Redes Industriais de Comunicação

Universidade Estadual de Londrina

Classificação

Redes Industriais

Redes de controle Interligam o equipamentos e sistemas inteligentes de controle, como

por exemplo: CLP´s, SDCD´s, etc.

Entre os principais tipos tem-se: Profibus HSE, Microsoft (Ethernet, TCP/IP)

Fazem troca de dados entre equipamentos e o sistema administrativo

Classificação

Redes de dispositivos subordinadas a um equipamento inteligente de controle, como por

exemplo SDCD, CLP ou computador com software adequado.

Redes de processos para comunicação entre equipamentos de campo (sensores, atuadores,

etc.) e sistemas inteligentes (SDCD, CLP). Exemplos: HART, Foudantion Field Bus, Profibus PA, etc.

Redes abertas são redes que suportam equipamentos e dispositivos de diferentes

fabricantes. Vantagens: não gera dependências ou limitações, é mais versátil para

controlar o processo. Desvantagens: possibilidade de falhas de comunicação, velocidades

variáveis de comunicação, domínio do protocolo de cada fabricante

Redes proprietárias são redes utilizadas pelos fabricantes para estabelecer a conectividade

entre seus equipamentos. Vantagens: estabilidade de comunicação, facilidade de instalação de novos equipamentos Desvantagens: utiliza um único fabricante, dependência de upgrades dedicados

Par trançado Possui dois tipos de construção: com blindagem (shielded) e sem

blindagem (unshielded)

Cabos par trançado sem blindagem (UTP – Unshielded Twisted Pair) - aplicados em telefonia e em redes de alta velocidade - quanto mais apertado o enrolamento, maior a taxa de transmissão.

Meios Físicos de Transmissão

Cabos par trançado com blindagem (STP – Shielded Twisted Pair)

- Para ambientes sujeitos a interferências

Cabos coaxial - Em algumas aplicações é mais eficiente que o par trançado

Fibra ótica - Constituída por um núcleo de fibra de vidro, envolvido por várias

camadas de material isolante - Ideal para grandes distâncias

Controle centralizado

Tipos de Controle

Controle ponto a ponto

Controle produtor-consumidor

Sistema digital de controle distribuído (SDCD)

A escolha das tecnologias de redes de comunicação a serem utilizadas

depende dos requisitos de cada aplicação.

A IEC 61158 Comunicação Digital para Medição e Controle Fieldbus

para Uso em Sistemas de Controle Industrial, considerou um padrão multi-opção, que inclui oito protocolos de campo:

(Type 1) - Fieldbus Foundation H1, (Type 2) - ControlNet; (Type 3) – PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) (Type 4) - P-Net; (Type 5) - Fieldbus Foundation High-Speed Ethernet; (Type 6) - SwiftNet; (Type 7) - WorldFIP; e (Type 8) - Interbus-S.

IEC 61158 Fieldbus Standard

Pirâmide da Automação

Modbus

SensorBus

DeviceBus

FieldBus

DataBus

Aplicações nas Plantas Industriais

Nível 4 Administração Corporativa

Nível 3 Gerenciamento de Produção

Nível 2 Sistemas de Supervisão

Nível 1 Dispositivos de Controle

Nível 0 Sensores / Atuadores

Nível 2 - DataBus Computadores (Hosts)

Nível 1 - FieldBus Dispositivos Inteligentes

Nível 0.5 - DeviceBus E/S e Periféricos

Nível 0 - SensorBus Dispositivos

Dispositivos Redes

Nível 0 - SensorBus

Sensores e Atuadores tipicamente discretos

Mensagens de dados de alguns bits

Frequência de comunicação de dezenas de milisegundos

Distância de dezenas de metros

Concepção determinística

Nível 0.5 - DeviceBus

Distribuição de periféricos de controle

Mensagens de dados de bytes ou words

Frequência de comunicação de dezenas de milisegundos

Distância de centenas de metros

Concepção determinística

Nível 1 - FieldBus

Integração entre unidades inteligentes

Mensagens de dados de words ou blocos

Frequência de comunicação de centenas de milisegundos

Distância de centenas de metros

Modbus+

Nível 2 - DataBus

Transferência maciça de dados entre equipamentos

Mensagens de dados de blocos ou arquivos

Frequência de comunicação de segundos ou minutos

Grandes distâncias (LAN / WAN / Internet)

ETHERNET FDDI MAP

Estrutura das Redes - Modelo OSI (Open System Interconnection)

Física

Rede

Transporte

Sessão

Apresentação

Aplicação

Ligação

Utilização da Rede (serviços)

Formatação e codificação de dados

Alocação de recursos para a aplicação e sincronização

Transferência de informações

Roteamento de informações

Estruturação, acesso e checagem de erros

Transmissão de dados binários através do meio de comunicação

Assunto a ser tratado

Linguagem comum

Enquanto um fala o outro escuta

Central telefônica

Sistema de comunicação

Conversão da voz em sinal modulado

Sinal elétrico e linha telefônica

Exemplo

Estrutura da Rede Ethernet TCP/IP (DataBus)

Física

Rede

Transporte

Sessão

Apresentação

Aplicação

Ligação

Par Trançado / Coaxial / FO

Internet Protocol

Transmission Control Prot.

CSMA - CD

A Ethernet foi criada antes do modelo OSI

Estrutura Típica Sensor/Device/FieldBus

As camadas estão implementadas em componentes padronizados e intrínsecos aos dispositivos simplificando a estrutura a apenas três níveis.

Física

Rede

Transporte

Sessão

Apresentação

Aplicação

Ligação

Multiplos Meios Físicos

ASIC / Chip Set

Drivers / Software

Critérios para Dimensionamento

Meio Físico de Comunicação Cobertura Geográfica (Topologia e Distância) Método de Acesso Desempenho (Velocidade x Throughput) Confiabilidade (Determinística x Probabilística) Protocolo de Comunicação

Meios Físicos de Comunicação

Elemento físico utilizado para a propagação de dados

Jacket of PVC or Teflon

Jacket made of PVC or Teflon

Cabo Coaxial

Cabo de Par Trançado

Fibra Óptica Radio Frequência

Cobertura Geográfica

Topologia: forma de interligação dos elementos na Rede

Distância: espaço máximo coberto pelo meio físico de comunicação utilizado pela Rede.

BARRAMENTO (BUS)

ANEL (RING)

ESTRELA (STAR)

ÁRVORE (TREE)

Método de Acesso

Polled Access Pergunta-Resposta (Query - Response)

Mestre-Escravo

Token Access Equalização de Acesso à Rede

Redes Peer-to-Peer

Carrier Sense Multiple Access (CSMA) Acesso Aleatório

Cliente-Servidor

Método de Acesso

Mestre / Escravo

Pergunta

Resposta

Método de Acesso

Token Ring

Método de Acesso

Desempenho da Rede

Velocidade: Taxa de transferência total de dados por unidade de tempo. Considera informações (dados úteis) e o envelope de comunicação

(dados de controle do protocolo).

Throughput: Taxa de transferência de informações por unidade de tempo. Considera apenas os dados efetivamente úteis para os integrantes

da rede.

bps

Confiabilidade

Redes Probabilísticas: Permite apenas calcular a probabilidade da transferência de

informações ocorrer em um determinado intervalo de tempo.

Redes Determinísticas: Permite determinar com precisão o tempo necessário para a

transferência de informações entre os integrantes da rede.

Confiabilidade

Checagem de erros: É feita por meio de algoritmo utilizado para garantir a integridade

dos dados transferidos na rede.

Exemplos: Paridade:

Probabilidade de 50 % CRC-16 (Ciclical Redundant Check 16 bits):

Probabilidade de 10-15 %

Considerações Adicionais

Compatibilidade Rede - Ambiente (Física / Elétrica) Baixo Custo (Projeto / Instalação / Produtos) Fácil Instalação / Configuração / Expansão Procedimento de Manutenção Simples Quantidade de Dispositivos Tecnologia Consolidada Disponibilidade de Produtos

Protocolos de Comunicação

AS-i (Actuator Sensor Interface)

PROFIBUS (PROcess FIeld BUS)

Foudation Field Bus

Protocolo ASI (Actuator Sensor Interface)

ASI surgiu em 1990, quando empresas se uniram em um consórcio para tornar seus equipamentos compatíveis

Foi concebida como um sistema monomestre com comutação Cyclic polling (processo de varredura), neste sistema somente o mestre insere dados nos escravos em intervalos de tempo definidos.

Foi desenvolvida para atender aos requisitos de comunicação a nível de “chão-de-fábrica”.

Características

Classificação: SensorBus Ampla oferta de produtos Topologia:Barramento / Anel / Estrela / Arvore Tempo de Ciclo c/ 256 Discretas (16 Nós c/ 16 E/S): 4.7ms Max. número de nós 248 E/S (31 dispositivos) Distância Máxima: 100 metros / 300 c/ repetidor Mestre-Escravo c/ pooling cíclico

Níveis de Aplicação

Nível de gerenciamento: computadores são conectados uns com os outros, às vezes fábricas inteiras via Ethernet; o volume de dados é da ordem de megabyte e não precisa ser em tempo real;

Nível de produção e processo: cada vez mais o PROFIBUS está se difundindo; o tipo DP com 12Mbit/s é perfeito para altas exigências;

Nível de atuadores e sensores: a rede AS-i consagrou-se com mais de um milhão de pontos já instalados;

Arquitetura Típica

Sensores Inteligentes

Sensores

Partida de Motores

Interfaces

Máquina

Interfaces de Operação

Painel

Gateway

Fonte

Processo com Rede ASi

Acessórios

Cabo

Derivador para dispositivo ASi

Derivador para dispositivo convencional

Cabo plano AS-i

Conectividade

Interoperabilidade

Interoperabilidade

Protocolo PROFIBUS

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.

Protocolo PROFIBUS

É uma rede de campo aberta, independente dos fabricantes, ao alcance de uma larga variedade de aplicações de manufatura e processos de automação

A sua independência e a garantia de ser uma rede aberta é assegurada pelas normas internacionais

A comunicação entre dispositivos de diferentes fabricantes ocorre sem ajustes especiais

Pode ser usado em tarefas que requerem comunicação em tempo real, alta velocidade e de comunicação complexa

Perfis de comunicação PROFIBUS – DP (Distribuited Process) PROFIBUS – PA (Process application) PROFIBUS – FMS (Fieldbus Massage Especification)

Protocolo PROFIBUS

PROFIBUS DP É o perfil de comunicação mais utilizado Otimizado para velocidade, eficiência, baixos custos de ligação e está

projetado para comunicações entre sistemas de automação e periféricos distribuídos

PROFIBUS PA Permite conectar sensores e atuadores até mesmo em um barramento

comum em áreas intrinsicamente seguras Pode ser usado com tecnologia 2 fios de acordo com o padrão

internacional IEC 1158-2

Protocolo PROFIBUS

PROFIBUS – FMS Solução de propósito geral para comunicação de tarefa ao nível de

célula Os recursos FMS poderosos abrem um amplo alcance de aplicações

com grande flexibilidade Pode ser usado para tarefas de comunicação extensas e complexas

Protocolo PROFIBUS

Profibus DP / PA

Classificação: Devicebus Mais de 300 fornecedores de equipamentos Topologia:Linha / Estrela / Anel Velocidade de transmissão: DP - Máx: 12 Mbps ; PA - Max: 31.25 kbps Tempo de Ciclo c/ 256 Discretas (16 Nós c/ 16 E/S): < 2.0 ms (dependente

da configuração) Max. número de nós: 127 Distância Máxima: 100m entre segmentos (12Mbaud) ; 24Km (Dependente

do meio e do Baudrate) Mestre-Escravo - “peer to peer”

• Inserindo Mestre • Inserindo Escravos

Configuração Profibus DP/PA

• GSD - Identificador do dispositivo

Configuração Profibus DP/PA

• Configuração do sistema via software

Profibus DP / PA

Foundation Fieldbus - H1

Classificação: Fieldbus Crescente número de fornecedores de equipamentos Topologia: Barramento / Estrela Velocidade de transmissão: 31.25 kbps Tempo de Ciclo c/ 256 Discretas (16 Nós c/ 16 E/S): < 100 ms Max. número de nós: 240 /segmento - 65.000 segmentos Distância Máxima: 1900m (31.25 K) Cliente / Servidor - Notificação de eventos

Arquitetura Típica Foundation Fieldbus H1

Arquitetura Típica Foundation Fieldbus HSE

HSE – high speed ethernet trabalha a 100 Mbits/s e fornece integração de controladores de alta velocidade (CLP´s) e subsistemas

Principais Tecnologias Existentes

Modbus

ETHERNET

Não existe uma solução única que atenda a todas as necessidades de comunicação de dados

em automação industrial.

Conclusões

As linguagens de programação de CLP´s já seguem um padrão, sendo que as mais utilizadas são Ladder e Grafcet;

As outras linguagens estão difundindo-se; Atualmente, as redes industriais são aplicadas, na maioria das vezes, em

processos de grande porte; Os protocolos mais aplicados, ultimamente, são o Profibus e ASi; Em pequenos processos, o custo da instalação de redes é razoavelmente

alto; A tendência é de que as redes sejam mais utilizadas, mesmo em processos

de pequeno porte. Não existe uma solução única que atenda a todas as necessidades de um

processo de comunicação de dados em automação industrial.