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Redes e Protocolos Industriais

Prof. Me. Bruno Medina Pedroso

INTRODUÇÃO


Uso das redes de computadores

• Uma rede de computadores é formada por um conjundo de módulosprocessadores capazes de trocar informações e compartilhar recursos,interligados por um sistema de comunicação (meios de transmissão eprotocolos)


Conceitos de redes

Segundo Gallo (2003), uma rede de computadores é uma coleção decomputadores e outros dispositivos que usam um protocolo comum paracompartilhar recursos uns com os outros através do meio de rede.


Conceitos de redes

Alguns componentes são essenciais para uma rede de computadores:Hosts / Entidades; Meios de Comunicação; Protocolos

As entidades conectadas (nós de uma rede). Aqui encontram-se todos osdispositivos conectados na rede.


Conceitos de redes

O meio de comunição (meio de rede) pelo qual os dispositivos secomunicam. Ex: cabo, Fibra Óptica, etc.


TOPOLOGIAS DE REDES


Topologias de Redes


Arquitetura Ponto a Ponto ou Cliente - ClienteCaracterísticas1. Implementadas em pequenas redes - Geralmente até 30 computadores;2. Fácil implementação;3. Baixa segurança;4. Geralmente não existe padrão no cabeamento estruturado;5. Não existe uma administrador de rede;6. Não existem computadores servidores específicos.

Topologias de Redes


Arquitetura Cliente – ServidorCaracterísticas1. Rede de maior desempenho se comparado a rede ponto a ponto;2. Mais segurança;3. Necessidade de especialista para sua administração;4. Utilização obrigatória em grandes redes;5. Sua implementação exige conhecimentos específicos

Topologias de Redes


BARRAMENTOANELESTRELAHÍBRIDA

Topologias de Redes


TOPOLOGIA BARRAMENTOTodas as estações compartilham um mesmo meio físico. Utiliza cabo coaxialque deverá possuir um terminador resistivo em cada ponta.O tamanho máximo do trecho da rede está limitada 185m no caso do cabocoaxial fino. Este limite entretanto pode ser aumentado através de umperiférico chamado repetidor, que na verdade é um amplificador de sinais.Características:• Está em desuso;• Se desconectar um nó e não ter o cuidado de fechar o barramento, todarede cai.

Topologias de Redes


TOPOLOGIA ANELNa topologia em anel os dispositivos são conectados em série formando umcircuito fechado (anel).Os dados são transmitidos unidirecionalmente de nó em nó até atingir o seudestino.Uma mensagem enviada por uma estação passa por outras estaçõesatravés das retransmissões até ser retirada pela estação destino.

Topologias de Redes


TOPOLOGIA ESTRELAA topologia em estrela utiliza cabos de par trançado e um concentrador (Hub– Switch) como ponto central da rede. O concentrador se encarrega deretransmitir todos os dados para todas as estações, mas com a vantagem detornar mais fácil a localização dos problemas, já que se um dos cabos, umadas portas do concentrador ou uma das placas de rede estiver comproblemas, apenas o nó ligado ao componente defeituoso ficará fora darede.Características:• A mais difundida entre as topologias• Maior relação custo benefício• Fácil implementação• Escalabilidade sem perda de performance

Dispositivos de Rede


Hubs e Repetidores; Pontes; Switches; Roteadores;

MODELO OSI


Modelo de Referência OSI


Esse modelo separa as etapas de transmissão,definindo como cada fase do processo deve proceder natransferência de dados.

Isto torna flexível a implementação de software ehardwares ao longo da rede, pois define as funções decada fase, facilitando a operacionalização para usuáriose fabricantes.



Cada nível oferece serviços ao nível seguinte.As conexões de um nível são gerenciadas pelo protocolo daquele nível.

Os níveis definidos com suas funções são sete,assim numerados:

Camada 7-Aplicação;

Camada 6-Apresentação;

Camada 5-Sessão;

Camada 4-Transporte;

Camada 3- Redes;

Camada 2-Enlace;

Camada 1-Física;



7654321

Aplicação

RedeEnlaceFísico

ApresentaçãoSessão

TransporteRede

EnlaceFísico

ApresentaçãoSessão

Transporte

Dados DadosAplicação

O encapsulamento empacota as informações de protocolo necessárias antes de passarpela rede. Assim, à medida que o pacote de dados desce ou sobe pelas camadas domodelo OSI, ele recebe cabeçalhos e outras informações.

Encapsulamento


PROTOCOLO ETHERNET


Protocolo ETHERNET


Necessidade de conectar mais equipamentos na rede; Estudos foram iniciados com o objetivo de identificar uma padrão quepudesse ser utilizado para interconectar esses dispositivos; IEEE criou um comitê 802, conhecido como IEEE 802; Estudos foram realizados por Xerox, Intel, DEC (Digital EquipamentCorporation); Em 1974, surge o protocolo ETHERNET, nos laboratórios da Xerox, atravésdo pesquisador Robert M. Metcalf; Em 1982 surge o ETHERNET 2.0 e a partir dele o IEEE 802.3;

Protocolo ETHERNET


O protocolo ETHERNET define o cabeamento e sinais elétricos para acamada física, e formato de pacotes e protocolos para a subcamada decontrole de acesso ao meio (Media Access Control) do modelo OSI;

Protocolo ETHERNET


CABEAMENTO Originalmente desenvolvidos para utilização de cabo coaxial grosso; Desenvolvidos novos meios de transmissão: Cabo UTP e Fibra óptica; Criação de cabos STP ou S/UTP;

Cabo STPCabo UTPPatch Cord

Fibra ópitca

Quadro ETHERNET


Quadro Ethernet é um formato padronizado, contendoinformações dos dados, dispositivo de origem, dispositivode destino, com o objetivo de fazer com que dispositivosdiferentes possam se comunicar.

Quadro ETHERNET


Formato Quadro Ethernet:

PROTOCOLO RS-232 E RS-485


Tipos de Transmissão


Existem vários modos de transmitir dados entre uma origem e um destino

1 – Quanto ao sentido da transmissão:– Simplex, Half-Duplex, Full-Duplex

2 – Quanto ao número de vias de transmissão:– Comunicação serial e paralela

3 – Quanto ao tipo de ligação física:– Ponto a ponto e multiponto

4 – Quanto a cadência de transmissão:– Síncrona e Assíncrona

Transmissão de sinais


Comunicação paralela

Ocorre entre sistemas digitais localizados próximos um do outro;

São enviados vários bits de cada vez;O meio de transmissão é composto de vários canais,

um para cada bit;Para grandes distâncias é muito caro;É mais complexa que a serial;Taxa de transferência de dados (“throughput”) é altaApresenta baixa imunidade a ruídos;

Transmissão de sinais


Comunicação serialOs dados são transmitidos em uma sequência serial de bits;É menos complexa que a paralela;Utiliza apenas um canal de comunicação;A taxa de transferência de dados (“trhoughput”) é baixa;O custo é menor;Maior imunidade a ruídos;Modos de comunicação: Síncrono Assíncrono

RS232, RS485


Em uma interface serial os bits de dados sãoenviados sequencialmente através de um canalde comunicação ou barramento. Diversastecnologias utilizam comunicação serial paratransferência de dados, incluindo interfacesRS232, RS485 e Modbus

RS 232


Níveis de Tensão:

RS 232

DB 9


Sinais da interface RS-232-C


Nome do Sinal Abreviação Sentido DB-25 DB-9

Terra Chassi - - 1

Transmit Data TX Saída 2 3

Receive Data RX Entrada 3 2

Request To Send RTS Saída 4 7

Clear To Send CTS Entrada 5 8

Data Set Ready DSR Entrada 6 6

Rede Industrial utilizando RS232


RS-485


Desenvolvido pela EIA – Electronics Industry AssociationSomente um par de fio é compartilhado para transmissão e recepção

Vantagem: pode-se interligar vários equipamentos no mesmo cabo

Desvantagem: a comunicação deve ser half-duplex, deve existir algoritmo (ou gerenciador de rede) para gerenciar a transmissão (evitar/tratar colisões)

Não especifica ou recomenda protocolosO alcance é de até 1200mMáximo de 32 terminais remotos em cada nó da rede que devem ser endereçáveisÚnico PC como mestre da redeTaxa de transmissão: 15m ~ 10Mbps e 1200m ~ 100Kbps

RS-485


CONVERSORES


Rede RS485


REDES INDUSTRIAIS


Redes Industriais


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


Redes Industriais


Ideia original: economizar cabeamento!

Níveis Hierárquicos de Redes Industriais


Redes Industriais


Nível de Planta


No nível de planta temos a supervisão e gerenciamento de todo o processo que normalmente ocorre através de um software supervisório.

PRINCIPAIS AÇÕESSupervisão;Comando;Planejamento;Banco de Dados.

Transferência maciça de dados entre equipamentos;Frequência de comunicação de segundos ou minutos;Grandes distâncias (LAN / WAN / INTERNET)

PROTOCOLOSProfinetEthernetFieldbus Foundadion

Nível de Controle


Este nível permite o controle sobre as ações do níel de campo em função da definições e comandos dados pelo nível de plantaPRINCIPAIS AÇÕES

Controle em tempo real;Segurança;Interface.

Integração entre unidades inteligentes;Mensagem de dados em words ou blocos;Frequência de comunicação de centenas de milisegundos;Distância de centenas de metros.PROTOCOLOS

Profibus FMSModbusControlnet

Nível de Campo


Através deste nível torna-se possível a aquisição e atuação direta dos dados de chão de fábrica como valor de pressão, status de um motor, ligamento e desligamento de uma válvula, etc.PRINCIPAIS AÇÕES

Aquisição das variáveis;Atuação sobre equipamentos;

Sensores e atuadores;Mensagem de dados de alguns bits, bytes;Frequência de comunicação de dezenas de milisegundos;Distância de dezenas / centenas de metros;Concepção determinística.

PROTOCOLOSProfibus DP e PAASIFieldbus Foundations

– DeviceNet

PROTOCOLO MODBUS


MODBUS


Desenvolvido e publicado pela Modicon Industrial Automation Systems em1979 para uso do seu CLP, tornou-se um padrão de fato na indústria.

É um dos mais antigos protocolos utilizados em redes de controladoreslógicos programáveis para aquisição de sinais de instrumentos e comandaratuadores usando uma porta serial.

Atualmente parte do grupo Schneider Electric, a Modicon colocou asespecificações e normas que definem o Modbus em domínio público.

O protocolo é utilizado em milhares de equipamentos existentes e é umadas soluções de rede mais baratas a serem utilizadas em automaçãoindustrial.

MODBUS


Para que se utiliza o MODBUS?

Tipicamente usado para transmitir sinais de instrumentação edispositivos de controle para um sistema controlador.

Na imagem ao lado, pode-seobservar 3 transdutores depressão conectados à redeModBus

MODBUS


OMNI Turbo – SensusMedidor de Água

Tipos de Protocolos MODBUS


Transações entre mestre e escravo

MODBUS


Descrição do protocolo O protocolo MODBUS define uma única PDU, independente do protocolo de comunicação

O mapeamento (encapsulamento) do protocolo MODBUS em um barramento ou rede específica introduz alguns campos adicionais, criando a ADU

MODBUS


Equipamentos Modbus


Gateway ModbusEthernet para Modbus

Equipamentos Modbus


PM180

PROTOCOLO PROFIBUS



Principal sistema aberto para fieldbus Baseado nos padrões:

– EN 50170 e EN 50154– IEC 61158 e IEC 61784

Independência de fabricantes (dispositivos devem comunicar-se) Utiliza protocolo de acesso ao barramento token passing paracomunicação entre os mestres (estações ativas), usando anel lógico E o procedimento mestre escravo para comunicação entre o mestre e osescravos (estações passivas) Atende vários níveis em sistemas de automação O perfil de comunicação PROFIBUS estabelece como as informaçõesserão transmitidas serialmente pelo meio de comunicação.

PROFIBUS

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ARQUITETURAS PROFIBUS

PROFIBUS DP – Periferia Descentralizada (Descentralized Periphery) PROFIBUS PA – Automação de Processo (Process Automation)

PROFIBUS

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Periferia Centralizada


- Consiste em cabear todos os sinais de E/S em um módulo do CLP (Controlador Lógico Programável)

Vantagens da Periferia Centralizada

Simplifica a arquitetura de comunicação Simplifica a arquitetura de controle econfiguração Centraliza a verificação de equipamentosem caso de falhas Mais segurança ao pessoal com falta deformação e experiência em automação

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Periferia Centralizada


Desvantagens da Periferia Centralizada Aumenta a dimensão dos armários de controle (aumento de calhas, blocosterminais e aparelhagem auxiliar) e o espaço físico para abrigá-los Aumenta o número de cabos e tubos A identificação das E/S é mais complicada, não ajudando na identificação de falhas Pouca flexibilidade para ampliações e modificações

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Periferia Descentralizada


- Consiste em cabear todos os sinais de E/S em um módulo próximo aos dispositivos de campo

Vantagens da Periferia Descentralizada

Redução do número de cabos e tubos Simplifica a identificação das E/S e facilitao diagnóstico e reparação de avarias. Reduz o tempo de paradas eindisponibilidade Grande flexibilidade para ampliações emodificações. Reduz o tamanho dos armários decontrole

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Periferia Descentralizada


Desvantagens da Periferia Descentralizada Aumenta a arquitetura de comunicação, e dependendo do barramento ou rede decontrole que escolher, também irá aumentar o número de equipamentos específicospara as comunicações A arquitetura de controle e configuração, requer conhecimentos de redes Dá mais insegurança ao pessoal com falta de formação e experiência emautomação e sistemas

Módulo E/S digital / Profibus

Módulo E/S analógica / Profibus

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Operação da Rede


Mestre realiza a operação cíclica com todos os escravos a ele associados; O mestre envia mensagem ao escravo 1 que a responde; Após receber a resposta, o mestre enviar mensagem ao próximo escravo; A operação continua até o término de todos os escravos e é reiniciada;

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Operação da Rede


A “passagem de token”é um procedimento usado para evitar que mais de um mestre se comunique ao mesmo tempo;

Um token é uma mensagem especial que só circula entre os mestres e que carrega a permissão de acesso à rede;

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PROFIBUS DP - Camada Física


Topologia básica aplicados à versãoPROFIBUS DP

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PROFIBUS


Na figura ao lado é mostrada uma rede em queos terminadores utilizados estão nosequipamentos.Caso algum desses equipamentos seja desligadoou retirado, a rede fica sem terminador.

Solução utilizando o AT303 – Sense

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Repetidor Siemes73



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Derivador de rede Sense75

PROFIBUS


Também é possível utilizar o conceito de fibra óptica para aumentar a distância da rede. Em algumas aplicações pode ultrapassar 100km.

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PROFIBUS


PROFIBUS PA

É o perfil menos frequentemente utilizado; Velocidade fixa em 31,25 Kbp/s; Depende da versão DP para entrar em operação; Custo mais elevado em relação à DP; Utilizado para automação de processos analógicos; Configuração e parametrização integradas no instrumento de campo; Utiliza padrões de supervisão avançados do mercado: FDT (Field Device Tool) ou DTM (Device Type Manager). Ambas as tecnologias são conceitos de análise de falhas, diagnósticos, e parâmetros avançados de uma rede de campo para instrumentos analógicos

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É uma extensão da versão DP. Para realizar a conversão deDP em PA, há dois equipamentos:

LINK: É um gateways de rede, ou seja, converte a versão DPem PA. É uma módulo de campo comum para a versão DP eum mestre para a versão PA

PROFIBUS PA - Camada Física

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É uma extensão da versão DP. Para realizar a conversão deDP em PA, há dois equipamentos:

COUPLER: Acoplador de meio físico entre as redes DP e PA.Não influencia o endereçamento da rede


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A capacidade de endereçamento é significantemente aumentada com apresença dos links, uma vez que são escravos para o DP e mestres do PA.


Endereçamento com Couplers Endereçamento com Links80


PROFIBUS PA - Estrela

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PROFIBUS PA – Ponto a Ponto

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PROFIBUS PA - Barramento

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PROFIBUS - Spurs


Configuração típica de instalação

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PROFIBUS


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Multímetro para análise física da rede PROFIBUS DP: Mostra como está a parte físcia da rede, ou seja, cabos, terminadores de sinais e endereçamento de algum dispositivo.

Equipamentos para PROFIBUS

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Uma estrutura de rede uniformizada Continuidade até o chão de fábrica Redução de interfaces Engenharia em qualquer ponto da planta

Uso das vantagens da TI nas áreasde produção Acesso Remoto Serviços de Web Updates de Software

Melhorias em relação aos sistemas existentes Alta performance Quantidade ilimitadas Operação Simples

Por que usar Ethernet?

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Topologias de automação convencionais: Protocolos diferentes dificultam transparência de dados


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Um único barramento para todas as tarefas


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Há 3 formas distintas de operação: 2 em real time e uma paranão tempo real

A primeira baseia-se na arquitetura TCP/IP pura: – Ethernet na camada 1 e 2;– IP na camada 3;– TCP e UDP na camada 4;

Chamada de Non-RT (Non-real time);Tempo de processamento aproxima-se dos 100ms;Utiliza o PROFINET CBA;Utilizado na comunicação entre proxys de rede;

PROFINET

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PROTOCOLO AS-i



OBJETIVO: Tornar mais simples e rápidas as comunicações entresensores e atuadores com os seus respectivos controladores;

HISTÓRICO:

Surgiu em 1990 na Alemanha, desenvolvida por um consórcio de 11 empresas; 1991 foi fundada a AS-International Association (suporte às informações,certificação de produtos, atividades, cursos, feiras e outros eventos) 1999 foi padronizada pela norma EN50295/ IEC 62026-2;

AS-Interface


Actuator Sensor Interface (AS-Interface ou na sua forma abreviada AS-i)

Alimentação e a comunicação são trafegadas no mesmo par de fios;

Permite derivações a qualquer momento inclusive com a rede energizada;

Permite montagem em várias topologias, como estrela, linear ou árvore;

Opera com traxa de transmissão fixa (167,5 kbps);

Possui três versões distintas: Versão 1 (AS-I 2.0 – Descontinuada), Versão 2 (AS-I2.1) eVersão 3 (AS-I 3.0)

AS-Interface


AS-Interface

Comparativos entre versões


AS-I

AS-I


Comprimento máximo de 100 metros, por trecho de rede. Possibilidade de utilizar casadores de impedância e/ou repetidores, chegando a no máximo 600 metros. Corrente máxima em toda a rede 4A

AS-I


Controlador de Rede HSE/AS-i (DF81) - SMAR

Controlador de Rede AC1355 – IFM

AS-I


Módulo I/O Série D1 - Sense

Sensor Fotoelétrico Série EP - Sense

Sensor Indutivo - Sense

AS-I


Cabo ASI;

Cabo Redondo - Sense

Cabo Flat Amarelo, possui uma forma geométricapadrão desenhada para evitar a inversão depolaridade, quando empregado com conectores dotipo vampiro - Sense

AS-I


Fonte ASI– Deve ser Regulada com valores de tensão entre 26,5

Vdc e 31,6 Vdc– Pode ser instalada em qualquer parte da rede;– Deve-se utilizar indutores para isolar a fonte do sinal de

comunicação

AS-I


Distribuição dos dispositivos para extensão da rede ASI

AS-I


Exemplo de interligação de diversos componentes ASI

AS-I


Fonte ASI;

Alimentação 110/220 VacTensão de Saída 30,5 VdcCapacidade de 4ASENSE

DN1031 - IFM

AS-I


Outros itens que podem ser inseridos;

GATEWAY AS-Interface– Adaptador de protocolos e serve para ligar a rede AS-I a redes de

nível mais alto (DeviceNet ou Profibus DP)

AC1376 – IFMGateway ASI – Profibus DP

AC1421 – IFMGateway ASI – ETHERNET

AS-I


DERIVADOR ASI;

AS-I


Outros itens que podem ser inseridos;

AS-I


AS-I


Resumo das Características

Sistemas SupervisóriosWonderware Indusoft 8.0


INTRODUÇÃO



LICENÇAS

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