redes industriais wilmar oliveira de queiroz pucgo 2012

REDES INDUSTRIAIS

Wilmar Oliveira de Queiroz PUCGo 2012

Histórico

• Comunicação é uma necessidade primordial:– Local: fala, gestos– Longa distância: sinais de fumaça, pombo correio,

“maratonistas”– Telégrafo em 1938 por Samuel Morse– Telefone, Rádio, TV, TV a cabo, Internet

• Fusão do processamento da informação com a comunicação– Sistemas computacionais

• Revolução da Comunicação pode ser comparada à Revolução Industrial?

Histórico

• Ambiente industrial– Mudanças conceituais e nos projetos– Automação industrial– Automação predial– Integração de sistemas: CI’s e módulos dedicados– Padronização desses módulos:

• Intercambiabilidade• Interoperabildade• Expansividade

– Redução de custos– Novos modos de gestão/manutenção

Histórico

• SDCD – Sistema Digital de Controle Distribuído– Computadores específicos:

• S.O.• Programas aplicativos de controle e supervisão• Hardware• Configuração de dispositivos de I/O• Capacidade de processamento• Memória de programação• Quantidade de I/O• Interface com o usuário/operador

Histórico• SDCD – Sistema Digital de Controle Distribuído

– Arquitetura:• Estações locais de interface com o processo:

– Controle contínuo e sequêncial– Monitoração– Comunicação com controladores de malha simples

• Interface H-M interativa para supervisão e monitoração do processo (monitor e teclado)

• Redes de comunicação redundante (cabo coaxial ou fibra óptica)– São usados em processos não industriais

• Sistemas de água e esgoto• Energia elétrica• Telecomunicações

– Automação predial• Controle de utilidades• Detecção e alarme de incêndio• Controle de acesso

Histórico

• Desenvolvimento dos CLP’s (Controladores Lógicos Programáveis), das IHM (Interface Homem Máquina), dos sensores, atuadores e sistemas de comunicação levaram a:– SDCD’s com arquiteturas mais flexíveis– Custo menor com mais eficiência e confiabilidade

• Implementações atuais são Redes de CLP’s gerenciadas por SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)

CIM

• CIM (Computer Integrated Manufacturing)– Sistemas que gerenciam processos de forma

integrada (Manufatura Integrada por Computador)

– Características:• Vários níveis (hierarquia)• Protocolos diferentes para cada nível• Controle distribuído• Centralização das macro-decisões• Integração das gerência técnico e administrativa

CIM

• Atualmente a base de um CIM é formada por:– SDCD, que atua nos níveis:

• Controle• Processo (execução, campo)

– SCADA, que atua em todos os níveis– Redes de comunicação, que utilizam

protocolos industriais (fieldbus)

CIM• Níveis hierárquicos de um CIM

3ºCoordenaçãoEngenharia

2º Controle

4ºPlanejamentoOperacional

5ºAdministraçãoGerenciamento

1º Execução

Contabilidade de custos, lucros e investimentos

Desenvolvimento, projeto e planejamento (qualidade ecapacidade). Supervisiona o sistema para otimização

Definição, resolução e restrição das atividades eplanos de trabalho detalhados

Controle emonitoramento em tempo real

Processo.Chão de fábrica

Arquiteturas• Início: baseavam-se em Controladores de Malha Única de

Realimentação (SLC – Single-Loop Controllers)• Nos anos 60: Controles Digitais Diretos (DDC – Direct Digital

Controller)– Grande número de malhas em um único computador– Cada computador centraliza todas as informações e funções de controle

• Nos anos 70/80: Sistemas de Controle Distribuído (DCS – Distributed Controller Sistem)

• Nos anos 90: SDCD – Sistemas Digitais de Controle Distribuído, que é um misto de SLC e o DDC– Malhas de controle em pequenos grupos– Cada grupo tem seu próprio processamento (controlador)– Controladores são conectados através de um barramento de

comunicação de dados (Data Highway Bus)– O barramento normalmente é duplicado– Razões para se usar o processamento distribuído e paralelo

• Tempos de resposta necessários em alguns processamentos podem não ser alcançados com um único processador

• Múltiplas cópias dos componentes dos sistemas levam a uma maior flexibilidade e redundância

• Algumas aplicações são, por natureza, geograficamente distribuídas

Arquiteturas

Unidadede

Controle

Unidadede

Controle

Unidadede

Controle

Unidadede

Controle

Unidadede

Controle

Data highway

Duplicação

Sensores/Atuadores

Sensores/Atuadores

Sensores/Atuadores

Sensores/Atuadores

Sensores/Atuadores

• Estrutura de um SDCD com barramento duplo

Topologias

• A topologia refere-se à forma com que os enlaces físicos e os nós de comutação estão organizados

• Estrela– Nó central (mestre) se comunica com cada um dos demais nós

(escravos)– Não existe comunicação direta entre dois escravos– A gerência das comunicações é feita pelo mestre– Os escravos podem ter protocolos e/ou velocidades de

transmissão diferentes– Cada nó é interligado à rede através de uma interface de

acesso ao meio– Falhas em um nó escravo afetam somente o nó defeituoso– Falha no nó central compromete toda a rede

Topologias - Estrela

ModemModem

Workstation IBM Compatible Mac II

Workstation

IBM PS/2Terminal Copy machine

Topologias - Anel

• Ligação sequencial fechada entre todas as estações de trabalho da rede

• Ligações são unidirecionais e os dados circulam no anel• As estações são conectadas através de repetidores• Uma estação coloca seus dados no anel enviando sua

mensagem para a estação seguinte• A mensagem passa de estação em estação até o seu

destino• A mensagem é retirada do anel ou pela estação de

origem, ou de destino ou pela estação controladora• Falhas em uma estação afeta somente essa estação• Falhas no anel ou nos repetidores comprometem toda a

rede

Topologias - Anel

ANEL

Workstation

IBM Compatible

Mac II

Workstation

IBM PS/2

Terminal

Copy machine

Topologias - Barramento

• As estações estão conectadas a um barramento• Todos os dados enviados são recebidos por

todas as estações• O controle de acesso ao meio, normalmente, é

distribuído• Falha em uma estação afeta somente essa

estação• Falha no barramento compromete toda a rede

Topologias - Barramento

BARRAMENTO

Workstation IBM Compatible Mac II

Terminal Copy machine

Modelo OSI

• Modelo OSI

APLICAÇÃO

APRESENTAÇÃO

SESSÃO

TRANSPORTE

REDE

ENLACE

FÍSICA

A

AA

S

T

R

E

F

AA

S AA

T S AA

R T S AA

E R T S AA

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

S

S

S

S

S

T

T

T

T

R

R

R

E

E F

Modelo OSI

Modelo OSI

• Camada Física– Responsável pela ativação, desativação e

manutenção do sinal no meio físico– Define a interface elétrica e mecânica com a rede:

RS-232, RS-422, RS-485, V.35, G.703, RJ-45, etc.– Define o tipo do sinal: digital/broadband ou

analógico/baseband– Define o tipo de conexão: ponto-a-ponto ou

multiponto– Define o sentido de transmissão: simplex, halfduplex

e fullduplex– Define a forma de multiplexação do sinal: FDM, TDM– Equipamentos: repetidores, hubs, modens e

multiplexadores– Unidade de dados: bit

Modelo OSI

• Camada de Enlace– Gerenciamento do enlace– Detecção e correção de erros causados pelo meio

físico– Controle de fluxo dos dados– Enquadramento da mensagem– Endereçamento físico na rede– Controla o acesso ao meio– Protocolos: IEEE 802.2 (LLC), Frame Relay, SDLC,

HDLC, SLIP, PPP– Equipamentos: bridges e switches– Subcamadas: LLC e MAC: Ethernet, Token Ring,

FDDI– Unidade de dados: quadro

Modelo OSI

• Camada de Rede– Realiza o roteamento dos pacotes– Compatibilização entre redes de tecnologias

diferentes– Controle de fluxo dos dados– Serviços: datagrama (correio eletrônico, transferência

de arquivos, etc.) e circuito virtual (aplicações em tempo real, etc.)

– Pode fragmentar/remontar os pacotes– Endereçamento lógico– Protocolos: IP, IPX, XNS, CLNP– Unidade de dados: datagrama ou pacote

Modelo OSI

• Camada de Transporte– Comunicação fim-a-fim– Controle de erros fim-a-fim– Segmentação e blocagem– Controle de fluxo fim-a-fim (buffers, janelamento)– Gerenciamento da conexão– Multiplexação de aplicações– Oferece os serviços confiável ou não– Endereçamento da aplicação: port– Protocolos: TCP, SPX (Sequenced Packet

eXchange), TP4 (Transport Protocol Class 4), etc

Modelo OSI

• Camada de Sessão– Sincronização das tarefas entre máquinas– Gerenciamento de diálogos e de atividades– Controla o intercâmbio de dados– Estabelece, gerencia e finaliza sessões entre

aplicações– Protocolos: NetBIOS (Network Basic Input Output

System - IBM/Microsoft), Netware RPC (Novell), VINES NetRPC (Banyan), ASP (AppleTalk Session Protocol - Apple), DNASCP (Digital Network Architecture Session Control Protocol - DEC)

Modelo OSI

• Camada de Apresentação– Interpretação e representação/sintaxe dos dados

(codificação)– Uniformiza o formato de dados– Compressão de dados, criptografia– Segurança e privacidade da rede– Codificação de textos e dados: EBCDIC, ASCII– Codificação de gráficos e imagens: CGM, PICT, TIFF,

JPEG– Codificação de sons e animações: WAV, MPEG

Modelo OSI

• Camada de Aplicação– Serviços transparentes para o usuário– Aplicações para estações: Processador de textos,

Banco de dados, Planilha de cálculo– Aplicações para rede: Correio eletrônico,

Transferência de arquivos, Emulação de terminal, gerenciamento

– Elementos de serviço genérico: ACSE, ROSE, RTSE– Elementos de serviço específico: FTAM, VT, X.400,

MHS

Modelo OSI x TCP/IP

Aplicação - Aplicações e processosque usam a rede

Transporte - Transporte de dadosfim-a-fim, confiável ou não

Internet - Roteamento de datagramasna rede

Acesso à Rede - Acesso ao nívelfísico da rede

Transporte – Transporte fim-a-fim comcorreção de erros, confiável ou não

Rede - Transferência de pacotes na redeatravés do roteamento

Enlace - Comunicação confiável, ou não,ponto-a-ponto

Físico – Transmissão de bits no meio físico.Características físicas da rede

Aplicação - Aplicações que usam a rede:emulação de terminal, transferência de arquivos

Apresentação - Padronização darepresentação dos dados e criptografia

Sessão – Estabelecimento e manutenção desessões, gerência de diálogos entre aplicações

Arquitetura TCP/IP

TCP UDP

ICMP IGMP IP

ARP RARP

MEIO FÍSICO

INTERFACE DE HARDWARE

FTP TELNET SMTP DNS RPC SNMP TFTP

Controle Centralizado• Os dispositivos ficam em um mesmo ambiente• Vários computadores compartilham um barramento comum• Soluções comerciais mais utilizadas:

– UME– FUTUREBUS– S100– MULTIBUS II– GPIB (General Purpose Interface Bus) 488 da IEEE (substituiu o S100)

• O controlador mestre executa tarefas de controle global– Comunicação com os níveis de controle superior– Operações de sincronização– Coordenação de movimentos– Cálculos

• O escravo opera em nível de atuador– Tarefas de controle ou malha fechada– Processamento de sinais– Medidas

Controle Distribuído

• Os controladores, atuadores e transdutores são distribuídos espacialmente

• São conectados por uma rede de comunicação chamada FIELDBUS, ou barramento de campo

• O cabeamento é bastante reduzido• O controlador coleta informações de vários

transdutores, e baseado nos algoritmos dos programas aplicativos, controla vários atuadores

• As tarefas de controle são centralizadas

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– As velocidades são maiores– Apresenta baixa imunidade a ruídos

Transmissão de sinais

• Comunicação serial– Os dados são transmitidos em uma sequência serial

de bits– É menos complexa que a paralela– Utiliza apenas um canal de comunicação– As velocidades são menores– O custo é menor– Maior imunidade a ruídos– Modos de comunicação:

• Síncrono• Assíncrono

Transmissão serial síncrona

• Necessita de um sincronismo entre os sistemas de comunicação– Um dos sistemas deve gerar o clock (largura do

pulso)– Os sistemas transmitem e recebem os dados como

registradores de deslocamento (shift-registers) – entrada paralela e saída serial

– O tempo é dividido em intervalos de tamanho fixo (corresponde a um bit)

– Não necessita de sinais adicionais de início e fim da mensagem

Transmissão serial assíncrona• Não é necessário gerar clock• O clock é interno em cada sistema mas devem ter a mesma taxa de

transmissão de dados (baud rate)• O controle de tempo de uma sequência de bits (byte) é muito

importante• A transmissão é feita caracter a caracter (byte a byte)• Cada caractere é encapsulado por um sinal de start e um de stop• Os dados podem então serem transmitidos aleatoriamente no

tempo• Erros podem ocorrer e devem ser tratados:

– Paridade (par ou ímpar)– Checksum– CRC

• É o mais utilizado pois o hardware é mais simples

Transmissão serial de sinais

• Tipos de comunicação– Simplex– Half-duplex– Duplex

• Classificação quanto à referência– Desbalanceada

• O sinal de dados tem como referência o “terra” dos sistemas conectados

• Baixa imunidade a ruídos (interferência somente no fio de dados)

– Balanceada• A referência do “terra” é desconectada entre os sistemas• Alta imunidade a ruídos (interferência afeta igualmente o sinal e a

referência)

Transmissão serial de sinais

• Principais padrões de interface serial– RS-232– RS-422– RS-485– V.35– USB

RS-232• Desenvolvido originalmente para as conexões entre DTE (Data Terminal

Equipment – microcomputadores, terminais, controladores) e DCE (Data Comunication Equipment – modens)

• Usa a transmissão desbalanceada com três fios (tx, rx e terra)• Pinos utilizados:

1 – DCD (Data Carrier Detect)2 - Rxd (Receive data)3 - Txd (Transmit data)4 - DTR (Data Terminal Ready)5 - SG (Signal Ground)6 - DSR (Data Set Ready)7 - RTS (Request To Send)8 - CTS (Clear To Send)9 – RI (Ring Indicator)

• Usa-se normalmente o conector de 9 pinos (DB-9)• Alcance máximo de 15m• Bit 0: +5V a +15V na saída e +3V a +15V na entrada• Bit 1: -5V a -15V na saída e -3V e -15V na entrada

RS-232

RS-422

• Usa a transmissão balanceada• Utiliza conectores existentes:

– DB-9 ou DB-25 com pinagem não padronizada– DB-25 com padrão RS-530– DB-37 com padrão RS-449

• É usado comumente em comunicações ponto a ponto realizadas por um drive dual-state

• É usado em transmissões de longa distância (1200m), altas velocidades (dois pares de fio para transmissão duplex)

• A versão desbalanceada é a RS-423

RS-485• Desenvolvido pela EIA – Electronics Industry Association• Somente 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 protocolos

• O alcance é de até 1200m (compatível com RS-422)• Máximo de 32 terminais remotos em cada nó da rede que devem ser

endereçáveis• Único PC como mestre da rede• Taxa de transmissão: 15m ~ 10Mbps e 1200m ~ 100Kbps• Características elétricas:

– Comunicação em modo diferencial com tensão de 5V em relação ao terra– Grande imunidade a IEM – Interferência Elétrico-Magnética devido ao modo

diferencial– Obrigatório o uso de resistores pull-up e pull-down na linha principal e

resistores de terminação da rede para o casamento de impedância

• Par diferencial: quando a tensão no condutor “+” for maior que no condutor “-”, é caracterizado um nível lógico “1”; quando, ao contrario, a tensão no condutor “-” for maior que no condutor “+”, é caracterizado um nível lógico “0”

RS-485

Aterramento / Interligação do comum

• Linhas de transmissão diferenciais utilizam como informação apenas a diferença de potencial existente entre os 2 condutores do par trancado, independente da diferença de potencial que eles apresentam em relação ao referencial de tensão (comum ou terra)

• Isto permite que múltiplos sistemas se comuniquem mesmo que uma referencia de potencial comum entre eles não seja estabelecida.

• No entanto, os circuitos eletrônicos de transmissão e recepção podem ser danificados se o par trancado apresentar um potencial excessivamente elevado em relação ao referencial (comum ou terra).

Aterramento / Interligação do comum

• A norma TIA/EIA-485 especifica que a máxima diferença de potencial entre os equipamentos da rede deve estar entre – 7 V e + 12 V, enquanto a norma TIA/EIA-422 especifica estes limites entre – 7 V e + 7 V. Diferenças de potencial acima destes limites são usuais quando múltiplos dispositivos isolados eletricamente entre si são interligados apenas pelos pares diferenciais de comunicação.

• A utilização de aterramento nos dispositivos, apesar de ajudar, não soluciona o problema em todas as situações, pois em uma instalação industrial típica a diferença de potencial entre aterramentos de locais afastados pode ser de muitos volts, podendo chegar a centenas de volts na ocorrência de descargas atmosféricas.

• A melhor solução para evitar a queima dos circuitos de comunicação e adotar um condutor adicional que interligue o comum (ou terra) de todos os dispositivos da rede.

• A utilização de cabo blindado e recomendada sempre que o custo mais elevado deste tipo de cabo não for um problema. A utilização de cabo blindado com a malha adequadamente aterrada torna a rede mais imune a interferências externas mesmo quando o cabo e instalado próximo a fontes de ruído elétrico, como inversores de frequência, maquinas de solda, chaves eletromagnéticas e condutores de alimentação CA.

• Para reduzir custos, pode ser utilizado cabo trancado sem malha de blindagem, mas este deve ser instalado separado de condutores de alimentação CA e distante de fontes de ruído elétrico.

RS-485

• Transceptor MAX-485– RO – entrada para recepção– RE – habilitação da recepção– DE – habilitação da transmissão– DI – entrada para transmissão– GND e Vcc – alimentação do CI– A – entrada não inversora– B – entrada inversora

• Normalmente os pinos DE e RE são jumpeados• Para transmitir habilita o pino DE e desabilita o pino RE• Normalmente o transceptor fica no modo recepção (pino RE ativado)

RS-485

• Exemplo de um sistema RS-485

RS-485 HALF-DUPLEX (2 FIOS)

RS-485 FULL-DUPLEX (4 FIOS)

RS-232 para RS-485

• RS232 para RS485

RS-232 para RS-485

RS-485

• Aplicação típica: mestre-escravo– Os escravos recebem

um endereço e apenas respondem ao mestre (evita-se colisões)

– O computador central controla várias máquinas de Controle Numérico

RS-485

• Aplicação típica: half-duplex com todos se comunicando– O funcionamento depende do protocolo de

comunicação adotado– Exemplo: sistema de robô da Mecajun/LCVC– A câmera transmite informações para a placa central,

(Vortex86) que envia a s decisões para a placa de controle dos motores. Quando um evento ocorre com os sensores de toque e/ou de luz a informação deve ser enviada tanto para os motores como para a placa de controle central

RS-485

• Montagem da rede

RS-485

RS232, RS423, RS422 e RS485

32102/102Quantidade de dispositivos

1200m1200m1200m15mDistância máxima

10 Mbps10 Mbps100 Kbps20 KbpsTaxa transm. máxima

+12V a -7V+ - 6 a -0,25V+ - 6V+ - 25VTensão máxima comum

1,5V min

2V máx

2V min

2V máx

2V min

2V máx

5V min

15V máx

Nível transmissão

>12 KOhm>4 KOhm>4 KOhm3 a 7 KOhmResistência entrada

+ - 0,3V+ - 0,2V+ - 0,2V+ - 3VSensibilidade entrada

BalanceadaBalanceadaDesbalanceadaDesbalanceadaReferência

RS485RS422RS423RS232Caracterísitcas

Conectores industriais

Conversores

Meios físicos de transmissão• Par tançado• Cabo coaxial• Fibra ótica

– Multimodo com índice degrau– Multimodo com índice gradual– Monomodo

• Transmissão sem fio• Spread spectrum

– Modulação FHSS– Modulação DSSS

• Modem• Transmissão de dados sem fio de uso industrial

– Rádio de dados (Data Radios)– Rádio MODEM transparente– Rádio MODEM inteligente– Rádio-telemetria– Rádio-telemetria com integração de CLP e sistemas SCADA

• Transmissão de dados via sistema de telefonia móvel celular– SMS x GPRS– Bluetooth– Zigbee

Par trançado• UTP (Par Trançado Não Blindado), originalmente projetado para

voz, é o tipo de cabo mais utilizado em razão:– Do seu baixo custo, facilidade de instalação, flexibilidade em

mudanças e alterações– Da capacidade de suportar a completa largura de banda– Boa resistência ao crosstalk (as tranças evitam a interferência

entre os pares do cabo• O padrão Categoria 5 (CAT5) estabelece os requisitos mínimos

para o cabeamento de telecomunicações dentro dos prédios ou entre os prédios do campus e é o cabeamento UTP mais popular instalado em comunicação de dados. O CAT5 deve ser capaz de suportar voz ou dados a 100 MHz sobre fios 22 ou 24 AWG

• A Categoria 5 enhanced (CAT5e) é um padrão com requisitos ligeiramente superiores ao CAT5.

• A Categoria 6 Classe E (CAT6) é o padrão em estudo pela TIA/EIA. Tanto a CAT6 como a Categoria 7 Classe F (CAT7) são apenas propostos não existindo padronização oficial.

Par trançado• Cabos UTP Blindados vs. Não Blindados• O ambiente em que será instalado é que determina se o cabo a ser

utilizado deverá ser blindado ou não blindado• A blindagem é a capa que envolve os fios de um cabo e protegem contra a

interferência e descarga eletromagnética (EMI). Essa atividade eletromagnética é conhecida por ruído

• As fontes de EMI em um ambiente de trabalho podem ser motores de elevadores, lâmpadas fluorescentes, geradores, compressores, condicionadores de ar e fotocopiadoras

• Para proteger os dados em um ambiente ruidoso (nível elevado de EMI), utiliza-se cabos blindados. O tipo de blindagem mais comum é a folha metalizada, porém a malha de cobre oferece maior proteção

• Em ambientes de escritório sem fontes de interferência pode-se utilizar cabos não blindados, em escritórios ou lojas movimentadas sujeitas a alguma interferência recomenda-se o uso de cabos com blindagem de folha metalizada e em ambientes industriais o mais recomendado é o cabo com blindagem de malha de cobre.

Par trançado• Crosstalk• Uma das mais importantes diferenças entre os padrões CAT5 e os mais novos está

nas especificações NEXT• O NEXT (Near-End Crosstalk) é a interferência no sinal de um par sobre um outro na

mesma extremidade do cabo. O Crosstalk não ocorre apenas no par adjacente (pair to pair NEXT), mas todos os outros pares de um cabo UTP podem interferir com seus próprios níveis em ambas as extremidades do cabo, multiplicando o efeito dessa interferência sobre o par transmissor ou receptor

• Em razão destes níveis de interferência poder debilitar redes de alta velocidade, alguns fabricantes de cabos começaram a apresentar as taxas de NEXT, FEXT, PS-NEXT, ELFEXT e PS-ELFEXT para seus cabos CAT5e e Categoria 6 (proposto)

• O PS-NEXT inclui a soma total de todas as interferências que podem ocorrer entre um par e todos os pares adjacentes de um cabo

• O FEXT mede a interferência de um par em uma extremidade do cabo em outro par na outra extremidade do cabo

• O ELFEXT (Equal-Level Far-End Crosstalk) mede o FEXT em relação ao nível do sinal recebido medido no mesmo par. Ele mede basicamente a interferência sem os efeitos da atenuação - o nível equalizado.

• O PS-ELFEXT mede a soma total de todas as interferências dos pares de uma extremidade em um par da outra extremidade sem os efeitos da atenuação.

Par trançado

• Crosstalk

Par trançado• Decibel (dB)• É um termo muito utilizado em diversas áreas, como: áudio, eletrônica, telecomunicações, entre

outras• Representa o ganho ou a atenuação de um sinal, de um som, etc• O decibel é uma unidade logarítmica que representa uma relação entre um valor de entrada e

um de saída (som, alimentação, voltagem, corrente, campo magnético etc)• O resultado desta relação pode ser ganho, quando a saída é maior que a entrada (número

positivo), ou atenuação, quando a saída é menor que a entrada (número negativo)• O ganho ou atenuação, podem ser calculadas pela fórmula 10log(out/in), com log na base 10 e

resultado em dB• Além do decibel apresentado, onde os valores de entrada e saída são variáveis, existem

algumas derivações utilizando um valor de entrada padrão fixo• O dBm que utiliza um sinal padrão de 1 miliwatt resultando na fórmula 10log(saída(mw)/1mw)• O dBu que utiliza 0,775volts como sinal padrão e tem como fórmula 20log(tensão de

saída(volts)/0,775volts)• O dBVU de sinal padrão 250 nano webers/m (medida de campo magnético) e fórmula

10log(saída (em nw/m)/(250nw/m)).• Como ilustração, cabos de par trançado CAT5e de boa qualidade apresentam atenuação em

torno de 26,4 dB/100m a 100 MHz e de 53,8 dB/100m a 350MHz. Os Cabos de Fibra Óptica multimodo apresentam atenuação menor que 3,75 dB/Km em 850 nm e menor que 1,5 dB/Km em 1300 nm. E os cabos de Fibra monomodo em torno de 1 dB/Km em 1300 nm.

Fibra ótica

Protocolos industriais e prediais

• Avanço das tecnologias• Queda nos preços dos dispositivos• Aumento no uso de sistemas informatizados• Redes locais em ambientes administrativos:

– Redes corporativas

• Redes locais em ambientes industriais:– Redes fieldbus (industriais)

• Maior confiabilidade• Tempo real

• Sistemas de comunicação de dados utilizados para troca de informações dentro de processos industriais e entre processos industriais.

• Possuem como requisitos:– Boa resistência mecânica – Resistência a chama, umidade e corrosão– Alta imunidade a ruídos– Taxa de erros baixa ou quase nula– Tempo de acesso e de propagação limitados– Tempo entre falhas e tempo de reparo baixos – Boa modularidade e possibilidade de interconexão



• Os protocolos de campo podem ser separados em três categorias:– Nível mais baixo (sensorbus) – redes de dispositivos simples

(sensores/atuadores em nível de bit – I/O): ASI (Actuator Sensor Interface), SERIPLEX, Interbus-S, Profibus-PA, HART

– Nível médio (devicebus) – redes de controladores de campo (comunicação serial entre CLP): CAN (Controller Area Network), Lonworks, DeviceNET, Profibus-DP

– Nível alto (fieldbus)– redes de controladores (mestres) para controles e instrumentação mais sofisticada: SP50-H2, Ethernet Industrial, Profibus-FMS

Common Industrial Protocol - CIP

Domínios e aplicações

MODBUS• O Protocolo Modbus

– Desenvolvido pela Modcon em 1979– É um protocolo de mensagens, localizado na Camada de Aplicação do

Modelo OSI, que provê comunicação cliente/servidor entre dispositivos conectados por diferentes tipos de barramentos ou redes

– Baseado no modelo mestre/escravo– Os escravos não podem dialogar entre si– O mestre trabalha em dois modos:

• modo requisição/resposta: pode enviar mensagem para um escravo (sensor, válvula, driver de rede, ..) em particular

• modo difusão:pode enviar uma mensagem comum a todos os escravos– Como o mestre e os escravos estão ligados a um barramento

bidirecional é necessário designar um endereço (de 1 a 247) para cada escravo (unicast). O endereço “0” é usado para broadcast

– Atribuições do mestre:• Assegurar a troca de informações entre as ECL (Estações de Controle

Local) ou ETD (Equipamento Terminal de Dados)• Assegurar o diálogo com o operador do sistema (homem/máquina)• Assegurar um diálogo com outros mestres ou com um computador (gestão

centralizada do conjunto do processo)• Assegurar a programação ou passagem de parâmetros para os escravos

MODBUS• Atualmente é implementado usando:

– TCP/IP sobre Ethernet (MODBUS TCP/IP)• Usado para comunicação entre sistemas de supervisão e CLP’s• Os dados, em formato binário, são encapsulados em quadros Ethernet e

pacotes TCP/IP• Utiliza a porta 502 da pilha TCP/IP

– MODBUS PADRÃO• Usado para comunicação dos CLP’s com os módulos de E/S, atuadores de

válvulas, transdutores de energia, etc• O Protocolo é o Mestre-Escravo• Transmissão serial assíncrona sobre vários meios:

– EIA/TIA-232-E, EIA/TIA-422, EIA/TIA-485-A, Fibra ótica, Rádio

– MODBUS PLUS• Rede de passagem de token de alta velocidade• Usado para comunicação entre si de CLP’s, módulos de E/S, IHM, etc• O meio físico é o RS485, taxa de transmissão de 1 Mbps• Controle de acesso ao meio através do Protocolo HDLC

MODBUS

• Tipos de Protocolos MODBUS

Referência: MODBUS Application Protocol Specification V1.1b

MODBUS

Referência: MODBUS Application Protocol Specification V1.1b

MODBUS• Abreviaturas

– ADU – Application Data Unit– HDLC – High level Data Link Control– HMI – Humam Machine Interface– IETF – Internet Engineering Task Force– I/O – Input/Output– IP – Internet Protocol– MAC – Medium Access Control– MB – MODBUS Protocol– MBAP – MODBUS Application Protocol– PDU – Protocol Data Unit– PLC – Progammable Logic Controller– TCP – Transmission Control Protocol– TIA – Telecommunication Industry Association– EIA - Electonic Industries Alliance

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

• Codificação de mensagens– As mensagens são constituídas por um conjunto de

caracteres hexadecimais ou ASCII– O tamanho máximo da PDU é de 253 bytes, então:

• RS232/RS485 ADU = 253 (dados) + 1 (endereço) + 2 (CRC)• TCP/IP MODBUS ADU = 253 (dados) + 7 (MBAP)

– Os serviços são especificados por códigos de função– Cada serviço possui um formato de mensagem para

a requisição e outro para a resposta– Códigos válidos vão de 1 a 255, sendo que de 128 a

255 são reservados para respostas de exceção. O bit mais significativo é o que decide o tipo do código

– Códigos de sub-função podem ser adicionados aos códigos de função para definir múltiplas ações

MODBUS

• Transações entre mestre e escravo

MODBUS• O campo dados da mensagem enviada de um mestre para um

escravo (dispositivo servidor) contém informações adicionais que auxiliam o escravo a executar a ação requerida no campo código da função, como:– Endereços dos registradores (registro inicial)– Quantidade de registros a serem lidos– Contador da quantidade de bytes no campo de dados

• O campo de dados pode não existir. Neste caso o próprio código da função sozinho especifica a ação requerida

• Se não ocorrer nenhum erro na função especificada na requisição, a resposta do escravo conterá o dado requisitado, caso contrário o campo dados conterá um código de exceção

MODBUS

• Formato da requisição:– Nº do endereço do escravo (1 byte)– Código da função a realizar (1 byte)

• Comandos de escrita ou leitura

– Dados• Endereço da posição de memória (2 bytes)• Quantidade de operandos (2 bytes)

– Para múltiplos operandos o 1º byte especifica o operando e o 2º especifica o número de operandos

• Dados a serem escritos no escravo (até 250 bytes)

– Controle de erros (2 bytes): CRC-16

MODBUS

• Formato da resposta:– Nº do endereço do escravo (1 byte)– Código da função realizada (1 byte)

• Comando solicitado de escrita ou leitura

– Dados• Quantidade de dados da resposta (1 bytes)• Dados solicitados para o escravo (até 250 bytes)

– Controle de erros (2 bytes): CRC-16

MODBUS

• Funções para troca de mensagens– Leitura de dados– Escrita de dados– Difusão de dados (broadcast)

• Tipos de dados– Dados de 1 bit

• Bobinas (coils): podem ser lidos ou escritos no escravo• Entradas (inputs): leitura do escravo

– Dados de 16 bits (registros)• Retentivos (holding): podem ser lidos ou escritos no escravo• Entradas (inputs): leitura do escravo

MODBUS• Alguns códigos de requisição de serviços (comandos)

01 - Read coil status: leitura de múltiplos operandos do tipo coil (leitura do estado das saídas discretas)

02 - Read input status: leitura de múltiplos operandos do tipo input (leitura do estado das entradas discretas)

03 - Read holding register: leitura de múltiplos operandos do tipo holding register (leitura dos valores dos registradores de memória)

04 -Read input register: leitura de múltiplos operandos do tipo input register (leitura dos valores das entradas analógicas)

05 - Force single coil: escrita de um único operando do tipo coil (escrita de uma única saída discreta)

06 - Preset single register: escrita de um único operando do tipo holding register (escrita de um valor em um registrador de memória)

0F - Force multiple coils: escrita de múltiplos operandos do tipo coil (escrita de múltiplas saídas discretas)

10 - Preset multiple registers: escrita de múltiplos operandos do tipo holding register (escrita de múltiplos valores em registradores de memória)

MODBUS• Endereços lógicos dos dados (memória é dividida em registradores

de 16 bits)– 00001 a 09999 – coils (solenóides, saídas discretas para os atuadores

ON-OFF utilizam um bit. Cada registrador comporta 16 saídas)– 10001 a 19999 – inputs (entradas discretas para os sensores ON-OFF

utilizam um bit. Cada registrador comporta 16 saídas)– 30001 a 39999 – inputs registers (entradas analógicas utilizam

registradores de 16 bits para os valores obtidos dos conversores A/D a partir do sinais dos sensores analógicos)

– 40001 a 49999 – holding registers (registradores de memórias com 16 bits para os valores utilizados internamente nos CLP’s)

– Na prática todos os endereços lógicos variam de 0 a 9998 e a identificação está associada ao tipo do serviço (código da função)

• Endereços dos dispositivos– “0” para difusão– De 1 a 247 para os escravos (dispositivos)

MODBUS• Detecção de erros

– Checagem de paridade do caracter do frame• Par• Ímpar• Sem paridade

– Checagem de quadro na mensagem• ASCII – LRC (2 bytes)• RTU – CRC (2 bytes) – complemento a 2 da soma de todos os bytes da

mensagem, exceto os delimitadores• Temporizações

– O tempo de linha inativa entre bytes de uma mesma mensagem deve ser menor que 1,5 tempos de byte

– Entre duas mensagens consecutivas deve existir um tempo mínimo de inatividade na linha de 3,5 tempos de byte

– Existe um atraso máximo (timeout) para receber uma resposta do escravo. Se o timeout estourar, o mestre faz nova tentativa

MODBUS• Formatos dos pacotes de comunicação (modo de transmissão)

– MODBUS ASCII• Os dados são codificados em caracteres ASCII de 7 bits (0 a 9 e A a F)• Intervalos <= 1 seg são permitidos durante a transmissão da mensagem• Usa delimitador de início e fim de mensagem (inicia com “:” e termina com

“CR” e “LF”)• 10 bits por “byte” (caractere):

– 1 start bit (caracter “:” – 3Ah)– 7 bits de dados– 1 bit de paridade– 1 stop bit (caracter CR e LF – 0Dh e 0Ah)

– Sem bit de paridade, então:– 2 stop bit

ENDEREÇO FUNÇÃO DADOS LRC

Formato do quadro usado no MODBUS ASCII

START

: (3A h) 2 caracteres 2 caracteres n caracteres

STOP

2 caracteres CRLF

MODBUS– MODBUS RTU (Remote Terminal Unit)

• Os dados são transmitidos em formato binário de 8 bits (0 a 252 bytes)• Os delimitadores de início e fim são um intervalo (silêncio) de 3,5 caracteres• 11 bits por “byte” (caractere):

– 1 start bit– 8 bits de dados– 1 bit de paridade– 1 stop bit

– Sem paridade, então:– 2 stop bit

• Silêncio ≥ 3,5 caracter

ENDEREÇO FUNÇÃO DADOS CRCSTART

8 bits 8 bits n x 8 bits

STOP

16 bits silênciosilêncio

Formato do quadro usado no MODBUS RTU

MODBUS• Transmissão de quadros no modo RTU ao longo do tempo com os

intervalos mínimos de tempo entre quadros e máximos entre caracteres

Diagrama de tempo em um cenário mestre/escravo

MODBUSRTU – CRC (Cyclical Redundancy Checking)• O CRC é aplicado na mensagem inteira• É indiferente ao tipo de paridade usado nos caracteres individuais da mensagem• Os bits de start, stop e paridade não entram no cálculo• Os dois bytes são adicionados ao final da mensagem (byte de baixa ordem + byte

de alta ordem)• O CRC é calculado pelo transmissor. O receptor calcula o CRC e compara com o

valor recebido. Se não são iguais existe um erro e a mensagem é descartada• O cálculo do CRC é feito da seguinte forma:

1. Carregue o registrador CRC de 16 bits com FFFF (tudo 1)2. Faça a operação XOR do primeiro byte da mensagem com o byte de mais baixa ordem

do registrador, colocando o resultado no registrador3. Desloque o registrador de um bit para a direita, em direção ao bit LSB, colocando o valor

0 na posição do bit MSB4. Extraia e examine o LSB:

– Se LSB=0, volte ao passo 3 e faça novo deslocamento– Se LSB=1 faça um XOR do valor do registrador com o valor do polinômio 0xA001 (x15 + x13 + 1)

– Repita os passos 3 e 4 até que 8 deslocamentos tenham sido realizados para que um byte seja completamente processado

– Repita os passos 2 até 5 para o próximo byte da mensagem. Continue repetindo até que todos os bytes da mensagem tenham sido processados

– O conteúdo final do registrador é o valor do CRC– Na mensagem o byte menos significativo é colocado primeiro

MODBUSASCII – LRC (Longitudinal Redundancy Checking)• O LRC é aplicado na mensagem inteira• É indiferente ao tipo de paridade usado nos caracteres individuais da

mensagem• Os caracteres “:” e “CRLF” não entram no cálculo• O cálculo é feito antes de codificar cada byte hexadecimal em dois bytes

ASCII• Os bytes de LRC são adicionados ao final da mensagem• O LRC é calculado pelo transmissor. O receptor calcula o LRC e compara

com o valor recebido. Se não são iguais existe um erro e a mensagem é descartada

• O cálculo do LRC é feito da seguinte forma:– Adiciona-se, sucessivamente, cada byte da mensagem– Os bits de carry são descartados– Ao resultado aplica-se o complemento a dois– O resultado é codificado em dois bytes ASCII– O byte mais significativo é transmitido primeiro

EXEMPLO DE CÁLCULO DE CRC PARA OS VALORES 0207

SOMAR COM O SEGUNDO BYTE

1110001100011000XOR

0001000000001010FLAG=1, XOR COM POLINÔMIO

11111001100010010DESLOCAMENTO 8

01111011100100100DESLOCAMENTO 7

1110111101001000XOR


11111111101000010DESLOCAMENTO 6

01111111110010100DESLOCAMENTO 5

1110111100111001XOR


11111111100110011DESLOCAMENTO 4

01111111101110110DESLOCAMENTO 3

1110111111111100XOR


11111111111110110DESLOCAMENTO 2

1111111111111101XOR


11110111111110111DESLOCAMENTO 1

1101111111111111XOR ENTRE REGISTRADOR E 1º CARACTER

00100000000000001º CARACTERE

1111111111111111INICIALIZAÇÃO DO REGISTRADOR CRC

FLAG2º BYTE1º BYTEAÇÃO

2114CONTEÚDO DO CAMPO CRC NO QUADRO

1421CONTEÚDO DO REGISTRADOR CRC

00001010000100001DESLOCAMENTO 8

00010100001000010DESLOCAMENTO 7

00100000010010100DESLOCAMENTO 6

1000000000101001XOR


11001000000100011DESLOCAMENTO 5

00011000101000110DESLOCAMENTO 4

0110001010001100XOR


10111001010000110DESLOCAMENTO 3

1111010000001101XOR


11110010000000111DESLOCAMENTO 2

1101100100001110XOR


11100100100000100DESLOCAMENTO 1

1001001100011000XOR ENTRE REGISTRADOR E 2º CARACTER

01110000000000002º CARACTERE

1110001100011000CONTEÚDO DO REGISTRADOR CRC (1° BYTE)

FLAG2º BYTE1º BYTEAÇÃO

MODBUS

• Cálculo do LRC– Endereço (12): 0001 0010– Função (01): 0000 0001– End. Inicial Hi (02): 0000 0010– End. Inicial Lo (10): 0001 0000– Quantidade Hi (00): 0000 0000– Quantidade Lo (01): 0000 0001– Checksum: 0010 0110– Complemento a 1: 1101 1001– Complemento a 2: 1101 1010– LRC (hexadecimal): D A– LRC (ASCII-binário): 0100 0100 0100 0001

MODBUS• Características fixas:

– Formato da mensagem– Funções disponíveis– Tratamento de erros

• Características selecionáveis:– Meio de transmissão– Velocidade– Timeout– Bits de parada e de paridade– Modo de transmissão (RTU ou ASCII)

• Define como os bits serão codificados– Endereço 3Bh no RTU: 0011 1011– Endereço 3Bh no ASCII: 3=33h – 0011 0011 e B=42h – 0100 0010

• Nos Protocolos MODBUS Plus e MODBUS TCP/IP as mensagens são colocadas em frames e usa-se o modo de transmissão RTU

• O tamanho da mensagem ASCII é duas vezes maior que a RTU• No modo RTU todos os caracteres devem ser enviados em uma sequência

contínua• O modo RTU também é conhecido como MODBUS-B ou MODBUS Binário

MODBUS• Exemplos de perguntas e respostas:

– O mestre solicita uma leitura dos registradores 40108 a 40110 ao escravo 06– O dispositivo 06 responde com o conteúdo das três palavras

• O 1º registrador é o 40001 que é endereçado como “0”, portanto o endereço do 40108 é 107d=006Bh

• Registrador 40108 = 02 2Bh = 555• Registrador 40109 = 00 00h = 0• Registrador 40110 = 00 63h = 99

CRC(2)LRC(2) CRCControle de erro

Nenhum:Cabeçalho

NenhumCR LFTrailer

0110 00116363Dado LO

2 00000000Dado HI

1 00000000Dado LO

0000 00000000Dado HI

0010 10112B2BDado LO

0000 00100202Dado HI

0000 01100606Quantidade de bytes

0000 00110303Código da função

0000 01100606Endereço do escravo

RTUASCIIHexaNome do campo

CRC(2)LRC(2) CRCControle de erro

Nenhum:Cabeçalho

NenhumCR LFTrailer

0000 00110303Número de registros

LO

0000 00000000Número de registros HI

0110 10116B6BEndereço de início LO

0000 00000000Endereço de início HI

0000 00110303Código da função


RTUASCIIHexaNome do campo

MODBUS

• Exemplos de perguntas e respostas:– O mestre solicita a leitura de algumas entradas digitais, no

intervalo de endereço 10197 a 10218 ao dispositivo 17– O dispositivo cujo endereço é 17 responde ao mestre

CRCCRCControle de erro

0001 011016Número de registros

LO

0000 000000Número de registros HI

1100 0100C4Endereço de início LO


0000 001002Função


RTUHexaNome do campo


0011 010135Dado (10218 ... 10213)

1101 1011DBDado (10212 ... 10205)

1010 1100ACDado (10204 ... 10197)

0000 001103Contagem de bytes

0000 001002Função



MODBUS

• Exemplos de perguntas e respostas:– Requisição para ler os registros 108 a 110

MODBUS

• Exemplos de perguntas e respostas:– Requisição para ler a entrada do registro 9

– Requisição para escrever o valor 00 03 no registro 2

MODBUS

• Exemplos de perguntas e respostas:– O mestre solicita a escrita de um bit, valor 1, no endereço lógico

173 do escravo cujo endereço é 17– O dispositivo cujo endereço é 17 responde ao mestre


0000 000000Force dado LO

1111 1111FFForce dado HI

1010 1100ACEndereço solenóide LO

0000 000000Endereço solenóide HI

1010 1100ACEndereço de início LO


0000 010105Função




0000 000000Force dado LO

1111 1111FFForce dado HI

1010 1100ACEndereço solenóide LO

0000 000000Endereço solenóide HI

0000 001005Função



MODBUS TCP/IP

• Não há distinção entre mestre e escravo, então qualquer nó pode acessar qualquer nó

• A mensagem é encapsulada em um pacote TCP/IP• Permite assim o acesso remoto via WEB• Os comandos são enviados por um cliente para a porta

502 de um servidor• O encapsulamento não alterou a estrutura básica da

mensagem original Modbus– O endereço agora tem 1 byte e chama-se Identificador Único– O campo CRC não é usado

• Usa o TCP na camada de transporte e o CSMA/CD como controle de acesso ao meio

MODBUS TCP/IP

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

• MBAP – Modbus Application Protocol

MODBUS TCP/IP

• O formato e o conteúdo dos dados contidos em uma mensagem ModbusTCP/IP é identificado pelo campo código de função e seu valor é 91d (5Bh)

• As transações entre nodos são associadas a request (código par) e response (código ímpar) ou notify para exceções

• Estrutura do cabeçalho MBAP:

MODBUS TCP/IP

• Estrutura do campo de dados:

MODBUS TCP/IP

• Um esquema de endereçamento deve ser usado dentro do protocolo para providenciar a comunicação entre cliente/servidores

• O endereço deve ser: IP+Unit ID• Unit ID válidos: faixa entre 0 e 247 (255 é usado para

comunicação com um gateway)• Cada mensagem é constituída de um ou mais

fragmentos de mensagem. O tamanho máximo de dados de cada fragmento é de 195 bytes

• Cada fragmento contém 7 campos:– Byte 0 – Fragment Byte Count (8 bits):

• contém o comprimento em bytes da mensagem Modbus. O máximo é 197 bytes, excluindo ele próprio e o Stuff

MODBUS TCP/IP

– Byte 1 – Fragment In Process Indicator (1 bit):• Se =1 indica que o campo de dados é um fragmento de uma

mensagem com multi-fragmentos

– Byte 1 – Last Fragment Indicator (1 bit):• Se =1 indica que é o último fragmento da mensagem

– Byte 1 – Reserved (3 bits):• Não usado e deve ser =0

– Byte 1 – Fragment Sequence Number (3 bits):• Contador que indica o número sequencial do fragmento

– Bytes 2 e 3 – Class ID (16 bits):• A classe do objeto é associada com o serviço. Em uma

requisição de serviço a Class ID especifica o serviço a ser executado em uma determinado objeto

MODBUS TCP/IP

– Bytes 4 e 5 – Instance ID (16 bits):• A instância do objeto é associada ao serviço

– Bytes 6 e 7 – Service Code (16 bits):• O código especifica o serviço requisitado

– Bytes 8 ... – Data (n*16 bits):• Dados associados aos serviço requisitado, isto é,

parâmetros do serviço

– Stuff Byte – Condicional (8 bits):• Se o comprimento do campo de dados não é

múltiplo de 16, é necessário acrescentar esse byte ao final da mensagem

MODBUS TCP/IPProtocolo de Endereçamento a Objeto do Modbus:• O Modelo do Objeto especifica o agrupamento, a estrutura e o

comportamento dos dispositivos• Objetos são considerados entidades que agrupam estruturas e

comportamentos de uma maneira lógica• Em um dispositivo, os objetos tem uma estrutura física ou

conceitual análogas• Um objeto pode ser associado a um sensor em um dispositivo, ou

pode ser o conjunto de estrutura e comportamento que compreende o gerenciamento do dispositivo

• A hierarquia Classe/Instância é utilizada para suportar a herança, permitindo assim a definição do tipo do objeto (classe) e especificar as implementações desses objetos (instância)

• Exemplo: em um banco de dispositivos fotodetectores a classe pode ser definida como “fotodetector” e a instância cada fotodetector individualmente

PROFIBUS

• Principal sistema aberto para fieldbus

• Baseado nos padrões:– EN 50170 e EN 50254

– IEC 61158 e IEC 61784

• Independência de fabricantes (dispositivos devem comunicar-se)

• Utiliza o protocolo de acesso ao barramento token passing para comunicação entre os mestres (estações ativas), usando um anel lógico

• E o procedimento mestre-escravo para comunicação entre o mestre e os escravos (estações passivas)

• Atende vários níveis em sistemas de automação

PROFIBUS

• Protocolos de acesso

PROFIBUS

PROFIBUS• No nível de sensores e atuadores permite

interoperabilidade com:– RS-485, IEC 61158 (ambientes classificados), fibra ótica e

protocolo As-i• No nível de campo os protocolos Profibus-DP

(Decentralized Periphery) e Profibus-PA (Process Automation) transmitem dados a partir de módulos de E/S, transdutores, acionamentos, etc

• No nível de célula estão os CLP`s, PC`s, IHM. Podem comunicar-se entre si e entre os níveis acima e abaixo utilizando os protocolos Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification) ou ProfiNet

• O nível de célula troca informações com o nível de fábrica utilizando o Ethernet/TCP-IP

PROFIBUS

PROFIBUS

• Perfil de comunicação

PROFIBUS

• Tecnologias de transmissão:– RS-485 (Profibus-DP/FMS)

• Cabo de par trançado, blindado ou não como barramento linear

• Taxa de transmissão: 9,6 Kbps até 12 Mbps

• Comunicação bilateral

• 32 estações por segmento sem repetidores e até 127 estações com repetirodres

• Conectores DB9

– IEC 1158-2 (Profibus-PA)• Usado na indústria petroquímica/produtos químicos

• Corrente de modulação de no mínimo 10 mA

• Transmissão digital, com sincronismo bit a bit

• Taxa de transmissão: 31,25 Kbps

• Cabo de par trançado, blindado ou não como barramento linear

• 32 estações por segmento (pode usar repetidores)

PROFIBUS

• Tecnologias de transmissão:– Fibra ótica

• Usado em ambientes ruidosos e com interferência eletromagnética muito elevada, aumentar a distância máxima e elevadas taxa de transmissão

• Fibra multimodo: 2 a 3 km

• Fibra monomodo: até 15 km

• Existem conversosres RS-485/Fibra

PROFIBUS

• Detalhamento da Arquitetura Básica de uma Instalação

PROFIBUS• Arquiteturas

PROFIBUS

• Arquiteturas:– Profibus-DP

• Automação de chão de fábrica (nível de dispositivo: CLP com drivers, válvulas, I/O, etc)

• Usa as camadas 1 e 2 (FDL – Field Data Link) do MR-OSI e a interface com o usuário

• O acesso à camada 2 é feito pelo protocolo DDLM – Direct Data Link Mapper

• Funções básicas:– Tecnologia de transmissão:

» RS-485 ou fibra ótica» Taxa de transmissão de 9,6 Kbps a 12 Mbps

– Acesso ao barramento:» Procedimento mestre-mestre e mestre-escravo» Possibilidade de sistemas mono-mestre ou multi-mestre» Máximo de 126 estações por barramento

PROFIBUS

• Arquiteturas:– Profibus-DP

• Funções básicas:– Comunicações:

» Ponto-a-ponto ou multicast (comandos de controle)» Mestre-escravo cíclica e mestre-mestre acíclica

– Modos de operação:» Operate – transmissão cíclica de dados de E/S» Clear – as entradas são lidas e as saídas são colocadas

num status à prova de falhas» Stop – somente transmissões mestre-mestre são permitidas

– Sincronização:» Comandos de controle realizam as sincronizações nas

entradas e saídas» Modo síncrono – as saídas são sincronizadas» Freeze mode – as entradas são sincronizadas

PROFIBUS• Arquiteturas:

– Profibus-PA• Solução Profibus para automação de processos• Conecta sistemas de automação e de controle de processos com os

dispositivos de controle (controladores de pressão, controladores de temperatura e posicionadores de válvulas)

• Pode ser usado como um substituto para a tecnologia analógica (4 a 20 mA)

• Utiliza as mesmas funções básicas do Profibus-DP• Satisfaz as exigências da indústria de controle e processos:

– O perfil original da aplicação para a automação do processo e interoperabilidade dos equipamentos de campo dos diferentes fabricantes

– Adição e remoção de estações de barramentos, mesmo em áreas intrinsecamente seguras, sem influência pra outras estações

– Comunicação transparente através dos acopladores do segmento entre o barramento de automação do processo Profibus-PA e do barramento de automação industrial Profibus-DP

– Alimentação remota e transmissão de dados sobre o mesmo par de fios baseado na tecnologia IEC 1158-2

– Uso em área potencialmente explosivas com blindagem explosiva tipo “intrinsecamente segura”

PROFIBUS

• Arquiteturas:– Profibus-FMS

• Os CLP`s estão no mesmo nível e a comunicação é feita entre eles

• Neste nível um elevado grau de funcionalidades é mais importante do que o tempo de resposta

– Serviços disponíveis:» Estabilizar conectores lógicos (context management)» Leitura e escrita de variáveis (variable access)» Carrega áreas de memórias lidas (domain management)» Conexões mestre-mestre» Conexões mestre-escravo para transmissões cíclicas e

acíclicas

PROFIBUS

PROFIBUS

• Implementação de escravo Profibus com interface IEC 1158-2

PROFIBUS

• Novos desenvolvimentos técnicos

PROFIBUS• Smar Equipamentos Industriais Ltda

PROFIBUS

• ProfiHub

FOUNDATION

• Surgiu como mais uma proposta de padronização de protocolos, patrocinada pela WorldFIP (World Factory Instrumentation Protocol) e ISP (Interoperable Systems Project)

• Plantas industriais e químicas• Participa da ISA/IEC SP50• O protocolo Foundation Fieldbus especifica as

camadas física, enlace e aplicação, do RM-OSI mais a camada de usuário

FOUNDATION

• Redução do hardware

FOUNDATION

• Economia de instalação

FOUNDATION

• Múltiplas variáveis, ambas direções

FOUNDATION

• RM-OSI e Fieldbus Foundation

FOUNDATION

• Encapsulamento dos protocolos

FOUNDATION• Camada física:

– Utiliza apenas par trançado– Especifica duas taxas de transmissão:

• H2 – (higher-speed fieldbus), utiliza 1,0 e 2,5 Mbps (interliga equipamentos de usuário (PCs, etc) e dispositivos mais rápidos do chão de fábrica)

• H1 – (lower-speed fieldbus), utiliza 31,25 Kbps (interliga dispositivos mais lentos de chão de fábrica podendo operar nas mesmas instalações do padrão 4-20 mA)

– Permite o uso de até 32 dispositivos conectados ao barramento– O tamanho do cabo é função da qualidade do mesmo:

• Tipo 31,25 Kbps 1 Mbps 2,5 Mbps Comentários• "A“ 1900 m 750 m 500 m apenas 1 par-trançado

em um cabo blindado• "B“ 1200 m - - múltiplos pares

trançados com uma blindagem externa

• "C“ 400 m - - um ou vários pares trançados, mas sem blindagem

• "D“ 200 m - - múltiplos condutores sem ser par-trançado

FOUNDATION

• Codificação dos bits

FOUNDATION

• Preâmbulo e delimitadores de início e fim

FOUNDATION

• Instalação elétrica

FOUNDATION

• Interligação com redes de alta velocidade

FOUNDATION

• Grandes redes

FOUNDATION• Camada de enlace de dados

– O acesso ao fieldbus é gerenciado por um escalonador de barramento centralizado e determinístico, o LAS (Link Active Scheduler)

– O padrão estabelece 2 tipos de dispositivos:• LinkMaster: é o LAS, podendo controlar as comunicações no

barramento (mestre)• Basic: são todos os outros dispositivos (escravos)

– Na configuração do fieldbus, a estação LAS recebe uma lista de todos os dispositivos no barramento, quais dados devem ser disponibilizados por cada um e a que instante (mensagens escalonadas)

– LAS redundantes podem ser incluídos para garantir a operação contínua da rede

FOUNDATION

• Dispositivos do Fieldbus Foundation

FOUNDATION

– No momento agendado, o LAS emite uma mensagem de dados compilados (CD) para cada dispositivo

– O dispositivo endereçado (editor) coloca seus dados no barramento (broadcast)

– Os dispositivos configurados para receber os dados (assinante) irão recebê-los simultaneamente

– Transferência de dados agendados são tipicamente usadas para regular a transferência cíclica de dados da malha de controle entre os dispositivos e o fieldbus

– Para os outros tipos de mensagens, as não-escalonadas, tais como os pedidos eventuais de dados e alarmes, o LAS deve deixar espaços vagos no escalonamento para poder atender a esses pedidos

FOUNDATION

• Transferência agendada de dados

CD (a)

LAS

FOUNDATION

• Transferência não agendada de dados

FOUNDATION• Camada de Aplicação

– É de interesse principalmente de desenvolvedores– Permite a comunicação entre dispositivos através de uma interface

padronizada (por meio de nomes, índices e/ou endereços reunidos num dicionário de objetos)

• Camada de Usuário– Realiza o gerenciamento da rede (configuração do LAS,

monitoramento), o gerenciamento do sistema (clock, endereços, etc.) e suporta a aplicação do usuário (blocos ou objetos que dão a funcionalidade da aplicação)

– O Fieldbus Foundation tem a vantagem de utilizar um device description (DD) para cada dispositivo. Esta descrição serve como se fosse um driver, fornecendo todas as opções de atuação e comunicação do mesmo. Com isso, pode-se, numa mesma rede, substituir e misturar dispositivos de fabricantes diferentes mas de mesma funcionalidade, sem nenhum problema de comunicação e de forma transparente para o usuário (interoperabilidade)

FOUNDATION• As conexões Fieldbus Foudation convergem para um só ponto

FOUNDATION

• ControlNet & Fieldebus

FOUNDATION• Arquitetura integrada

CAN

• É um protocolo de comunicação serial;• Desenvolvido inicialmente pela Bosch (1986) para

aplicações automotivas;• Como método de acesso ao barramento usa o protocolo

CSMA/CR (Carrier Sense Multiple Access/Collision Resolution), também chamado de CSMA/CD + AMP (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection and Arbitration on Mesage Priority);

• Foi adotado em 1993/94 como padrão mundial ISO11898;

• CiA (CAN in Automation) é uma associação de fabricantes de controladores CAN e de microcontroladores com controladores CAN integrados.

CAN

• Características gerais– Mensagens de dados são pequenas (até 8 bytes);– Taxa de até 1 Mbps;– Priorização de mensagens;– Pode transmitir em broadcast;– Recepção multicast com sincronização;– Detecção de erros;– Sinalização e retransmissão automática;– CAN 2.0A especifica identificadores de 11 bits;– CAN 2.0B suporta mensagens estendidas com identificadores

de 29 bits;– É constituído somente de duas camadas: Enlace de dados e

física. A Camada de Aplicação é especificada pelo projetista.

CAN

• Características gerais:– Possui um esquema de arbitragem binária não destrutiva

(bitwise arbitration) descentralizada, baseada na adoção dos níveis dominante e recessivo para controlar o acesso ao barramento;

– Não há endereço explícito nas mensagens. Cada mensagem carrega um identificador que controla sua prioridade no barramento e também identifica seu conteúdo;

– Isola falhas e remove nós com problema do barramento;– Filtra mensagens;– Os meios físicos são o par metálico, a fibra óptica e

radiofrequência;– Possui capacidade multimestre;– Distingue entre erros temporários e erros permanentes;– Flexibilidade de configuração.

CAN

• Arquitetura– Define duas camadas:

• Camada de enlace de dados– LLC – Logic Link Control

» Controle de aceitação de mensagens;» Notificações de sobrecarga do nó à rede;

– MAC – Medium Access Control» Controle do acesso ao meio físico;» Detecção e sinalização de erros» Reconhecimento de mensagens recebidas;» (Des)encapsulamento de mensagens

• Camada física– Define o nível do sinal de transmissão;– Ajuste do tempo de bit (bit timing);– Sincronização entre os nós

CAN

• Camada Física– Versões: 1.0 e 2.0A Padrão (com

identificadores de 11 bits) e 2.0B Estendida (com identificadores de 29 bits);

– A versão 2.0B pode ser:• Passiva: envia e recebe tramas padrão;• Ativa: envia e recebe tramas tanto padrão quanto

estendida.

Sensores• Processos industriais complexos• Necessidade de medir, realimentar e

controlar etapas dos processos• Os processos podem envolver diversas

grandezas físicas• Foram desenvolvidos diversos instrumentos

de medição• As informações do andamento dos

processos/etapas são coletadas pelos sensores

Sensores• Principais elementos utilizados na automação:

– Atuadores• Dispositivos que modificam uma variável

controlada• Recebem um sinal do controlador• Agem no dispositivo controlado• Exemplos:

– Válvulas: pneumáticas, hidráulicas, etc.– Relés: estáticos, eletromecânicos, etc.– Cilindros: pneumáticos, hidráulicos, etc.– Motores: step-motor, syncro, servomotr, etc.– Solenóides


– Sensores• Dispositivos sensíveis a alguma forma de energia do ambiente

(luminosa, térmica, cinética, etc.) e de grandezas a serem medidas (temperatura, pressão, velocidade, corrente, aceleração, posição, etc.)

• O sinal de saída, normalmente, deve ser manipulado (circuitos de interface: amplificador, conversor, etc.) antes da sua leitura pelo sistema de controle

• Podem ser:– Analógicos: o sinal de saída pode assumir qualquer valor ao

longo do tempo (grandezas típicas: pressão, temperatura, velocidade, umidade, vazão, força, ângulo, distância, torque, luminosidade, etc.)

– Digitais: o sinal de saída pode assumir apenas dois valores ao longo do tempo (detecção de passagem de objetos, encoders na determinação de distância, etc.)


– Transdutores• Dispositivos completos que contém o sensor e o circuito de

interface• Pode ser considerado como uma interface entre as formas

de energia do ambiente e o circuito de controle ou, entre o controle e o atuador

– Conversores A/D e D/A• Convertem um sinal analógico em digital e vice-versa• Parte do sinal é perdida na conversão podendo existir

distorções na linearização do sinal• O número de bits utilizado pelo conversor A/D é muito

importante (valores falsos ou superdimensionamento)


– Transmissor• Dispositivo que prepara o sinal de saída de um transdutor para

sua utilização em outro local• Padrões mais usados para transmitir sinais analógicos:

– 3 a 15 psi– 4 a 20 mA– 0 a 20 mA– 0 a 10 V

• Protocolos de comunicação para redes industriais (fieldbus)– HART– Asi– Fieldbus Foundation– PROFIBUS-PA– CAN– Industrial Ethernet

Sensores

• Características importantes– Tipos de saída

• Digital: saída é discreta

• Analógica: saída contínua

– Sensibilidade (ganho): razão entre o sinal de saída e de entrada

– Exatidão: erro da medida realizada em relação a um medidor padrão

– Precisão: erro relativo máximo (grau de repetibilidade do valor medido)

– Linearidade: curva obtida ao plotar os valores medidos comparados com os valores de um padrão (reta)

– Alcance: faixa de valores de entrada

– Estabilidade: flutuação na saída do sensor

– Velocidade de resposta: velocidade com que a medida fornecida pelo sensor alcança o valor real do processo

Sensores

• Outras características– Facilidade de manutenção - Custo

– Calibração - Dimensões

– Faixa de trabalho - Encapsulamento

– Histerese - Vida útil

• Classificação dos instrumentos– Quanto à localização

• De painel ou uso interno

• De campo ou uso externo

– Quanto à função• Medidores

• Indicadores

• Registradores

• Controladores

• Alarmes

Sensores• Principais tipos:

– Sensores de presença– Sensores de posição– Sensores ópticos– Sensores de velocidade– Sensores de aceleração– Sensores de temperatura– Sensores de pressão– Sensores de nível– Sensores de vazão– Sensores de tensão, corrente e potência– Sensores de umidade, gases e pH

Sensores de presença

• Sensor de presença é um equipamento eletrônico capaz de identificar a presença de qualquer elemento dentro do seu raio de ação e provocar uma comutação eletrônica, como por exemplo, acender a lâmpada do ambiente, acionar um alarme, contar um objeto ou desligar um equipamento.


• Sensores ópticos– Componentes eletrônicos de sinalização e comando

– Detecta qualquer material sem que haja contato mecânico entre eles

– Seu funcionamento baseia-se na emissão de um feixe de luz, o qual é recebido por um elemento foto-sensivel, basicamente são divididos em três sistemas: Barreira, Difusão e Reflexão.

– Funcionamento:• Baseia-se na interrupção ou incidência de um feixe luminoso, de raios infra-

vermelhos, sobre um foto-receptor, o qual provoca uma ação (comutação) eletrônica.

• Para evitar interferências da recepção luminosa do ambiente a luz é modulada ou pulsada a uma frequência máxima de 1,5 KHz.

– Aplicações:• Contagem de peças

• Proteção do operador

• Sistemas de alarme tanto em ambientes internos quanto externos.


• Sensores ópticos

– Sistema por barreira:• É formado por sensores alinhados, ou seja, o dispositivo emissor de

luz colocado e alinhado ao receptor.



– Sistema Reflexivo:• É formado pelo dispositivo emissor de luz e dispositivo receptor

montados no mesmo conjunto, neste caso o feixe de luz emitido é refletido em uma superfície refletora e retorna ao ponto de origem atingindo o dispositivo receptor.



– Sistema por difusão:• No sistema por difusão, os elementos de emissão e recepção infra-

vermelho estão montados justapostos em um mesmo conjunto óptico, direcionados para a face sensível do sensor.

• Os raios infra-vermelhos emitidos pelo transmissor, refletem sobre a superfície de um objeto e retornam em direção do receptor, a uma distância determinada (distância de comutação), que provoca o chaveamento eletrônico, desde que o objeto possua uma superfície não totalmente fosca.



– Sistema por difração:• Os elementos de emissão e recepção infra-vermelho estão montados

justapostos em um único conjunto óptico, direcionados para um prisma e retornam em direção do receptor.

• Quando este prisma é mergulhado em qualquer liquido translúcido, os raios infra-vermelhos se dispersam, desviando assim a sua trajetória ocasionando uma comutação eletrônica.

AbreviaturasAI – Analog In

ADU – Application Data Unit

ALI – Application Layer Interface

AO – Analog Out

AUI – Attachment Unit Interface

CD – Compel Data

CIM – Computer Integrated Manufacturing

CLP – Controlador Lógico Programável

DCS – Distributed Controller Sistem

DDC – Direct Digital Controller

DD - Device Description

DIS – Data Independent Sublayer

DLL – Data Link Layer

EIA - Electonic Industries Alliance

FAS – Fieldbus Access Sublayer

FMS – Fieldbus Message Specification

HDLC – High level Data Link Control

HMI – Humam Machine Interface

HSE – High Speed Equipment

IETF – Internet Engineering Task Force

I/O – Input/Output

IP – Internet Protocol

IS – Integrated System

ISA – Instrumentation Society of America

LAS – Link Active Scheduler

LD -

LLI – Lower Layer Interface

MAC – Medium Access Control

MAU – Medium Attachment Unit

MB – MODBUS Protocol

MBAP – MODBUS Application Protocol

MDS – Medium Dependent Sublayer

PCI – Protocol Control Information

PDU – Protocol Data Unit

PID – Proportional/Integral/Derivative

PLC – Progammable Logic Controller

PROFIBUS – Process Field Bus

RTU – Remote Terminal Unit

SDCD – Sistema Digital de Controle Distribuído

SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition

SLC – Single-Loop Controllers

TCP – Transmission Control Protocol

TIA – Telecommunication Industry Association

Referências bibliográficas• ALBUQUERQUE, Pedro U. B de e ALEXANDRIA, Auzuir R. de, REDES

INDUSTRIAIS – Aplicações em Sistemas Digitais de Controle Distribuído, Fortaleza-CE, Edições Livro Técnico, 2007.

• M. R. Stemmer, LCMI/DAS/UFSC.

• www.smar.com.br

• LUGLI, Alexandre B. e SANTOS, Mas M. D., SISTEMAS FIELDBUS Para Automação Industrial – DeviceNet, CANopen, SDS e Ethernet, São Paulo-SP, Érica, 2009.

• THOMAZINI, Daniel e ALBUQUERQUE, Pedro U. B. de, Sensores Industriais ´Fundamentos e Aplicações, 7ª ed., São Paulo-SP, Editora Érica, 2010.

• http://www.mecaweb.com.br/eletronica/deteccao/sensoptico.php

redes industriais wilmar oliveira de queiroz pucgo 2012

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