Redes e Protocolos Industriais. Prof. Me. Bruno Medina Pedroso

Redes e Protocolos Industriais

INTRODUÇÃO

Uso das redes de computadores

• Uma rede de computadores é formada por um conjundo de módulos

processadores capazes de trocar informações e compartilhar recursos, interligados por um sistema de comunicação (meios de transmissão e protocolos)

Conceitos de redes

Segundo Gallo (2003), uma rede de computadores é uma coleção de computadores e outros dispositivos que usam um protocolo comum para compartilhar 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 os

dispositivos conectados na rede.

Conceitos de redes

 O meio de comunição (meio de rede) pelo qual os dispositivos se

comunicam. Ex: cabo, Fibra Óptica, etc.

TOPOLOGIAS DE REDES

Topologias de Redes

Redes e Protocolos Industriais

Arquitetura Ponto a Ponto ou Cliente - Cliente Características

1. 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;

Topologias de Redes

Redes e Protocolos Industriais

Arquitetura Cliente – Servidor Características

1. 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;

Topologias de Redes

Redes e Protocolos Industriais

BARRAMENTO ANEL

ESTRELA HÍBRIDA

Topologias de Redes

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TOPOLOGIA BARRAMENTO

Todas as estações compartilham um mesmo meio físico. Utiliza cabo coaxial que deverá possuir um terminador resistivo em cada ponta.

O tamanho máximo do trecho da rede está limitada 185m no caso do cabo coaxial fino. Este limite entretanto pode ser aumentado através de um periférico 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, toda rede cai.

Topologias de Redes

Redes e Protocolos Industriais

TOPOLOGIA ANEL

Na topologia em anel os dispositivos são conectados em série formando um circuito fechado (anel).

Os dados são transmitidos unidirecionalmente de nó em nó até atingir o seu destino.

Uma mensagem enviada por uma estação passa por outras estações através das retransmissões até ser retirada pela estação destino.

Topologias de Redes

Redes e Protocolos Industriais

TOPOLOGIA ESTRELA

A topologia em estrela utiliza cabos de par trançado e um concentrador (Hub – Switch) como ponto central da rede. O concentrador se encarrega de retransmitir todos os dados para todas as estações, mas com a vantagem de tornar mais fácil a localização dos problemas, já que se um dos cabos, uma das portas do concentrador ou uma das placas de rede estiver com problemas, apenas o nó ligado ao componente defeituoso ficará fora da rede.

Características:

• A mais difundida entre as topologias • Maior relação custo benefício

• Fácil implementação

Dispositivos de Rede

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 Hubs e Repetidores;  Pontes;

 Switches;  Roteadores;

MODELO OSI

Modelo de Referência OSI

Redes e Protocolos Industriais



Esse

modelo

separa

as

etapas

de

transmissão,

definindo como cada fase do processo deve proceder na

transferência de dados.



Isto torna flexível a implementação de software e

hardwares ao longo da rede, pois define as funções de

cada fase, facilitando a operacionalização para usuários

e fabricantes.

Modelo de Referência OSI

Redes e Protocolos Industriais

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;

Modelo de Referência OSI

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7 6 5 4 3 2 1 Aplicação Rede Enlace Físico Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Físico Apresentação Sessão Transporte

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

Encapsulamento

PROTOCOLO ETHERNET

Protocolo ETHERNET

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 Necessidade de conectar mais equipamentos na rede;

 Estudos foram iniciados com o objetivo de identificar uma padrão que

pudesse ser utilizado para interconectar esses dispositivos;

 IEEE criou um comitê 802, conhecido como IEEE 802;

 Estudos foram realizados por Xerox, Intel, DEC (Digital Equipament

Corporation);

 Em 1974, surge o protocolo ETHERNET, nos laboratórios da Xerox, através

do pesquisador Robert M. Metcalf;

Protocolo ETHERNET

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 O protocolo ETHERNET define o cabeamento e sinais elétricos para a

camada física, e formato de pacotes e protocolos para a subcamada de controle de acesso ao meio (Media Access Control) do modelo OSI;

Protocolo ETHERNET

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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 STP Cabo UTP

Patch Cord

Quadro ETHERNET

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Quadro Ethernet é um formato padronizado, contendo

informações dos dados, dispositivo de origem, dispositivo

de destino, com o objetivo de fazer com que dispositivos

diferentes possam se comunicar.

Quadro ETHERNET

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PROTOCOLO RS-232 E RS-485

Tipos de Transmissão

Redes e Protocolos Industriais

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:

Transmissão de sinais

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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 alta

Apresenta baixa imunidade a ruídos;

Transmissão de sinais

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Comunicação serial

Os 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

Redes e Protocolos Industriais

Em uma interface serial os bits de dados são

enviados sequencialmente através de um canal

de

comunicação

ou

barramento.

Diversas

tecnologias utilizam comunicação serial para

transferência

de

dados,

incluindo

interfaces

RS 232

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RS 232

DB 9

Sinais da interface RS-232-C

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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

Rede Industrial utilizando RS232

RS-485

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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

Máximo de 32 terminais remotos em cada nó da rede que devem ser endereçáveis

Único PC como mestre da rede

RS-485

RS-485

RS-485

CONVERSORES

Rede RS485

REDES INDUSTRIAIS

Redes Industriais

Redes e Protocolos 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

Redes e Protocolos Industriais

Níveis Hierárquicos de Redes Industriais

Níveis Hierárquicos de Redes Industriais

Níveis Hierárquicos de Redes Industriais

Redes Industriais

Nível de Planta

Redes e Protocolos Industriais

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

PRINCIPAIS AÇÕES

Supervisão; Comando; Planejamento; Banco de Dados.

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

PROTOCOLOS

Profinet Ethernet

Nível de Controle

Redes e Protocolos Industriais

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

PRINCIPAIS 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 FMS Modbus

Nível de Campo

Redes e Protocolos Industriais

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. PROTOCOLOS Profibus DP e PA ASI Fieldbus Foundations – DeviceNet

PROTOCOLO MODBUS

MODBUS

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 Desenvolvido e publicado pela Modicon Industrial Automation Systems em

1979 para uso do seu CLP, tornou-se um padrão de fato na indústria.

 É um dos mais antigos protocolos utilizados em redes de controladores

lógicos programáveis para aquisição de sinais de instrumentos e comandar atuadores usando uma porta serial.

Atualmente parte do grupo Schneider Electric, a Modicon colocou as

especificações e normas que definem o Modbus em domínio público.

 O protocolo é utilizado em milhares de equipamentos existentes e é uma

das soluções de rede mais baratas a serem utilizadas em automação industrial.

MODBUS

Redes e Protocolos Industriais

Para que se utiliza o MODBUS?

 Tipicamente usado para transmitir sinais de instrumentação e

dispositivos de controle para um sistema controlador.

 Na imagem ao lado, pode-se

observar 3 transdutores de pressão conectados à rede ModBus

MODBUS

Redes e Protocolos Industriais

OMNI Turbo – Sensus

Medidor 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

Redes e Protocolos Industriais

Gateway Modbus Ethernet para Modbus

Equipamentos Modbus

Redes e Protocolos Industriais

PROTOCOLO PROFIBUS

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 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 para comunicação entre os mestres (estações ativas), usando anel lógico

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

 Atende vários níveis em sistemas de automação

 O perfil de comunicação PROFIBUS estabelece como as informações serão 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

Periferia Centralizada

Redes e Protocolos Industriais

- 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 e configuração

 Centraliza a verificação de equipamentos em caso de falhas

 Mais segurança ao pessoal com falta de formação e experiência em automação

Periferia Centralizada

Redes e Protocolos Industriais

Desvantagens da Periferia Centralizada

 Aumenta a dimensão dos armários de controle (aumento de calhas, blocos terminais 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

Periferia Descentralizada

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- 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 facilita o diagnóstico e reparação de avarias.

 Reduz o tempo de paradas e indisponibilidade

 Grande flexibilidade para ampliações e modificações.

 Reduz o tamanho dos armários de controle

Periferia Descentralizada

Redes e Protocolos Industriais

Desvantagens da Periferia Descentralizada

 Aumenta a arquitetura de comunicação, e dependendo do barramento ou rede de controle que escolher, também irá aumentar o número de equipamentos específicos para as comunicações

 A arquitetura de controle e configuração, requer conhecimentos de redes

 Dá mais insegurança ao pessoal com falta de formação e experiência em automação e sistemas

Módulo E/S digital / Profibus

Módulo E/S analógica / Profibus

Operação da Rede

Redes e Protocolos Industriais

 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;

Operação da Rede

Redes e Protocolos Industriais

 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;

PROFIBUS DP - Camada Física

Redes e Protocolos Industriais

Topologia básica aplicados à versão PROFIBUS DP

PROFIBUS DP - Camada Física

Redes e Protocolos Industriais

PROFIBUS

Redes e Protocolos Industriais

Na figura ao lado é mostrada uma rede em que os terminadores utilizados estão nos equipamentos.

Caso algum desses equipamentos seja desligado ou retirado, a rede fica sem terminador.

Solução utilizando o AT303 – Sense

PROFIBUS DP - Camada Física

Redes e Protocolos Industriais

Repetidor Siemes

PROFIBUS DP - Camada Física

Redes e Protocolos Industriais

PROFIBUS DP - Camada Física

Redes e Protocolos Industriais

Derivador de rede Sense

PROFIBUS

Redes e Protocolos Industriais

Também é possível utilizar o conceito de fibra óptica para

aumentar a distância da rede. Em algumas aplicações pode

ultrapassar 100km.

PROFIBUS

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PROFIBUS PA



 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

Redes e Protocolos Industriais

É uma extensão da versão DP. Para realizar a conversão de

DP em PA, há dois equipamentos:

LINK: É um gateways de rede, ou seja, converte a versão DP

em PA. É uma módulo de campo comum para a versão DP e

um mestre para a versão PA

PROFIBUS PA - Camada Física

Redes e Protocolos Industriais

É uma extensão da versão DP. Para realizar a conversão de

DP em PA, há dois equipamentos:

COUPLER: Acoplador de meio físico entre as redes DP e PA.

Não influencia o endereçamento da rede

PROFIBUS PA - Camada Física

Redes e Protocolos Industriais

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

PROFIBUS PA - Camada Física

Endereçamento com Couplers Endereçamento com Links

Redes e Protocolos Industriais

PROFIBUS PA - Estrela

Redes e Protocolos Industriais

PROFIBUS PA – Ponto a Ponto

Redes e Protocolos Industriais

PROFIBUS PA - Barramento

PROFIBUS - Spurs

Redes e Protocolos Industriais

Configuração típica de instalação

PROFIBUS

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Redes e Protocolos Industriais

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 áreas de 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?

Redes e Protocolos Industriais

Topologias de automação convencionais:

 Protocolos diferentes dificultam transparência de dados

Por que usar Ethernet?

Redes e Protocolos Industriais

Um único barramento para todas as tarefas

Por que usar Ethernet?

Redes e Protocolos Industriais

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

não 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

PROTOCOLO AS-i

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 OBJETIVO: Tornar mais simples e rápidas as comunicações entre sensores 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;

Redes e Protocolos Industriais

 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-I 2.1) e Versão 3 (AS-I 3.0)

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AS-Interface

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Redes e Protocolos Industriais

Redes e Protocolos Industriais

Redes e Protocolos Industriais

Redes e Protocolos Industriais

AS-I

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

Comprimento máximo de 100 metros, por trecho de rede.



Possibilidade de utilizar casadores de impedância e/ou

repetidores, chegando a no máximo 600 metros.

AS-I

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

AS-I

Redes e Protocolos Industriais

Módulo I/O Série D1 - Sense

Sensor Fotoelétrico Série EP - Sense

AS-I

Redes e Protocolos Industriais



Cabo ASI;

Cabo Redondo - Sense Cabo Flat Amarelo, possui uma forma geométrica padrão desenhada para evitar a inversão de polaridade, quando empregado com conectores do tipo vampiro - Sense

AS-I

Redes e Protocolos Industriais



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

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AS-I

Redes e Protocolos Industriais

AS-I

Redes e Protocolos Industriais



Fonte ASI;

AS-I

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

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 – IFM

Gateway ASI – Profibus DP

AC1421 – IFM

AS-I

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AS-I

Redes e Protocolos Industriais

AS-I

AS-I

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Sistemas Supervisórios

Wonderware Indusoft 8.0

INTRODUÇÃO

Prof. Me. Bruno Medina Pedroso