Redes Industriais - Visão Geral
Curso:
Engenharia de Controle e Automação
Disciplina:
Disciplina:
Sistemas Distribuídos e Redes de Computadores
Professor:
Redes Industriais
Motivação
A maioria das redes de comunicação existentes no mercado
procuraram atender a demanda existente na automação de
escritórios
Baseadas no protocolo CSMA/CD
A comunicação de dados em ambiente industrial apresenta, no
entanto, características e necessidades que tornam a maioria das
redes para automação de escritório inadequadas.
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Motivação
Algumas destas características são:
ambiente hostil para operação dos equipamentos (perturbações
eletromagnéticas, elevadas temperaturas, sujeira, etc.);
a troca de informações se dá, na maioria das vezes, entre equipamentos
e não entre um operador humano e o equipamento; e não entre um operador humano e o equipamento;
os tempos de resposta e a segurança dos dados são críticos em
diversas situações;
uma grande quantidade de equipamentos pode estar conectada na
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Habilidades
Programar um CLP não é uma tarefa muito difícil, especialmente
se existe um descrição funcional bem elaborado do sistema a ser
automatizado e se o profissional tem algum conhecimento do
equipamento que será programado
Os conhecimentos em elétrica também são muito importantes,
profissionais geralmente quebram a cabeça revisando a lógica
implementada que não estava funcionando, quando na verdade o
problema era físico (um sensor ligado errado, um contato
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Habilidades
Assim, o conhecimento em redes industriais também é muito
importante
O sistema de automação não só controla um determinado processo ou
equipamento, mas também pode alimentar todo um sistema gerencial de manutenção
de manutenção
Atualizações em um curto espaço de tempo As redes de comunicação são um forte aliado
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Contexto
Imagine um sistema de automação hipotético onde um CLP
comandará um motor através de um inversor de frequência
Um equipamento que possibilita o controle (acionamento, parada,reversão e variação de velocidade) de um motor de corrente alternada com menores perdas
com menores perdas
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Contexto
No sistema em questão, o CLP está interligado a um inversor de
frequência através de entradas e saídas digitais e analógicas, da
seguinte maneira:
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Contexto
Assim
Se for necessário acionar o motor à o CLP deverá acionar a saída SDX1 Se for necessário acionar o motor em reverso o CLP deverá acionar a
saída SDX2
Se, por algum motivo, ocorrer uma falha no inversor ou no motor, como
por exemplo, o superaquecimento do inversor ou uma sobrecarga no motor, o inversor entrará em modo de falha e desligará a saída SD1, que está ligada à entrada EDX1 do CLP
O CLP receberá a informação que o inversor está em falha (mas sem
saber qual) e poderá alarmar e/ou tomar qualquer outra decisão baseado nessa entrada
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Contexto
Até aí tudo bem, ok?
Mas que relação isso tem com redes?
Vamos prosseguir mais um pouco...
Redes Industriais
Contexto
O Inversor em questão possui outras entradas e saídas não
Redes Industriais
Contexto
Logo
Havendo outras entradas/saídas compatíveis com esses sinais
disponíveis no CLP, estes outros sinais poderão ser também integrados ao sistema de automação
E só... ou seja, se desejo for saber o torque desenvolvido pelo motor,
E só... ou seja, se desejo for saber o torque desenvolvido pelo motor,
precisaremos reprogramar a SA1 (Saída Analógica 1) no inversor de frequência para exibir esse valor ao invés da corrente.
Se o desejo for saber o motivo do alarme no inversor, será impossível,
pois temos um número limitado de saídas digitais e um inversor pode parar por diversos motivos, como: Aquecimento, sobrecorrente,
sobretensão, subtensão, falhas na conexão com o motor, sobrecarga no motor, etc.
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Contexto
Consequência
A interligação entre um CLP e um Inversor de Frequência (ou qualquer
outro dispositivo) através de entradas e saídas (E/S ou I/O) fica limitada ao número de entradas e saídas disponíveis no PCL e/ou Inversor,
limitando assim o número de informações que podem ser monitoradas e limitando assim o número de informações que podem ser monitoradas e comandadas
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Contexto
Por outro lado
Pense em equipamentos complexos, com dezenas de motores
comandados por inversores de frequência, imagine a quantidade de cabos de sinal que seriam necessários entre esses inversores e o CLP Totalizando a quantidade de entradas e saídas necessárias para essa
Totalizando a quantidade de entradas e saídas necessárias para essa
finalidade e considerando o custo dos cartões de I/O para um CLP mais todo o trabalho de interligação, identificação e teste de cada I/O,
certamente encontraríamos uma relação custo/benefício não muito interessante.
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Contexto
Se
Ao invés de I/O fosse utilizada uma rede de comunicação, o cenário
mudaria para uma situação mais favorável
No CLP, ao invés de vários cartões de I/O, seria necessário apenas um
cartão para controle da comunicação cartão para controle da comunicação
Provavelmente o custo de todos os cartões de I/O que seriam usados
seriam iguais ou maiores do que o custo de um cartão de rede
Cada inversor de frequência deve ter o seu próprio cartão ou interface
de comunicação
Esse custo adicional certamente será compensado pela simplicidade
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Contexto
O mais interessante
Tudo isso é que agora o volume de informações sobre cada inversor
que o CLP tem acesso é muito maior.
Por exemplo: pela rede de comunicação o CLP poderá monitorar além
do bit de falha, uma palavra de status que indicará o código da falha. do bit de falha, uma palavra de status que indicará o código da falha. Sendo assim, o CLP poderá disparar um alarme no sistema supervisório ou IHM, indicando que o inversor está em falha e por qual motivo. Assim os operadores da planta poderão acionar a manutenção com um foco direcionado, por exemplo: “O inversor ABC está em falha por
sobrecarga”. A partir dessa informação a manutenção poderá tomar medidas mais direcionadas para essa falha.
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Definição e componentes de uma rede
Definição
“Conjunto de dispositivos eletrônicos identificados física ou logicamente,
que compartilham um meio físico que, através de um conjunto de regras previamente definidas e programadas em cada dispositivo, possibilita a troca de informações entre os mesmos“
troca de informações entre os mesmos“
Componentes básicos
Meio físico
Endereçamento Protocolo
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Componentes
Alguns meios físicos que podemos citar são:
fibras óticas cabos coaxiais
cabos UTP (par trançado sem blindagem) ou STP (par trançado com
blindagem)
o próprio ar para redes wireless
Alguns meios físicos que podemos citar são:
fibras óticas
Endereço MAC é um endereço físico dado a todas as interfaces de rede
para computadores no mercado (ex: 00:1C:23:AB:1D:E1).
Endereço IP é um endereço lógico atribuído a uma interface de rede
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Componentes
Como exemplo de protocolos podemos citar:
TCP/IP (Protocolo de Controle do Transporte/Protocolo de Internet), que
é o protocolo mais utilizado para redes de computadores
MODBUS RTU, onde MODBUS é um dos primeiros (se não for o
primeiro) protocolo de comunicação entre CLPs largamente utilizado, e primeiro) protocolo de comunicação entre CLPs largamente utilizado, e nesse caso, RTU significa Unidade Terminal Remota
MODBUS TCP, que é o mesmo MODBUS RTU, porém "encapsulado"
sobre Ethernet TCP/IP
PROFIBUS, que é um protocolo de comunicação entre dispositivos
industriais, existem três versões: DP (Decentralised Periphery), FMS (Fieldbus Message Specification) e PA (Process Automation)
DeviceNET, que também é um protocolo de comunicação entre
Redes Industriais
Problemas de comunicação
Geralmente estão relacionados ao desprezo de uma das três
partes integrantes da rede, por exemplo:
Se considerarmos dois CLPs, um Rockwell família SLC500 e Schneider
da Família Premium, veremos que a ambos possuem uma porta Ethernet que pode ser ligada a um switch de rede
Ethernet que pode ser ligada a um switch de rede
Considerando que cada CLP possui o seu próprio endereço IP, temos
agora um endereçamento para cada um
Através de um computador, podemos disparar comandos ping para
ambos os CLPs e eles respondem. Isso indica que eles falam o Protocolo TCP/IP
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Problemas de comunicação
Contudo, se precisarmos transferir dados de processo do CLP Rockwell
para o CLP Schneider, será impossível diretamente, pois o CLP Rocwell trabalha com um tipo de protocolo (o Ethernet/IP, por exemplo - nesse caso, IP = Industrial Protocol) e o Schneider trabalhará com outro tipo de protocolo para transferência de dados de processo (o Modbus TCP)
protocolo para transferência de dados de processo (o Modbus TCP)
Portanto, não falam o mesmo idioma para essa função e, portanto, não
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Parâmetros básicos de uma rede de comunicação
Velocidade ou taxa de transmissão (baud rate)
Determina quantas unidades de informação por unidade de tempo
poderão ser transmitidas através de uma rede. Em geral a unidade de dados considerada é o bit e a unidade de tempo é o segundo.
Assim as taxas de transmissão mais comuns para protocolos seriais,
Assim as taxas de transmissão mais comuns para protocolos seriais,
padrão RS/EIA-232 ou RS/EIA-485, são de 110 bps a 115.200bps (bps=bits por segundo).
Em geral, os protocolos industriais possibilitam velocidades até 12Mbps
(mega bits por segundo) para meios seriais, sendo que para obter essa velocidade, são necessários diversas observações quanto ao tipo e comprimento de cabos utilizado.
Quando o meio físico é o padrão Ethernet, é possível obter velocidades
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Parâmetros básicos de uma rede de comunicação
Topologia ponto-a-ponto ou ponto-multiponto
Essa característica se refere à quantidade de dispositivos que podem
compartilhar o mesmo barramento de dados
As redes industriais de um modo geral utilizam a topologia
ponto-multiponto, ou seja, interconectam diversos dispositivos em um mesmo multiponto, ou seja, interconectam diversos dispositivos em um mesmo barramento de dados
Alguns poucos dispositivos utilizam a topologia ponto-a-ponto para
comunicação, geralmente trabalhando com meio físico serial EIA/RS-232.
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Parâmetros básicos de uma rede de comunicação
Modo de transmissão
O modo de transmissão de uma rede estabelece o sentido e
simultaneidade dos dados trafegados e poderá ser simplex, half-duplex ou full-duplex
Simplex
Simplex
um modo de transmissão unidirecional, ou seja, um dispositivo apenas
transmite e o outro apenas recebe. Podemos comparar esse modo com uma estação de rádio FM. A informação (voz ou música) é modulada e enviada para as estações receptoras, que decodificam a mensagem, mas não há uma maneira de enviar informações da unidade receptora para a
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Parâmetros básicos de uma rede de comunicação
Half-duplexé um modo de transmissão bidirecional não simultâneo, ou seja, um
dispositivo dentro da rede pode transmitir e receber informações, mas em momentos diferentes. Ou seja, quando um dispositivo está transmitindo, não pode receber dados ou, se estiver recebendo dados, não poderá transmitir nenhuma informação. Podemos comparar esse modo de transmissão com um walk-talkie. Se o botão "falar" estiver pressionado, é impossível ouvir qualquer mensagem recebida, e vice-versa.
Full-duplex
já é um modo de transmissão bidirecional e simultâneo, ou seja, qualquer
dispositivo poderá enviar e receber dados simultaneamente. Podemos
compará-lo com um telefone, onde é possível ouvir e falar ao mesmo tempo (embora nosso cérebro não consiga fazer isso simultaneamente).
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Redes Industriais
Arquitetura ideal
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Arquitetura provável
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Meios físicos seriais
RS-232/EIA-232
É um padrão para troca serial de dados binários entre um DTE (terminal
de dados, de Data Terminal Equipment) e um DCE (comunicador de dados, de Data Communication Equipment)
A sigla RS vem de "Recommended Standard" ou Padrão Recomendado
A sigla RS vem de "Recommended Standard" ou Padrão Recomendado
e, a partir de 1991 passou a ser chamado de EIA-232, onde EIA é a sigla do comitê responsável por esse padrão
O padrão EIA-232 define como devem ser as ligações físicas entre
dispositivos, os níveis de tensão utilizados, as temporizações e funções dos sinais, ou seja, um conjunto de conceitos para ligações elétricas e regras para comunicação.
Esse meio físico é somente ponto-a-ponto, ou seja, somente dois
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Meios físicos seriais
Basicamente, um dispositivo EIA-232 possui os seguintes sinais:
DCD - Data Carrier Detect - Detecção de portadora de dados Rx - Receive data - Recepção de dados
Tx - Transmit data - Transmissão de dados
DTR - Data Terminal Ready - Terminal de dados pronto GND - Signal Ground - Tensão de referência
DSR - Data Set Ready - Conjunto de dados pronto CTS - Clear to send - Pronto para enviar
RTS - Request to send - Requisição para envio RI - Ring Indicator - Indicador de chamada
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Meios físicos seriais
RS-485/EIA-485
Este também foi um dos primeiros padrões recomendados para
comunicação ponto-multiponto (32 nodos) e é adotada por diversas redes industriais, como a Profibus-DP
O padrão RS/EIA-485 pode ter 2 fios, podendo operar nesse caso em
O padrão RS/EIA-485 pode ter 2 fios, podendo operar nesse caso em
half-duplex ou 4 fios, possibilitando a operação em full-duplex
O padrão a 2 fios é o mais utilizado, por simplificar todo o processo de
instalação.
Permitem cabos com um comprimento até 1,2km, dependendo da taxa
