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Redes Industriais 30h

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Introdução- Primeiros computadores:

• máquinas complexas, grandes, caras

• ficavam em salas isoladas com ar condicionado

• operadas apenas por especialistas

• programas submetidos em forma de jobs seqüenciais

- Anos 60:

• primeiras tentativas de interação entre tarefas concorrentes

• surge técnica time-sharing, sistemas multi-usuários

• usuários conectados ao computador por terminais

• comunicação entre terminais e computador central => surgem primeiras técnicas de comunicação

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Introdução- Anos 70:

• surgem microprocessadores

• computadores muito mais baratos => difusão do uso

- Após década de 70:

• computadores cada vez mais velozes, tamanho menor, preço mais acessível

• aplicações interativas cada vez mais freqüentes

• necessidade crescente de incremento na capacidade de cálculo e armazenamento

• computadores conectados podem ter desempenho melhor do que um mainframe, além de custo menor

• necessidade de desenvolver técnicas para interconexão de computadores => redes

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Introdução- Informatização das empresas cria necessidade de troca de

informações entre equipamentos.

- Métodos iniciais: fitas K7, disquetes, fitas perfuradas, cartões.

- Método moderno: redes de comunicação (LAN).

- Requisitos de comunicação fabril:

- Compartilhamento de recursos;

- Gerenciamento da heterogeneidade;

- Gerenciamento de diferentes tipos de diálogo;

- Garantia de um tempo de resposta médio ou máximo;

- Confiabilidade dos equipamentos e da informação;

- Conectividade e interoperabilidade;

- evolutividade e flexibilidade.

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Introdução

- Necessário definir arquiteturas, topologias e protocolos apropriados para redes de comunicação industriais.

- Redes do tipo ponto-a-ponto: centralização das funções de comunicação.

- Redes de difusão: possibilidade de descentralização da comunicação.

- Idéia do final dos anos 70/ início 80: rede única para toda a fábrica.

- Idéia atual: não existe uma rede única que atende as necessidades de todas as atividades existentes em uma fábrica.

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Introdução

• Nas empresas modernas temos grande quantidade de computadores operando em diferentes setores.

• Operação do conjunto mais eficiente se estes computadores forem interconectados:

• possível compartilhar recursos

• possível trocar dados entre máquinas de forma simples e confortável para o operador

• vantagens gerais de sistemas distribuídos e downsizing atendidas

• Redes são muito importantes para a realização da filosofia CIM (Computer Integrated Manufacturing).

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Os Níveis Hierárquicos De Integração FabrilAdministração

Corporativa

Planejamento(Factory)

Área(Shop)

Célula(Cell)

Subsistema(Subsystem)

Componente(Component)

S A S A S A S A

CAD, CAE, CAP,CAPP, CAQ, etc...

FMS

FMC

Torno, Manipulador,Centro de Usinagem,

etc...

Motores, Chaves,Relés, etc...

SISTEMA DECOMUNICAÇÃO

Enterprise-network

(MAP, TOP)

Fieldbus, MAP-EPA, Mini-MAP

RTLAN

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Características da comunicação em CIM

Vida útil etamanho

médio dosdados

Tráfegomédio

Quadros /seg.

Tempoocioso entretransmissões

Númerode

estações /segmento

Administração Corporativa

Planejamento

Área

Célula

Unidade (subsistema)

Componente

Customédio

de umaestação

Hostilidadedo meio

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Motivação das Redes Industriais- Maioria das redes de comunicação existentes concebidas para

automação de escritórios.

- Ambiente industrial tem características e necessidades que tornam redes para automação de escritórios mal adaptadas:

- ambiente hostil para operação dos equipamentos (perturbações eletromagnéticas, elevadas temperaturas, sujeira, áreas de segurança intrínseca, etc.);

- troca de informações se dá entre equipamentos e, as vezes, entre um operador e o equipamento;

- tempos de resposta críticos;

- segurança dos dados crítica;

- grande quantidade de equipamentos pode estar conectada na rede => custo de interconexão crítico.

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Características e requisitos básicosdas redes industriais

• Comportamento temporal

• Confiabilidade

• Requisitos do meio ambiente

• tipo de mensagens e volume de informações

• Conectividade/interoperabilidade(padronização)

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a) Comportamento temporal- Aplicações Industriais freqüentemente requerem sistemas de

controle e supervisão com características de Tempo-Real.

- Em aplicações tempo real, importante poder determinar comportamento temporal do sistema de comunicação.

- Mensagens em STR podem ter restrições temporais:

– Periódicas: tem que ser enviadas em intervalos conhecidos e fixos de tempo. Ex.: mensagens ligadas a malhas de controle.

– Esporádicas: mensagens sem período fixo, mas que tem intervalo de tempo mínimo entre duas emissões consecutivas. Ex.: pedidos de status, pedidos de emissão de relatórios.

– Aperiódicas: tem que ser enviadas a qualquer momento, sem período nem previsão. Ex.: alarmes em caso de falhas.

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Sistemas Tempo-Real

• Um STR é um sistema computacional que deve reagir a estímulos (físicos ou lógicos) oriundos do ambiente dentro de intervalos de tempo impostos pelo próprio ambiente.

• A correção não depende somente dos resultados lógicos obtidos, mas também do instante no qual são produzidos.

Sistema

a

Controlar

(Ambiente)

Sistema

de

Controle

SENSOR

ATUADOR

INTERFACE

estímulo

resposta

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Arquitetura para Sistemas Tempo-Real

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A Problemática da Comunicação em Tempo-Real

M1

DL = 10

End. 01

M2

DL = 15

End. 02

M3

DL = 50

End. 03

M4

DL = 25

End. 04

M5

DL = 5

End. 05

• Mensagens pendentes em cada estação devem ser entregues a seu destino antes de um prazo limite (deadline) associado.

• Problema de comunicação tempo real: como definir concessão do direito de acesso ao meio de forma a garantir que todas as mensagens sejam entregues antes de seu deadline ?

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• Protocolo MAC precisa garantir rápido acesso ao barramento para mensagens esporádicas de alta prioridade.

• Protocolo MAC deve atender mensagens periódicas com a maior eficiência possível, respeitando seus deadlines.

• MAC deve ter comportamento determinista e, idealmente, permitir escalonamento ótimo global de mensagens.

• LLC (Controle Lógico de Enlace) deve escalonar mensagens locais pendentes por deadline ou prioridade associada.

Comunicação em Tempo-Real

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Arquitetura do software de rede para CTR

Camada de Aplicação

Controle Lógico de enlace (LLC)

Controle de Acesso ao Meio (MAC)

Camada Física

AP APSoftware

Aplicativo

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Serviços de enlace para CTR

Serviços sem conexão:

• SEND (receptor, mensagem, requisitos TR);

• mensagem = RECEIVE (emissor);

Serviços com conexão:

• rtcid = CONNECT(receptor, requisitos TR);

• SEND (rtcid, mensagem);

• mensagem = RECEIVE (rtcid);

• DISCONNECT(rtcid);

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Classificação dos Protocolos MAC

• Alocação fixa: alocam o meio às estações por determinados intervalos de tempo, independentemente de haver ou não necessidade de acesso (ex.: TDMA = Time Division Multiple Access);

• Alocação aleatória: permitem acesso aleatório das estações ao meio (ex.: CSMA = Carrier Sense Multiple Access). Em caso de envio simultâneo por mais de uma estação, ocorre uma colisão e as estações envolvidas tem que transmitir suas mensagens após a resolução do conflito resultante (protocolos de contenção);

• Alocação controlada: cada estação tem direito de acesso apenas quando de posse de uma permissão, que é entregue às estações segundo alguma seqüência predefinida (ex.: Token-Passing, Master-Slaves);

• Alocação por reserva: para poder usar o meio, as estações tem que reservar banda com antecedência, enviando pedidos a uma estação controladora durante um intervalo de tempo pré-destinado e este fim (ex.: CRMA = Cyclic Reservation Multiple Access);

• Híbridos: consistem de 2 ou mais das categorias anteriores.

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Classificação dos Protocolos MAC

• Classificação com relação ao comportamento

temporal:

– protocolos deterministas: caracterizados pela

possibilidade de definir um tempo limite para a

entrega de uma dada mensagem (mesmo que

somente em pior caso);

– protocolos não deterministas: tempo de entrega

não determinável (aleatório ou probabilístico).

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Protocolos MAC não deterministas

CSMA 1-persistente, p-persistente e não persistente

- CSMA = Carrier Sense Multiple Access (Acesso Múltiplo por Detecção de portadora) : baseia-se no conceito de escuta do meio de transmissão para a seleção do direito de acesso a este.

- CSMA p-persistente: estação que quer enviar dados escuta meio. Se canal livre, envia quadro com probabilidade “p”. Senão, aguarda na escuta até que o meio esteja livre. Caso particular: p=1.

- CSMA não persistente: idem anterior, mas se canal ocupado, estação espera um período de tempo aleatório e escuta o canal novamente.

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CSMA persistente e não persistente

• CSMA 1-persistente: faz melhor uso da banda, mas tem grande chance de gerar colisões

• CSMA não persistente: faz pior uso da banda, mas tem menor probabilidade de gerar colisões

• CSMA p-persistente (p<1): compromisso entre as soluções anteriores.

tempo

np

P-p

1-p

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O protocolo CSMA/CD

- CSMA/CD = Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection.

- Se mais de uma estação pronta para emitir uma mensagem com o meio livre, gera-se uma colisão.

- A primeira estação que detectar a colisão interrompe transmissão, reiniciando-a após um tempo aleatório => improvável ocorrência de nova colisão.

emissor

emissor receptor

emissor

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O protocolo CSMA/CD

• Métodos de acesso CSMA convencionais: tempo de reação não pode ser exatamente determinado (não determinismo).

• Não se sabe de antemão:

– se haverão colisões;

– quantas colisões seguidas podem ocorrer;

– o tempo (aleatório) de espera em caso de colisão.

• Tempo de espera é randomizado segundo algoritmo BEB (Binary Exponential Backoff)

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Randomização de tempo no CSMA/CD(Binary Exponential Backoff)

start

StationReady ?

NewFrame ?

EtherSilent ?

transmit

Collision ?

nc = nc+1

limit = 2nc-1

Wait=random [0,limit]

nc = 0

no

no

no

yes

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CSMA/CD

Probabilidade de colisão

Tráfego x número estações

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Protocolos MAC Deterministas

- Métodos de acesso deterministas: tem tempo de resposta limitado e determinável (ao menos pior caso).

- Podem ser classificados em:

- métodos com comando centralizado (ex.: Mestre-Escravos, árbitro de barramento)

- métodos com comando distribuído (ex.: Token-Passing, variantes deterministas do CSMA).

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Comando Centralizado: Mestre-escravos

escravo escravo escravo escravo

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Comando Distribuído: Token-bus

receptor

emissorficha

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Comando Distribuído: Token-Ring

Estação

Interfacep/ anel

anel unidirecional

TAP

Token

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Comando Distribuído: Forcing Headers

- Variante determinista de CSMA (CSMA/NBA = CSMA with Nondestructive Bitwise Arbitration).

- Estações enviam bit a bit um identificador da mensagem, que define prioridade da mesma.

- Cada mensagem tem que ter prioridade diferente das demais.

- Se todos os bits do identificador são 0, prioridade máxima.

- Camada física executa AND sobre cada bit enviado ao barramento (CD ativada ao enviar um 1 e desativado ao enviar um 0).

- Transmissão interrompida quando um 1 é enviado e ocorrer colisão (0 é lido).

- Se identificador transmitido até o fim sem colisão, resto da mensagem é enviado.

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Comando Distribuído: Forcing Headers

100 dados

000 dados 001 dados 010 dados 011 dados

Frame a enviar

Nó 4

Nó 0 Nó 1 Nó 2 Nó 3

Header do frame

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Comando Distribuído: Forcing Headers

• Para evitar monopólio do meio por nó gerador de mensagem de alta prioridade, espaço entre quadros preenchido por campo de bits em 1 inserido no final de cada quadro.

• O barramento só é considerado livre para o mesmo nó enviar nova mensagem após ter detectado que o espaço interframes não foi interrompido por um bit em 0.

• Estação possuidora da mensagem de alta prioridade terá que esperar ao menos o envio de uma mensagem de prioridade menor para tomar o barramento para si novamente.

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Comando Distribuído: Comprimento De Preâmbulo- Variante determinista de CSMA/CD

- A cada mensagem é associado um preâmbulo com comprimento diferente, que é transmitido com CD desativada.

- Após término de envio do preâmbulo, CD reativada

- Se há colisão, existe outra mensagem mais prioritária sendo enviada e estação fica a espera de meio livre.

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Comando Distribuído: Comprimento De Preâmbulo

Frame a enviar

Nó 4

Nó 0 Nó 1 Nó 2 Nó 3

Preambulo do frame

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Comando Distribuído: Comprimento De Preâmbulo

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Comando Distribuído: CSMA/DCR

- CSMA with Deterministic Collision Resolution

- determinismo garantido através de busca em árvore binária balanceada

- prioridades são atribuídas a cada estação => “Índices”

- cada estação deve conhecer:

- status do barramento:

- livre

- ocupado com transmissão

- ocupado com colisão

- seu próprio índice

- número total de índices consecutivos alocados às fontes (Q)

- tamanho da árvore binária q = menor potência de 2 maior ou igual a Q (ex.: Q = 12, q = 16)

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CSMA/DCR

- operação como CSMA/CD até colisão

- em caso de colisão, iniciado período de resolução por busca em árvore binária => “época”

- estações envolvidas se auto-classificam em dois grupos: Winners (W) ou Losers (L):

- W = índices entre [0,q/2[

- L = índices entre [q/2, q]

- estações do grupo W tentam nova transmissão

- se nova colisão, nova divisão em grupos:

- W = [0,q/4[

- L = [q/4, q/2]

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CSMA/DCR

- se não ocorrer nova colisão (só sobrou uma estação no grupo W), estação transmite seu frame de dados

- estações do grupo L desistem e aguardam término de transmissão bem sucedida de outro nó seguida de meio livre

- se grupo W vazio, busca revertida => nova subdivisão de nós a partir do último grupo L:

- W = [q/2, 3q/4[

- L = [3q/4, q]

- Época encerrada quando todas as estações envolvidas na colisão original conseguiram transmitir seus dados

- tempo de duração de uma época pode ser calculado => determinismo !

- seqüência de concessão de direito de acesso ao meio = seqüência de índices crescentes => nós mais prioritários transmitem primeiro !

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CSMA/DCR - Exemplo

- 6 estações de uma rede com 16 fontes enviam frames simultaneamente

- Índices de cada estação conforme figura acima

- Q = 16

- q = 16 (24)

- altura da árvore binária = log2 16 = 4

Índice 2 Índice 3 Índice 5

Índice 12 Índice 15Índice 14

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CSMA/DCR - Exemplo

[0,15]

[0,7]

[0,3]

[0,1] [2,3]

[4,7]

[4,5] [6,7]

[8,15]

[8,11] [12,15]

[8,9] [10,11] [12,13] [14,15]

3

1

2

4 5

6

7 8

9

10

11 12

13

14 15

Árvore binária balanceada completa para Q = 16

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12 C14,15W= 14 L=15

CSMA/DCR - Exemplo

0 C2,3,5,12,14,15W= 2,3,5L=12,14,15

1 C2,3,5W= 2,3L=5

2 C2,3W= L=2,3

3 V 4 C2,3W=2 L=3

5 T2

6 T3

7 T5

8 C12,14,15W= L=12,14,15

9 V 10 C12,14,15W= 12 L=14,15

11 T12

13 T14

14 T15

Evolução do algoritmo

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CSMA/DCR

- O tempo até o inicio da transmissão da fonte com índice 5 será:

- 4 colisões + 1 vazio = 5. slot-time

- 2 transmissões = 2.(tamanho quadro em slot-times)

- Assumindo que cada quadro tem um tamanho fixo de 6 slot-times e considerando 1 slot-time como 40 microssegundos, o tempo para início da transmissão da mensagem da fonte com índice 5 seria:

- Tinicio 5 = 5.40 + 2.6.40 = 680 microssegundos (não é ainda pior caso)

- O tempo de duração total da época será:

- 7 colisões = 7.slot-time

- 2 vazios = 2. slot-time

- 6 transmissões = 6 .(tamanho do quadro em slot-times)

- Assumindo 1 slot-time = 40 microssegundos:

- T época = 7.40 + 2.40 + 6.6.40 = 1800 microssegundos = 1.8 ms

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CSMA/DCR

- Cálculo do tempo de pior caso pode ser formalizado como segue...

- Seja:

(v) = número de ramos da árvore binária percorridos por uma mensagem proveniente de um nó com índice v

- q = menor potência de 2 maior ou igual ao maior índice disponível

(v) = número de potências de 2 contidas em v

- s = 1 slot-time (2 vezes o tempo de propagação do sinal na rede)

= tempo máximo de transmissão da uma mensagem no meio físico (depende do comprimento da mensagem em bits e da taxa de transmissão)

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CSMA/DCR

- Para uma mensagem participando de uma dada época, temos que:

(v) = log2 q + v - (v)

- Tespera (v) = (v).s + v.

- Para o exemplo anterior, tomando uma mensagem da estação com índice 5, temos:

- q =16

- v =5

(5) = 2 (5 = 22+20)

(5) = log2 16 + 5 - 2 = 7

- T espera (5) = 7.s + 5.

- Assumindo s = 40 microssegundos e = 6.s = 240 microssegundos, obteremos para o pior caso de tempo de espera da mensagem da fonte com índice 5 o valor de 1480 microssegundos.

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CSMA/DCR

- O tempo de duração da época, no pior caso, é dado por:

T época = (q-1).s + Q.

- Para uma mensagem que chega a fila de emissão de uma fonte com índice v em um instante qualquer, o pior caso de tempo de espera é maior, pois a nova mensagem pode chegar na fila imediatamente após o inicio de uma época, da qual ela ainda não faz parte.

- Neste caso, o pior caso do tempo de espera será dado por:

T max espera (v) = T época + (v).s + v.

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Abordagens Para CTR

AbordagemAtribuição de Prio-

ridades com teste deescalonabilidade

Off-line (em tempode projeto)

Circuito Virtual TRcom escalonamento

On-line demensagens

Reserva comescalonamento

global

Requistos

MAC com resoluçãode prioridades

MAC com tempo deacesso ao meio

limitado

Requer cópias locaisde todas as filas de

mensagens,difundidas em “slots

times” de reserva

Ex.de ProtocolosToken-Ring c/Pr.

Dif. atrasos

Comp. Preâmbulo

Forcing Headers(CSMA/CA)

TDMA

Token-Passing

Waiting Room

CSMA/DCR

PODA

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b) Confiabilidade

- Em aplicações industriais, erro de 1 bit pode ter conseqüências desastrosas.

- Para aumentar confiabilidade, enlace usa teste cíclico de redundância (CRC - Cyclic Redundancy Check) sobre quadros (técnica polinomial).

- Em sistemas que necessitem de uma operação contínua, pode ser utilizado um meio de transmissão e estações redundantes.

- Recomenda-se usar cabos blindados em ambientes com fortes campos magnéticos.

- Uso crescente de fibra ótica.

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C) Requisitos Do Meio Ambiente

- Perturbações eletromagnéticas requerem escolha adequada do meio de transmissão.

- Fonte: acionamentos de motores elétricos de grande porte, fontes chaveadas, estações de solda, conversores estáticos, etc.

Par trançado (assíncrono)

Par trançado (síncrono)

Cabo coaxial

Fibra Ótica Custos

Sensibili-dade àpertur-

Taxade

transmissão

Distância

bações

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Meios De Transmissão- Cabo coaxial:

- Boas características elétricas.

- Requer resistências terminais.

- Conectores BNC fáceis de abrir.

- Par trançado:

- Usualmente usado com HUB/Switcher

- Atualmente solução mais usada para chão fábrica.

- UTP (Unshielded Twisted Pair) CAT-5 / STP (Shielded Twisted Pair).

- Fibra ótica:

- Ótimo para rejeitar perturbações eletromagnéticas.

- Dificuldade de realizar topologia em barramento (bus): derivações ativas x passivas.

- Mais usado em topologias ponto a ponto: anel, estrela, árvore.

- Emulação de bus com HUB ou Switcher.

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Áreas De Risco (Segurança Intrínseca)• Sujeitas a incêndio, explosão• Presença de líquidos ou gases

inflamáveis/explosivos• Não pode haver faiscamento• Freqüência de sinais elétricos limitada• Modelo FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe

Concept): desenvolvido na Alemanha pelo PTB (Physikalisch Technische Bundesanstalt) e reconhecido mundialmente como modelo básico para operação de redes em áreas de risco de explosão ou incêndio.

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Áreas De Risco (Segurança Intrínseca)

• Princípios de transmissão segundo modelo FISCO:– Cada segmento possui uma única fonte de alimentação.– Não se alimenta o barramento enquanto uma estação

está enviando.– Cada dispositivo de campo consome uma corrente

constante em steady-state de pelo menos 10 mA, que alimenta o dispositivo.

– Os dispositivos de campo funcionam como uma carga passiva de corrente.

– Existe uma terminação passiva em ambos os extremos da rede.

– Topologias permitidas: linear, em árvore e em estrela.

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Áreas De Risco (Segurança Intrínseca)

• Norma IEC 1158-2 para camada física:

– Transmissão de dados: digital, bit - síncrona, Manchester

– Taxa de transmissão: 31,25 kbit/s, modo voltagem

– Cabo: STP com 2 fios

– Alimentação remota: opcional, via linhas de dados

– Classes de proteção contra explosão: Intrinsically safe (EEx ia/ib) e encapsulation (EEx d/m/p/q)

– Topologias: linha e árvore ou uma combinação

– Numero de estações: até 32 estações por segmento, máximo de 126 com 4 repeaters

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d) Tipo de mensagens e

volume de informações- Níveis hierárquicos superiores: - mensagens grandes (KByte); - podem ter tempos de transmissão longos (seg. até min.); - longos intervalos entre transmissões.

- Aplicações mais próximas ao processo:

- mensagens curtas, tais como:- ligar ou desligar uma unidade -> 1 bit ;- fazer leitura de um sensor / medidor -> 8 Bytes ;- alterar o estado de um atuador -> 8 Bytes ;- verificar o estado de uma chave ou relê - > 1 bit .

- Requisitos: taxa de transmissão de dados não muito elevada; taxa de ocupação do barramento elevada (grande número de quadros pequenos transmitidos); tempo de entrega conhecido.

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e) Conectividade / interoperabilidade(padronização)

• Verifica-se necessidade de uma especificação de redes locais para aplicações industriais diferente daquela adotada em automação de escritório.

• Já existem diversas redes proprietárias para ambiente fabril, mas não permitem a interligação de equipamentos de outros fabricantes.

• Maior entrave à conectividade e interoperabilidade: não padronização das interfaces e protocolos de comunicação.

• Grandes esforços tem sido despendidos para solucionar estes problemas => Projetos de Padronização.

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Projetos de Padronizaçãode redes industriais

• Iniciativas mais importantes de padronização para redes industriais:

- Projeto PROWAY

- Projeto IEEE 802

- Projeto MAP (MAP/EPA e MINI-MAP)

- Projeto TOP

- Projeto FIELDBUS

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Projeto PROWAY- Proposta PROWAY (Process Data Highway) iniciada em 1975 pela

IEC (International Electrotechnical Commission) para a normalização de redes de comunicação para controle de processos.

- Proway passou pelas fases A, B e C.

- Proway A e B utilizavam o protocolo HDLC da ISO na camada de enlace, com acesso ao meio tipo Mestre / Escravos.

- Proway C adotou a técnica de Token-Passing.

- Arquitetura composta de 4 camadas do modelo OSI:

- "Line" (camada física),

- "Highway" (camada de enlace),

- "Network" (camada de rede) e

- "Application" (camada de aplicação)

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Projeto IEEE 802 (ISO/IEC 8802)

- IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) iniciou em 1980 o projeto 802, que definiu normas para as camadas Física e Enlace do modelo de referência OSI.

- Camada de Enlace subdividida em duas subcamadas:

- LLC (Logical Link Control): montagem dos quadros, controle de erros, controle de fluxo, estabelecimento de conexões, serviços às camadas acima;

- MAC (Medium Access Control): Controle de acesso ao meio.

- Proposta IEEE virou norma internacional: ISO/IEC 8802.

- Norma atual composta de 12 partes.

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IEEE 802 (ISO/IEC 8802)

IEEE 802.1: serviços de gerenciamento de redes e generalidades;

IEEE 802.2: sub-camada LLC da camada de Enlace. Norma prevê três tipos de serviços: LLC tipo 1: troca de dados sem conexão. Não é feito

controle de erros nem de fluxo e o receptor das mensagens não envia um quadro de reconhecimento ao emissor;

LLC tipo 2: antes de trocar dados, estações estabelecem uma conexão entre si. É feito controle de erros e de fluxo e a entidade receptora envia um quadro de reconhecimento para cada mensagem recebida;

LLC tipo 3: comunicação sem conexão, mas é realizado controle de fluxo e de erros e o receptor envia um quadro de reconhecimento ao emissor para cada mensagem recebida.

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IEEE 802 (ISO/IEC 8802)

IEEE 802.3 : descrição da sub-camada MAC e camada Física para redes com topologia em barramento e método de acesso ao meio baseado em CSMA/CD;

IEEE 802.4 : descrição da sub-camada MAC e camada Física para as redes com topologia em barramento e método de acesso ao meio baseado em "token-passing" (Token-Bus);

IEEE 802.5 : descrição da sub-camada MAC e camada Física para as redes com topologia em anel e método de acesso ao meio baseado em "token-passing" (Token-Ring);

IEEE 802.6 : descrição da sub-camada MAC e camada Física para as redes metropolitanas com DQDB (Distributed Queue Dual Bus, barramento dual com filas distribuídas);

IEEE 802.7 : contém recomendações do IEEE para LANs usando Broadband. Na versão da ISO/IEC, define uma subcamada MAC com slotted ring e a camada física correspondente;

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IEEE 802 (ISO/IEC 8802)

IEEE 802.8 : o IEEE criou o “Fibre optic technical advisory group”, cuja meta era propor um padrão de LAN usando fibra ótica como meio físico em redes com token passing, como FDDI (Fiber Distributed Data Intarface);

IEEE 802.9 : IS (Integrated Services) para integrar LANs com RDSI (Rede Digital de Serviços Integrados, ISDN em inglês) e FDDI (Fiber Distributed Data Interface);

IEEE 802.10 : aborda questões de segurança na interoperação de LANs e MANs (atualmente define o padrão SDE, Secure Data Exchange);

IEEE 802.11 : padroniza LANs com MAC sem fio (Wireless) e a camada física correspondente (transceivers de rádio);

IEEE 802.12 : método de acesso com demanda priorizada (DPA, Demand Priority Access) e camada física correspondente.

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IEEE 802 (ISO/IEC 8802)

• Mais recentemente foram acrescentados ainda:

– IEEE 802.15: Trata de Wireless Personal Area Networks (Bluetooth);

– IEEE 802.16: aborda Wireless Metropolitan Area Networks;

– IEEE 802.17: padrão para Resilient Packet Ring;

– IEEE 802.18: comitê de padrões LAN/MAN.

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IEEE 802 (ISO/IEC 8802)

IEEE 802.1 - Aspectos Gerais e Gerenciamento de Rede

IEEE 802.2 - Camada de Enlace

Tipo 1 - sem conexãoTipo 2 - com conexãoTipo 3 - com reconhecimento

Sub-Camada LLC(Logical Link Control)

IEEE 802.3CSMA/CD

(MAC)

IEEE 802.4Token Bus

(MAC)

IEEE 802.5Token Ring

(MAC)

IEEE 80212DPA (MAC)

BandaLarga

(PHY)

BandaBase

(PHY) (PHY)

BandaLarga

(PHY)

BandaBase

(PHY)

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A norma IEEE 802.3 (CSMA/CD)

- Origem: rede Ethernet (Xerox, 1976).

- Ethernet original: protocolo CSMA/CD, cabo coaxial de 1000 metros de comprimento, taxa de transmissão de 3 Mbps, até 100 estações conectadas.

- Xerox, DEC e Intel definiram um padrão "de fato" para uma rede Ethernet, com taxa de transmissão de 10 Mbps.

- IEEE 802.3 define família de protocolos CSMA/CD 1-persistentes, para diferentes meios de transmissão, com taxas de transmissão de 1 a 10 Mbps.

- Parâmetros iniciais da norma: canal de 10 Mbps em banda de base, cabo coaxial de 50 ohms, comprimento máximo de 500 m.

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Quadro IEEE 802.3

- Preâmbulo de 7 bytes (seqüência 10101010).

- Delimitador de Início de Quadro (seqüência 10101011).

- Endereços de Destino e de Origem, com formatos de 16 ou 48 bits. MSB define se endereço é individual (0) ou de grupo (1), permitindo multicast e broadcast.

- Tamanho do Campo de Dados, em bytes (max. 1500 bytes).

- FCS: palavra de 32 bits, para o controle de erros por CRC.

- Se quadro total menor que 64 Bytes, o quadro deve ser completado através do campo PAD (padding = enchimento, estofamento).

PREÂMBULO DEST FONTE DADOS PAD FCS

7 1 2-6 2-6 2 0-1500 46 4

DELIMITADORDE QUADRO

COMPRIMENTODOS DADOS

bytes

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IEEE 802.3

Enlace

Física

LLC (Logical Link Control)

MAC (Medium Access Control)

PLS (Physical Layer Signaling)

AUI (Attachment Unit Interface)

MAU (Medium Attachment Unit)

MDI (Medium Dependent Interface)

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IEEE 802.3 - Camada Física

• PLS (Physical Layer Signaling): interface entre o nível físico

e a subcamada MAC. Fornece à MAC serviços de envio e

recepção de bits e de detecção de colisão.

• AUI (Attachment Unit Interface): cabos tipo par trançado

blindado que permitem conectar à rede estações localizadas a

uma certa distância do meio de transmissão (até 50m). AUI

interliga a placa de rede ao MAU.

• MAU (Medium Attachment Unit): dispositivo eletrônico que

transmite, recebe e detecta a presença de sinais no meio e deve

estar fisicamente muito próximo a este.

• MDI (Medium Dependent Interface): conector que faz

conexão entre o MAU e o meio físico em si.

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IEEE 802.3 - Camada Física

• A norma IEEE 802.3 define várias opções de meio físico e taxa de transmissão, especificadas da forma:

<taxa em Mbps><técnica de sinalização><tamanho máximo do segmento * 100>

• Exemplo:

– 10BASE5: define uma camada física com taxa de transmissão de 10Mbps, técnica de sinalização em banda BASE (baseband) e comprimento máximo do cabo de 500 metros.

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IEEE 802.3 - Camada Física 10BASE5 (thicknet)

Placa de rede

Conector AUI

Cabo AUI

Conector depressão MDI

Cabo coaxialgrosso 50

Ohms

MAU(Vampire tap)

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IEEE 802.3 - Camada Física 10BASE2 (thinnet)

Placa de rede

Conector BNCfêmea

ConectorBNC macho

Conector TBNC

Cabo coaxialfino 50 Ohms

Terminador BNCmacho 50 Ohms

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IEEE 802.3 - Camada Física

• 10BROAD36: opera com taxa de transmissão de 10Mbps, técnica de sinalização em Banda Larga e um cabo de 3600 metros.

• Especificações adicionais de MAU:

10BASE-T: define MAU para par trançado, usualmente empregada para conexão com repetidores multiporta (Hubs);

10BASE-F: MAU para fibra ótica

10BASE-FL: define MAU para fibra ótica, usada para conectar uma estação a um Hub;

10BASE-FB: define MAU para interligar repetidores entre si, usada em redes backbone;

10BASE-FP: define MAU para operar como estrela passiva.

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IEEE802.3 – Camada Física 10BASE-T

Placa de rede

Plug RJ-45

Par Trançado

HUB

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IEEE802.3 – Camada Física 10BASE-FL

Placa de rede

Conector AUI

Cabo AUI

MAU10BASE-FL

HUB 10BASE-FL

R T

R T

Fibra ótica Max.

2000m

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IEEE802.3 – Camada Física 10BASE-FP

Placa de rede

Conector AUI

Cabo AUI

MAU10BASE-FP

Estrela Passiva

10BASE-FP

R T

R T

Fibra ótica Max. 500m

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IEEE802.3 – Camada Física 10BASE-FB

REPEATER 10BASE-FB

R TREPEATER 10BASE-FB

R T

Fibra ótica

Max. 2000m

backbone

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IEEE 802.3u – Fast Ethernet

• 3 versões com 100 Mbps, sempre com HUB:

– 100BASE-T4: usa 4 pares de cabos UTP categoria 3 (fio telefônico), com sinalização em 25MHz cada, com até 100m até HUB, modo half-duplex.

– 100BASE-TX: usa 2 pares de cabos UTP categoria 5 (usa isolante de teflon), um para o HUB e outro de retorno, até 100m até o HUB, modo full-duplex;

– 100BASE-FX: usa 2 fibras óticas multimodo, uma em cada direção, distância de até 2 Km até HUB.

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IEEE802.3 – Switched Ethernet

• Melhora de performance da ethernet pode ser obtida com fast ethernet, porém requer novas placas de rede

• Outra solução: manter placas 10BASE-T e ligar a um switcher

LC switcher

Placas 10BASE-T

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A norma IEEE 802.4 (Token Bus)

- define topologia tipo barramento, com direito de transmissão transmitido por meio de ficha.

- Inicialização: passagem da ficha se dá segundo ordem descendente do valor do endereço físico das estações.

- Estação proprietária da ficha possui o direito exclusivo de transmissão sobre o barramento.

- Este direito pode ser exercido durante um certo período de tempo ("token retention time"), após o qual ela deve ceder a ficha para a próxima estação do "anel" lógico.

- Protocolo define mecanismo de prioridades de quatro níveis, referenciados por 0, 2, 4 e 6 (nível 0 tem a mais baixa prioridade e o nível 6 a mais alta prioridade).

Page 79: Redes Industriais 30h

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IEEE 802.4

- Periodicamente, a estação que detêm a ficha consulta estações inativas para verificar se querem fazer parte do anel lógico (quadro "Procura Sucessor").

- Este quadro indica endereço da estação que emite o quadro e o da estação seguinte no anel lógico.

- Apenas as estações cujos endereços estiverem entre os dois endereços indicados poderão candidatar-se à participação no anel lógico.

- Se nenhuma estação apresenta interesse, a estação proprietária da ficha retoma a evolução normal do anel.

- Se uma estação apresenta-se como candidata, ela passa a compor o anel lógico e torna-se a próxima destinatária da ficha.

- Se uma estação situada entre duas estações A e B quer abandonar o anel lógico, ela envia à estação A um quadro indicando que a sucessora de A será a estação B.

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Quadro IEEE 802.4

- Preâmbulo (sincronização a nível de bit);

- Delimitador de Início de Quadro;

- Controle de Quadro: quadros de dados ou de controle;

- Endereço Destino e Origem codificados em 16 ou 48 bits;

- campo de Dados (até 8182 bytes de comprimento);

- FCS: campo de Controle de erros por CRC;

- Delimitador de Fim de Quadro.

DEST FONTE DADOS FCS

1 2-6 2-6 0-8182 4

CONTROLE DE QUADRODELIMITADOR DE INÍCIO

bytes 11

PREÂMBULO

1

DELIMITADOR DE FIM

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IEEE 802.4 – Opções De Camada Física

• Rede com canal único e modulação FSK (Frequency Shift Keying) fase contínua, com topologia em barra bidirecional, taxa de transmissão de 1Mbps;

• Rede com canal único e modulação FSK fase coerente, topologia em barra bidirecional, taxas de transmissão de 5Mbps ou 10Mbps;

• Rede em banda larga, topologia em barra bidirecional com headend (central repetidora com conversor de freqüências do canal de recepção para o canal de envio), taxas de transmissão de 1Mbps, 5Mbps ou 10Mbps;

• Rede utilizando fibra ótica, topologia lógica em barra (mas fisicamente em estrela, com um Hub como elemento central), requer um par de fibras para cada estação (uma para receber e outra para transmitir), taxas de transmissão de 5Mbps, 10Mbps ou 20Mbps.

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A norma IEEE 802.5 (Token Ring)

- Rede em anel: conjunto de ligações ponto-a-ponto, em modo unidirecional.

- Cada nó do anel é equipado de um acoplador.

- Cada bit é copiado numa memória de espera do acoplador antes de ser retransmitido ao nó seguinte.

- Token fica circulando quando não existe transmissão de quadro.

- Quando uma estação quer emitir um quadro, ela deve adquirir o token e substituí-lo pelo quadro a enviar.

- Como apenas uma ficha está circulando no anel, a emissão de um quadro é ação exclusiva de uma única estação.

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IEEE 802.5

estação

anelunidirecional

interfacepara anel

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Quadro IEEE 802.5

• Status do Quadro: composto de bits A (Ativo) e C (Copiado).

• Valores dos bits A e C:

- A = 0 e C = 0: o destinatário está inativo e quadro não foi copiado;

- A = 1 e C = 0: o destinatário está ativo mas o quadro não foi copiado;

- A = 1 e C = 1: o destinatário está ativo e o quadro foi copiado (serve como acknowledge).

DEST FONTE DADOS FCS

1 2-6 2-6 ilimitado 4

CONTROLE DE QUADRO (FC)CONTROLE DE ACESSO (AC)

1

DELIMITADOR DE INÍCIO (SD)

1

DELIMITADOR DE FIM (ED)

1

STATUS QUADRO (FS)

1

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IEEE 802.5 - Camada Física

• Segmentos com par trançado blindado (STP):

– 4 ou 16Mbps

– até 250 repetidores no anel

• Segmentos com par trançado comum (UTP):

– 4Mbps

– até 250 repetidores no anel

• Bits codificados em Manchester diferencial.

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks

• Redes sem fio: pacotes transmitidos através de canais de freqüência de rádio ou infravermelho.

• Boa alternativa para aplicações onde é difícil instalar cabos.

• Emprego:

– computadores portáteis em um ambiente de rede local móvel;

– onde rompimento de um cabo pode paralisar todo o sistema;

– chão de fábrica: AGVs (Automatic Guided Vehicles), Robôs Autônomos Móveis e Sensores Inteligentes.

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks

Rede fixa

Terminais de RF

AP

Host ou Servidorde Aplicações

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks

• Bandas de freqüência ISM (Industrial, Scientific and Medical): podem ser utilizadas sem que seja necessária uma licença.

• IEEE 802.11 especifica bandas 902 até 928 MHz, 2.4 até 2.48 GHz e 5.75 até 5.85 GHz.

• O sinal emitido por uma estação cobre uma área de 500 m2 com uma potência de 100mW.

• Áreas maiores podem ser cobertas decompondo a rede em várias subredes, responsáveis pela comunicação em uma BSA (Basic Service Area).

• Potência do sinal de rádio decai com o quadrado da distância do emissor. Pode-se reutilizar a mesma freqüência de transmissão para estações em BSAs diferentes, desde que estejam suficientemente distantes.

• Para construir redes cobrindo áreas maiores, BSAs são interligadas por um sistema de distribuição, que consiste de uma rede usando meio físico convencional.

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks

• Problema típico das redes de rádio: desvanecimento de Rayleigh.

• Parte das ondas de rádio são refletidas quando encontram objetos sólidos.

• Em decorrência desta reflexão, várias cópias de uma mensagem de rádio podem estar em propagação no meio e chegar a estação receptora em instantes de tempo diferentes.

• Quando as várias cópias do sinal chegam ao receptor após percorrerem distancias diferentes, elas se somam aleatoriamente, podendo resultar em um sinal muito enfraquecido ou mesmo nulo.

• Se a diferença no comprimento dos caminhos for um múltiplo do comprimento de onda da portadora do sinal, os vários componentes podem cancelar-se mutuamente.

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks

• Desvanecimento de Rayleigh: qualidade da recepção varia a medida que estação se move no ambiente.

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks

• Como várias estações compartilham o meio (rede de difusão) é necessário utilizar um método de acesso.

• Idéia inicial: utilizar CSMA.

• Problema: alcance do sinal de rádio.

• Um sinal oriundo de A pode alcançar B, mas não alcança C nem D. Um sinal oriundo de B alcança A e C, mas não D, etc.

(a) estação A transmitindo; (b) estação B transmitindo

A B C D A B C D

Raio de alcance

(a) (b)

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks

• Suponha que A está enviando dados para B:

– Se C escutar o meio, não irá detectar que A esta enviando.

– C pode tentar enviar um quadro para B, mas como B está no alcance de C, o quadro enviado por A irá colidir com o quadro enviado por C a nível de B.

• O fato de uma estação não poder detectar que o meio não está livre porque o concorrente está fora de alcance é chamado de "problema da estação escondida" (hidden station problem).

A B C D

Raio de alcance

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks

• Se B estiver transmitindo um quadro para A, C irá detectar a transmissão e concluir que não pode transmitir um quadro para D neste momento.

• Mas, como os receptores de A e D não estão na área de interferência uma da outra, nada impede que C envie dados para D enquanto B envia para A !

• Esta situação é conhecida como o "problema da estação exposta" (exposed station problem).

• Em resumo, o que realmente interessa a uma estação pretendendo enviar um quadro em redes sem fio é saber se há ou não atividade na área do receptor.

A B C D

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks

• DFW-MAC (Distributed Foundation Wireless MAC) usa protocolo MACA (Multiple Access with Collision Avoidance).

• Emissor deve estimular o receptor a emitir um quadro pequeno que possa ser detectado pelos seus vizinhos antes de mandar os dados.

• B quer enviar um quadro para C:

– (a) B envia para C quadro RTS (Request To Send), contendo o tamanho do quadro de dados que deseja enviar a seguir.

– (b) C responde com quadro CTS (Clear To Send), contendo a mesma informação de tamanho.

• B inicia a transmissão quando recebe o quadro CTS de C.

(a) (b)

A B C D A B C D

Raio de alcance de B

RTS

Raio de alcance de C

CTS

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks

• Qualquer estação que captar o quadro RTS estará forçosamente próxima a B e deve se manter em silêncio por tempo suficiente para que B receba o CTS.

• Qualquer estação que captar o CTS estará forçosamente próxima a C e deve também se manter em silêncio por tempo suficiente para que C receba o quadro de dados que B vai enviar a seguir, cujo tamanho pode ser avaliado examinando o quadro CTS.

• Como se comportam as demais estações ?– A escuta o RTS de B mas não o CTS de C, de modo que,

desde que não queira mandar dados para B, A pode enviar seus quadros a qualquer outra estação em seu raio de alcance;

– D escuta o CTS de C mas não o RTS de B, o que indica que está próxima a uma estação que vai receber um quadro de dados logo a seguir e portanto deve se manter em silêncio até que este seja recebido.

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks

• Apesar destas precauções, colisões ainda podem ocorrer:

– A e C podem enviar quadros RTS para B ao mesmo tempo.

– Estes irão colidir e ser perdidos.

• No caso de colisão, o emissor do RTS espera um certo tempo pelo CTS e, se não receber nada, tenta novamente mais tarde.

• O tempo de espera é definido pelo algoritmo BEB.

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks

• Variações:

• 802.11 – WLAN (Wireless Local Area Network)– Opera na faixa de 2.4GHz ISM (Industrial, Scientific and

Medical)

– taxas de 1 ou 2 Mbps;

– Largura de banda de 83.5MHz;

– Aprovada em Julho de 1997.

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks

• 802.11a (também conhecida por Wi-Fi5)– atua na banda de 5GHz UNII (Unlicensed National Information

Infrastructure);– usa OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing),

sistema de modulação com múltiplas portadoras. – largura de banda de 300MHz;– taxas de 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 e 54Mbps.– Aprovada em Setembro de 1999.

• 802.11b (também conhecida por Wi-Fi)– opera na banda de 2.4 GHz ISM– usa CCK (Complementary Code Keying), sistema de modulação

com uma única portadora; – taxas de 1, 2, 5.5 e 11 Mbps; – Usa tecnologia direct sequence spread spectrum (DSSS)– Aprovada em Setembro de 1999.

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks

• 802.11g– Opera na banda de 2.4GHz ISM; – taxas de 1, 2, 5.5, 6, 9, 11, 12, 22, 24, 33, 36 e 54Mbps;– Compatibilidade com o sistema Wi-Fi (802.11b) para taxas

11Mbps;– Em fase de aprovação;– Opções de modulação:

» CCK/OFDM sistema híbrido de modulação, preâmbulo/cabeçalho com modulação CCK, dados com modulação OFDM, opcional.

» PBCC, opcional, permite taxas de até 33Mbps, sistema híbrido de modulação onde o preâmbulo tem modulação CCK e os dados PBCC (Packet Binary Convolutional Coding) modulação com portadora única.

» OFDM, para sistemas com taxas >20Mbps;» CCK.

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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks• Apesar de suas vantagens e da crescente difusão nos últimos anos, as

redes sem fio apresentam ainda alguns problemas e resolver. • Dentre os pontos fracos dessa tecnologia pode-se destacar:

– Interferência: » estudos mostraram que a influência dos fornos de microondas na performance

dos receptores da WLAN é significativa, uma vez que eles dividem a faixa de espectro de 2.4GHz.

» Essa banda também é dividida com os telefones sem fio. » Outro aspecto está relacionado com a proliferação dessas redes em residências

e edifícios de escritórios, o que irá contribuir para aumentar os problemas de interferência;

– Segurança: » é a principal preocupação acerca das redes sem fio, pois dados irão trafegar

pelo ar e poderão ser interceptados por pessoas com equipamentos apropriados.

» o padrão IEEE 802.11 definiu um mecanismo de segurança opcional e privativo, que provoca uma sobrecarga (overhead) na rede, mas que oferece certo nível de segurança às redes sem fio.

» Para impedir que usuários não autorizados acessem sua rede sem fio, um valor de identificação chamado de ESS-ID, é programado em cada AP para identificar a sub-rede de comunicação de dados e funciona como ponto de autenticação das estações da rede. Se uma estação não puder identificar esse valor, não poderá se comunicar com o AP respectivo.

» Outros fabricantes duplicam a tabela de controle de endereços MAC sobre o AP, permitindo, dessa forma, que apenas estações com o endereço MAC reconhecido possam acessar a WLAN.

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Redes Acústicas• Comunicação subaquática tradicionalmente limitada a

aplicações militares (submarinos, torpedos teleguiados, sonares).• Primeiro sistema de comunicação UWA (Under-Water

Acoustic): telefone criado em 1945 para comunicação com submarinos (águas rasas, modulação FSK de 8 a 11 khz).

• Recentemente surgiram várias aplicações civis:– Exploração submarina para fins científicos;– Soldagem e reparação de cascos de navios e dutos por robôs

submarinos;– Monitoração de poluição;– Veículos submarinos não tripulados (AUV = Autonomous

Underwater Vehicles);– Sensores e atuadores submarinos (sismógrafos, válvulas, etc.);– Comunicação entre mergulhadores; – Montagem/manutenção/operação de plataformas de

exploração/produção de petróleo.

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Redes Acústicas

• Geração de sinais:– Sinais de rádio: para boa propagação na água, requerem ondas

de baixíssima freqüência (30 a 300 Hz) => antenas grandes e transmissores de alta potencia.

– Sinais óticos: principal problema não é atenuação, mas dispersão.

– Sinais acústicos: melhor solução, podem se propagar na água por milhares de Km.

• Requisitos para tipos de dados mais usuais:– Sinais de controle (comando de válvulas, solicitação de status,

comandos de navegação para AUV, etc): requerem cerca de 1Kbps;

– Dados telemetria (hidrofones, sismógrafos, sonares, etc): requerem cerca de 10Kbps;

– Vídeo: requer de 10Kbps a 500Kbps para boa taxa atualização.

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Redes Acústicas• Problemas tecnológicos a superar:

– Perda de transmissão: espalhamento de energia e absorção de som (proporcional ao quadrado da distância);

– Ruído acústico: pior em águas rasas, portos, etc.– Reverberação: propagação de sinal por múltiplos caminhos

causada por reflexão em obstáculos (desvanecimento de Rayleigh);– Variações espaciais e temporais do meio (temperatura/densidade

água, obstáculos móveis, etc.): problema pior se estações móveis.

• Considerações de projeto de sistemas UWA:– Importante eliminar reverberação (muito pior que rádio).– Uso de dispositivos direcionados: problemático se estações móveis;– Técnicas FSK com tempo de espera entre pulsos de mesma

freqüência (espera ecos desaparecerem);– Técnicas Spread-Spectrum;– Uso de equalizadores.

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Redes Acústicas• Tipos de sistemas UWA em uso:

– Longo alcance: 20Km até 2.000Km, modulação FSK de 200Hz até 10KHz, taxas de transmissão baixas (típico: 1 bps);

– Médio alcance: 1Km até 20Km, uso em águas rasas, modulação FSK de 10KHz até 100KHz, 5Kbps;

– Curto alcance: até cerca de 60m, uso para robôs de manutenção e mergulhadores em águas rasas, modulação FSK de 1MHz, taxa de 500Kbps.

• Pesquisas atuais:– Uso de PSK e QAM (Quadrature Amplitude Modulation) em lugar

de FSK;– Testes com sinais capazes de se propagar por todo o planeta

(testado sinal gerado Austrália e lido na Califórnia/USA);– Desenvolvimento de ALAN (Acoustic LAN): tendência de usar

protocolos MACA e MACAW (IEEE 802.11), multiplexação de canais por TDM ou CDMA+Spread Spectrum.

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Projeto MAP- Manufacturing Automation Protocol: iniciativa da GM

(1980), com a finalidade de definir rede voltada para automação da manufatura (baseada no RM-OSI).

- MAP bem adaptada para comunicação entre equipamentos de chão de fábrica, tais como: Robôs, CNC, CLP, terminais de coleta de dados, Computadores, etc.

- Para aplicações com tempos críticos foi definida a versão MAP/EPA (Enhanced Performance Architecture).

- MAP/EPA apresenta duas pilhas de camadas: arquitetura MAP completa (7 camadas) e uma arquitetura simplificada (camadas 1, 2 e 7).

- Versão mais simplificada: MINI-MAP implementa somente as camadas 1, 2 e 7 do RM-OSI.

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Projeto TOP- Technical Office Protocol: desenvolvido pela BOEING a

partir de 1983.

- Redes para automação de áreas técnicas e administrativas.

- Baseado no modelo OSI de 7 camadas.

- Serviços: - correio eletrônico; - processamento de textos; - acesso a base de dados distribuída; - transferência de arquivos; - CAD/CAM distribuído; - troca de documentos; - transações bancárias.

- A partir de 1986: MAP e TOP reunidos (projeto MAP/TOP).

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Projeto FIELDBUS

- Fieldbus (Barramento de Campo): solução de comunicação para os níveis hierárquicos mais baixos dentro da hierarquia fabril.

- Interconecta dispositivos primários de automação (Sensores, atuadores, chaves, etc.) e os dispositivos de controle de nível imediatamente superior (CLP, CNC, RC, PC, etc.).

- Ainda estão sendo definidos os padrões para o Fieldbus.

- Principais grupos envolvidos nos trabalhos de padronização:

- Avaliadores: IEC, ISA, EUREKA, NEMA

- Proponentes: PROFIBUS, FIP, ISA-SP50.

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Introdução

• Projeto MAP nasceu no início dos anos 80 por iniciativa da General Motors.

• Na época, apenas 15% dos equipamentos programáveis de suas fábricas eram capazes de se comunicar entre si.

• Custos de comunicação muito elevados, avaliados em 50% do custo total da automação.

• Quantidade de equipamentos programáveis deveria sofrer uma expansão de 400 a 500% num prazo de 5 anos.

Manufacturing Automation Protocol

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MAP: introdução

• Opções da GM:

- continuar utilizando máquinas programáveis de vários fabricantes e solucionar o problema da maneira como vinha sendo feito;

- basear produção em equipamentos de um único fabricante;

- desenvolver uma proposta padronizada de rede que permitisse interconectar todos os equipamentos.

• Solução adotada: terceira opção.

• Em 1981, a GM uniu-se a outras empresas (DEC, HP e IBM) definindo solução baseada no RM-OSI.

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A arquitetura MAP

• Camadas 1 e 2: selecionadas normas IEEE 802.4 (barramento com ficha) e IEEE 802.2 (LLC).

• Camada Física: escolhido o suporte de comunicação em broadband, com cabo coaxial.

• Escolha de broadband baseada nas razões seguintes:

- possibilidade de uso de vários canais de comunicação sobre um mesmo suporte;

- permitir a troca de sinais como voz e imagem para aplicações como supervisão, circuito fechado de TV, teleconferência, etc.;

- a GM já possuía muitas instalações operando em broadband.

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A arquitetura MAP

• Camada de Enlace (MAC): escolhido Token-Bus, pois:

- era o único protocolo suportado em broadband;

- muitos equipamentos programáveis já usavam broadband e IEEE 802.4;

- possibilidade de atribuir prioridades às mensagens.

• Camada de Enlace (LLC): optou-se por LLC tipo 1 (sem conexão e sem reconhecimento).

• Camada de Rede: sem conexão, cada mensagem sendo roteada individualmente através da rede.

• Protocolo de roteamento definido pelo projeto MAP e normalizado na ISO sob o número 9542.

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A arquitetura MAP

• Camada de Transporte: protocolo classe 4 da ISO (TP4, ISO 8072/73), orientado à conexão, com controle de erros.

• Oferece um canal de comunicação confiável, sem perdas, erros, nem duplicação de mensagens.

• TP4 assegura ainda as funções de fragmentação e blocagem de mensagens.

• Camada de Sessão: norma ISO 8326/27, modo full-duplex e resincronização.

• Camada de Apresentação: representação de dados baseada na ASN.1.

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A arquitetura MAP

• Camada de Aplicação:

- MMS: troca de mensagens entre equipa-

mentos de produção;

- FTAM: acesso e a transferência de arquivos;

- ROS: gestão de nomes (diretório);

- Funções de gerenciamento de rede: gestão

dos recursos, medição de desempenho,

modificação dos parâmetros da rede.

Page 116: Redes Industriais 30h

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A arquitetura MAP

Banda Base(10 Mbps)

Banda Larga(10 Mbps)

Banda Base (5 Mbps)

VAZIO

Aplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

Camadas

Espec.

LLC 802.2 Tipo1MAC 802.3 CSMA/CD

LLC 802.2 Tipo 1MAC 802.4 Token Bus

LLC 802.2 Tipos 1 e 3MAC 802.4

ISO 8072 e 8073 Classe 4

ISO 8326 e 8327

ISO 8348 s/ conexão

ISO 8822 - ASN.1

ACSE, FTAMVTP

MMS, FTAM, ROS

TOP MAP MAP-EPAMiniMAP

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A arquitetura MAP-EPA

• Proposta MAP original adequada aos níveis hierárquicos superiores. A arquitetura a 7 camadas oferece um overhead indesejável nos níveis mais baixos da hierarquia.

• Solução: Definição de uma versão simplificada denominada MAP-EPA (Enhanced Performance Architecture).

• Definição de duas pilhas de protocolos: pilha normal Full-MAP e pilha MAP-EPA, desprovida das camadas de Rede, Transporte, Sessão e Apresentação.

• Protocolo IEEE 802.4 (Token-Bus) ainda adotado, porém sobre um suporte de transmissão em baseband a 5 Mbit/s.

• Um processo de aplicação tem a opção de enviar seus dados através da pilha normal ou, em casos onde o requisito seja um tempo de resposta rápida, pela pilha MAP-EPA.

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A arquitetura MAP-EPA

convencionais

Aplicações

MAP EPA

Aplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Enlace LLC 802.2 Tipos 1 e 3MAC 802.4 Token Bus

Rede

Física Banda Base 5 Mbps

Aplicações tempo-real

Page 119: Redes Industriais 30h

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A arquitetura Mini-MAP• Arquitetura Mini-MAP composta das camadas 1,

2 e 7.

• Protocolo de Enlace: LLC tipos 1 e 3.

Aplicação

LLC Tipos 1 e 3MAC 802.4

Banda Base(5 Mbps)

Conexão com LSAPs

Page 120: Redes Industriais 30h

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Os serviços de mensagem industrial (MMS)

• MMS: conjunto de serviços de comunicação orientados para aplicações industriais.

• MMS organizado em duas partes:

- Manufacturing Message Services: Serviços;

- Manufacturing Message Specification: Protocolo.

• Companion Standards específicos para:

- robôs (RC);

- máquinas de comando numérico (CNC);

- sistemas de visão;

- controladores lógicos programáveis (CLP);

- sistemas de controle de processos.

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Os objetos MMS

• Serviços MMS manipulam objetos virtuais.

• Usuários dos serviços MMS: Processos de Aplicação (AP - Application Process).

• Comunicação entre dois AP realizada segundo um modelo Cliente-Servidor.

• Objeto básico: Dispositivo Virtual de Manufatura (VMD, Virtual Manufacturing Device) representa um equipamento real de produção.

• Todo processo de aplicação modelizado no MMS possui, no mínimo, um objeto VMD.

Page 122: Redes Industriais 30h

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Os objetos MMS• Objetos Domínios (Domains): permitem reagrupar os programas

e os dados necessários à execução no equipamento considerado.

• Objetos Invocação de Programa (Program Invocation): permitem execução remota de programas.

• Objeto Estação Operador: permite a um operador humano se comunicar com um equipamento de produção.

• Objetos Semáforos: permitem gerenciar a sincronização de processos e o acesso concorrente a recursos.

• Objetos Condição de Evento, Ação de Evento e Inscrição de Evento: detecção e o tratamento de eventos.

• Objetos Variáveis: leitura e escrita de variáveis remotas.

• Objetos Jornais: produção de relatórios de produção.

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Os objetos MMS

...

Função Executiva

......VMD

ObjetosMMS

EstaçãoOperador 1

EstaçãoOperador N

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Serviços MMS

• 84 Serviços distribuídos em 9 Classes:

– Gestão de Contexto

» iniciação, liberação, abandono e rejeição de conexão com outro usuário MMS

– Gestão de Domínio

» transferência de informações (códigos e dados) para serem carregados num domínio de forma dinâmica: as seqüências DownLoad e UpLoad são atividades que permitem gerenciar as transferências entre Cliente e Servidor

– Gestão de Programas

» permitem que um usuário Cliente MMS gerencie a execução remota de programas num usuário Servidor

– Acesso a Variáveis

» definição e acesso às variáveis de um VMD

Page 125: Redes Industriais 30h

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Serviços MMS

– Gestão de Semáforos

» sincronização e controle do acesso aos recursos de um VMD

– Estação Operador

» entrada e saída de informações via estações de operador

– Gestão de Eventos

» definição e tratamento de eventos via serviços MMS

– Gestão de VMD

» oferece serviços de VMD (informações sobre os objetos)

– Gestão de Jornal

» salvamento de informações de estado de um VMD, particularmente no que diz respeito à ocorrência de eventos e à afetação de variáveis.

Page 126: Redes Industriais 30h

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Classe Primitivas de Serviço Comentários Gestão de Contexto

Initiate Conclude Abort* Cancel Reject*

iniciação, liberação, abandono e rejeição de conexão com outro usuário MMS

Gestão de VMD

Status UnsolicitedStatus* GetNameList Identify Rename

oferece serviços de VMD, particularmente informações sobre os objetos

Gestão de Domínio

InitiateDownLoadSequence DownLoadSegment TerminateDownLoadSequence InitiateUpLoadSequence UpLoadSegment TerminateUpLoadSequence RequestDomainDownLoad RequestDomainUpLoad LoadDomainContent StoreDomainContent DeleteDomain GetDomainAttribute DomainFile

permitem transferir informações, tais como códigos e dados de programa, para serem carregados num domínio de forma dinâmica: as seqüências DownLoad e UpLoad são atividades que permitem gerenciar as transferências entre Cliente e Servidor

Gestão de Programas

CreateProgramInvocation DeleteProgramInvocation Start Stop Resume Reset Kill GetProgramInvocationAttributes

permitem que um usuário Cliente MMS gerencie a execução remota de programas num usuário Servidor

Acesso a Variáveis

Read Write InformationReport GetVariableAccessAttributes DeleteNamedVariable DefineScatteredAccessAttributes DeleteVariableAccess DefineNamedVariableList GetNamedVariableListAttributes DeleteNamedVariableList DefineNamedType GetNamedTypeAttributes DeleteNamedType

permitem a definição e o acesso às variáveis de um VMD e estabelecer a relação entre as variáveis de um VMD (objetos) e as variáveis real de um equipamento de produção

Page 127: Redes Industriais 30h

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Classe Primitivas de Serviço Comentários Gestão de Semáforos

TakeControl RelinquishControl DefineSemaphore DeleteSemaphore ReportSemaphoreStatus ReportPoolSemaphoreStatus ReportSemaphoreEntryStatus

são encarregados da sincronização e do controle do acesso aos recursos de um VMD pelos processos de aplicação

Estação Operador

Input Output

controlam a entrada e saída de informações via estações de operador

Gestão de Eventos

DefineEventCondition DeleteEventCondition GetEventConditionAttribute ReportEventConditionStatus AlterEventConditionMonitoring TriggerEvent DefineEventAction DeleteEventAction GetEventActionAttributes ReportEventActionStatus DefineEventEnrollment DeleteEventEnrollment GetEventEnrollment ReportEventEnrollment AlterEventEnrollment EventNotification* AcknowledgeEventNotification GetAlarmSummary GetAlarmEnrollmentSummary AttachToEventModifier

permitem a definição e o tratamento de eventos via serviços MMS. A possibilidade de associar a execução de um serviço MMS àocorrência de um evento é um aspecto interessante, implementado pelo Modificador AttachToEvent

Gestão de Jornal

ReadJournal WriteJournal InitializeJournal ReportJournalStatus

permitem o salvamento de informações sobre a execução de um VMD, particularmente no que diz respeito à ocorrência de eventos e à afetação de variáveis.

Page 128: Redes Industriais 30h

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Page 129: Redes Industriais 30h

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Redes Fieldbus

TENDÊNCIA

Keyboard

AD

DA

XY

XY

MUX

Sample/Holder

Adaptador/Amp.

sensores atuador

0..10 v4..20 mA

4..20 mA0..10 v

Amp.Potência

Keyboard

AD

XY

XY

sensoresinteligentes

atuadorinteligente

P

C

P P

DA

Keyboard

AD

XY

XY

sensoresinteligentes

atuadorinteligente

P

C

PP

DA

FIELDBUS

Centralizado /Analógico

Decentralizado / DigitalDecentralizado / Digital /

Multipontos

RS

23

2C

RS

44

9 (

42

2/4

23

)

Placa de aquisição de

dados

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Vantagens de uso do Fieldbus

- redução da cablagem pela utilização de um meio físico compartilhado;

- redução do número de canais de comunicação com o processo;

- redução do tempo e complexidade do projeto de lay-out;

- facilidade de instalação e manutenção, pela manipulação de um menor número de cabos e conexões;

- facilidade de detecção, localização e identificação de falhas, através de funções de monitoração automática;

- maior modularidade no projeto e instalação, aumentando a flexibilidade de expansão de funções e módulos;

- melhor consistência e confiabilidade da informação, através da digitalização e pré-processamento;

Page 131: Redes Industriais 30h

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Vantagens de uso do Fieldbus

- possibilidade de sincronização dos instantes de amostragem de Entrada/Saída;

- melhoria do desempenho global da aplicação pela descentralização do processamento;

- maior facilidade de interconexão entre níveis hierárquicos diferentes de automação;

- redução dos custos de sistemas através da aquisição seletiva de dispositivos compatíveis de diferentes fornecedores, eliminando a dependência de somente um fornecedor;

- desacoplamento do software de supervisão da dependência de um fornecedor específico de Hardware.

Page 132: Redes Industriais 30h

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Motivações e requisitos do Fieldbus

• MAP-EPA e Mini-MAP permitem a realização de tempos de resposta de cerca de 100 ms.

• Fieldbus reduz este tempo para abaixo de 10 ms.

• Fieldbus define somente as camadas 1, 2 e 7 do modelo de referência OSI.

• Funções das camadas 3 a 6 indispensáveis para a comunicação absorvidas pelas camadas 2 ou 7.

Page 133: Redes Industriais 30h

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Motivações e requisitos do Fieldbus

- Aspecto de custo assume grande importância

- dispositivos a serem interligados tem em geral custo inferior ao da própria interface MAP.

- São requeridos nós a um custo da ordem de U$ 50 ou inferior.

Componente MAP Preço médio Elemento Campo Preço médioCabo Coaxial U$ 2,5 / m CLP U$ 3.000Controlador U$ 5.000 Controle Robô $20.000Demodulador U$ 1.500 PC U$ 2.000ComponenteEthernet / IBM

Preço médio Sensor/Atuador U$ 50 a 1000

Nó CSMA/CD U$ 500 - 1500 I/O Binária U$ 50 a 1000Nó Token-Ring U$ 750 - 1500

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Motivações e requisitos do Fieldbus

• Três classes distintas de aplicação:

- sistemas "Stand-Alone": transações ocorrem somente entre dispositivos ligados em um mesmo segmento de rede (ex.: sensores e atuadores ligados a um CNC dentro de uma máquina).

- sistemas em cascata: dispositivos conectados a segmentos distintos podem trocar informações por meio de uma "bridge" (ex.: SDCD - Sistema Distribuído de Controle Digital).

- sistemas hierárquicos: Fieldbus está interligado via "gateway" a um nível hierárquico superior da automação fabril (ex.: estrutura CIM).

Page 135: Redes Industriais 30h

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Motivações e requisitos do Fieldbus

• Em função do tipo de aplicações que se propõe a atender, um

conjunto de requisitos básicos são impostos ao Fieldbus:

- elevado desempenho para atender as aplicações com

requisitos de tempo críticos;

- método de transmissão simples e barato;

- meio de transmissão de preço acessível;

- necessidade de consistência de dados;

- serviços compatíveis com redes dos níveis hierárquicos

superiores (compatibilidade com MMS);

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Motivações e requisitos do Fieldbus• Existem várias soluções proprietárias para o Fieldbus.

• Esforços para padronização do Fieldbus:

ISA/ IEC

Fieldbus Foundation

ESPRIT CNMA/Fieldbus

Sistema Fieldbus para Processos de Fabricação

EUREKA "Fieldbus"

Desenvolvimento e teste de um Fieldbus

para Processos Unitários ( Ex. )

ISA SP50

Iniciou definição de Pré-Norma

USA

PROFIBUS

Norma nacional em abril 91

D

FIP

Norma nacional inicio 1988

F

Siemens

Foxboro

Rosemount

MIL 1553industrial

outros

Page 137: Redes Industriais 30h

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Motivações e requisitos do Fieldbus• sistemas fieldbus atuais adequados para o acoplamento direto

de sensores e atuadores em processos com dinâmica elevada (RTLAN) ?

Processo

Cont. Atuador

Sensor

Processo

Processador Central

Cont.

Sensor

Processador Central Atuador

Fieldbus

Page 138: Redes Industriais 30h

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A proposta FIP(Factory Instrumentation Protocol)

Introdução:

• FIP elaborado por um conjunto de empresas européias (principalmente francesas), órgãos do governo francês e centros de pesquisa.

• Criadores conglomerados em torno do chamado “Club FIP” (http://www.worldfip.org).

• Procurou levar em consideração as restrições de tempo real impostas por aplicações de chão de fábrica.

Page 139: Redes Industriais 30h

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A camada Física do FIP

• Meios de transmissão: fibra ótica ou par trançado.

• Par trançado: previstas três velocidades de transmissão:

- S1: 31.25 Kbps (segurança intrínseca)

- S2: 1 Mbps (padrão)

- S3: 2.5 Mbps (processos de elevada dinâmica)

• Fibra ótica: velocidade de 5 Mbps.

• Bits codificados segundo o código Manchester, que permite o envio simultâneo do sinal de sincronização e dos dados.

• Suporta segmentos com comprimento de até 2000 m e até 256 estações.

Page 140: Redes Industriais 30h

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A camada de Enlace do FIP

• Método de acesso ao meio baseado na difusão ("Broadcasting").

• A difusão é organizada por uma entidade centralizada denominada "árbitro de barramento".

• Dados representados por objetos (variáveis).

• Cada objeto é representado por um "nome" único no sistema.

• Cada objeto é elaborado por um único transmissor (produtor) e lido por qualquer número de receptores (consumidores).

• A comunicação transcorre da seguinte forma:

- árbitro difunde na rede o nome da variável (objeto) a ser transmitida;

- O produtor da variável difunde a informação ligada ao identificador;

- todos os consumidores interessados lêem a variável difundida.

Page 141: Redes Industriais 30h

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A camada de Enlace do FIP

• A varredura das variáveis periódicas é feita a partir de uma lista implementada no árbitro na inicialização.

• A transmissão de mensagens não periódicas é feita conforme a norma IEEE 802.2, LLC tipos 1 e 3.

Árbitro

C P C

ID_DAT

Árbitro

C P C

RP_DAT

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Formato do quadro do FIP• PRE: preâmbulo, utilizado para sincronização.

• FSD/FED: delimitadores de início e fim de quadro.

• EB: Bits de equalização, operam como bits de interface entre os delimitadores e os dados codificados em Manchester.

• DFS (Data Frame Sequence):

- Controle: tipo de quadro (quadro de identificação de informação ou de envio de informação).

- Dados: contém endereço lógico ou valor de uma variável, mensagem, reconhecimento ou lista de identificadores.

- FCS: controle de erros com técnica polinomial (polinômio gerador proposto pela CCITT).

PRE FSD EB DFS EB FED EB

FSS FES

FSS — Frame Start SequenceFES — Frame End Sequence

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Serviços oferecidos pela camada de enlace FIP

Classe Primitiva Comentários

Atualização cíclica dedados

L_PUT.req/ cnfL_SENT.indL_GET.req/ cnfL_RECEIVED.ind

atualiza dadossinaliza enviobusca de dadossinaliza recepção

Atualização nãoperiódica de dados

L_PARAM.req/ cnf requisita dados

Transmissão demensagem com ACK

L_MESSAGE_ACK.req/ ind/ cnf c/ reconhecimento

Transmissão demensagem sem ACK

L_MESSAGE.req/ ind s/ reconhecimento

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A Camada de Aplicação do FIP

- FIP adota sub-conjunto do MMS para aplicações não críticas no tempo.

- Para aplicações críticas no tempo, adota família de serviços MPS ("Message Periodic/Aperiodic Services").

Classe Primitiva de serviço ComentáriosLeitura de variáveis A_READ.req/cnf

A_READFAR.indlê nomes de variáveis,estruturas, status, valores

Escrita de variáveis A_WRITE.req/cnfA_WRITEFAR.ind

escreve especificação, valor,status

Leitura do tipo devariável

A_GETOBJECT_DESCRIPTION.req/cnf lê especificação

Acesso à listas devariáveis

A_READLIST.req/cnfA_WRITELIST.req/cnf

lê e escreve atributos,valores

Serviços desincronização

A_SEND.indA_RECEIVE.ind

sincronização local e remota

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Funções De Gerenciamento da Rede no FIP

• O projeto FIP definiu uma série de funções de gerenciamento de rede:

– Definição e atualização das listas de objetos;

– Definição e atualização das tabelas de varredura;

– Gerenciamento das operações de partida e parada;

– Detecção e correção de falhas;

Page 146: Redes Industriais 30h

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A proposta PROFIBUS(PROcess FIeld BUS)

Introdução

• PROFIBUS desenvolvido na Alemanha, inicialmente pela Siemens em conjunto com a Bosch e Klockner-Moeller em 1987.

• Em 1988 tornou-se um "Trial Use Standard" no contexto da norma DIN (DIN V 19245, parte 1), que define as camadas Física e Enlace.

• Posteriormente, grupo de 13 empresas e 5 centros de pesquisa propuseram alterações nas camadas Física e Enlace e definiram a camada de Aplicação (norma DIN V 19245, parte 2).

• Esta proposta é atualmente apoiada por mais de 300 empresas européias e internacionais (www.profibus.com).

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A camada física do PROFIBUS

• A camada física do PROFIBUS baseia-se no padrão EIA RS-485 (Electronic Industries Association).

• Topologia barramento, utilizando como meio um par trançado blindado.

• Permite a interligação de até 32 elementos (estações ativas, passivas ou repetidoras) por segmento. São permitidos até 4 segmentos, totalizando um máximo de 128 estações.

• Codificação NRZ, podendo ser implementada com uma USART simples (assíncrona).

• Taxas de transmissão: 9.6, 19.2, 93.75, 187.5, 500 Kbps, 1.5 Mbps, 12 Mbps.

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A camada de enlace do PROFIBUS

• O PROFIBUS combina dois métodos deterministas de acesso ao meio: "Master/Slave" e "Token-Passing".

Escravo1

Escravo2

Escravo3

EscravoN

anel lógico

Mestre 1 Mestre 2

token

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A camada de enlace do PROFIBUS

• O PROFIBUS agrupa quadros em duas classes:

- quadros longos: para transmissão entre estações mais complexas (ativas, mestres);

- quadros curtos: para dispositivos de campo simples (passivas, escravos).

• Os quadros previstos incluem:

- quadro longo sem campo de dados;

- quadro longo com campo de dados fixo;

- quadro longo com campo de dados variável;

- quadro curto sem campo de dados;

- quadro curto com campo de dados;

- quadro curto de passagem de token.

Page 150: Redes Industriais 30h

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Serviços de enlace do PROFIBUS

• Protocolo de enlace: FDL ("Fieldbus Data Link").

Classe Primitiva de serviço ComentáriosSDN (Send Data with NoAcknowledge)

FDL_DATA envio de dados semreconhecimento

SDA (Send Data withAcknowledge)

FDL_DATA_ACK envio de dados comreconhecimento

RDR (Request Data withReply)

FDL_REPLYFDL_REPLY_UPDATE

requisição de dados comreconhecimento

CRDR (Cyclic Request Datawith Reply)

FDL_CYC_REPLYFDL_CYC_DEACTFDL_REPLYFDL_REPLY_UPDATE

estação local requisitaciclicamente dados ao usuárioremoto.

CSRD (Cyclic Send andRequest Data)

FDL_SEND_UPDATEFDL_CYC_DATA_REPLYFDL_CYC_DEACTFDL_DATA_REPLYFDL_DATA_UPDATE

estação local envia ciclicamentee requisita simultaneamentedados de resposta.

SRD (Send and RequestData)

FDL_DATA_REPLYFDL_REPLY_UPDATE

estação local envia e requisitadados.

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A camada de Aplicação do PROFIBUS

• Definido um subconjunto do MMS.

• Camada de Aplicação dividida em três subcamadas:

- Fieldbus Message Specification (FMS): protocolo propriamente dito;

- Lower Layer Interface (LLI): interface com a camada de Enlace;

- Application Layer Interface (ALI): interface com as aplicações do usuário.

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Classe Primitivas de serviço Comentários Serviços de Acesso a variáveis

READ WRITE INFORMATION_REPORT PHY_WRITE PHY_READ DEFINE_VARIABLE_LIST DELETE_VARIABLE_LIST

leitura e escrita de variáveis contidas em dispositivos servidores

Serviços de Acesso a Domínios

INITIATE_DOWNLOAD_SEQUENCE DOWNLOAD_SEGMENT TERMINATE_DOWNLOAD_SEQUENCE INITIATE_UPLOAD_SEQUENCE UPLOAD_SEGMENT TERMINATE_UPLOAD_SEQUENCE REQUEST_DOMAIN_DOWNLOAD REQUEST_DOMAIN_UPLOAD

transferência de dados ou programas de dispositivo cliente para dispositivo servidor e vice-versa

Serviços de Invocação de Programas

CREATE_PROGRAM INVOCATION_DELETE_PROGRAM INVOCATION_START INVOCATION_STOP INVOCATION_RESUME INVOCATION_RESET

partida, parada, retorno da execução, retorno ao estado inicial e deleção de programas

Serviços de Notificação de Eventos

ALTER_EVENT_COND._MONITORING EVENT_NOTIFICATION ACK_EVENT_NOTIFICATION

servidor notifica cliente a ocorrência de um evento (alarme)

Serviços de Leitura de Status

STATUS UNSOLICITED_STATUS STATUS_IDENTIFY

informações acerca do estado dos dispositivos servidores

Serviços de Gerenciamento de Dicionário de Objetos

GET_OV PUT_OV INITIATE_PUT_OV TERMINATE_PUT_OV

descrição de todos os objetos na rede (nomes, endereços, tipos de dados, etc)

Serviços de Gerenciamento de Contexto

INITIATE REJECT ABORT

estabelecimento e encerramento de associação entre dois dispositivos e a rejeição de mensagens recebidas

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A Proposta ISA SP-50Introdução:

• Proposta iniciada pela ISA (Instrumentation Society of America), pelo comitê "Standards and Practices 50".

• Hoje em elaboração pela ISA e IEC para definir padrão mundial para Fieldbus.

• Trabalhos de padronização ainda em andamento.

• Fieldbus Foudation: suporte aos usuários e fabricantes (interoperabilidade, conformidade, etc).

• Home-page: http://www.fieldbus.org.

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A Camada Física Do ISA-SP50

• Camada física compõe-se de três subcamadas:

- DIS (data Independent Sublayer): interface com camada de enlace (DTE);

- MDS (Medium Dependent Sublayer): codifica dados para formato compatível com o meio físico. Especificação para par trançado: codificação Manchester bifásica;

- MAU (Medium Attachment Unit): descreve o transceptor para o meio físico.

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A Camada Física Do ISA-SP50

DIS(Data Independent Sublayer)

MDS(Medium Dependent Sublayer)

MAU(Medium Attachment Unit)

Camada de Enlace

Meio Físico

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A Camada Física Do ISA-SP50- Tipos de meio:

– Meio H1 (áreas de segurança intrínseca):

» Par trançado

» Taxa de transmissão de 31,25 Kbps

» Até 32 estações se meio não é utilizado para a alimentação dos dispositivos de campo ou 6 estações com alimentação pelo fio

» Topologias barramento, árvore e estrela;

» Distância até 1900m sem repetidores

» Até 4 repetidores

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A Camada Física Do ISA-SP50– Meio H2 (aplicações de alta velocidade):

» Par trançado.

» Taxa de transmissão de 1 Mbps ou 2,5 Mbps.

» Topologia em barramento e estrela.

» Distância máxima de 750 m para 1 Mbps e 500m para 2,5 Mbps, 30 estações (sem repetidores).

– Propostas alternativas:

» Fibra ótica.

» Sinais de rádio.

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A Camada De Enlace Do ISA - SP50Classes de serviços:

- Serviços de gerenciamento de Buffers e filas: permitem alocar buffers e filas para a transferência de dados;

- Serviços de transferência de dados com conexão;

- Serviços de transferência de dados sem conexão: úteis no envio de telegramas de difusão (multicast e broadcast);

- Serviços de escalonamento de transações: permitem programar o LAS, definindo a seqüência de passagem de token.

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A camada de Enlace do ISA - SP50

Classes de funções para estações:

- Responder: estação só transmite dados em resposta a uma solicitação (estação "escrava");

- Initiator: estação pode se apoderar do direito de acesso ao meio (token), podendo enviar e requisitar dados a outras estações por iniciativa própria;

- Linkmaster: estação pode exercer o papel de escalonador de enlace, administrando o token e gerenciando o tempo interno do sistema;

- Bridge: estação capaz de interligar entidades de enlace diferentes;

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A camada de Enlace do ISA - SP50

• Se há mais de um "Linkmaster" no sistema, estes disputam entre si na inicialização o papel de escalonador de enlace.

• A estação vencedora é chamada LAS (Link Active Scheduler).

• Existem três tipos de token:

- Token de escalonamento: disputado na inicialização por todas as estações Linkmaster, define a estação LAS.

- Token circulado: distribuído pela estação LAS às demais estações com funcionalidade de Initiator ou Linkmaster, que formam um anel lógico.

- Token delegado: enviado pela estação LAS a uma estação qualquer por solicitação desta ou para atender às necessidades de um serviço de comunicação escalonado pela LAS.

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A Camada De Enlace Do ISA - SP50

Token de Escalonamento

Token Delegado

Token Circulado

LM

LM

LM

LAS

Estaçãoqualquer

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A Camada De Enlace Do ISA - SP50• Formas de acesso ao meio:

– Token passing: segue seqüência predefinida na qual o token sempre é recebido da LAS por um “Initiator” e devolvido a ela após uso do meio.

– Resposta imediata: um “Initiator” ou o LAS solicita um dado a um “Responder”, que emite um frame em resposta (relação mestre-escravo).

– Requisição de token: uma estação envia um pedido de token embutido em uma mensagem qualquer. O LAS delega o token a ela quando tem tempo disponível. Após o uso, token é devolvido a LAS.

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A Camada De Enlace Do ISA - SP50

• Modelos de comunicação suportados:– Peer-to-Peer (P2P): pressupõe que cada estação na rede

possui capacidades e responsabilidades equivalentes (isto difere do modelo cliente/servidor, no qual algumas estações são dedicadas a prestar serviços às demais). Neste modelo, cada frame contém o endereço do emissor e do(s) receptor(es). A comunicação envolve 1 emissor e 1 ou mais receptores.

– Produtor / consumidor: frame gerado pelo produtor (gerador de um dado) é difundido para todas as estações (broadcasting) e contém, no campo de endereço, a identificação de uma variável. Todas as estações interessadas (consumidoras) podem ler o frame.

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A Camada De Enlace Do ISA - SP50

• Camada de Enlace subdividida em quatro subcamadas:

- Subcamada de acesso a Enlace: interface com a camada física, gerencia token e serviços de resposta imediata;

- Subcamada de escalonamento de Enlace: faz escalonamento de atividades da entidade de enlace. Mais complexa em estações Linkmaster (podem assumir a função de LAS);

- Subcamada de gerenciamento de conexões: estabelece e rompe conexões;

- Subcamada de gerenciamento de Ponte: só existe em estações tipo Bridge.

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A Camada De Enlace Do ISA-SP50

Subcamada de Gerenciamento de Ponte

Subcamada de Gerenciamento deConexões

Subcamada de Escalonamento

Camada deAplicação

Camada Física

Subcamada de Acesso a Enlace

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A Camada De Aplicação Do ISA-SP50

• Camada de aplicação ainda em discussão.

• Procura conjugar MMS, para aplicações sem restrições temporais, com MPS (serviços tipo READ/WRITE inspirados no FIP) para atender tráfego cíclico e acíclico com requisitos de tempo real "duro".

• Camada de aplicação prevê os seguintes serviços:

- MCSE (Message Common Service Element): estabelece e interrompe conexões entre processos de aplicação (Correspondem aos serviços ACSE da ISO).

- IMSE (Industrial Message Service Element): serviços semelhantes aos oferecidos pelo MMS do projeto MAP.

- DDM (Distributed Database Maintenance): Serviços de acesso à bases de dados distribuídas.

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Camada Do Usuário Do ISA-SP50

• SP-50 define User Layer, situada acima da camada de aplicação

• Oferece serviços adequados a diversos tipos de aplicações (como "companion standards" do MAP).

• Trabalhos atuais: PCUL - Process Control User Layer.

• Outros trabalhos deverão atender as áreas de:

- automação da manufatura;

- controle predial (imótica);

- eletrônica embarcada (automóveis),

- aplicações domésticas (domótica),

- etc.

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Serviços De Gerenciamento De Rede Do ISA-SP50• SP-50 inclui funções de gerenciamento de rede:

- Gerenciamento de configuração de rede:

» carregamento;

» inicialização de endereços;

» configuração de comunicação e aplicação;

» partida, etc.;

- Controle de operação: ferramentas de sincronização, escalonamento, etc.;

- Monitoração de desempenho: detecção, diagnose e recuperação de erros, avaliação e otimização de desempenho, etc.

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Fieldbus: Conclusões- Uma vez definido um padrão internacionalmente aceito, o

Fieldbus deverá revolucionar o setor de instrumentação.

- Esta tecnologia permite que a inteligência seja totalmente distribuída pelo campo e favorece o surgimento de dispositivos com capacidades locais de processamento cada vez mais sofisticadas.

- A integração total dos equipamentos permitirá alterações nos procedimentos de operação das plantas industriais.

- O Fieldbus deverá também propiciar a intercambiabilidade a nível de sensores, atuadores, transmissores e controladores, trazendo ao usuário uma maior flexibilidade na compra de produtos e abrindo espaço para novos fabricantes.

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GPIB• Interface de rede padrão para instrumentação: GPIB (General

Purpose Interface Bus).• Origem: HP-IB (Hewlet-Packard Interface Bus).• Hoje norma IEEE 488.1 e IEC 625-1.• Características:

– barramento paralelo, – 16 linhas com sinal ativo baixo referenciado a um terra

comum. – tensão acima de 2V considerada como lógico 0 e abaixo de

0.8V como lógico 1. – 8 linhas de dados– 3 linhas para operações de handshake– 5 linhas para gerenciamento da interface

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GPIB

Categoria Linha Nome8 Data lines DIO 1-8 Data I/O

DAV Data Valid3 Handshake lines NRFD Not Ready For Data

NDAC Not Data AcceptedREN Remote EnableIFC Interface Clear

5 Interface Management lines SRQ Service RequestEOI Endo or IdentifyATN Attention

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GPIB

• Linhas de controle NRFD e NDAC operam no modo “wired-OR”

• Só assumem o valor lógico TRUE no barramento quando todas as estações ligadas ao GPIB setam a linha correspondente local em TRUE (ativo baixo).

• GPIB requer estação controladora (mestre) do barramento, que define quem será a estação emissora (talker) e quem serão as estações receptoras (listeners) em cada instante.

• A linha ATN distingue mensagens de dados (ATN=0) de mensagens dedicadas de gerenciamento da interface (ATN=1) como, por exemplo, mensagens para definir o talker e os listeners.

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GPIB• Após a definição, pela estação controladora, de quem serão o talker e os

listeners, são executados os seguintes passos:

– Se o talker tem um novo byte de dados a enviar, coloca seu valor nas linhas DIO 1-8;

– Talker seta linha DAV (Data Valid) em TRUE;

– Listeners setam NRDF (Not Ready For Data) em FALSE;

– Listeners recebem o dado e setam NDAC (Not Data Accepted) em FALSE (esta linha só assume o valor FALSE quando todos os listeners receberem o dado, devido ao uso de wired-OR);

– Talker seta DAV (Data Valid) em FALSE e remove dados das linhas DIO 1-8;

– Listeners setam NDAC (Not Data Accepted) em TRUE;

– Se listeners estiverem prontos para receber um novo byte de dados, setam NRFD (Not Ready For Data) em FALSE;

– Talker pode reiniciar processo do passo 1, enviando o byte de dados seguinte.

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GPIB• GPIB pode ter até 15 estações (entre controladora, talkers e

listeners) no barramento.

• comprimento máximo de cabo de 20 metros.

• taxa de transmissão de até 1Mbps.

• boa aceitação na área de instrumentação.

• GPIB não é uma interface bem adaptada às necessidades de automação de chão de fábrica (sensores, atuadores, robôs, CLPs, CNCs, etc.), pois:

– cabos de 16 condutores são caros;

– sinal referenciado ao terra é sensível à perturbações eletromagnéticas;

– comprimento máximo do barramento é uma limitação física indesejável.

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Redes para Automação de Escritório

- Redes locais para automação industrial são seriais.

- Tipos mais difundidos:

- ETHERNET (DEC, INTEL e XEROX),

- ARCNET (Datapoint),

- TOKEN-RING (IBM).

- Produtos definem camadas Física e Enlace do modelo OSI.

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Redes para Automação de Escritório

- ARCNET (Attached Resource Computer Network): boas características para aplicação industrial, devido a topologia, técnica de acesso ao meio e preço baixo.

- Ethernet: rede mais popular, tem como desvantagem o método não determinista de acesso ao meio (CSMA/CD). Originalmente desenvolvida para aplicação em escritório, possui a maior quantidade de unidades instaladas no mercado.

- Rede Token-Ring: é a mais popular entre os produtos da IBM e apresenta como desvantagem o seu alto custo de instalação e baixa flexibilidade. Em contrapartida trabalha com elevada taxa de transmissão e inclui um grande número de soluções entre os produtos IBM.

ETHERNET ARCNET TOKEN-RINGAcesso ao Meio CSMA/CD Token-passing Token-passingVelocidade 10 Mbps 2.5 Mbps 4 ou 16 MbpsNúmero de nós 1024 254 255Meio detransmissão

Par trançadoFibra óticaCabo coaxial

Par trançadoFibra óticaCabo coaxial

Par trançadoCabo coaxial

Topologia Star/Bus Star/Bus Ring

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Softwares comerciais para rede• Novell Netware:

O SO para rede NOVELL NETWARE já foi o mais difundido no mercado e pode operar sobre diferentes bases de hardware para rede (suporta as redes ARCNET, Ethernet e Token-Ring). Oferece serviços a nível das camadas de Sessão e Apresentação.

• LAN-Manager:

O SO para redes da MICROSOFT era o maior concorrente do Novell-Netware. A versão inicial operava sobre OS/2 no servidor. Há versões para MVS (IBM) e VMS (DEC). O LAN-Manager oferece serviços a nível da camadas de Sessão e Apresentação. Foi embutido no Windows 95/98/NT/Me/2000.

• LAN-Server:

SO para redes da IBM, inicialmente desenvolvido em conjunto com o LAN-Manager da Microsoft. Opera sobre o sistema operacional OS/2.

• PC-LAN:

SO para rede Token-Ring da IBM, interligando computadores PC. Requer o NetBios para funcionar.

• NetBios:

O NetBios é uma API desenvolvida pela IBM que provê serviços a nível das camadas de Rede e Transporte.

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DDE/NetDDE

• DDE (Dynamic Data Exchange): protocolo de comunicação entre aplicações que rodam em ambiente windows (Microsoft).

• Permite troca dinâmica de dados entre Supervisórios (SCADA), Excel, Lotus, Access, etc.

• Um aplicativo é configurado como cliente e o outro como servidor.

• No DDE, Servidor e Cliente estão na mesma máquina.

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DDE/NetDDE• NetDDE: implementa a mesma facilidade que DDE

através de portas seriais ou rede.

• Opera sobre o Netbios (que pode usar TCP/IP).

• Agente NETDDE.EXE deve estar rodando no servidor e no cliente.

• Ambos os processos (servidor e cliente) devem estar ativos (instanciados) para operação do NetDDE.

• Comunicação assíncrona: processo cliente não fica bloqueado se servidor não responder.

• http://angelfire.com/biz/rhaminisys/ddeinfo.html.

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COM / DCOM

• COM (Component Object Model): suporta comunicação entre processos no Windows (Microsoft), semelhante a DDE.

• Servidor é instanciado pelo cliente no momento do pedido de serviço.

• Cliente pode manipular objetos no servidor.

• Comunicação síncrona: cliente fica bloqueado até receber resposta do servidor.

• Distributed COM: versão distribuída do COM.

• http://www.sei.cmu.edu/descriptions/com_body.html

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OPC

• OPC (OLE for Process Control): API baseada em OLE (Object Linking and Embedding), agora substituído pelo Active X, e COM/DCOM.

• Define interface comum para intercâmbio de dados entre aplicativos Windows, particularmente sistemas supervisórios (SCADA), e dispositivos de campo (CLP), permitindo padronizar os drivers.

• Padrão definido por um grupo de empresas sobre sistemas da Microsoft (OPC em si não é um sistema proprietário da Microsoft).

• http://www.opcfoundation.org

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TCP/IP- Os protocolos TCP e IP foram desenvolvidos pela

UCB (University of Califórnia at Berkeley) para a ARPA ("Advanced Research Projects Agency") em 1969, muito antes da definição do modelo de referência ISO/OSI.

- Sua aplicação original era militar (a ARPA é vinculada ao DoD, Departamento de Defesa dos EUA). O par de protocolos conhecido como TCP/IP é uma herança do projeto ARPANET.

- Os serviços oferecidos pelo protocolo ARPANET permitem transferir arquivos (ftp), executar comandos remotamente (telnet), enviar e receber correio eletrônico (mail), entre outros.

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TCP/IP

- O protocolo TCP ("Transmission Control Protocol") é usado para implementar o sequenciamento e o controle de fluxo de informações e corresponde aproximadamente à camada de transporte do modelo OSI.

- O protocolo IP ("Internet Protocol") é um protocolo não orientado a conexão cujas funções correspondem aproximadamente às da camada de rede do modelo ISO/OSI.

- Este par de protocolos adquiriu uma grande importância, pois é hoje a base de funcionamento da INTERNET.

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TCP/IP

- TCP e IP costumam ser utilizados em uma arquitetura de rede diferente da proposta pela ISO (RM-OSI)

- O TCP/IP se estabeleceu como um padrão de fato para ligações de redes heterogêneas.

- O TCP/IP foi originalmente desenvolvido para interconectar máquinas de diversos fabricantes, ou seja, se tornar um protocolo universal.

- Na arquitetura TCP/IP, as aplicações são implementadas de forma isolada, sem um padrão que defina sua estrutura. As aplicações trocam dados utilizando diretamente a camada de transporte (TCP).

- Foram disponibilizados diversos serviços de aplicação sobre TCP/IP. Alguns deles serão apresentados a seguir.

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Gerenciamento de redes- DNS (Domain Name System): é um esquema de

gerenciamento de nomes, hierárquico e distribuído, que define a sintaxe dos nomes usados na Internet.

- Os endereços TCP/IP são numéricos (com uma formação dividida em classes), compostos uma parte destinada a endereçamento de rede e uma parte destinada a endereçamento de hosts (máquinas).

- O DNS contém um banco de dados distribuído, mantido por um conjunto de Servidores de Nomes (Name Servers), que permite fazer a resolução de endereços IP (numéricos) para o nome de uma máquina. Cada nível hierárquico de um nome é denominado um domínio (domain).

- Ex.: atlas.lcmi.ufsc.br é um nome composto de 4 domínios, que equivale ao endereço IP 150.162.14.1.

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Gerenciamento de redes

- SNMP (Simple Network Management Protocol): É uma aplicação TCP/IP, que providencia uma maneira de gerenciar objetos dentro de uma rede TCP/IP.

- Os processos que realizam o gerenciamento são denominados agentes e gerentes e tem por objetivo detectar a presença de falhas no funcionamento dos componentes da rede.

- O gerente envia comandos aos agentes, solicitando informações sobre o estado dos objetos gerenciados (comandos get e response) ou modificando este estado (comando put). Um agente pode também notificar o gerente da ocorrência de um evento específico (comando trap).

- Os objetos gerenciados podem ser estações de trabalho, gateways, modems, bridges, concentradores, processos, etc.

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Gerenciamento de redes

- Finger: providencia uma maneira de se verificar os users que estão conectados a um determinado host.

- Por default, finger mostra informações sobre cada user logado na máquina, incluindo: login name, full name, terminal name, idle time, login time, e location.

- Se o nome de um determinado user é especificado, finger retorna informações sobre aquele user em particular, incluindo: login name, full name, se user esta logado neste momento e de onde, etc.

atlas:~> finger stemmerLogin name: marcelo In real life: Marcelo Ricardo StemmerDirectory: /home/professores/marcelo Shell: /bin/tcsh On since Nov 7 15:48:54 on ttyp7 from goedelNo unread mailProject: Professor do LCMIPlan:

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Gerenciamento de redes

- Ping: providencia uma maneira de se verificar se um determinado host está ativo na rede. Funciona enviando uma mensagem para o host e aguardando uma resposta. Se o host não responde, significa que não está conectado à rede.

atlas:~> ping polarishost polaris is alive

- Netstat: providencia uma maneira de se verificar as conexões que estão ativas na rede TCP/IP. Informa as conexões TCP no host, estado dos servidores TCP/IP neste host, bem como os Sockets utilizados, dispositivos e links, e a tabela de roteamento que está ativa.

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Correio eletrônico

- SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): providencia um serviço de correio eletrônico entre os usuários TCP/IP.

- Este correio permite a troca de mensagens entre dois ou mais users e hosts.

- As mensagens a enviar são guardadas no SPOOL do serviço de mail. As mensagens recebidas são armazenadas em caixas postais.

- Processos servidores fazem o recebimento e envio das mensagens em background.

- Existem diversas versões de interfaces com o usuário (SMI Mail, Eudora, etc).

- Usualmente, quando o usuário se conecta ao host, o sistema de correio eletrônico é ativado e avisa se existem mensagens na sua caixa postal.

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Correio eletrônico

- Recepção de mail:

atlas:~> mailMail version SMI 4.0 Thu Jul 23 13:52:20 PDT 1992 Type ? for help."/var/spool/mail/marcelo": 2 messages 2 new>N 1 [email protected] Thu Nov 7 15:55 26/1254 lista

N 2 [email protected] Thu Nov 7 16:02 224/8330 Reuniao

- Envio de mail:

atlas:~> mail [email protected]: aula de redesSe voce esta lendo isto, eh porque ainda esta acordado....Cc: [email protected]

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Compartilhamento de arquivos

- NFS (Network File System): providencia uma maneira de se compartilhar arquivos de um servidor a partir de vários hosts de modo integrado e transparente através de uma rede TCP/IP.

- O NFS realiza um mapeamento dos discos de um determinado servidor na rede TCP/IP, permitindo que os hosts desta rede enxerguem estes arquivos como locais.

- Com o NFS, máquinas sem disco rígido (diskless) podem armazenar arquivos no disco de outra máquina de forma transparente.

- O NFS cria um sistema de arquivos virtual que estende o sistema de arquivos local. Um mecanismo chamado redirecionador diferencia arquivos locais de remotos e desvia chamadas a arquivos remotos para um servidor NFS.

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Comunicação

- SLIP (Serial Line IP): é um protocolo muito simples, utilizado para conectar dois hosts através de uma linha serial, configurando uma ligação ponto-a-ponto. Não providencia endereçamento; cada um dos hosts tem que ser conhecido pelo outro; não identifica pacotes e não possui correção de erros. É muito usado em conexões via modem entre um servidor e uma máquina remota.

- PPP (Point-to-Point Protocol): protocolo desenvolvido para substituir o SLIP e que contém as implementações que não são oferecidas pelo SLIP. Também muito usado em conexões via modem.

- Aplicativos baseados no PPP ou SLIP (ex.: trumpet) permitem negociar um endereço IP para a máquina remota, possibilitando a execução de programas como mail, ftp, telnet e browsers (netscape, mosaic, etc) a partir dela.

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Emulação de terminais

- Telnet: providencia um interface padrão através do qual um programa em um host (cliente Telnet) acessa recursos em outro host (servidor Telnet) como se fosse um terminal local conectado ao servidor de terminais.

- O usuário tem que possuir uma conta na máquina remota para poder operar o sistema.

atlas:~> telnet polaris.lcmi.ufsc.br

Trying 150.162.14.4 ...Connected to polaris.lcmi.ufsc.br.Escape character is '^]'.

SunOS UNIX (polaris)

login:

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APIs (Application Program Interfaces)

- RPC (Remote Procedure Call): providencia uma interface de aplicação que permite a comunicação entre dois programas executando em dois hosts diferentes (processamento cooperativo).

- mecanismo projetado para facilitar o desenvolvimento de aplicações distribuídas baseadas no modelo cliente/servidor.

- No módulo cliente, o programador define alguns procedimentos como sendo “remotos” e faz com que o compilador incorpore no programa chamadas a um processo servidor RPC.

- No módulo servidor, os procedimentos compartilhados são declarados como procedimentos “servidores”.

- Chamadas aos procedimentos remotos são repassadas ao servidor RPC, que troca mensagens necessárias a execução do serviço remoto via rede.

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Transferência de arquivos

- FTP (File Transfer Protocol): permite realizar a transferência de arquivos entre hosts. O usuário tem que se identificar para o host de onde (ou para onde) o arquivo será transferido. O FTP estabelece 2 conexões entre os hosts: uma conexão de controle (comandos) e uma conexão de transferência de dados. Podem ser transferidos arquivos dos tipos texto (ASCII ou EBCDIC) e binário.

- TFTP (Trivial File Transfer Protocol): é um protocolo mais simples para transferir arquivos entre dois hosts. Não leva em consideração nenhuma proteção e autenticação de usuário e estabelece uma única conexão entre hosts.

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Transferência de arquivosatlas:~> ftp lcmi.ufsc.br

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Impressão remota

- LPR (Line Printer Redirection): executa o redirecionamento de arquivos de impressão para um host através de uma rede TCP/IP.

- LPD (Line Printer Daemon): servidor de impressão para hosts remotos em uma rede TCP/IP.

Execução remota

- RSH (Remote Shell Protocol): executa um shell remotamente em outro host através de uma rede TCP/IP.

- REXEC (Remote Execution Command Protocol): é um servidor que permite a execução de um comando REXEC de um host remoto através de uma rede TCP/IP. O servidor realiza um login automático incluindo a verificação do usuário. A parte cliente é realizada pelo processo REXEC.

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Arquitetura TCP/IP

Modelo de Referência ISO/OSI

Aplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

Modelo Arquitetura TCP/IP

Meio Físico

Controle de acesso ao meio (MAC)

IP (Internet protocol)

TCP (Transmission Control Protocol)

SMTP(mail)

FTP TELNET

LLCMAC

...

LLC + Driver ( ex.:UNIX)

}Placa

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Softwares comerciais para rede

Arpanet LAN ManagerNovel Netware

PC LANLAN Server

LAN Manager

PC LAN

LAN Server

Ethernet Token Ring ARCnet

TCP/IP Net BIOS

Aplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

LANManager

NovellNetware

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SINEC Redes SINEC (SIEMENS) incluem:

– SINEC H1: rede compatível com a norma IEEE 802.3 (Ethernet).

– SINEC H2: rede compatível com o padrão MAP.

– SINEC L1: sistema fieldbus proprietário da Siemens.

– SINEC L2: rede fieldbus compatível com a norma alemã PROFIBUS. Oferecida em 3 versões: DP, FMS, PA.

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SINEC

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SINEC SINEC L2-DP

desenvolvido para aplicações que exijam respostas rápidas, sistemas remotos de I/O (como CLPs ligados a sensores e atuadores).

Utiliza o padrão RS485 ou fibra ótica na camada física. Para RS485: cabo de 1200 metros com uma taxa de transmissão

de 93.75 Kbps, 1000 metros com taxa de 187.5 Kbps, 200 metros com taxa de 1.5 Mbps ou 100 metros com taxa de 12 Mbps.

até 127 estações em 4 segmentos de rede ligados por repetidores. operação com mestre único (single master) e escravos, adotando

somente MAC Mestre/Escravos. Usa serviços sem conexão e sem reconhecimento (LLC tipo 1). serviços de aplicação voltados para leitura e escrita de variáveis

remotas (READ/WRITE).

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SINEC SINEC L2-FMS

concebido para a troca de dados entre sistemas inteligentes autônomos em sistemas de manufatura, como CNCs, CLPs, RCs, PCs, etc.

Utiliza RS485 ou fibra ótica na camada física. Como as estações podem ser autônomas, utiliza MAC

Token-Passing e Mestre/Escravos. suporta 127 estações em 4 segmentos de rede Usa serviços LLC tipos 1 e 3. Os serviços de aplicação seguem o padrão FMS

(Fieldbus Message Services, subconjunto do MMS da rede MAP).

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SINEC• Aplicação típica SINEC L2-FMS:

RC

Rede Profibus

tcd

MicrômetroLaser

CNC

Robô IPSO

SP-50

TornoRomi-Mazak

PC - Gerente FMC

Esteira transportadora

CâmaraCCD

PC- Visão

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SINEC SINEC L2-PA

Permite interligar instrumentos da área de processos unitários a um sistema de comunicação.

Adota o padrão IEC 1158-2 na camada física, que utiliza o próprio cabo de transmissão de dados para energizar os dispositivos de campo.

Taxa de transmissão de 31.25 Kbps (áreas de segurança intrínseca).

Comprimento máximo do cabo depende do número de estações conectadas e é função de seu consumo de energia.

Um segmento (sem repetidores) suporta no máximo 32 estações. MAC utiliza o protocolo Mestre/Escravos. Usa LLC tipo 1. Serviços de aplicação semelhantes a L2-DP.

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BITBUS (INTEL)- topologia: barramento.

- Método de acesso ao meio: Mestre/Escravos.

- integração de sensores, atuadores, controladores e instrumentos de medição.

- arquitetura de apenas três camadas (1, 2 e 7).

- Camada física: interface padrão RS-485 com par trançado e taxas de transmissão de até 2.4 Mbps (modo síncrono).

- Camada de enlace: protocolo SDLC (Synchronous Data Link and Control), um sub-conjunto do protocolo HDLC.

- Processador Intel 8044 implementa este protocolo a nível de hardware.

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BITBUS (INTEL)

Buffer recepção

Buffer transmissão

8051

8044

DPRAM

SIU

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BITBUS (INTEL)Camada de aplicação: serviços RAC (Remote Access and Control)

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CAN

• rede CAN (Controller Area Network) desenvolvida pela BOSCH para integrar elementos inteligentes em veículos autônomos (eletrônica embarcada).

• Automóvel pode possuir mais de 200 microprocessadores:

- carburação eletrônica

- frenagem anti-bloqueante (ABS)

- controle e supervisão da temperatura do óleo e do radiador, pressão de óleo de freio, etc.

- ajuste automático de espelhos retrovisores, banco do motorista, etc.

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CAN

• CAN lançado em 1984.• Em 1987 lançado chip 82526 (INTEL).• A partir de 1991 outros fabricantes licenciados:

– Phillips/Signetics (chips 82C200, 87C592, 82CE598 e 82C150).

– Motorola (chip 68HC05).– NEC (chip 72005).– Siemens, Thompson, National, Hitachi.

• Cia (CAN in Automation): entidade constituída de usuários e fabricantes de produtos para automação industrial baseados no protocolo. Até 1993, a cia já tinha 64 associados fora da industria automobilística.

• CAN vendeu mais de 5 milhões de chips só em 1995.

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CAN

• Camada física (padrão ISO/DIS 11898):

Topologia: barramento ou estrela (com concentrador);

Taxa de transmissão: 125 Kbps até 1 Mbps;

Comprimento máximo do barramento: 40 m para 1 Mbps; até 1 Km para 125 Kbps;

Número máximo de nós: 64;

Codificação de bits: NRZ (Non Return to Zero);

Meio de transmissão: não especificado na norma, mas usualmente usado par trançado ou fibra ótica.

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CAN

• Subcamada MAC: Método de acesso ao meio: Forcing Headers

com prioridades para mensagens.

• Subcamada LLC: Comprimento máximo dos quadros de

dados: 8 Bytes; Controle de erro por CRC de 16 bits.

• Camadas 3 até 6 do RM-OSI foram suprimidas.

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CAN – Enlace • CSMA/NBA - Carrier Sense Multiple access with Non-

destructive Bitwise Arbitration (Forcing Headers)

• Qualquer nó pode acessar o meio se estiver livre

• NBA garante 100% de utilização do meio e priorização de mensagens baseada no identificador de 11 bits do frame

SOF - Start of FrameEOF – End of FrameCRC - Cyclic Redundancy Check (CRC 16)

ACK - Acknowledgment

CRC

ACK

EOF

SOF

11 bit IDENTIFIER Length 0 to 8 bytes Data

Arbitration Field

ControlField

Data Field

Frame CAN

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CAN – Exemplo De Arbitragem

0 0 0 1 00000001 xxxx 11EOF

10110110100 0

Nó 1 Transmite:

No meio:

0 0 0 1 00000001 xxxx 01EOF

10110110100 0

Nó 2 Transmite:

0 10110111

Nó 2 perde arbitrageme pára transmissão!

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CAN• Modelos de comunicação:

– Frame não contém campos específicos para endereço destino/origem.

– Campo IDENTIFIER pode conter endereço de uma estação, grupo de estações (multicasting) ou mensagens são difundidas para todas as estações (broadcasting).

– Campo IDENTIFIER pode identificar o conteúdo da mensagem (dados), que é difundida para todas as estações.

» Gerador da mensagem: PRODUTOR.» Estações interessadas no conteúdo da

mensagem: CONSUMIDORES.

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CAN• Norma CAN não define especificação para a camada de Aplicação

• Grupo CiA definiu uma especificação para aplicações em automação:

CMS (CAN Message Services): serviços de leitura e escrita de variáveis remotas e tratamento de eventos, baseados no MMS;

NMT (Network Menagement): serviços de inicialização e gerenciamento da rede;

DBT (Distributor): provê uma distribuição dinâmica de nomes definidos pelo usuário para identificar as mensagens.

• O sistema suporta até 2032 objetos, aos quais é associado um número de identificação único na aplicação.

• O tempo para leitura de dados a nível da camada de enlace é da ordem de 420 µs para o objeto de maior prioridade.

• CAN tornou-se norma internacional definida pela ISO em 1993 sob a designação ISO 11898.

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VAN• A rede VAN (Vehicle Area Network) foi

normalizada em 1990 na França pelo “Bureau de Normalisation de l'Automobile” para operar em eletrônica embarcada.

• A partir de 1992 passou a ser adotada pela Renault e pela Peugeot.

• Apesar das semelhanças com a rede CAN, não se conhecem aplicações da rede VAN em automação industrial.

• Os chips disponíveis estão implementados na forma de ASICs projetados especificamente para a indústria automobilística.

Page 219: Redes Industriais 30h

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VAN

• Propriedades a nível da camada física:

Topologia: barramento;

Taxa de transmissão: de 100 Kbps até 250 Kbps;

Número máximo de nós: 16;

Comprimento máximo do barramento: 20 metros;

Codificação de bits: Manchester ou NRZ.

Page 220: Redes Industriais 30h

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VAN

Subcamada MAC: Método de acesso ao meio: Forcing Headers (como

CAN); Controle de erros: assumido pela subcamada MAC, que

usa a técnica de CRC;

Subcamada LLC: Quadro de dados: 8 bytes ou 28 bytes (versão FullVAN);

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Outras redes para veículos

J1850 (definida nos Estados Unidos pela SAE) C2D (Chrysler Collision Detection) MIL-STD-1553B (para aviônica militar) todas com uso restrito à eletrônica embarcada.

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DeviceNet

• DeviceNet é uma rede industrial de baixo custo para conectar dispositivos como chaves fim de curso, células fotoelétricas, válvulas, motores, drives, displays de CLP e PC, etc.

• DeviceNet foi desenvolvida tendo CAN como base.

• DeviceNet oferece manipulação robusta e eficiente de dados e é baseada na técnica produtor / consumidor.

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DeviceNet

• A ODVA (open DeviceNet Vendor Association) é uma organização independente que supervisiona e gerencia as especificações da DeviceNet.

• Seu objetivo é promover a adoção mundial de DeviceNet como rede aberta.

• A ODVA trabalha conjuntamente com os membros vendedores, usuários finais e distribuidores.

• Possui 320 membros (até julho de 2001).

• Home-pages:– http://www.odva.org

– http://www.ab.com/catalogs/b113/comm/dnet.html

Page 224: Redes Industriais 30h

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Application Layer

Physical Signaling

Transceiver

Transmission Media

DeviceNet – Arquitetura

Camada 1

Camada 2 {Camada 7 {

Data Link Layer

DeviceNet

CAN

DeviceNet

}}

}

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DeviceNet - Camada Física

• Configuração em barra (daisy-chain ou ramificações)

• Nós podem ser removidos sem interromper linha

• Até 64 nós endereçáveis

• Sinal e alimentação de 24vdc no mesmo cabo

• Taxas transmissão: 125kbps, 250kbps, 500kbps

• Conectores selados ou abertos

• Terminador de 121 ohms nas extremidades

RamificaçõesDaisy-chain

Page 226: Redes Industriais 30h

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DeviceNet – Alimentação e Sinal24vdc

• Par trançado com dois fios: – Par Sinal: baixa perda, alta velocidade.– Par Alimentação: até 8A corrente.

• Sensores alimentados da linha. • Opto-isolamento para dispositivos com alimentação própria

(Ex.: drive, PLC, etc.).• Pode-se usar várias fontes de alimentação.

PS

Page 227: Redes Industriais 30h

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DeviceNet - Conectores

Multiport Tap

T - Tap

Drop lines- 0 a 6m

Selados:

DroplinesDroplines

Abertos:

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DeviceNet - Daisy-Chaining

Usar em painéis de controle que

agrupam dispositivos

Até 6 metros do Tap

Dropline

Tap Tap

Conector plug-in para dispositivo

Page 229: Redes Industriais 30h

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DeviceNet – Distâncias e Velocidades

DataRate

Barramento Ramificações

125K

250K

500K

500m

250m

100m

26 x 6m

13 x 6m

6 x 6m

156m

78m

36m

CumulativoDist. TAP

Page 230: Redes Industriais 30h

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DeviceNet - Enlace

• Enlace segue sistema CAN.• Formas de comunicação suportadas através do modelo

produtor/consumidor:– Master/Slave: escravos só enviam dados em resposta

a varredura do mestre.– Peer-to-Peer: comunicação livre entre fontes /

destinos quaisquer (par a par).– Multi-master: vários mestres e vários escravos.– Mudança de estado dos dados: envio de dados entre

estações predefinidas sempre que houver alteração de estado.

– Produção cíclica de dados: estações enviam dados entre si em intervalos fixos de tempo.

Page 231: Redes Industriais 30h

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Uso Do Campo Identifier

IDENTIFIER BITSHEX RANGE IDENTITY USAGE

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Group 1 Msg ID Source MAC ID 000-3ff Message Group 1

1 0 MAC ID Group 2Message ID 400-5ff Message Group 2

1 1 Group 3 Message ID Source MAC ID 600-7bf Message Group 3

1 1 1 1 1Group 4 Message ID

(0-2f)7c0-7ef Message Group 4

1 1 1 1 1 1 1 X X X 7f0-7ff Invalid CAN IdentifiersX

0

Page 232: Redes Industriais 30h

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Grupos 1 e 2 – Master/SlaveIDENTIFIER BITS

DESCRIPTION

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

0 Source MAC ID Group 1 Messages

0 1 1 1 0 Source MAC ID Slave's I/O Bit-Strobe Response Message

0 1 1 1 1 Source MAC ID Slave's I/O Poll Response Message

Group 2Message ID1 0 MAC ID Group 2 Messages

1 0 Source MAC ID 0 0 0 Master's I/O Bit-Strobe Command Message

1 0 Source MAC ID 0 0 1 Reserved for Master's Use -- Use is TBD

1 0 Source MAC ID 0 1 0 Master'sChg of state/cyclic acknowledge msgs

1 0 Source MAC ID 0 1 1 Slave's Explicit Response Messages

1 0 Destination MAC ID 1 0 0 Master's Connected Explicit Request Messages

1 0 Destination MAC ID 1 0 1 Master's I/O Poll Cmd/Chg of State/Cyclic Msgs

1 0 Destination MAC ID 1 1 0 Group 2 Only Unconnected Explicit Req.. Msgs1 0 Destination MAC ID 1 1 1 Duplicate MAC ID Check Messages

Group 1Message ID

0 1 1 0 1 Source MAC ID Slave's I/O Change of State or CyclicMessage

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DeviceNet – Camada de Aplicação

• Definição do campo Identifier– Estabelece prioridade no processo de arbitragem

– usado pelos nós receptores para identificar mensagens

• Dois tipos de mensagens – Mensagens de I/O para dados de controle críticos no tempo

– Mensagens explicitas para funções cliente/servidor

– Fragmentação para dados maiores que 8 bytes

• Detecção de identificadores duplicados

• Verificação de consistência dos dados de aplicação

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ControlNet• ControlNet International é uma organização independente

criada em 1997 que mantém e distribui a especificação ControlNet e gerencia is esforços de marketing dos membros associados.

• Home-page: www.controlnet.org• Mais infos: www.ab.com/catalog/b113/comm/cnet.html

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ControlNet• Onde usar: níveis intermediários (célula, área)

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ControlNet• Camada física:

– Topologias: barramento, árvore, estrela

– Taxa transmissão: 5 Mbps

– Estações endereçáveis: até 99

– Distâncias:

» Cabo coaxial RG-6: 1.000 m com 2 nós, 500 m com 32 nós, 250 m com 48 nós (sem repetidores), máximo de 5.000 m com 5 repetidores

» Fibra: 3.000 m sem repetidores, até 30 km com 5 repetidores

Page 237: Redes Industriais 30h

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ControlNet• Camada de enlace:

– Controle de erros no frame por Cyclic Redundancy Check, polinômio CCITT modificado com 16 bits.

– Campo de dados com até 510 bytes.

– MAC: CTDMA (Concurrent Time Domain Multiple Access), que regula a oportunidade de transmitir de cada nó em intervalos de tempo ajustáveis chamados NUT (Network Update Time). A menor NUT é de 2ms.

– Informações com restrições temporais são enviadas na parte escalonada da NUT. Dados sem restrições temporais (ex.: Dados de configuração) são enviados nos intervalos restantes de tempo.

Page 238: Redes Industriais 30h

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ControlNet

• Camada de aplicação:– Orientação a objetos

– Modos de comunicação:

» Master/Slave

» Multi-Master

» Peer-to-Peer

» Produtor/consumidor

– Leitura de dados:

» Mudança de estado

» Cíclico

» Por solicitação

Page 239: Redes Industriais 30h

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HART• HART (Highway Addressable Remote Transducer): protocolo de

transição entre tecnologia analógica e digital.

• “HUG”: HART User Group (inclui Siemens, Hitachi, Toshiba, Yokogawa, ABB, Endress+Hauser, Fischer & Porter, Rosemount Inc., Camile Bauer, Smar International e outras).

• HART Communication Foundation (www.hartcomm.org)

• Camada física:

- Meio físico: par trançado com até 3.000 m;

- Taxa de transmissão: 1.200 bps;

- Transmissão assíncrona com caracteres UART (1 start bit, 8 bits de dados, 1 bit de paridade e 1 stop bit);

- Topologia: barramento ou árvore;

- Modulação: FSK (padrão Bell 202, lógico 1 => sinal de 1.200 Hz, lógico 0 => 2.200 Hz).

Page 240: Redes Industriais 30h

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HART• Camada de enlace:

- mestre-escravos e token-passing;

- Tempo médio de resposta: 378.5 ms;

• Camada de aplicação:

- comandos, respostas, definição de tipos de dados e emissão de relatórios de status.

• Possível transmitir sinais de 4 a 20 mA (analógicos) e quadros digitais simultaneamente.

• Os chips HT2012 (Smar Research) e SYM20C15 (Symbios Logic) servem como modems de baixa potência para uso em equipamentos de campo.

• O chip requer a adição de filtros e comparadores para a operação do protocolo.

Page 241: Redes Industriais 30h

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HART

CLP

FPBFPB

Sensor analógico

Atuador analógico...

Sensor digital

FPA

Sensor digital

FPA

Sensor digital

FPA

FPAAtuador digital

FPAAtuador digital

4..20 mA

Bell 202

Bell 202

t

I

4..20 mA

Bell 202

Page 242: Redes Industriais 30h

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INTERBUS-S

• Interbus-S desenvolvido na Alemanha pela empresa Phoenix Contact.

• Obteve ampla aceitação industrial (mais de 5.000 aplicações).

• Interbus-S concebido para integração de sensores a atuadores a um elemento de tomada de decisão (CLP, CNC, RC, etc.).

• Elemento de tomada de decisão opera como estação mestre.

• Sensores e atuadores são estações escravas que executam operações de entrada/saída.

• Interbus-S adotou uma topologia em anel

• Método de varredura denominado "Quadro Concatenado" ou "Quadro Somado" (do alemão "Summenrahmen-Verfahren").

Page 243: Redes Industriais 30h

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INTERBUS-S• Mestre monta um quadro único contendo campos

reservados para cada um dos escravos.

• Mestre preenche o campo reservado àquele escravo com os dados de processo ou parâmetros a enviar.

• O quadro então é enviado ao primeiro escravo no anel.

• O primeiro escravo reconhece no quadro o início de sua janela de dados e verifica o conteúdo somente do campo reservado a ele.

• Escravo lê a informação contida no seu campo reservado e substitui o conteúdo do campo pelos dados de resposta.

• Em seguida, o primeiro escravo envia o quadro completo para o próximo escravo no anel.

• O processo se repete até que o quadro tenha percorrido todos os escravos do anel e retornado ao mestre.

Page 244: Redes Industriais 30h

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INTERBUS-S• Analogia com um trem (quadro somado) que pára em diversas

estações (escravos), deixando alguns passageiros e pegando outros.

Lê M1

At.M1

Lê M2

At.M2

Lê M3

At.M3

Lê M4

At.M4

C FCS M4 M3 M2 M1 H

MasterSlave 1 Slave 2 Slave 3 Slave 4

Frame

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INTERBUS-S• O tempo que o quadro somado leva para percorrer o anel (ciclo

de varredura) depende do número de escravos e é determinista.

• O número máximo de entradas e saídas suportadas pelo Interbus-S é de 2048, que podem ser varridas em 7.2 ms.

• Distância entre estações consecutivas no anel: até 400 metros.

• Número máximo de estações: 256 (anel pode ocupar 13 Km sem repetidores).

• Taxa de transmissão: 500 Kbps.

• As informações que o mestre envia para os escravos podem ser:

– dados de processo: comandos a executar ou valores a colocar em uma saída (sujeitos à restrições de tempo real);

– parâmetros de configuração do escravo (sem restrições de tempo): enviados em time slots reservados no quadro somado.

Page 246: Redes Industriais 30h

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INTERBUS-S• Camada de aplicação: define serviços PMS (Peripherals

Message Services), subconjunto do MMS.

• Os serviços PMS incluem: gerenciamento de conexões; identificação e verificação de status; gerenciamento de objetos; acesso a variáveis (read, write, update, etc.); gerenciamento de programas (dowload, upload,

start, stop, resume, etc.).

• Organizações de empresas DRIVECOM e ENCOM ocupadas de definir padrões de utilização e configuração para INTERBUS-S.

• Sistema candidato à padronização pela IEC e DIN.

Page 247: Redes Industriais 30h

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ASI-BUS

• ASI (Actuator/Sensor Interface) desenvolvido por 11 empresas (Balluf, Baumer, Elesta, Festo, IFM, Peperl+Fuchs, Sick, Siemens, Leuze, Turck e Visolux) e introduzido no mercado em 1993.

• concebido para interligar elementos periféricos (sensores e atuadores) binários, tais como chaves fim-de-curso, sensores de proximidade indutivos e capacitivos, relês, válvulas, etc.

• Estes elementos requerem informação mínima para operar (na maioria dos casos, 1 bit com comandos tipo ON/OFF).

Page 248: Redes Industriais 30h

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ASI-BUS• ASI foi concebido como um sistema Mestre/Escravos com

topologia em barramento.

• O mestre executa uma varredura cíclica dos escravos, enviando quadros de solicitação de dados e aguardando um quadro de resposta.

• Os quadros enviados pelo mestre ASI tem um campo de dados de apenas 4 bits e um campo de parâmetros de mais 4 bits.

• O quadro tem 17 bits no total.

Start bitCommand-bit

1 1 5 bit slave addr. 4 bit parameter 4 bit data 1 1

Test bit

Stop bit

Page 249: Redes Industriais 30h

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ASI-BUS

• O quadro de resposta do escravo composto de apenas 7 bits.

• Como todas as respostas são destinadas ao mestre, não é necessário um campo de endereço neste quadro.

Start bit

1 4 bit data 1 1

Test bit

Stop bit

Page 250: Redes Industriais 30h

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ASI-BUS• quadros utilizados sempre iguais

• a varredura de cada escravo implica no envio e recepção de um total de apenas 24 bits

• Cada escravo recebe 4 bits de dados e 4 bits de parâmetros, e responde, se for o caso, também com 4 bits de dados.

• Um escravo ASI possui até 4 portas de I/O conectadas a dispositivos periféricos

• Cada porta de saída recebe o valor de 1 dos 4 bits do campo de dados do quadro enviado pelo mestre.

• Se as portas estão configuradas como entradas, seu valor é copiado nos 4 bits correspondentes do campo de dados do quadro de resposta do escravo.

• Desta forma, o mestre pode ler ou escrever em qualquer uma das portas remotas dos escravos.

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ASI-BUS

ASI Master

Slave 2Slave 1 Slave 31. . .

I/O 1

I/O 4

I/O 120

I/O 124

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ASI-BUS• ASI suporta até 31 escravos em um barramento.

• Como cada escravo pode ter 4 E/S, o número máximo de elementos binários que podem ser integrados aos 31 escravos é de 124.

• A varredura completa dos 31 escravos, atualizando todas as 124 entradas e saídas, requer cerca de 5 ms.

• Esta configuração permite ligar os sensores e atuadores binários convencionais atuais à rede ASI.

• Os 4 bits de parâmetros recebidos do mestre podem ser enviados para 4 portas de saída adicionais, podendo ser utilizados para configurar um dispositivo mais sofisticado conectado ao escravo.

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ASI-BUS

SlaveASI

Sensorinteligente

Dados I/O

parâmetros

• Esta configuração permite conectar sensores e atuadores inteligentes à rede ASI.

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ASI-BUS

• O cabo de rede ASI é composto de 2 condutores não blindados.

• cabo é utilizado também para a alimentação dos escravos (24V DC, 100 mA por escravo).

• Um segmento de rede ASI pode ter até 100 metros de comprimento.

• A grande vantagem de ASI sobre outras rede tipo fieldbus é o custo baixo e simplicidade de implementação, operação e manutenção.

• Sua aplicação em automação industrial vem crescendo muito desde seu lançamento em 1993.

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FAIS

• FAIS (Factory Automation Interconnection System): desenvolvida no Japão por 30 empresas e o International Robotics and Factory Automation Center (IROFA).

• Primeiros produtos lançados em 1992.

• FAIS é uma versão atualizada da rede Mini-MAP.

• Foi concebida para uso em automação fabril no nível hierárquico de célula (FMC).

• Arquitetura FAIS composta das camadas 1, 2 e 7.

• Camada física:

– cabo coaxial com técnica de transmissão em Carrier-Band com 5 ou 10 Mbps.

– fibra ótica com 10 Mbps.

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FAIS

• Camada de enlace de dados:

– subcamada MAC: protocolo Token-Bus, conforme IEEE 802.4.

– subcamada LLC: serviço sem conexão com reconhecimento (LLC tipo 3), conforme IEEE 802.2.

• Camada de aplicação:

– MMS (Manufacturing Message Services);

– serviços de gerenciamento de rede NM (Network Menagement);

– dicionário de objetos OD (Object Dicionary).

• Alterações básicas em relação a mini-MAP: camada física com fibra ótica e serviços de aplicação NM e OD.

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FAIS

• Especificação FAIS 2.0

Apresentação

Sessão

Rede

Enlace

Física

NM

LLC 802.2 tipo 3MAC 802.4 Token bus

MMS OD

VAZIOTransporte

Aplicação

Baseband 5 / 10 Mbps Fibra ótica 10 Mbps

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LON

• LON (Local Operating Network): desenvolvida pela empresa

Echolon em 1990

• Aplicações alvo:

– automação predial (imótica)

– automação doméstica (domótica)

– automação de escritórios

– automação industrial.

• Protocolo de comunicação LonTalk é implementado no

processador dedicado NeuronChip, produzido pela Motorola

e Toshiba.

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LON

• O NeuronChip é composto dos seguintes elementos: 3 processadores de 8 bits (1° executa MAC, 2° serviços

gerais de comunicação, 3° aplicações do usuário); Porta de conexão ao transceiver, através do qual o

NeuronChip se conecta ao meio; Pinos de entrada e saída, reset, clock e alimentação (5V); Acesso a um número de série de 48 bits definido pelo

fabricante; Um timer programável; Sistema de memória, contendo 10 Kbyte ROM, 1 Kbyte

RAM e 512 Bytes EEPROM para parâmetros de rede; 3 temporizadores Watch-Dog (1 para cada processador);

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LON

• LonTalk é baseado no RM-OSI e implementa 7 camadas.

• Ferramentas de suporte LonWorks incluem:

NeuronChip;

Protocolo LonTalk;

Transceivers que permitem ligar o NeuronChip ao

meio físico;

LonBuilder Developer's Workbench: sistema de

desenvolvimento orientado a objetos para projeto,

implementação e teste de nós LON.

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LON• Camada física: transceivers oferecidos pela Echolon:

FTT-10: par trançado, taxa de 78 Kbps, 127 nós em um barramento de até 2.700 metros ou segmentos de até 500 metros com topologia em estrela ou anel;

LPT-10: par trançado, taxa 78 Kbps, 32 nós com 100 mA cada, 64 nós com 50 mA ou 128 nós com 25 mA, barramento de 2.200 metros ou segmentos de até 500 metros com topologia em estrela ou anel, alimentação pelo fio da rede;

TPT/XF-78: par trançado, taxa de 78 Kbps, barramento com 2.000 metros, 64 nós;

TPT/XF-1250: semelhante ao anterior, mas com taxa de transmissão de 1.25 Mbps para distâncias de até 500 metros;

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LON

• Camada física: transceivers oferecidos pela Echolon:

PLT-10A: utiliza como meio físico a rede elétrica por meio

da tecnologia spread spectrum (técnica especial de

transmissão usada em sistemas com elevados níveis de

interferência), operando na faixa de freqüência de 100

KHz até 450 KHz com taxa de transmissão de 10 Kbps;

PLT-20: idem ao anterior, mas com freqüência de 125

KHz a 140 KHz com taxa de transmissão de 5.4 Kbps;

PLT-30: idem aos anteriores, mas com freqüência de 9 a

95 KHz e taxa de 2 Kbps.

Page 263: Redes Industriais 30h

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LON

• Transceivers de outros fabricantes:

RF-300: usa sinais de rádio freqüência de 300MHz, taxa

de transmissão de 1.200 bps (rede sem fio);

RF-450: idem, com 450 MHz e taxa de 4800 bps;

RF-900: idem, com 900 MHz e taxa de 39 Kbps;

IR: usa sinais em infravermelho, com taxa de

transmissão de 78 Kbps;

Fibra ótica: taxa de transmissão de 1.25 Mbps;

Cabo coaxial: taxa de transmissão de 1.25 Mbps.

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LON

• Camada de enlace:– subcamada MAC: CSMA preditivo p-

persistente com detecção de colisão e atribuição de prioridades às mensagens (comportamento preditivo quando é usado serviço com reconhecimento)

– subcamada LLC: serviços sem conexão (com ou sem reconhecimento) e oferece funções de montagem de quadros e checagem de erros com CRC.

• Elementos para interconexão de subredes LON: – roteadores (ex.: RTR-10) – pontes

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LON

Nó Nó Nó Nó

Par trançado

Nó Nó Nó Nó

Router

Rede elétrica

Router

Nó RF Nó RF Nó RF

RouterNó

NóNó

Fibra ótica

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LON

• NeuronChip programado em Neuron C (orientação a objetos, suporte a programação concorrente, 37 novos tipos de dados definidos na especificação SNVT (Standard Network Variable Types) e mecanismos de passagem de mensagem).

• LON ainda pouco conhecido no Brasil.

• Mais de 1 milhão de nós de rede LON instalados nos Estados Unidos.

• Em 1994 criado grupo "LonMark Interoperability Association” (inclui empresas como Honeywell, Detriot Edison, IBM, Microsoft e Leviton).

• Esta associação executa testes e certificação de conformidade para produtos que queiram ter o logotipo LonMark e define diretivas para interoperabilidade.

Page 267: Redes Industriais 30h

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LON

• A maioria dos nós LON instalados estão em aplicações de automação predial e residencial.

• Existem estações baseadas no NeuronChip para:– controle de lâmpadas e eletrodomésticos; – termostatos e sistemas HVAC (Heating, Ventilation and Air

Conditioning, ou calefação, ventilação e ar condicionado); – sensores de presença e segurança em geral; – sensores de luminosidade ambiente; – equipamentos de áudio e vídeo (por exemplo, Home

Theaters);– gerenciamento de energia; – controle otimizado de elevadores; – subsistemas de água e gás (válvulas, sensores de nível e

outros componentes), etc.

Page 268: Redes Industriais 30h

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P-NET

• P-NET desenvolvida na Dinamarca pela empresa Ultrakust.

• Aplicação alvo: automação industrial.

• Camada física:

– topologia em anel

– taxa de transmissão de 76.8 Kbps

– em um anel podem estar no máximo 125 estações.

– meio físico tipo par trançado blindado, com até 1.200

metros de comprimento, sem repeaters.

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P-NET• subcamada MAC:

– método de acesso ao meio tipo Multi-mestre / Escravos.

– Em um anel podem estar até 32 estações mestras.

– Entre as estações mestras e escravas é realizada uma varredura cíclica através de quadro pré-definidos.

– A varredura de cada escravo requer 30 slot times, ou cerca de 390µs.

– Entre as estações mestras, o controle de acesso ao meio é do tipo token-passing.

– A passagem de token entre mestres requer no máximo 10 slot times, ou cerca de 130µs.

– Apesar do token passar pelas estações escravas, uma vez que elas estão também no anel, estas não podem retê-lo.

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P-NET

Anel P-NET:

M

EE

M

E

EM

E

PCPressão

TemperaturaMotor

PesoVazão

CLP

Controller

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P-NET• Vários anéis interligados por meio de P-NET-Controllers,

que executam a função de roteadores ou gateways.

M

EE

E

EM

E

Controller

M

EE

M

EM

EM

M

E

M

E

EM

E

Controller

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P-NET

• O P-NET-Controller pode ser usado para conectar dispositivos não desenvolvidos para a P-NET que possuam uma interface RS-232C, ou ainda estações para outro tipo de rede (por exemplo, Profibus).

• O Controller é programado em Process Pascal, que suporta programação concorrente e primitivas de comunicação.

• Diversos sistemas baseados em P-NET estão em operação na Europa.

• Foi criada para a P-NET uma organização de fabricantes e usuários que dão suporte ao produto, denominada "International P-NET User Organization".

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SERCOS

• SERCOS (SErial Real-time COmmunication System) apresentada ao mercado na EMO de 1989.

• conecta servo-acionamentos a um CNC em máquinas operatrizes, implementando malhas fechadas de controle.

• No interior de uma máquina-ferramenta existem campos eletromagnéticos fortes.

• Por isto, foi proposta uma rede com topologia em anel utilizando como meio físico a fibra ótica.

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SERCOS• Anel

SERCOSCNC

Acionamentos

Page 275: Redes Industriais 30h

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SERCOS• O sistema tem uma estrutura com comando centralizado.

• CNC exerce o papel de estação mestre e os servo-acionamentos o papel de estações escravas.

• podem ser executados ciclos de varredura dos escravos em tempos ajustáveis de 62µs, 125µs, 250µs, 500µs, e múltiplos de 1 ms até o limite de 65 ms.

• SERCOS permite a interligação de até 254 escravos em um anel.

• O comprimento do cabo é de no máximo 40 metros para fibra ótica plástica e de até 1000 metros para fibra ótica de vidro.

• CNC executa o controle de posição enquanto o controle de velocidade e de corrente é executado no próprio acionamento.

• Rede usada para enviar valores de referência de velocidade do CNC aos acionamentos e receber valores atualizados dos mesmos.

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SERCOS• Na camada de enlace, SERCOS faz distinção entre dois tipos

de dados:

– Dados cíclicos, com características de tempo real, usados para controle em malha fechada;

– Dados de serviço, usados para configuração, envio de parâmetros, etc.

• Para dados de serviço é usada uma pilha com 3 camadas (física, enlace e aplicação).

• Para os dados cíclicos é ainda incluída uma camada de sincronização (sincronização dos timers das estações)

• A subcamada LLC usa um serviço sem conexão e sem reconhecimento (quadros errados não são retransmitidos).

Page 277: Redes Industriais 30h

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SERCOS

• Camada de aplicação: composta de serviços tipo leitura e escrita de variáveis remotas (READ/ WRITE).

• SERCOS vem sendo utilizada também para interligar dispositivos em outras aplicações além das máquinas-ferramenta.

• Entre as aplicações mais usuais estão o controle de eixos de robôs industriais e conexão de sensores e atuadores binários.

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MODBUS• O protocolo MODBUS® foi criado em 1978 pela Modicon (hoje

Schneider Automation).

• O protocolo visava originalmente implementar uma maneira simples de transferir dados entre controladores, sensores e atuadores usando uma porta RS232 (serial convencional).

• Após sua criação, tornou-se padrão industrial “de-facto” adotado por muitas empresas com uma segunda opção para intercâmbio de dados.

• MODBUS® é um protocolo proprietário da Schneider Automation. No entanto, a Schneider Automation optou por uma licença sem royalties e as especificações do protocolo estão disponíveis em seu web-site gratuitamente.

• Home-Page: http://modbus.org/

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MODBUS• MODBUS® é uma estrutura de troca de mensagens usada para

comunicação tipo mestre/escravos entre dispositivos inteligentes.

• Como o protocolo MODBUS é somente uma estrutura de troca de mensagens, ele é independente da camada física subjacente.

• MODBUS é usualmente implementado usando RS232, RS422, ou RS485 sobre uma variedade de meios de transmissão (fibra, rádio, celular, etc.).

• Algumas variantes do protocolo original foram criadas posteriormente.

– MODBUS PLUS: é um protocolo de maior velocidade baseado em token passing e que usa a estrutura de mensagens do MODBUS original. Os chips MODBUS PLUS são disponibilizados pela Schneider Automation através de um programa chamado MODCONNECT.

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MODBUS– MODBUS TCP/IP: usa TCP/IP e Ethernet para transportar a

estrutura de mensagens MODBUS. MODBUS/TCP requer uma licença, mas as especificações são de acesso público e não há royalties. MODBUS TCP está disponível na página: http://www.modicon.com/openmbus.

• MODBUS suporta dois modos de transmissão:

ASCII: cada byte da mensagem é enviado como 2 caracteres ASCII.

RTU: cada byte da mensagem é enviado como 2 caracteres hexadecimais de 4 bits.

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Quadro MODBUS

• Address: contém 2 caracteres ASCII ou 8 bits RTU. Endereços válidos de escravos estão na faixa de 0 a 247 decimal. Endereços individuais estão na faixa de 1 a 247 (0 para broadcasting).

• Function: contém 2 caracteres (ASCII) ou 8 bits (RTU). Códigos válidos vão de 1 a 255 decimal. Este campo indica ao escravo que ação este deve executar. Exemplos: ler grupo de entradas; ler dados de um grupo de registradores; ler status do escravo para diagnóstico; escrever em um grupo de saídas ou registros; permitir carregamento, gravação ou verificação do programa no escravo. Quando o escravo responde ao mestre, este campo indica se a operação ocorreu sem erros (ecoa dado recebido) ou se é uma resposta de exceção (ecoa dado recebido com Msb em 1).

ADDRESS FUNCTION DATA CHECKSUM

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MODBUS

• Data: usa 2 dígitos hexadecimais na faixa de 00 a FFh. Estes podem ser 2 caracteres ASCII ou um RTU. Contém dados adicionais para uso do escravo (endereços de portas de I/O ou registros, quantidades de itens a manipular, etc.). Se não houverem erros, este campo retorna o valor solicitado ao escravo. Se houver erro, este campo retorna um código de exceção. Este campo pode ser vazio.

• Checksum: são usados 2 tipos de checagem de erros (LRC ou CRC), dependendo do modo de transmissão (ASCII ou RTU)

• Mais detalhes: MODBUS protocol guide na página http://www.modicon.com/techpubs/toc7.html.

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Redes IBM

- A IBM oferece uma série de soluções para a interconexão de equipamentos de chão de fábrica, incluindo, entre outros:

- Redes compatíveis com o modelo OSI, tais como MAP

- Rede Token-Ring (IEEE 802.5)

- Rede Token-Bus (IEEE 802.4)

- Diversos softwares para redes (NetBios, PC-LAN, LAN-Server, etc.)

- Redes baseadas em uma arquitetura própria denominada SNA (Systems Network Architecture)

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Redes IBM - SNA

Aplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

Usuário

serviços NAU

Fluxo Dados

Controle Transmissão

Controle Caminho

Controle Enlace

Ligação Física

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Produtos: Conclusão• Grande variedade de produtos para redes de

comunicação no mercado

• A maioria dos produtos comerciais existentes foram desenvolvidos para aplicações em automação de escritórios

• Já há produtos específicos para automação

• Consenso sobre a necessidade de definir sistemas de comunicação padronizados

• Metas:

– Interoperabilidade

– Intercambiabilidade