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REDES
Prof. Eduardo Bonamini
Necessidade da indústria pela integração de equipamentos e dispositivos em todos os níveis de automação
Necessidade de tecnologias de comunicação de dados especificamente desenvolvidas para atender os requisitos industriais
Redes Industriais
Objetivos: – Melhorar o rendimento do controle de processos de uma indústria – Aumentar eficiência, qualidade e segurança nosistema produtivo – Facilitar a instalação dos equipamentos
– Fornecer diagnósticos rápidos e detalhados – Facilitar a manutenção – Configurar dispositivos com maior rapidez – Utilizar menor quantidade de fios – Reduzir custos
• Histórico: – Década de 60:• Transmissão analógica (0-10V ou 4-20 mA).• Painel de instrumentos conectados diretamente aos transdutores ou atuadores. – Década de 70:• Transmissão digital (controle digital direto entre controlador e os dispositivos de entrada/saída).• Controlador Lógico Programável (CLP).
• Histórico: – Década de 90:• Redes de controladores de lógica programável(controle distribuído–Fieldbus).• Controlador Programável (CP) e software supervisório central, que gerencia alarmes, receita se relatórios. – Atualmente:• Redes que interligam dispositivos de campo inteligentes (sensores e atuadores), CLPs, etc.
Nível de campo: – Rede de dispositivos de campo (sensores, atuadores, etc.)• Nível de controle: – Rede de equipamentos inteligentes de controle como CLP’s oucomputadores• Nível de gerência: – Rede de equipamentos e sistemas inteligentes de controle como CLP’s, SDCD’s (Sistemas Digitais de Controle Distribuído), etc. – Neste nível há a troca de dados entre equipamentos e o sistema administrativo
Níveis Hierárquicos de Redes Industriais
Níveis Hierárquicos de Redes Industriais
Níveis Hierárquicos de Redes Industriais
Níveis de Redes Industriais
Nível 0 – Sensores e Atuadores – Instrumentação• Nível 1 – Dispositivos de Controle: PLC’s, Remotas de sistemas digitais de controle distribuídos (SDCD’s)• Nível 2 – Sistemas de Supervisão: Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA), interface homem-máquina (IHM) e otimizadores de processo dentro do conceito de APC( Advanced Process Control )’
Níveis de Redes Industriais
Nível 3 –Gerenciamento da Produção:MES (Manufacturing Execution System)
PIMS (Process Information Management System) –APS (Advanced Planning and Scheduling ) –LIMS (Lab Information System) –Sistemas de Manutenção (Maintenance Management System) –Sistema de Gestão de Ativos (Asset Management System)
Redes Industriais
Nível 4 –Sistemas Integrados de Gestão Empresarial Administração Corporativa ERP - Enterprise Resource Planning • Nível 5 Data Warehousing corporativos – Utilizado para armazenar informações relativas às atividades de uma organização em bancos de dados – EIS (Executive Information Systems) –tem como objetivo principal dar suporte à tomada de decisão.
Redes – Nível 2 – Databus (Computadores Hosts) – Nível 1– Fieldbus (Dispositivos inteligentes) – Nível 0 - Devicebus (E/S e periféricos),Sensorbus (dispositivos)
Sensorbus – Rede utilizada para ligar sensores e atuadores. – Transferência rápida – Baixo custo – Distância máxima: 200 metros – Exemplo: AS-I e CAN
Devicebus – rede utilizada para conectar dispositivos mais genéricos como CLPs, remotas de aquisição de dados e controle, etc. – Transferência rápida – Distância máxima: 500 metros – Exemplo: DeviceNet, Profibus DP eModbusPlusRedes Industriais
Fieldbus – rede de equipamentos que desempenham funções específicas de controle. – Transferência mais lenta e opera com váriostipos de dados (analógicos, digitais, parâmetros, programas, informações para o usuário). – Distância: até 10 km – Exemplo: HART, Profibus FMS, Fieldbus Foundation
Databus – rede de comunicação que conecta os sistemas de supervisão aos sistemas informáticos de gestão. – Grande volume de dados – Transferência lenta – Exemplo: EthernetRedes Industriais
AS-I – ACTUATOR SENSOR INTERFACE
–Originalmente concebida para interligar sensores e atuadores com operação somente de LIGA/DESLIGA –Utiliza cabo comum a todos os elementos da rede –Até 100 metros –Normas: EN50295, IEC 62026-2 –Sistema Mestre/Escravo (Varredura dos escravos) –1 mestre por rede –31 escravos
AS-I – ACTUATOR SENSOR INTERFACE
– O mestre possibilita as funções de diagnóstico, monitoramento contínuo da rede, reconhecimento de falhas e atribuição de endereço correto quando um nó é removido para manutenção – É possível trocar ou adicionar escravos durante aoperação normal, sem interferir na comunicação com os outros nós. Cada um destes dispositivos tem um endereço único na rede, devendo este estar entre o endereço 1 a 31Redes Industriais
AS-I – ACTUATOR SENSOR INTERFACE
CAN – CONTROLLER AREA NETWORK
– Desenvolvido originalmente pela BOSCH para integrar elementos inteligentes em veículosautônomos, com o intuito de eliminar a grandequantidade de fios nos automóveis Mercedes. – Padronizada pela ISO 11898 e 11519. – Protocolo de comunicação serial síncrono.
CAN – CONTROLLER AREA NETWORK –
Apresenta as seguintes vantagens:•
Simplificação do cabeamento (custo, confiabilidade, reduçãoda necessidade de manutenção)•
Flexibilidade (facilidade de implementação de modificações naestrutura da rede)•
Velocidade de comunicação atendendo a requisitos de temporeal do sistema•
Facilidades para acesso aos diversos nós da rederemotamente (monitorando, alterando dados e diagnosticandofalhas) –
A partir de 1991, vários fabricantes foram licenciadospara a fabricação dechipspara CANRedes Industriais
CAN – CONTROLLER AREA NETWORK
–Apresenta as seguintes vantagens: • Simplificação do cabeamento (custo, confiabilidade, redução da necessidade de manutenção) • Flexibilidade (facilidade de implementação de modificações na estrutura da rede) • Velocidade de comunicação atendendo a requisitos de tempo real do sistema • Facilidades para acesso aos diversos nós da rede remotamente (monitorando, alterando dados e diagnosticandofalhas) – A partir de 1991, vários fabricantes foram licenciados para a fabricação dechipspara CAN
CAN – CONTROLLER AREA NETWORK – Características do Protocolo: • Priorização de mensagens; • Flexibilidade de configuração; • Recepção do multicast com sincronia de tempos; • Multimestre, produtor-consumidor; • Detecção e sinalização de erros; • Retransmissão automática de mensagens corrompidas assim que o barramento estiver ativo novamente;• Distinção entre erros provisórios e falhas permanentes dos nós
CAN – CONTROLLER AREA NETWORK
– Características do Protocolo: • Topologia: barramento ou estrela; • Taxa de transmissão: de 125 kbps ou 1 Mbps; • Comprimento máximo do barramento: 1 km para125 kbps e 40m para 1 Mbps; • Número máximo de nós: 16; • Codificação de bits: NRZ (Non Return to Zero); • Meio de transmissão: usualmente par trançado ou fibra ótica
HART – Highway Addressable Remote Transducer
– Desenvolvido pela Fisher Rosemount em meados da década de1980 como um protocolo proprietário. – A partir de 1990, o HART tornou-se um padrão aberto. – HART é um protocolo digital, mas aceita também comunicação analógica no padrão 4-20mA. – Compatível com a enorme base instalada analógica existente nomundo, além de possibilitar o uso de instrumentos inteligentes emcima dos cabos 4-20 mA tradicionais. – Os dispositivos capazes de executarem esta comunicação híbrida são denominados smart .Redes Industriais
HART – Highway Addressable Remote Transducer
– Características do protocolo HART: • Meio físico: par trançado; • Taxa de Transmissão: 1200 bps; • Transmissão assíncrona a nível de caracteres UART(1 start bit , 8 bitsde dados, 1bit de paridade e 1stop bit ); • Tempo médio de aquisição de um dado: 378,5 ms; • Método de acesso ao meio: Mestre/escravo;
HART – Highway Addressable Remote Transducer
–Características do protocolo HART: • Topologia: Ponto a ponto ou multidrop, onde todos os componentes são conectados pelo mesmo cabo. O protocolo permite o uso de até dois mestres. O mestre primário é um computador ou CLP ou multiplexador. O mestre secundário é geralmente representado por terminais hand-held De configuração e calibração;
HART – Highway Addressable Remote Transducer –Características do protocolo HART:•Modulação: O sinal Hart é modulado em FSK (Frequency Shift Key ) e é sobreposto ao sinal analógico de 4-20 mA.Para transmitir 1 é utilizada a frequência de 1200 Hz.Para transmitir 0 é utilizada a frequência de 2400 Hz. A comunicação é bidirecional.O sinal FSK é contínuo em fase, não impondo nenhumainterferência sobre o sinal analógico.
HART – Highway Addressable Remote Transducer – A distância máxima do sinal HART é de cercade 3000m com cabo com um par trançadoblindado e de 1500m com cabo múltiplo comblindagem simples.
MODBUS –Desenvolvido e publicado pela Modicon Industrial AutomationSystems em 1979 para uso do seu CLP, tornou-se um padrão defato na indústria. –É um dos mais antigos protocolos utilizados em redes decontroladores lógicos programáveis para aquisição de sinais deinstrumentos e comandar atuadores usando uma porta serial. – Atualmente parte do grupo Schneider Electric, a Modicon colocouas especificações e normas que definem o Modbus em domíniopúblico. –O protocolo é utilizado em milhares de equipamentos existentes eé uma das soluções de rede mais baratas a serem utilizadas emautomação industrial.Redes Industriais
MODBUS –MODBUS é usualmente implementado usando RS232, RS422 ou RS485sobre uma variedade de meios de transmissão. – A tecnologia de comunicação no protocolo é o mestre-escravo, sendo quesomente um mestre e no máximo 247 escravos podem ser conectados àrede. – A comunicação é sempre iniciada pelo mestre, e os nós escravos não secomunicam entre si. O mestre pode transmitir dois tipos de mensagensaos escravos, dentro de uma mesma rede:•Mensagem tipounicast : o mestre envia uma requisição para um escravodefinido e este retorna uma mensagem-resposta ao mestre (requisição eresposta);•Mensagem tipobroadcast : o mestre envia a requisição para todos os escravos,e não é enviada nenhuma respostas para o mestre.
MODBUS –Existem dois modos de transmissão:• ASCII (American Code for Informastion Interchange), ondecada byte de mensagem é enviado como 2 caracteres ASCII•RTU (Remote Terminal Unit) onde cada byte da mensagem éenviado como 2 caracteres hexadecimais de 4 bits, que sãoselecionados durante a configuração dos parâmetros decomunicação. Eles definem o conteúdo dos campos damensagem transmitida serialmente. – As topologias físicas usadas pelo MODBUS são:•Ponto a Ponto com RS-232•Barramento Mutiponto com RS-485
MODBUS
MODBUS –Tipos de Protocolo MODBUS:•MODBUS TCP/IP: usado para comunicação entre sistemas desupervisão e controladores lógicos programáveis. O protocolo Modbusé encapsulado no protocolo TCP/IP e transmitido através de redespadrão Ethernet com controle de acesso ao meio por CSMA/CD.•MODBUS PLUS: usado para comunicação entre de controladoreslógicos programáveis, módulos de E/S, chaves de partida eletrônicade motores, interfaces homem máquina etc. O meio físico é o RS-485com taxas de transmissão de 1 Mbps.•MODBUS PADRÃO: é usado para comunicação dos CLPs com osdispositivos de entrada e saída de dados, instrumentos eletrônicosinteligentes (IEDs) como relés de proteção, controladores deprocesso, atuadores de válvulas, etc., o meio físico é o RS-232 ouRS-485 em conjunto com o protocolo mestre-escravo.
PROFIBUS –PROcess FIeld BUS –PROFIBUS foi concebida a partir de 1987 em umainiciativa conjunta de fabricantes, usuários e dogoverno alemão. – A rede está padronizada através da norma DIN 19245incorporada na norma européia Cenelec EN 50170 etambém IEC61158 e IEC61784. –Padrão aberto de barramento de campo para uma largafaixa de aplicações em automação de fabricação eprocessos. –Pode atuar nos diversos níveis do processo industrial:ambiente de fábrica, processo e gerência.
PROFIBUS –PROcess FIeld BUS –Protocolos comunicações:•PROFIBUS DP (Descentralized Peripherical ): é o mais usadodentre os protocolos. Caracterizado pela velocidade, eficiênciae baixo custo de conexão. Foi projetado especialmente paracomunicação entre sistemas de automação e periféricosdistribuídos;•PROFIBUS FMS (Field Message Specification): é um protocolode comunicação geral para as tarefas de comunicaçõessolicitadas. Oferece muitas funções sofisticadas de aplicaçõespara comunicação entre dispositivos inteligentes;•PROFIBUS PA (Process Automation): Define os parâmetros eblocos de funções dos dispositivos de automação de processo,tais como transdutores de medidas, válvulas e IHM (InterfaceHuman Machine);
PROFIBUS –PROcess FIeld BUS •PROFINet (Profibus for Ethernet ): Comunicaçãoentre CLPs e PCs usando Ethernet/TCP-IP;•PROFISafe: para sistemas relacionados asegurança;•PROFIDrive: para sistemas relacionados a controlede movimento.
PROFIBUS –PROcess FIeld BUS –Os meios de transmissão:RS485, RS485-IS, MBP e aFibra Óptica.•O RS485 é o mais empregado. Utilizando um cabo de par trançado, possibilita transmissões até 12 Mbits/s. Usadoquando grandes velocidades são necessárias. O RS485-IS éum meio de transmissão a 4 fios para uso em áreas explosivas.•O MBP (Manchester code bus powered ) é um meio detransmissão usado em aplicações na automação de processoque necessitem de alimentação através do barramento esegurança intrínseca dos dispositivos.
FOUNDATION Fieldbus –Padrão aberto que engloba diversas tecnologias aplicadas nocontrole de processos e automação industrial, tais como:processamento distribuído, diagnóstico avançado e redundância. –Sistema heterogêneo distribuído, composto por softwares deconfiguração e supervisão, equipamentos de campo, interfaces decomunicação e supervisão, fontes de alimentação pela própriarede que os interconecta. –Uma das funções dos equipamentos de campo é executar aaplicação de controle e supervisão do usuário que foi distribuídapela rede. Essa é a grande diferença entre FF e outras tecnologiascomo Hart ou Profibus, que dependem de um controlador centralpara executar os algoritmos Foundation Fieldbus.
FOUNDATION Fieldbus –O Foundation Fieldbus mantém muitas dascaracterísticas operacionais do sistema analógico 4-20mA, tais como uma interface física padronizada dafiação, os dispositivos alimentados por um único par defios e as opções de segurança intrínseca, mas ofereceuma série de benefícios adicionais aos usuários. –Este protocolo, que segue o padrão IEC 61158,apresenta dois tipos de aplicação: H1 e HSE.
FOUNDATION Fieldbus –O FF H1 é uma rede de transmissão de dados em tempo real paracomunicação com equipamentos de instrumentação e controle deplantas industriais, tais como transmissores atuadores econtroladores, podendo, inclusive, ser utilizado em aplicações querequeiram especificações quanto aos requisitos de segurançaintrínseca. –Possui taxa de transmissão de 31,25 Kbits/s e interconectadispositivos de campo. – A rede FF HSE (High Speed Ethernet) é uma rede de transmissãoque trabalha a 100 Mbits/s e fornece integração de controladoresde alta velocidade (CLPs), servidores, subsistemas FF HI (viadispositivos de acoplamento) e estações de trabalho.
FOUNDATION Fieldbus –Características:•Segurança intrínseca para uso em áreas perigosas, comalimentação e comunicação pelo mesmo par de fios;•Topologia em barramento ou em árvore, com suporte amúltiplos mestres no barramento de comunicação;•Comportamento previsível (determinístico), mesmo comredundância em vários níveis;•Interfaces padronizadas entre os equipamentos;•Modelamento de aplicações usando linguagem de blocosfuncionais;•Recomendado o uso de cabos STP desenvolvidosespecialmente para o protocolo.
