AULA 11 - LTC36B
Introdução a Disciplina de Controle Supervisório
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Prof. Leandro Castilho Brolin
UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do ParanáDAELN – Departamento de Eletrônica
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RESUMO
(1) Redes de Computadores(2) Protocolos de Comunicação(3) Sistema de Controle
OBJETIVO DA AULA
Ao final da aula o aluno terá uma noção básica dos tipos de redes empregadas na indústria e suas aplicações.
REDES DE COMPUTADORES
➢ As redes surgiram devido a necessidade de integração de todo o conjunto de informações contido na indústria;
➢ A comunicação se faz necessária entre o grande número de dispositivos digitais processados encontrados na indústria em diferentes níveis;
➢ Uma rede de computadores é composta basicamente por:
➢ Unidade de Processamento – Aplicativo gerador de dados;
➢ Sistema Especialista – Sistema gerenciador (equipamento de rede, placa que contém interface elétrica de comunicação, circuitos digitais especiais, buffers de memória e software);
➢ Meio Físico – Linha transmissora de dados (cabo coaxial, fibra ótica, radiofrequência, micro-ondas, satélites, entre outros).
REDES DE COMPUTADORES
➢ Um processo pode ser definido como sendo um conjunto de tarefas ou tomadas de decisões, executado pela unidade processadora para a realização de uma operação qualquer. Pode ser classificado em dois tipos:
➢ Centralizado – Todos os processos encontram-se no mesmo computador ex. Caixa eletrônico;
➢ Distribuído – Os processos encontram-se me lugares distintos;
REDES DE COMPUTADORES
PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO
➢ Para que uma mensagem trafegue na rede de dados, é preciso estabelecer um conjunto de regras que defina como, de que forma, essa mensagem vai chegar ao seu destino;
➢ Ao conjunto de regras, precedimentos e leis que governam a troca de informação entre dois ou mais processos, define-se como um Protocolo de Comunicação;
➢ O Protocolo tem como objetivo permitir a troca de informações entre dois processos quaisquer, dentro de um sistema distribuído;
➢ Confusão entre os vários Protocolos criados pelos diversos fabricantes;
REDES DE COMPUTADORES
➢ Todos os protocolos possuem funções tais como:
➢ Endereçamento;
➢ Estabelecimento de conexão;
➢ Confirmação de recebimento;
➢ Pedido de retransmissão;
➢ Conversão de código;
➢ Numeração e sequência;
➢ Controle de fluxo.
REDES DE COMPUTADORES
➢ Para o cumprimento das funções descritas anteriormente, os protocolos podem ser especificados segundo dois critérios:
➢ Especificação Lógica: é a parte do protocola que especifica o seu formato definindo o número de bits ou bytes da mensagem. Define se vai existir um bit no início e outro no final da mensagem, caracterizando o formato do tipo de controle. É responsável pela sintaxe do protocolo;
➢ Especificação procedural: é a parte do protocolo que especifica as ações tomadas por parte dos processos ao receberem a informação, ou seja, determina quando a comunicação deve ser estabelecida definindo quem inicia e quem termina a comunicação, quem valida a mensagem. É o responsável pela semântica do protocolo.
REDES DE COMPUTADORES
MODELO DE REFERÊNCIA OSI
➢ A ISO (International Stardard Organization), estabeleceu em 1977 um padrão de comunicação para um protocolo de comunicação de um barramento de campo;
➢ Criou o modelo OSI (Open System Interconection) que define sete camadas para o modelo do protocolo de comunicação.
REDES DE COMPUTADORES
MODELO DE REFERÊNCIA OSI
REDES DE COMPUTADORES
TAREFA DE CASA
ENTREGAR UM TRABALHO (ESCRITO À MÃO) NO DIA DA PROVA EXPLICANDO QUAL A FUNÇÃO DE CADA CAMADA ESTABELECIDA PELA ISO.
REDES DE COMPUTADORES
Tipos de Protocolos de Enlace
➢ São classificados em dois grandes grupos:
➢ Assíncronos: orientados a bit (ex. protocolo start-stop-bit), é simples, econômico, baixo grau de segurança e velocidade que varia entre 1200 e 16 k bits;
➢ Síncronos: orientados a byte (ex. protocolo HDLC), alto grau de confiança, os mais rápidos, os mais eficientes, custo mais elevado;
➢ OBS. Existem outros protocolos mais antigos utilizados para redes de longa distância, baseados em caractere.
REDES DE COMPUTADORES
ESTRUTURA DAS REDE DE COMUNICAÇÃO
➢ São encontradas duas formas básicas:
➢ Estrutura Hierárquica;
➢ Estrutura Distribuída;
Estrutura Hierárquica com Computador Central:
➢O computador central gerencia todo o conjunto de informações sobre a comunicação;
➢O SDCD estabelece diferentes níveis dentro da rede.
REDES DE COMPUTADORES
Estrutura Distribuída:
➢ Todos os integrantes da rede devem ser capazes de receber mensagens e reencaminhá-las;
REDES DE COMPUTADORES
Topologia em Barramento
➢ Esse tipo de configuração é muito utilizado no meio industrial, uma vez que ele não necessita tomar decisões complexas em roteamento, pois as mensagens vão tramitar na rede sem a participação dos nós de comunicação intermediários, não havendo, portanto, a ocorrência de armazenamento de mensagens em subsistemas;
➢ A única responsabilidade de cada nó é a de identificar as mensagens que lhe são destinadas;
AS REDES INDUSTRIAIS DE COMUNICAÇÃO E CONTROLE
A Interconectividade
➢ Necessidade de conexão dos SDCDs ao níveis hierárquicos mais elevados;
➢ Os dados no campo integrados aos banco de dados de gestão;
➢ Exemplos de técnicas: MES (Manufacturing Execution System), ERP (Enterprise Resource Planning) e similares;
➢ Estas técnicas incluem gateways capazes de adaptar os sinais e protocolos entre os SDCDs e a comunicação como a Ethernet;
➢ A automação e controle vêm acompanhando a tendencia de utilizar a internet como um meio de integração de dados.
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➢ As vantagens da interconexão em rede dos diversos equipamentos das industrias podem ser:
➢ Visualização e supervisão do processo de produção;
➢ Aquisição de dados do processo mais eficiente e rápida;
➢ Melhora do rendimento do processo, em geral;
➢ Aumento do intercâmbio de dados de processo entre setores e departamentos distintos, com maior velocidade;
➢ Programação remota, sem necessidade de acesso físico a dispositivos de chão de fábrica.
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A CLASSIFICAÇÃO DAS REDES
➢ É comum estabelecer 4 níveis para a implementação de uma rede industrial, respeitando a hierarquia dos equipamentos, assim tem-se:
1) Nível de administração:
✔ É o nível mais alto;
✔ Fazem ponte entre os processos produtivo e administrativo;✔ Ex. Supervisão de vendas, controle de estoque;✔ Tipos de rede empregados: Rede de Área Local (LAN – Local
Area Network) e Rede de Área Ampliada (WAN – Wide Area Network)
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2) Nível de controle:
✔ Encarrega-se de agrupar e dirigir as distintas áreas de produção;
✔ Neste nível ficam as estações de projeto, controle de qualidade, programação, etc;
✔ Usa-se a rede tipo LAN;
3) Nível de campo e processo:
✔ Integra pequenas automações, CLPs, multiplexadores de E/S, controladores PID, etc., dentro de sub-redes ou ilhas;
✔ No nível mais elevado geralmente encontram-se os CLPs agindo como mestres da rede ou mestres flutuantes;
✔ Neste nível empregam-se alguns dos barramentos de campo.
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4) Nível de entradas / saídas:
✔ É o nível mais próximo do processo;
✔ Encontram-se sensores, transmissores e atuadores.
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REDES LAN INDUSTRIAIS
➢ São as redes de nível hierárquico mais elevadas. Os padrões mais conhecidos:
➢ MAP (Manufacturers Automation Protocol): Nasceu dentro da GM destinado ao ambiente industrial. Foi normalizado pelo IEEE. Não chega ao nível de barramento de campo, mas permite pontes terminais para acessá-los;
➢ Ethernet: Projetada pela Xerox e registrada junta à Digital e Intel, e é compatível com o modelo OSI nos níveis 1, 2 e 3 (este através de ponte). As velocidades vão de 10 a 100Mbytes da Fast-Ethernet.
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AS REDES INDUSTRIAIS DE COMUNICAÇÃO E CONTROLE
BARRAMENTOS DE CAMPO
➢ Propiciam a interligação dos modernos instrumentos digitais de campo;➢ Não utilizam sinais de 4 à 20mA, e sim enviam sinais digitais no mesmo
cabo de alimentação utilizados nos equipamentos;➢ Assim, é possível transferir dados entre vários instrumentos de campo e
de sala de controle, simultaneamente, em tempo real, fazendo a aquisição de dados, o controle de malha, o diagnóstico dos instrumentos da rede, a configuração, os alarmes, alterar parâmetros de controle e etc;
➢ A ligação em série dos componentes é cada vez mais utilizada, devido ao menor custo de material e mão de obra, maiores velocidades nos tempos de comando, dentre outros;
➢ Interligação entre equipamentos de fabricantes distintos, o projetista fica livre para poder escolher;
➢ Constitui o nível mais simples e próximo do processo.
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REDE AS-i (Actuator Sensor Interface)
➢ É uma rede simples para conexão direta a sensores e atuadores discretos;
➢ Formou-se em 1991 sendo aberta a qualquer fabricante ou usuário;
➢ Do nível mais baixo da automação (E/S) até a comunicação de redes de nível mais alto e dispositivos de controle;
➢ Reduz custo da instalação, transporta dados e alimentação no mesmo cabo;
➢ Pode ser ligado até 248 elementos na rede;
➢ Pode-se alcançar até 200m de rede utilizando repetidores;
➢ Alimentação do cabo em 24Vcc até 8A;
➢ Utiliza o código Manchester, que possibilita uma boa imunidade à interferências tanto na alimentação quanto nos dados;
➢ A configuração da ligação está na figura a seguir.
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➢ PLC é o mestre e podem ser conectados até 31 escravos na rede, sendo que cada escravo pode conectar-se a mais 4 equipamentos;
➢Cada escravo tem um endereço atribuído pelo PLC mestre.
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Modelo de comunicação do AS-i:
➢Utiliza o princípio de um cabo comum, onde podem ligar todos os elementos periféricos. O elemento básico do AS-Interface é um “chip” escravo, através do qual os sensores e atuadores se ligam ao cabo AS-Interface;
➢Em cada ciclo, 4 bits de informação são transferidos em série do mestre para todos os escravos. Outros 4 bits são devolvidos dos escravos para o mestre com entradas ou saídas;
➢O “chip” e outros componentes associados podem estar num módulo de interface onde sensores ou atuadores tradicionais podem ser ligados ou estarem integrados nos próprios sensores ou atuadores. Assim o utilizador pode usar tanto equipamento já existente como equipamento específico AS-Interface;
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Comunicação Mestre-escravo do AS-i:
➢O sistema AS-Interface utiliza apenas um mestre por rede para controlar a troca de dados. O mestre chama cada escravo, sequencialmente e aguarda pela sua resposta. Utilizando uma transmissão de formato fixo, o AS-Interface elimina a necessidade de processos complicados de controle de transmissão;
➢O mestre consegue interrogar os 31 escravos e atualizar as E/S em menos de 5ms;
➢Podem existir 2 tipos de escravos: o primeiro é um módulo que permite a ligação de atuadores e sensores standard 24 VDC. Podem ser módulos IP67 ou IP20 (4 entradas e 4 saídas), para um total de 248 E/S num sistema;
➢O segundo tipo é o atuador ou sensor dedicado AS-Interface. Cada uma destas unidades gere 4 bits de entrada e 4 bits de saída;
➢Cada um destes equipamentos tem um endereço único na rede.
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REDE BITBUS➢ É uma rede de comunicação em série tipo barramento de campo;
➢ Baseia-se numa linha compartilhada tipo RS-485 com várias estações penduradas no mesmo cabo;
➢ Pode ser implementada também em fibra ótica;
➢ Utiliza estações mestre e estações escravas;
➢ A prática mostra que com a utilização de cabos blindados, aterrados adequadamente, esta rede mostra-se excelente para ambientes ruidosos;
➢ Cada par de fios contém uma impedância de 120 ohms e devem ser terminados com uma resistência de 120 ohms (evita reflexão de ondas estacionárias);
➢ Contém um ou dois pares de fios torcidos e blindados, um par para dados e outro para o clock quando aplicado em modo síncrono;
➢ Normalizado pela IEEE;
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➢ A rede Bitbus pode ser configurada de várias maneiras:
➢ Mestre-escravo;
➢ Em arvore com repetidoras para distâncias maiores, em auto-clock pois as repetidoras não retransmitem o sinal de clock;
➢ Árvore multinível, onde se usam acoplamentos mestre-escravo para formar sub-barramentos em vários níveis. Cada nível pode operar com velocidades diferentes e tem seus próprios endereços;
➢ Toda a rede Bitbus é composta por elementos básicos denominados de nós;
➢ Um nó é qualquer dispositivo que contenha ao menos uma interface com a rede.
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➢ Os nós podem ser:
➢ Mestre: Controla o acesso à uma rede de qualquer nível, mediante um protocolo de comunicação tipo pergunta-resposta;
➢ Escravo: É um nó controlado pelo mestre, que só transmite quando o mestre o chama. Pode ser conectado a um bloco de E/S;
➢ Repetidor: Se encarrega de regerar os sinais de dados da rede (mas não é relógio). Aumenta o comprimento físico da rede;
➢ Expansão de entradas e saídas: é qualquer dispositivo E/S que se conecta à rede ao a um escravo;
➢ Obs. A troca de mensagem entre escravos só se dá perante a solicitação do mestre.
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AS REDES INDUSTRIAIS DE COMUNICAÇÃO E CONTROLE
REDE PROFIBUS➢ Inclui ao menos 3 tipos que são:
➢ Profibus-DP (Decentralized Peripherals):
✔ Foi a primeira versão criada;
✔ Alta velocidade de acesso econômico;
✔ Mais utilizado para transmissão e controle das variáveis discretas nos sistemas de manufatura, com entradas e saídas distribuídas em campo;
✔ Configuração tipo plug and play.
➢ Profibus-PA (Process Automation):
➢ É a versão mais moderna do Profbus;
➢ Interconecta sensores, atuadores e controladores em um barramento comum;
➢ Aplicado em áreas classificadas;
➢ Transmissão de dados e alimentação em um único par de fios DC.
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REDE PROFIBUS➢ Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification):
✔ Aplicado ao nível de controle e supervisão (onde encontram-se os CLPs);
✔ É adequado para tarefas de comunicação extensas e complexas.
● Implementado em chips ASIC produzidos por diversos fabricantes;● Baseada em RS485 e na especificação europeia EN50170;● Os tempos de resposta são bons, podendo chegar aos 5 ms para uma
rede a 12 Mbps.
Histórico:● Origem em 1987, pelos fabricantes de automação e o governo Alemão;● Definição do Profibus DP em 1993;● Aceite como norma europeia, EN50170, em 1996;● Incluída na norma IEC 61158 em 2000.
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REDE Fieldbus Foundation – ISA SP-50➢ É um sistema de comunicação bidirecional, totalmente digital, serial, que
interconecta equipamentos de medição e controle, tais como sensores, atuadores e controladores;
➢ É uma rede local LAN para automação e instrumentação de controle de processos;
➢ Tem a capacidade de distribuir a aplicação de controle ao longo da rede, pois possuem blocos funcionais o que permite que os mesmos desempenhem a função do controlador;
➢ É baseado no padrão Profibus-PA, e juntamente com os Blocos de Descrições de Dispositivos, permitem uma comunicação simples, harmônica, e padronizada;
➢ Compõem malhas abertas para a aquisição de dados, ou fechadas, para controle, que funcionam de maneira autônoma, independente da salas de controle (mesmo com a supervisão desligada);
➢ O novo equipamento plugado na rede já anuncia sua presença na rede, facilitando ao operador sua configuração on-line;
➢ Função mestre secundário;
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REDE Fieldbus Foundation – ISA SP-50➢ Redução no custo da instalação de até 60% nos cabos e infraestrutura;
➢ Economia nos desenhos e diagramas;
➢ Economia na mão de obra da instalação;
➢ Redução no tempo de partida da planta, já que as configurações dos Blocos Funcionais pode ser feito de forma off line;
➢ A vantagem da rede Fieldbus é que os dispositivos como atuadores e transmissores podem rodar os algoritmos de controle, descentralizando assim o sistema de controle;
➢ Outra grande vantagem é a calibração remota, diagnósticos avançados, alarmes, o TAG do instrumento, dentre outras associadas ao dispositivo;
➢ Não pertence à nenhuma empresa, ao contrário dos protocolos de redes proprietários. Não tem fins lucrativos;
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