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1Aula III Redes Industriais

Universidade Federal da BahiaEscola PolitcnicaDisciplina: Instrumentao e Automao Industrial I (ENGF99)Professor: Eduardo Simas ([email protected])

Prof. Eduardo Simas DEE/UFBAENGF99 Instrumentao e Automao Industrial I (Aula III Redes Industriais)

Introduo

Muitas vezes, para que a informao medida em campo seja utilizadacorretamente, necessrio transmiti-la para o local onde vai serprocessada ou analisada.

As redes de comunicao industriais fazem este papel.

Entre as funes de uma rede industrial pode-se destacar:

Transmitir a informao medida nos sensores para as unidade deprocessamento ou para os sistemas de controle e superviso daplanta;

Transmitir os comandos enviados pelos sistemas de controle esuperviso para os elementos atuadores (motores, vlvulas, fornos,etc).

Neste mdulo sero estudados alguns padres de comunicao utilizadosem redes industriais.

2Prof. Eduardo Simas DEE/UFBAENGF99 Instrumentao e Automao Industrial I (Aula III Redes Industriais)

Introduo

Ao longo dos anos o modo de transmisso da informao nos ambientesindustriais foi gradualmente evoluindo em busca de tecnologias maisavanadas.

Atualmente os protocolos de redes de campo esto cada vez maisdifundidos.


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Fig. retirada de: L. A. Guedes (2005)Classificao das Redes para Automaoindustrial, Notas de Aulas DCA/UFRN

Introduo

As redes de comunicao por sinais eltricos foram introduzidas em ambientesindustriais a partir de da dcada de 1960 e permitiu a substituio de grandequantidade de tubos utilizados para a transmisso pneumtica.

Isso contribuiu para:

Reduzir os custos de instalao;

Reduzir o tempo de transmisso dos sinais.

Inicialmente os sensores geravam sinais analgicos que eram transmitidos para oselementos de controle (sistemas de superviso, computadores ou controladoreslgicos programveis CLPs).

A comunicao digital entre pequenos dispositivos de cho de fbrica s foiiniciada na dcada de 1980 e sua aceitao aumentou apenas na dcada seguinte.

Com o aumento da complexidade dos sistemas automatizados, foram propostosdiferentes protocolos (padres) de comunicao para redes industriais.

Se tornou necessrio trabalhar no sentido de uniformizar os protocolos e garantira interconexo de dispositivos de diferentes fabricantes.


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Introduo aos Sistemas de Comunicao


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Um sistema de comunicao simples formado por: fonte de informao,transmissor, canal (ou meio) de transmisso, receptor e destino.

O objetivo enviar o contedo de uma mensagem (informao) de umlocal (transmissor) para outro (receptor).


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Os sistemas de comunicao podem ser classificados quanto natureza dainformao transmitida em:

Analgico

Digital

Uma fonte de informao analgica pode ser convertida para digital porum processo chamado converso A-D (analgico-digital).

A converso A-D envolve a execuo de algumas etapas como:

Amostragem (amostras do sinal analgico devem ser tomadas aintervalos que respeite o limite de Nyquist para amostragem segura)

Quantizao (os valores da amplitude do sinal analgico soaproximados pelo nvel de quantizao mais prximo, esse processointroduz erros de quantizao)

Codificao (os nveis de quantizao so associados a palavrasdigitais)


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Transmisso Analgica x Digital

O termo analgico est relacionado palavra anlogo, pois o sinal queele representa tenta representar de modo fiel o processo fsicocorrespondente.

Para a obteno de um sinal digital a partir de sua representaoanalgica preciso realizar um processo conhecido como conversoanalgico-digital(embora existam sinais naturalmente discretos no tempo,i.e. a temperatura diria, o valor de uma ao no fechamento da bolsa devalores, etc).

Considerando que:

Grande parte dos fenmenos e sinais existentes naturalmente soanalgicos.

A converso analgico-digital sempre introduz erros de quantizao aosinal digitalizado.

Ento, porque o processamento digital to difundido atualmente ?


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Os circuitos digitais so mais tolerantes a variaes nos componenteseletrnicos;

O sinal digital mais imune ao rudo aditivo na transmisso (mais simples deminimizar o erro em cada bit, pois este s pode assumir os valores 0 ou 1);

A crescente disponibilidade de dispositivos para o processamento digital(computadores pessoais, sensores digitais equipamentos mveis, hardwarededicado, etc);

possvel utilizar sinais multiplexados por diviso no tempo.

Desvantagens:

So necessrias duas etapas adicionais para o processamento de um sinalanalgico (conv. AD e DA).

Os circuitos de processamento digital, em geral, consumem mais energiaque os analgicos, pois utilizam sempre dispositivos eletrnicos ativos nasua construo.


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Sinal analgico Sinal amostrado e quantizado



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no processo de codificao que osdiferentes nveis de quantizao soassociados s palavras digitais.

No exemplo ao lado uma codificao a 4 bits utilizada para representar at 16 nveis dequantizao diferentes.

O nmero de nveis de quantizao (NQ) quese pode representar funo do nmero debits (NB) de codificao utilizada:

O mximo erro de quantizao pode serestimado por:

Sendo x a faixa de excurso (range) da varivel.

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2



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Sinal digital

As informaes das amostras quantizadas do sinal analgico so representadas por palavras digitais

Anlise no Domnio da Frequncia

A informao contida num sinal pode ser melhor interpretada se ele foranalisado num domnio diferente do original.

As operaes matemticas que realizam uma mudana de domnio numafuno so chamadas de transformadas.

A Transformada de Fourier realiza a transformao de um sinal h(t) nodomnio do tempo para um sinal H(w) no domnio da frequncia:


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Anlise no Domnio da Frequncia

Neste slide so mostrados exemplos de um sinal no domnio do tempo x(t)e seu respectivo espectro de frequncias.

A presena de altas frequncias indica que o sinal no domnio do tempotem variaes rpidas.

Para sinais de udio as baixas frequncias correspondem aos sons graves eas altas frequncias aos agudos.


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Anlise no Domnio da FrequnciaExemplos de Pares da Transformada de Fourier


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Tcnicas de Modulao / Multiplexao

Para possibilitar a transmisso de mais de um sinal de informaocompartilhando o mesmo meio de transmisso necessrio utilizartcnicas de modulao ou de multiplexao.

As tcnicas de modulao consistem basicamente em aproveitardiferentes faixas do espectro de frequncia disponvel no meio detransmisso para enviar informaes de diferentes fontes ao mesmotempo (Exemplos: Modulao AM, FM, PM, ASK, QAM, etc).

De modo anlogo, o processo de Multiplexao tem o objetivo detransmitir diversas fontes de informao utilizando o mesmo meio, mas demodo intercalado ou multiplexado (Exemplos: Multiplexao por divisono tempo, multiplexao por diviso na frequncia, multiplexao pordiviso no comprimento de onda);


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Exemplo Modulao AM

Um sinal x(t) multiplicado por umaportadora senoidal defrequncia fixa econhecida f:

XAM(t)=x(t)sen(2ft + )

Deste modo ainformao de x(t) movida para a faixade frequncias emtorno de f.


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Exemplo Modulao FSK

Nesta forma de modulao a frequncia do sinal transmitido varia com ovalor do sinal de informao digital:


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Exemplo Multiplexao por Diviso no Tempo

Na multiplexao por diviso no tempo, as informaes digitais dediversas fontes so transmitidas por um mesmo meio de modointercalado no tempo (aproveitando intervalos de tempo que no seriamutilizados na transmisso de apenas um canal).

A taxa de transmisso de informao no meio a soma das taxasindividuais de cada fonte.


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Multiplexao por Diviso na Frequncia Os sinais de informao so deslocados da banda base para diferentes faixas de

frequncia e transmitidos ao mesmo tempo. Se no houver sobreposio nosespectros possvel recuperar a informao original de todos os canais.


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Introduo a Redes de Comunicao


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O Modelo OSI de 7 Camadas


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O modelo OSI (Open Systems Interconnection) foi definido com o objetivo depadronizar o modo de conexo de redes de dados, possibilitando a interconexoentre redes de diferentes padres e protocolos.

O padro define sete camadas, cada uma com funes prprias e bem definidas.

As camadas adjacentes se comunicam atravs de interfaces especficas.

Especificaes de Redes Industriais

As redes industriais, assim como as telecomunicaes de um modo geralexperimentaram uma ampla evoluo nos ltimos anos com apopularizao da internet e dos dispositivos mveis.

Para garantir que uma rede de comunicao atenda aos requisitos daplanta industrial devem ser considerados aspectos como:

Taxa de transmisso;

Topologia fsica da rede;

Meio fsico de transmisso;

Tecnologia de comunicao;

Quantidade de dispositivos;

Custos de instalao;

Confiabilidade e segurana.


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Meio Fsico de Transmisso


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Par tranado

Par tranado multipar (conector RJ45)

O par tranado um dos meios de transmissomais utilizados em telecomunicaes,principalmente pelo baixo custo e simplicidadede conexo.

Os pares tranados mais simples so utilizadosem aplicaes de telefonia, onde cada usuriorecebe um par de fios.

Em redes de computadores mais comum autilizao de pares tranados agrupados numcabo multipar.

Os pares tranados podem ser blindados(shielded) ou no blindados (unshieded). Ablindagem torna o cabo mais imune ainterferncias entre os pares e a rudos externos.

A depender da categoria possvel transmitir at100 Mbps (Fast Ethernet) usando parestranados.

Meio Fsico de Transmisso Os cabos coaxiais so altamente resistentes

interferncias de fontes externas de rudo.

Outra vantagem em relao ao par tranado poder suportar maiores distncias de transmisso.

Em compensao, o par tranado mais fcil deinstalar, mais barato e ocupa menos espao.

O conector mais utilizado para cabos coaxiais oBNC

A fibra ptica utilizada para transmisso de sinaisde luz no lugar de sinais eltricos. Deste modo ainterferncia eletromagntica eliminada.

Cabos de fibra ptica podem transmitir a distnciamuito maiores e ocupam espao significativamentemenor que os pares tranados e os coaxiais.

preciso utilizar conversores eletro-pticos nospontos de transmisso e recepo.


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Coaxial

Fibra ptica

Meio Fsico de Transmisso

Transmisso sem Fios

Atualmente os sistemas de comunicaosem fios so utilizados em diversasaplicaes.

O ar utilizado como meio detransmisso da informao.

Na indstria, os sistemas sem fioscontribuem para aumentar aflexibilidade e a simplicidade deinstalao.

Como desvantagem pode-se mencionara menor imunidade ao rudo, secomparado a sistemas com fios.


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Ocupao do Espectro Eletromagntico


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Frequncia x Comprimento de Onda:Sendo: - v a velocidade de propagao da onda, no caso da

onda eletromagntica v=c (velocidade da luz);- o comprimento de onda;- f a frequncia.

Formas de Utilizao do Meio Fsico


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Topologia Fsica (Exemplos)


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Ponto a ponto

Estrela Anel

Barramento

Redes de Comunicao Industriais


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Pirmide da Automao


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Pirmide da Automao


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Diagrama dos nveis 1,2 e 3 da pirmide deautomao.

Estes nveis estodiretamente ligados aoperao da planta.

Os nveis 4 e 5 estorelacionadas comaes gerenciais

Topologias de Redes Industriais

Barramento de campo distribudo:

Devido s caractersticas fsicas que normalmente existem nas instalaesindustriais (longas distncias, linhas de produo, etc), as redes industriaisutilizam muito a conexo via barramento.


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Topologias de Redes Industriais

Sistema de controle distribudo:

Os barramentos de campo de diferentes reas da indstria podem serconectados gerando um sistema de controle distribudo.


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Tecnologias de Comunicao

As redes industriais podem adotar diferentes formas de comunicao como:

Mestre-Escravo: o escravo um perifrico (dispositivos entrada/sada, drivers deacionamento de mquinas, atuadores, etc), que recebe uma informao doprocesso ou utiliza informaes de sada do mestre para atuar na planta. Eles sodispositivos passivos que somente respondem a requisies diretas vindas domestre. Uma rede de automao pode operar com apenas um (monomestre) oucom vrios mestres (multimestre) num mesmo barramento.

Produtor-consumidor: neste modelo os dados possuem um identificador nico deorigem ou destino, h uma economia na transmisso de dados, pois eles s soenviados aos dispositivos que os requisitarem. Quando um n da rede necessitade uma informao (consumidor) a solicitao anunciada na rede e outro n(produtor) que dispe da informao solicitada a envia.


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Padres Analgicos


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Padres Analgicos

Os padres de transmisso de informao a partir de sensores com sada analgicaainda so utilizados em plantas industriais (embora com aplicaes reduzidas).

O Padro ISA S50.1-1972 regulamenta o uso destes sinais. Os valores da varivel eltricadevem ser proporcionais aos sinais de informao a serem transmitidos.

Padres existentes:

0-5V, 0-10V, 1-5V, 2-10V, 4-20mA, 1-5mA, 0-20mA, e 10-50mA.

Padres de tenso:

So de fcil entendimento;

So bastante afetados pela impedncia da linha.

Padres de corrente:

Maior imunidade rudo;

Pode ser transmitido a longas distncias pois possui relativa independncia no quese refere ao comprimento do cabo.


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Padro 4-20 mA


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Padro 4-20 mA

Caractersticas:

Utiliza uma malha de corrente com variao de 4 a 20 mA.

A variao de corrente na malha em geral linearproporcionalmente varivel do campo.

Vantagens:

Imunidade ao rudo

No existe perda de sinal

Desvantagens:

No muito intuitivo o uso de variaes de corrente.


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Padro 4-20 mA

Malha de Corrente:


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Protocolo Hart


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Protocolo Hart

O protocolo Hart (Highway Addressable Remote Transducer) foidesenvolvido no incio dos anos 80 por Rosemount.

um protocolo aberto.

Em 1993 foi criado o HART Communication Foundation para proversuporte e gerenciar o protocolo.

Caractersticas:

Possibilita comunicao de forma digital entre dispositivos de campo econtroladores;

Comunicao bidirecional no interfere no sinal analgico 4 20 mA;

Utiliza chaveamento de frequncia (FSK) com frequncia de 1200 Hzpara binrio 1 e a frequncia de 2200 para binrio 0.


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Protocolo Hart


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Padro de modulao FSK utilizado no protocolo HART:

Protocolo Hart

A separao no domnio da frequncia permite a utilizao do mesmomeio de transmisso (em geral o par tranado) para o sinal analgico e osinal do protocolo HART.


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Protocolo Hart

Caractersticas: Taxa de transmisso de 1200 bps O valor indicado pelo sensor transmitido no sinal de 4 a

20 mA enquanto medidas adicionais, configurao,calibrao, etc.

Pequena variao de tenso

Tipos de comunicao entre dispositivos: mestre-escravo (um dispositivo mestre faz as solicitaes

de informao aos escravos); Brust (ou rajadas, neste modo os frames de dados so

enviados apenas quando necessrio); Etc.


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Protocolo HART

Exemplo de uma rede HART operandono modo mestre-escravo.

A estao de controle envia oscomandos para os dispositivos decampo solicitando as informaes.


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FIELDBUS


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Padro Fieldbus - Introduo

Fieldbus um termo genrico que descreve uma rede digital decomunicao usada para interligar dispositivos de campo.

Foi uma tentativa de estabelecer um padro para a interconexo dedispositivos.

Baseia-se em 4 premissas:

Substituio dos sinais analgicos (4-20 mA)

Maior interao com o campo

Interoperabilidade

Abertura do padro

O Fieldbus prov um sistema de comunicao:

digital

serial

bidirecional


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Fieldbus - Caractersticas

O padro opera nas seguintes taxas de transmisso: 31.25 Kbps, 1Mbps e2.5Mbps

Topologias:

Barramento com derivao

rvore

Ponto a ponto

Mista

Utilizao de par tranado com polaridade especfica.

Comprimento mximo:

1900m para taxa de 31.25Kbps

750m para taxa de 1Mbps

500m para taxa de 2.5Mbps


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Fieldbus - Dispositivos

Sensores

Controladores

Atuadores

Conectores

Blocos terminais

Host

Repetidores

Bridges

Gateways


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Fieldbus - Topologias


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Diagrama de Conexo de um Bloco Terminal


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Fieldbus Protocolo de Comunicao

Referncia ao modelo OSI com apenas trs das sete camadas

Camada fsica

Camada de enlace de dados

Camada de aplicao


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Fieldbus Protocolo de Comunicao


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Fieldbus - Concluses

O Fieldbus constitui uma tecnologia de ponta para a rea de automao.

Baseia-se na interconexo de dispositivos em um barramento comum.

Novas tecnologias surgiram baseadas no Fieldbus tais como:

Fieldbus Foundation,

Bitbus,

Lonkwork,

DeviceNet,

Modbus,

Profibus

entre outras.


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Em apresentaes complementares a esta iremos estudar os padres de

comunicao:

PROFIBUSCAN

AS-Interface


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Comparao entre Diferentes Tecnologias


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Comparao entre Diferentes Tecnologias


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Exerccios de Fixao

1. Comente a respeito da importncia das redes de comunicao em processos industriais atualmente.

2. Na converso de um sinal analgico que varia entre -1 e 1 V, para um sinal digital, supondo que foiutilizada uma representao a 10 bits, qual o mximo erro de quantizao esperado ?

3. No problema da questo 02, qual a taxa de bits produzida na converso AD quando o sinal analgico amostrado com uma frequncia igual a 1 kHz ?

4. Qual o valor de corrente esperado na sada de um sensor analgico (no padro 4 a 20 mA), quando:

1. O sensor mede uma temperatura que varia entre 10 e 40 oC e o valor instantneo medido 13 oC;

2. O sensor mede uma corrente eltrica que varia entre 0 e 4 A e o valor instantneo medido 1,4 A.

5. Explique o processo de separao dos sinais do protocolo HART do sinal analgico;


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Fontes Utilizadas

Na preparao deste material didtico foram utilizadas diversas fontes, entre asquais destacam-se:

O material de aulas do Prof. Jos Sergio da Rocha Neto da UFCG;

O livro Engenharia de Automao Industrial de Moraes e Castrucci, 2007.

O material disponvel no site da Profibus (www.profibus.com.br).

Das fontes listadas foram retirados alguns dos diagramas utilizados.


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Documents

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