Redes Industriais · MITCHELL, Ronald W. PROFIBUS – A Pocket Guide, ISA, 2004. ENGENHARIA...
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Redes Industriais
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Redes Industriais e supervisórios
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Redes Industriais e supervisórios
Definição de Redes Industriais
Dentro da automação industrial e/ou instrumentação, define-se
como rede industrial os protocolos de comunicação utilizados
para supervisionar e controlar um determinado processo, com
uma troca rápida e precisa de informações
entre sensores, atuadores, computadores, CLPs, entre outros.
Termos importantes:
Informação;
Integração;
Flexibilidade;
Confiabilidade;
Robustez;
Custo.
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Ementa
Redes industriais para automação: Conceitos, aplicações,
topologias, protocolos e padrões comerciais.
Sistemas supervisórios.
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AVALIAÇÃO DA APRENDIZAGEM:
Nota Bimestral 1:
50 pontos – avaliação bimestral.
20 pontos – 04 relatórios.
10 pontos – 01 Exercício avaliativo
20 pontos - prova colegiada.
Nota Bimestral 2:
50 pontos – avaliação bimestral.
20 pontos – 04 relatórios.
30 pontos – 02 Exercícios avaliativos
Guias de sala e relatórios: Dentro do prazo – 100%;
Uma semana de atraso – 70%
Depois de uma semana – Não será recebido.
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BIBLIOGRÁFIA BÁSICA
MONTEZ, C. Redes de Comunicação para Automação
Industrial. 2005.
LOPES, Ricardo A. Sistemas de Redes para Controle e
Automação. Editora Book Express, 2005.
MITCHELL, Ronald W. PROFIBUS – A Pocket Guide, ISA,
2004.
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BIBLIOGRÁFIA COMPLEMENTAR
1 - Hermann Kopetz, “Real-Time Systems: Design Principles for Distributed
Embedded Applications”, Kluwer Academic Publishers, Massachusets, USA,
1997.
2 - Nimal Nissanke, “Real-Time Systems”, Prentice Hall Europe, 1997.
3 - MARSHALL, Perry S. e RINALDI, Jonh S. Industrial Ethernet. ISA,
2005.4. J. R. Jordan, “Serial Networked Field Instrumentation”, John Wiley &
Sons Inc, New York, USA, 1995.
4 - BOYER, Stuart A. SCADA. Supervisory Control and Data Acquisition. 3rd
ed. ISA, 2004.
5 - Jean Pierre Thomesse, “A Review of the Fieldbuses”, Annual Reviews in
Control 22 (1998) pp. 35-45, Pergamon.
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• Sistema de Comunicação bidirecional em tempo real que permite a troca de informação digital entre os dispositivos de nível de campo e os dispositivos de controle.
PLC1 IHM
Sensor
PLC2 ALLEN-BRADLEY
7 8 9
4 5 6
1 2 3
. 0 -
<-----------------'
<
-
-
F1
F6
F2
F7
F3
F8
F4
F9
F5
F10
P a n e lVie w 5 5 0
< >
^
v
Driver
Módulo I/O
Válvulas
Robo
O que é uma Rede Industrial?
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Evolução das Arquiteturas de Controle e Automação Industrial
Centralizado
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Evolução Tecnológica
Centralizado
• necessidade de:
– maior velocidade;
– maior capacidade de memória;
– alta confiabilidade;
– cabeamento
– conectores
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Distribuído e Integrado
Evolução Tecnológica
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Em Rede Local
Evolução Tecnológica
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Evolução das Instalações
Blocos de E/S distribuídos ao
longo da fábrica.
Menor custo de instalação.
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Evolução das Instalações
Sensores e atuadores inteligentes.
Ganho funcional.
Baixo custo de instalação.
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Evolução das Instalações Tendência
Sensores e atuadores inteligentes.
Ganho funcional.
Baixo custo de instalação.
Sistema aberto
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Internet das Coisas (IoT)
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Indústria 4.0 – Arquitetura Básica
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A rede convergente
As primeiras redes de dados limitavam-se a trocar informações baseadas em
caracteres entre sistemas de computadores conectados.
O telefone, o rádio e as redes de televisão tradicionais foram mantidos separados de
redes de dados.
Antigamente, cada um desses serviços exigia uma rede dedicada, com diferentes
canais de comunicação e tecnologias diferentes para carregar um sinal de
comunicação específico.
Cada serviço possuía seu próprio conjunto de regras e padrões para assegurar a
comunicação bem-sucedida.
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Computação em nuvem
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Controladores na neblina
Sensores recolhem dados e encaminham essas informações aos controladores. O
controlador pode encaminhar qualquer informação reunida pelos sensores para
outros dispositivos na neblina, como mostrado na figura.
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Sensores habilitados por IP
Alguns sensores e atuadores são compatíveis com TCP/IP, o que exclui a
necessidade de um controlador.
Neste exemplo, o gateway desempenha a função de roteamento necessária para
fornecer conectividade com a Internet para dispositivos habilitados por IP.
Os dados que esses dispositivos geram podem ser transportados para um servidor
regional ou global para análise e processamento.
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Redes industriais - Conceitos
O Sistema de Comunicação possui:
• Topologia;
• Meio de transmissão;
• Protocolos.
Escravos
Mestres
Token
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Redes industriais - Conceitos
O Sistema de Comunicação possui:
• Topologia: forma de interligação dos elementos
na Rede
BARRAMENTO
(BUS)
ANEL
(RING)
ESTRELA
(STAR)
ÁRVORE
(TREE)
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Redes industriais - Conceitos
O Sistema de Comunicação possui:
• Protocolos: Régras de comunicação entre
dispositivos
Modbus +
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•Fieldbus é um termo genérico para sistemas de comunicação
serial industrial.
Representa um sistema de comunicação digital bidirecional que
interliga equipamentos inteligentes de campo com sistemas de
controle ou equipamentos localizados na sala de controle.
Porém ocorria um problema: existiam vários fabricantes de
CLPs e milhares de fabricantes de dispositivos de entrada e
saída.
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No ano 2000 foi definida uma norma na tentativa de se
padronizar as redes de automação industrial, norma IEC 61158,
que é composta pelas redes:
• Controlnet;
• Profibus;
• Interbus;
• P-Net;
• WorldFIP;
• SwiftNet;
• Fieldbus Foundation.
Redes industriais - Conceitos
O Sistema de Comunicação possui:
• Meio de transmissão: Elemento físico utilizado
para a propagação de dados
485 - Par
Trançado Coaxial
Ethernet
Radio
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As redes industriais são padronizadas sobre 3 níveis de
hierarquias cada qual responsável pela conexão de diferentes
tipos de equipamentos com suas próprias características de
informação.
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• Information Layer:
- o escalonamento da produção
- operações de monitoramento estatístico
- utiliza Ethernet operando com o protocolo TCP/IP.
• Control Layer:
- nível de controle da rede
- incorpora PLCs, DCSc e PCs
• Discrete control:
- ligações físicas da rede ou o nível de I/O.
- conecta os equipamentos de baixo nível tais como
sensores discretos, contatores e blocos de I/O.
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Tipos de controle e dispositivos
Sentido de transmissão
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Sentido de transmissão
Canal Simplex: Direção de transmissão é inalterada.
Por exemplo: uma estação de rádio.
Canal Half-duplex: Direção pode ser revertida.
As mensagens podem fluir nas duas direções, mas nunca ao
mesmo tempo.
Canal Full-duplex: Permite que mensagens sejam trocadas
simultaneamente, em ambas as direções.
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Há dois métodos de transmissão de um sinal
elétrico
Single Ended - Um fio que carrega o sinal e outro de
referência;
Se houver N sinais para transmitir, haverá N + 1fios;
Desvantagem tem apenas um fio de retorno;
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Diferencial – Transmissão por pares de fios;
Há dois métodos de transmissão de um sinal
elétrico
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O meio de transmissão de dados serve para oferecer suporte ao
fluxo de dados entre dois pontos. Em ambiente industrial
apresenta características e necessidades especiais:
• ambiente hostil para operação;
• a troca de informações se dá, na maioria das vezes, entre
equipamentos e não entre um operador humano e o
equipamento;
• os tempos de resposta e a segurança dos dados podem ser
críticos;
• uma grande quantidade de equipamentos pode estar
conectada na rede, o que torna a questão de custos muito
importante.
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Modos de transmissão
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Modos de transmissão
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Características :
-Instalação média dificuldade - custo
alto - Taxa de transmissão: alta -
dezenas de Gbps
- Cabo longo (ordem de Km) -
Totalmente Imune à Interferência
eletromagnética
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Radiofrequência – Wireless
Características :
- Instalação simples - custo baixo
- Taxa de transmissão: média - dezenas de Mbps - Alcance
médio (centenas de m) - Média imunidade a Interferência
eletromagnética
CAN = Control Area Network
Criado e normalizado pela Bosh na década de 80 (ISO IS-
11898-2);
Sistema balanceado – referenciado ao terra no positivo e no
negativo (o sinal trafegado é a diferença entre CANH e CANL);
Distância máxima = 500 metros (para 125Kbps);
Taxa de transmissão máxima = Até 1Mbps (mais comum até
500Kbps).
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CAN = Control Area Network
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Application information.
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Manchester/APM
● A codificação Manchester/APM é um código de linha que tenta
manter a integridade da informação;
● Evita uma sequência longa do mesmo bit e com isso evita a
perda de sincronismo.
Consiste em substituir do sinal NRZ(não retorna a zero) o bit ‘0’
por ‘10’ e ‘1’ por ‘01’;
● O sinal codificado é modulado em APM (Alternate Pulse
Modulation), onde o sinal digital é convertido em variações de
fase de um sinal analógico;
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Manchester
● Taxa de transmissão típica = 31,25 Kbps (podendo chegar até
167,5 Kbps);
● Distância = depende do cabo utilizado (pode chegar até 1900
metros no Foundation Fieldbus);
● Transmitido sobre um sinal DC (rede com apenas 2 fios);
● Utilizado na rede AS-i com até 62 escravos.
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Manchester
RS-485 (Recommended Standard - IEEE)
● Capacidade de 32 unidades de carga;
● Sistema diferencial (balanceado) – sinal trafegado é a
diferença das tensões dos dois condutores do par trançado;
● Taxa de transmissão máxima = 10 Mbps;
● Distância máxima = 1200 metros;
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Nível lógico 0 → A+ e B-
Nível lógico 1 → B+ e A-
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Comunicação Serial
Taxa de Transferência (Baud Rate)
Velocidade com que os dados são enviados através
de um canal e é medido em transições elétricas por
segundo.
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Distância e taxa de transmissão
O RS 485 é robusto, pois se um ruído é introduzido na
linha, ele é induzido nos dois fios de modo que a diferença
entre A e B dessa interferência é tende a ser quase nula,
com isso o alcance pode chegar a aproximadamente 1200
metros.
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Comprimento x taxa de transferência
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Telecommunications Industry Alliance (TIA)
Electronic Industries Alliance (EIA)
Estrutura da transmissão assíncrona
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Estrutura da transmissão síncrona
Uma taxa de 9600 bauds corresponde a uma transferência
de 9600 dados por segundo.
Período T = 104,2μs = 1 / 9600
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Comunicação Serial
Paridade
Ruídos e distúrbios elétricos momentâneos podem
causar mudanças nos dados quando estão
trafegando pelos canais de comunicação.
O bit de paridade é adicionado ao pacote de dados
com o propósito de detecção de erro.
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Comunicação Serial
Paridade
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Funcionamento físico Transceptor MAX-485
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Interface Serial RS232 (EIA232)
A Eletronics Industries Association (EIA), que padronizou
o RS-232-C em 1969 define:
• Características elétricas como níveis de tensão, taxa de
sinalização, taxa de rotação dos sinais, nível máximo de
tensão, comportamento de curto-circuito e carga máxima da
capacitância;
• Características mecânicas da interface, conectores
"plugáveis" e identificação dos pinos;
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Interface Serial RS232 (EIA232)
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Interface Serial RS232 (EIA232)
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1
2
3
5
6
7
4
8
9
1
2
3
5
6
7
4
8
9
Tx
Rx
SG
Tx
Rx
SG
RTS RTS
CTS CTS
DSR DSR
DRT DRT
CD CD
Cabo DB09 para RS232 (EIA232)
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Configurar hyperterminal
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Principais limitações
Operação por níveis de tensão, sendo extremamente
suscetível a ruídos;
Utilização ponto a ponto, não permitindo que mais de dois
dispositivos; usem a mesma “linha de dados”.
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Adaptador RS232 para fibra óptica
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Adaptador RS232 para USB
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Tecnologia USB (Universal Serial Bus)
Tecnologia que tornou mais simples, fácil e rápida a
conexão de diversos tipos de aparelhos (câmeras
digitais, HDs externos, pendrives, mouses, teclados,
MP3-players, impressoras, scanners, leitor de cartões,
etc) ao computador, evitando assim o uso de um tipo
específico de conector para cada dispositivo.
http://www.usb.org/developers/wusb/
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Vantagens
• Padrão de conexão: qualquer dispositivo compatível como
USB usa padrões definidos de conexão (ver mais no tópico
sobre conectores), assim não é necessário ter um tipo de
conector específico para cada aparelho;
• Plug and Play (algo como "Plugar e Usar"): quase todos os
dispositivos USB são concebidos para serem conectados ao
computador e utilizados logo em seguida. Apenas alguns
exigem a instalação de drivers ou softwares específicos;
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Vantagens
• Alimentação elétrica: a maioria dos dispositivos que usam USB
não precisa ser ligada a uma fonte de energia, já que a própria
conexão USB é capaz de fornecer eletricidade. Por conta disso,
há até determinados dispositivos, como telefones celulares e
MP3-players, que têm sua bateria recarregada via USB;
A exceção fica por conta de aparelhos que consomem maior
quantidade de energia, como scanners e impressoras.
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Vantagens
• Ampla compatibilidade: o padrão USB é compatível com
diversas plataformas e sistemas operacionais. O Windows, por
exemplo, o suporta desde a versão 98. Sistemas operacionais
Linux e Mac também são compatíveis.
•Atualmente, é possível encontrar portas USB em vários outros
aparelhos, como televisores, sistemas de comunicação de
carros e até aparelhos de som;
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Vantagens
• Conexão de vários aparelhos ao mesmo tempo: é possível
conectar até 127 dispositivos ao mesmo tempo em uma única
porta USB. Isso pode ser feito, por exemplo, através de hubs,
dispositivos que utilizam uma conexão USB para oferecer um
número maior delas;
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Vantagens
• Cabos de até 5 metros: os cabos USB podem ter até 5
metros de tamanho, e esse limite pode ser aumentado com uso
de hubs ou de equipamentos capazes de repetir os sinais da
comunicação.
Cabos USB contam com quatro fios internos:
• VBus - (VCC) = é o responsável pela alimentação
elétrica(5 V ± 5% );
• D+ e D- = utilizados na transmissão de dados;
• GND = Controle elétrico, servindo como "fio-terra".
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Tipos de conectores USB
Tipo A
Tipo B
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Tipos de conectores USB
Mini USB
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Tipos de conectores USB
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