mecanismo TDMA. O link de upload (reverse link) continua a utilizar CDMA. Em sua mais recente versão, o EVDO permite taxas de até 3,1 Mbps para download e 1,8 Mbps para upload. Disponibilidade Em São Paulo, a Vivo oferece serviços de rede CDMA 1xRTT limitados a 153 kbps e 1xEVDO em 2,5 Mbps e tarifas por volume de dados transmitidos em unidades de 100 kbytes. O acesso à internet é feito através de um provedor de acesso (ISP). Também é possível a contratação do serviço Vivo Zap VPN que utiliza o protocolo de tunelamento L2TP e criptografia IPSEC para conectar diretamente o dispositivo celular a uma Rede Privativa Virtual (VPN), estabelecendo uma ligação direta entre o CCO e o equipamento remoto, como se estivessem na mesma rede.

2.4. Rede Automação A maioria dos controladores existentes no mercado permite a interligação em rede. Os fabricantes preferem, sempre que possível, oferecer soluções baseadas em redes proprietárias, ou seja, desenvolvidas especificamente para seus produtos. Com isso se consegue bons resultados quando todos os equipamentos a serem interligados são do mesmo fabricante. Quando se torna necessário interligar equipamentos de diferentes fabricantes deve se dar preferência a redes abertas.

Exemplos de Redes Proprietárias Fabricante Rede

ABB Advant Net Rockwell/Allen-Bradley DH485, DH+, ControlNet

GE-Fanuc Genius Altus Alnet

Möeller Suconet A comunicação aberta, em que diferentes equipamentos conversam entre si, ainda é um desafio, mesmo nos meios internacionais, onde a ISO (International Standard Organization), realiza importantes estudos condensados nos padrões OSI (Open System Interconnection). Há vários projetos de padronização de redes de comunicação criados por organismos normalizadores, associações de usuários e fabricantes. A IEC possui um grupo de trabalho para elaborar uma norma para redes de chão de fábrica, que publicou no final da década de 90 a norma IEC 61158. No entanto, não houve consenso entre todos os envolvidos. Ao invés de criar um padrão, a opção encontrada foi a inclusão de oito dos padrões pré-existentes dentro da norma, todos com características muito diferentes e não interoperáveis. O único avanço concreto dessa norma encontra-se na parte 2, que define o meio físico em loop de corrente que é utilizado em todas as redes de instrumentação a dois fios (Profibus-PA, Interbus Loop 2, HART, Fieldbus Foundation-H1). Na ausência de uma única alternativa, cada fabricante de equipamentos de automação adota uma rede proprietária ou uma das redes abertas como opção principal. Muitos fabricantes oferecem módulos para comunicação em outras redes como opção. Além disso, a maioria dos fabricantes e usuários adota como padrão a rede Ethernet e o conjunto de protocolos TCP/IP. Inicialmente desenvolvido para a automação de escritórios e troca de arquivos, mensagens e correio eletrônico, o TCP/IP é a tecnologia na qual se baseia a internet. Devido à abrangência, o



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conjunto Ethernet – TCP/IP permite a construção de redes de baixo custo, fáceis de instalar e gerenciar, em diversos meios físicos. No entanto, isso não garante que controladores de vários fabricantes, todos interligados a uma rede Ethernet consigam se comunicar. A razão disso é que apesar da Ethernet em automação sempre utilizar os protocolos TCP/IP na camada de enlace, as camadas de aplicação podem possuir dezenas de protocolos diferentes. Como existe uma grande diversidade de aplicações, a decisão sobre a tecnologia de rede a ser adotada deve levar em consideração muitos fatores. A seguir apresentamos as características das principais tecnologias existentes: CAN – Controler Area Network – Rede desenvolvida pela Bosch para interligar equipamentos inteligentes em aplicações automotivas, como por exemplo, interligar os sistemas de injeção eletrônica, ignição eletrônica, freios ABS, ar condicionado e sensores de temperaturas e pressões de água e óleo ao computador de bordo. Apenas a camada de enlace é padronizada e se baseia no mecanismo produtor/consumidor. As camadas física e de aplicação devem ser desenvolvidas caso a caso. Uma associação de fabricantes foi criada para incentivar a aplicação da rede CAN em automação industrial, a CiA (CAN in Automation). DeviceNet, CANOpen e CAL são algumas das redes baseadas na camada de enlace CAN. DeviceNet – Implementação da CAN, desenvolvida pela Rockwell Automation. Recentemente foi transformada em norma internacional - IEC 62026. A DeviceNet é uma rede de baixa capacidade, destinada à comunicação entre dispositivos discretos e CLPs ou Computadores. Suas característica mais importante é a alta imunidade a ruídos conseguida por sua padronização física. O Controle de acesso ao meio é baseado no mecanismo produtor/consumidor, mas podem também ser utilizados os mecanismos mestre/escravo ou token-passing ou mesmo sistemas mistos. A taxa de transmissão varia entre 125kbps a 500 m e 500kbps a 100 m. Até 64 nós podem ser endereçados. A camada de aplicação permite a existência de dispositivos inteligentes. Profibus – Padrão definido pela norma alemã DIN19245 e pelas normas européias EN 50170 e EN 50254. Possui mecanismo de acesso ao meio misto: para comunicação entre estações de controle o acesso é por Token-Passing. Entre as estações de controle e dispositivos e instrumentos utiliza-se o mecanismo mestre/escravo. Vários meios físicos podem ser utilizados. O meio principal é RS-485 com velocidades entre 9,6 kbps a 1200m a 1200 kbps a 100m. Também se pode utilizar Ethernet, fibra óptica e IEC61158-2 como meio físico As distâncias máximas variam de acordo com o meio físico. O número máximo de participantes em cada linha, incluíndo repetidores é de 32 nós. Uma rede pode ter até 127 participantes no total. Há dois tipos de camada de aplicação no Profibus: DP utilizado em controladores programáveis e dispositivos e PA utilizado para formar redes de instrumentos e atuadores inteligentes. O FMS - Fieldbus Message Specification - permite a utilização de instrumentos inteligentes, com distribuição de controle e programação dos dispositivos realizada por meio de blocos funcionais. FOUNDATION Fieldbus – Padrão internacional definido pela IEC e ISA e administrado pela Fieldbus Foundation. Assim como o Profibus, também é um padrão de chão de fábrica utilizado para interligar instrumentos, atuadores e controladores. Dois meios físicos são possíveis: O Fieldbus H1 usa o meio físico e enlace definidos na IEC61158 e utiliza os mecanismos de produtor/consumidor e mestre/escravo. O Fieldbus HSE utiliza rede Ethernet de alta velocidade (100 Mbps) como meio físico e a mesma camada de enlace do H1. Através do FMS podem-se programar aplicações distribuídas entre todos os participantes da rede. Modbus – Rede criada pela Modicon, inicialmente era uma rede proprietária, utilizada na comunicação entre CLPs e remotas de telemetria da Modicon, mas no final da década de 80 sua especificação foi aberta e colocada em domínio público. Hoje em dia uma grande variedade de equipamentos possuem esta interface, entre eles, CLPs, instrumentos, controladores de malha fechada, acionamentos, medidores, remotas, etc. O meio físico da rede Modbus é o RS485. Até 256 estações podem se comunicar a 9,6 kbps em distâncias até 1200m. O controle de acesso ao meio é mestre/escravo e a camada de aplicação é bastante simples podendo ser implementada sem dificuldade até por programadores pouco experientes. É uma boa opção de baixo custo para comunicação a baixas taxas de transmissão. Interbus – Rede desenvolvida pela Phoenix Contact e, hoje, aberta a empresas que aderiram ao Interbus Club. Além disso, a Phoenix possui uma variedade de interfaces que permitem integrar



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CLPs de diversos fabricantes à rede. Também há cartões de entradas/saídas para todos os tipos de sinais digitais e analógicos. No Interbus o mecanismo de acesso ao meio é chamado de registrador de deslocamento lógico. Isto significa que os dados de todas as estações da rede são transmitidos conjuntamente em uma única operação. O controlador mestre da rede faz a função de sincronização e controle de fluxo. Este método permite um grande aproveitamento do tempo de rede, pois apenas uma pequena parcela da comunicação é ocupada por bits de controle. A taxa de transmissão é de 500kbps. As estações são ligadas em anel e o número máximo de estações é 512. Não é necessário endereçar os módulos, pois a seqüência das estações no anel define o destino e origem dos dados. ASi – Rede de dispositivos de baixa capacidade, tem como característica mais importante seu meio físico, um cabo auto-sustentável e com proteção contra interferências eletromagnéticas que é lançado na área dos dispositivos discretos. A conexão dos nós pode ser feita de forma simplificada, pois o conector envolve o cabo e faz o contato elétrico sem necessidade de nenhuma ferramenta. No entanto a rede tem capacidade muito baixa. Cada nó só possui 4 bits de entrada e 4 de saída e só é possível endereçar 32 nós. Por este motivo, normalmente é usada em conjunto com Profibus, apenas no nível de dispositivos. A comunicação é mestre/escravo a uma taxa máxima de transmissão de 168 kbps.

2.5. Outros Elementos do Sistema

Como vimos anteriormente, um sistema de automação é muito mais que um Controlador Programável. Quando usamos os recursos de integração em rede, um grande leque de possibilidades é aberto, como a supervisão em tempo real através de terminais de vídeo, geração de relatórios, exibição de mensagens de alarme, integração do controle aos sistemas de manutenção com possibilidade de diagnóstico de falhas, alteração do programa e de parâmetros de processo a distância e em tempo real. Para isso contamos com diversas ferramentas, desde a interface homem/máquina até os softwares de supervisão.

2.5.1. Software de Supervisão e Controle

Os Softwares de Supervisão e Controle são programas para computadores que consultam as memórias dos CLPs via rede ou interface de comunicação, podendo apresentar telas gráficas animadas do processo, gráficos de tendências, relatórios de alarmes, históricos de operação, exportação de bancos de dados de processo, alteração de parâmetros de processo e edição do programa dos controladores. Normalmente ficam em estações de trabalho (computadores dedicados a uma função) distantes do processo controlado e são usados para supervisionar o funcionamento do sistema como um todo. Estas estações normalmente são chamadas de Estações Centrais de Controle. Os Softwares de Supervisão e Controle são compostos de vários módulos: �� Base de Dados – responsável pelo armazenamento dos dados relativos às entradas e saídas

dos controladores, resultados de cálculos, parâmetros do processo e toda e qualquer informação que interfira no processo e deva ser registrada. Normalmente possui interfaces de comunicação com os controladores interligados ao sistema e com bancos de dados corporativos via ODBC.

�� Sistema de Alarmes e Eventos – realiza a monitoração dos dados existentes na base de dados e registra as ocorrências relevantes como alarmes ou eventos. Além disso, registra os momentos de ocorrência do alarme, reconhecimento pelo operador e normalização do valor indicando inclusive quem o operador no instante da ocorrência.

�� Sistema de Segurança – controla o acesso às funções do sistema baseado em um conjunto de senhas. Pode-se configurar para cada senha quais são os níveis de acesso e as limitações de cada usuário. Desta forma, por exemplo, um operador pode executar funções de monitoração e comandos; um encarregado pode também alterar parâmetros do processo; um profissional de manutenção pode fazer tudo isso e também alterar a configuração do supervisório.



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�� Interface Homem/Máquina – parte gráfica do programa, responsável pela exibição dos dados em forma de figuras que representam os componentes do processo. Isto permite uma visualização completa de toda a instalação a partir de um único ponto. A IHM simula na tela do computador os mesmos comandos que existiriam junto à máquina, tais como, botões, lâmpadas, knobs, chaves, indicadores, além de permitir a inclusão de valores através de campos de texto ou caixas de seleção.

2.5.2. Interfaces Homem/Máquina (IHM) Local

Em sistemas que possuem grande quantidade de controladores ou quando o controlador está muito distante da Estação Central de Supervisão e Controle, é necessário algum meio de comunicação entre o operador e o controlador. Nestes casos costuma-se utilizar Interfaces Homem/Máquina locais. A IHM fica próxima ao processo controlado permitindo que o operador supervisione o processo através de um display ou monitor de vídeo e modifique parâmetros de controle localmente através de comandos simples dados por um teclado ou por toque na tela. As IHMs costumavam ser proprietárias, ou seja, para cada controlador havia uma IHM específica. Recentemente surgiram no mercado equipamentos que possuem drivers de comunicação para diversos fabricantes de controladores. Isto permite intercambiabilidade entre instalações e diminui o tempo de aprendizagem necessário para programar IHMs para controladores diferentes. A última tendência do mercado são as IHMs baseadas no sistema operacional Windows CE. O uso deste sistema operacional permite instalar diferentes softwares na IHM independente de seu fabricante e portanto é a solução mais aberta existente até hoje.

2.5.3. Apresentação das Redes

Sistemas Integrados Em sistemas complexos os controladores devem trocar informações entre si, enviar e receber informações dos níveis inferiores (instrumentação e atuadores) e superiores (supervisão e gerenciamento).

Redes de Comunicações Industriais

o Interligação de computadores o Integração de computadores com PLC’s o Integração dos PLC’s a dispositivos de campo: Válvulas, Inversores e Soft Starts,

Instrumentos, Medidores de Energia, IHMS, Sensores...

Evolução Tecnológica o Centralizado



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o Distribuído

o Distribuído e Integrado



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o Evolução das Instalações

o Arquitetura Distribuída



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o Rede Integrada

o Sistema de Supervisão e Controle

o Arquitetura Distribuída – Rede em Anel



3311

o Arquitetura Distribuída – Rede em Anel (1)

o Arquitetura Distribuída – Rede em Anel (2)

o Arquitetura Distribuída – Rede em Barramento



3322

o Arquitetura Distribuída – Rede em Barramento (1)

o Arquitetura Distribuída – Rede em Estrela

o Arquitetura Distribuída – Rede em Estrela (1)

o Arquitetura Distribuída – Rede em Estrela (2)



3333

o Arquitetura Distribuída – Rede em Árvore (1)

Protocolo

o Conjunto de regras e convenções utilizadas para comunicação de um sistema. �� Protocolo Aberto

Quando A especificação de seu protocolo é publico ou é disponibilizado por um preço acessível.

Modelo OSI de 7 camadas

Analogia entre um sistema baseado em camadas padronizadas pelo modelo OSI uma carta enviada pelo correio.



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Meios Físicos

O meio físico define:

�� Velocidade (taxa de transmissão) �� Distancia máxima entre dispositivos �� Distancia máxima total �� Número máximo de dispositivos �� Topologias possíveis �� Suscetibilidade a ruídos e descargas elétricas

�� Cabos metálicos

o Coaxial o Par traçado o Multivias

�� Fibras ópticas �� Modem telefônico �� Rádio-modem �� Satélite �� Outros

Cabos metálicos o Dados transmitidos por variações de tensão ou corrente o Melhor opção para distâncias curtas e ambientes internos o Distorção elétrica pela capacitância, indutância e resistência. o Distorção depende da distância e taxa de transmissão o Suscetível a interferências por indução elétrica o Não exige alta especialização de mão de obra.



3355

Fibras ópticas o Dados transmitidos por variações de luminosidade ou comprimento de onda de luz o A luz percorre a fibra através da reflexão nas paredes da fibra, permitindo sua curvatura. o A luz sofre atuação e dispersão causadas por imperfeições no material (vidro ou plástico). o Atenuação depende da distância e do material da fibra. o Fibras de vidro, poliméricas ou mistas. o Custo de instalação elevado. o Exige alta especialização de mão de obra o Imune a danos por descargas elétricas o Pode atingir longa distancias com a utilização de fibras de vidro (mono-modo) o Pode atingir altas taxas de transmissão

Modem o Dados transmitidos por modulação dos sinais digitais em portadoras analógicas. o Pode utilizar rede pública de telefonia discada, linhas privativas e telefonia celular. o Pode utilizar rádio em UHF ou microondas. o Pode utilizar transmissão via satélite. o Taxas de transmissão relativamente baixas. o Distância virtualmente ilimitada. o O custo pode variar muito dependendo da distância e da tecnologia. o Custo de implantação: baixo para rede de telefonia; alto padrão e satélite. o Custo de operação: baixo para rádio; alto para telefonia e satélite. o O grau de especialização de mão de obra varia com a tecnologia.

Meios físicos: Modem



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Dispositivos de interconexão �� Gateway/Comporta

o Nó especial entre 2 tipos de redes diferentes (“tradutor”). o Todas as sete camadas podem as diferentes. o Podem ser um dispositivo dedicado ou em serviços de rede em um dispositivo comum.

�� Amplificador

o Amplifica sinal (tempo real), cópia do anterior. o 2 segmentos do mesmo tipo de rede (mesmo meio físico) o Para sinal fraco (perdas elétricas), não distorcido. o Funciona apenas na camada 1 – meio físico.

�� Repetidor

o Amplifica sinal. o Possibilita isolação elétrica entre os segmentos. o Atraso de meio bit de espera. o 2 segmentos do mesmo tipo de rede. o Párea sinal fraco com distorções. Sinal novo sem distorções. o Funciona apenas na camada 1 – meio físico.

�� Hub

o Repetidor e isolador elétrico entre diferentes segmentos do mesmo tipo de barramento ,

com várias portas. o Interliga segmentos de uma rede em estrela ou árvore. o Comunicações em um segmento são repetidas para todos os demais. o Não fazem filtragem nem isolamento lógico entre segmentos. o Funciona apenas na camada 1 – meio físico.



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�� Transceiver/transceptor

o Repetidor e isolador elétrico entre diferentes segmentos do mesmo tipo de barramento. o Interliga meios físicos diferentes. o As taxas de transmissão podem ser diferentes nos dois segmentos. o Atraso depende das taxas de transmissão.

�� Bridge/ponte

o Repetidor inteligente e isolador elétrico /lógico entre diferentes segmentos do mesmo tipo

de barramento. o Possui tabela de roteamento com todos os endereços conectados a cada segmento. o Somente as comunicações com endereçamento no segmento oposto passam pelo bridge.

�� Switch

o Repetidor inteligente e isolador entre diferentes segmentos do mesmo tipo de

barramento, com várias portas (Bridge multiportas) o Interliga segmentos de uma rede em estrela e em árvore. o Comunicações em um segmento são repetidas apenas para os segmentos com endereços

de destino. o Permite comunicações simultâneas por caminhos diferentes.

�� Router/roteador

o Dispostivo de conexão inteligente entre redes. o Funciona na camada 3 – rede. o Pode interligar redes com protocolos diferentes desde que utilizem protocolos roteaveis

(IP, IPX, XNS, redes de comutação de pacotes). o Possuem tabelas de roteamento; comunicam-se apenas com outros roteadores. o Podem encontrar caminhos alternativos. o Analisa o conteúdo dos pacotes para transmissão.



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Mecanismos de controle de acesso �� Camada de enlace

o Mestre-Escravo o Multimestre o Tokem-passing o Ponto a Ponto (acesso aleatório)

•••• CSMA/CD •••• CSMA/BA •••• CSMA/CA

�� Mestre-Escravo

o PCL ou PC: Mestre o Dispositivos de I/O: Escravos o Escravos só falam quando o Mestre pergunta o Escravos só falam com o Mestre o Determinístico o Não Periódico o Sem distribuição de controle

�� Multimestre



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�� Tokem-passing

o Dispositivos com o bastão falam por um tempo

máximo. o Dispositivos trocam dados entre si. o Determinístico o Não periódico o Sem noção de prioridade.

�� Ponto a Ponto (acesso aleatório)

o Competição/colisão/solução •••• Quanto emitir •••• Como detectar colisão •••• Como solucionar



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o Ponto a Ponto (acesso aleatório)

•••• CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Bitwise Arbitration) � Dispositivos iniciam conexão a qualquer tempo. � Se houver colisão o mais prioritário transmite o outro aguarda. � Dispositivos trocam dados entre si. � Probabilístico � Não periódico � Com noção de prioridade

•••• CSMA/BA (Carrier Sense Multiple Access/Bitwise Arbitration)

•••• CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Colision Detection)

� Dispositivos iniciam conexão a qualquer tempo (aleatório) � Se houver colisão os dois param e aguardam � Dispositivos trocam dados entre si � Probabilístico � Não periódico � Sem noção de prioridade

•••• Ponto a ponto (acesso aleatório) – CSMA/CA



4411

o Dados cíclicos

� Para cada E/S ou dispositivos é configurado um tempo de ciclo � Os dados são enviados em cada intervalo de tempo � Se todos os dados utilizam este método, consome muito tempo da rede � Mais eficiente para dados de E/S analógicas � Garantia de atendimento periódico/cíclico

o Mudanças de estado

o Polling

� Mestre ou escalonado solicita o envio de dados quando necessário � Todas as estações iniciam transmissão � Método de controle de acesso define a ordem de chegada dos dados � Pode ou não ser cíclico � Pode ser usado para todos os tipos de dados



4422

o Transmissão de mensagens

� Solicitada • Resposta outro nó • Transmissão durante um tokem

� Não solicitada (dirigida a eventos) • Resposta a mudança de estado do nó ou comunicação cíclica

� Explicita (comando do mestre) • Configura, atua na saída ou pede diagnóstico ou pollig

Modelos de rede �� Origem destino

o Os dados são enviados de uma estação para outra

src dst data crc

�� Produtor/Consumidor

o Os dados são identificados

Identifier data crc

�� Origem destino

o Utilizados em redes mestre/escravo, tokem e ponto a ponto o As comunicações são identificadas o Cada comunicação ocorre entre dois dispositivos o Se a mesma informação é necessária a outros dispositivos, ela deve ser retransmitida o Comunicação pode ser solicitada, não solicitada ou explícita


o Utilizado em redes mestre/escravo, multimestre e ponto a ponto com escalonador o Os dados são identificados o Os dados são enviados a todos os dispositivos o Os dispositivos que necessitam dos dados o utilizam o Comunicação pode ser solicitada, não solicitada ou explícita o Pode usar polling, mudança de estado ou dados cíclicos.


o As redes Produtor/Consumidor podem suportar os três tipos de mecanismos de acesso:



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Redes Comerciais o RS 485 – Protocolo ASCII ou proprietário o CAN – Enlace padronizado, falta desenvolvimento das camadas física e aplicação. É

regulamentada pela CiA o DeviceNet – Implementação da CiA o Fieldbus – Produtor/Consumidor o Modbus – Mestre/Escravo o Profibus – Mestre/Escravo o Asi – Mestre/Escravo o Redes proprietárias

Sensorbus Devicebus Fieldbus

Aplicações Discretas Máquinas

Discretas Máquinas

Processo

Controle típico PLC PLC Distribuído Tamanho do dado ≤ 1 byte Até 32bytes Até 1000 bytes

Baseado em microprocessadores

Não Sim Sim

Inteligência embutida Não Varia Sim Diagnósticos Não Simples Sofisticado

Distância Curta Curta Longa Tempo de resposta 5 ms ou menos 5 ms ou menos 100 ms

Exemplo de dispositivo Sensor de

proximidade discreto

Sensor fotoelétrico com diagnóstico

Válvula inteligente c/PID e

diagnósticos avançados

Tipos de Controles e Dispositivos



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Tipos de Controles e Dispositivos o Redes públicas de transmissão de pacotes:

•••• Frame Relay •••• ADSL •••• ATM •••• GRPS (GSM) •••• CDMA 1x

o Redes privadas de transmissão de dados:

•••• AT&T, ImpSat, MetroRED •••• Virtua, Ajato (TV a cabo)

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Redes Industriais 01