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Comunicação de Dados em Ambientes Industriais
Objetivo:
Viabilizar o intercâmbio de informações entre os diversos componentes de um sistema de automação.
Participantes:
Sensores e Atuadores Controladores Supervisão Information Discrete DeviceAutomation and Control
Process Device
1. Os sistemas de automação são compostos por vários tipos de dispositivos, entre eles, elementos sensores, elementos atuadores, controladores, interfaces homem máquina (IHM) e estações de supervisão e controle.
2. Estes dispositivos precisam transferir dados entre si para que o sistema funcione. A interligação entre estes dispositivos de diferentes tipos é responsabilidade das redes industriais.
3. De acordo com o tipo de componente interligado, temos diferentes demandas de comunicação de dados, sendo encontradas soluções diferentes para cada tipo. É comum a divisão em níveis.
4. Os elementos sensores e atuadores, instalados próximos ao processo formam o nível mais baixo, também conhecido como rede de chão de fábrica ou barramento de campo ou ainda Fieldbus.
5. Os controladores e IHM formam um nível intermediário conhecida como rede de controle.
6. As estações de supervisão e controladores formam o nível superior denominada de rede de supervisão, onde são efetuadas a análise e otimização do processo.
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Evolução da Comunicação em Processos Industriais
1940 1960 1980 2000 Tecnologia
Dominante
Time
Pneumático Analógico Digital
1. Antes da era eletrônica a comunicação de dados entre sensores, atuadores, controladores e registradores era efetuada por manipulação de pressões em sistemas de ar comprimido.
2. A comunicação de dados em processos industriais foi afetada pelo evolução da eletrônica analógica e digital ao longo do último século, com um retardo devido a resistência natural da indústria em adotar novas tecnologias em sistemas críticos de produção.
3. A adoção de novas tecnologias era possível quando claros benefíc ios e aumento de produtividade eram alcançados.
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3 FTTransmissão Pneumática
Controlador e Registrador Válvula de Controle Transmissor de Vazão Bomba Placa de Orifício A.S. 20 psi A.S. 20 psi A.S. 20 psi 3-15 psi 3-15 psi Vazão: 0-10 m³/h 3-15 psi Abertura:0-100% 3-15 psi Vazão Controlada1. A figura mostra um controle pneumático de vazão de um fluido em uma tubulação.
2. O atuador é uma válvula de controle, com atuador pneumático, com abertura controlada de 0 a 100% a partir de um sinal de pressão recebido entre 3 e 15 psi.
3. O elemento sensor é uma placa de orifício, que quando submetida a passagem do fluido, provoca uma queda de pressão, medida a montante e jusante. Esta queda de pressão é quadraticamente proporcional ao valor da vazão.
4. O transmissor de vazão gera uma pressão entre 3 e 15 psi proporcional ao valor de vazão estimado pelo sensor.
5. O controlador recebe o sinal pneumático do transmissor, registra em uma carta gráfica, compara com o setpoint de vazão especificado pelo operador e define qual deve ser a abertura da válvula de controle. 6. Os instrumentos precisam de alimentação de ar comprimido, livre de
impurezas, inclusive óleo, sem umidade, e com pressão regulada. 7. Estes sistemas de controle são intrinsecamente seguros, pois não o
manuseio de eletricidade que poderiam vir a produzir faíscas, mas tem manutenção freqüente devido aos componentes mecânicos delicados utilizados em sua construção.
4 FT + -+ - + -+ - + -+
-Transmissão Eletrônica Analógica
Controlador Válvula de Controle Transmissor de Vazão Bomba Placa de Orifício Supervisão Vazão: 0-10 m³/h 4-20mA Abertura: 0-100% 4-20mA Vazão Controlada A.S. 20 psi RS-232/485 4-20mA 4-20mA Fonte 24V
1. A figura mostra um controle de vazão de um fluido em uma tubulação, agora com transmissão eletrônica analógica.
2. O atuador continua sendo uma válvula de controle, ainda com atuador pneumático, com abertura controlada de 0 a 100% a partir de um sinal de corrente recebida entre 4 e 20 mA.
3. O elemento sensor é uma placa de orifício, que quando submetida a passagem do fluido, provoca uma queda de pressão, medida a montante e jusante. Esta queda de pressão é quadraticamente proporcional ao valor da vazão.
4. O transmissor de vazão, agora microprocessado, gera uma corrente entre 4 e 20mA proporcional ao valor de vazão estimado pelo sensor. 5. O controlador eletrônico recebe o sinal de corrente do transmissor,
compara com o setpoint de vazão especificado pelo operador e define qual deve ser a abertura da válvula de controle, gerando um sinal 4-20mA proporcional.
6. O controlador microprocessado pode vir a ter uma porta de
comunicação serial, RS-232 ou RS-485, para comunicação com uma estação de supervisão, onde seriam efetuados os registros da vazão e abertura da válvula e definição do setpoint pelo operador.
7. Neste tipo de abordagem temos a necessidade de um par de fios para cada instrumento. Este par de fios alimenta eletricamente o instrumento e transmite a sua informação.
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5
Transmissão Eletrônica Digital
FT + - + -+ -Fonte Gateway Válvula de Controle Transmissor de Vazão Bomba Placa de Orifício Supervisão Vazão Controlada A.S. 20 psi RS-232 RS-485 Ethernet 24V + ...101010...
1. A figura mostra o mesmo controle de vazão de um fluido em uma tubulação, agora com transmissão eletrônica digital.
2. Neste tipo de abordagem temos um barramento (par de fios) onde estão ligados o transmissor e válvula de controle. Este par de fios alimenta eletricamente o instrumento e transmite a sua informação. 3. O atuador continua sendo uma válvula de controle, ainda com atuador
pneumático, com abertura controlada de 0 a 100% a partir de um sinal digital enviado pelo controlador, sendo necessário um conversor digital pneumático microprocessado.
4. O transmissor de vazão, envia o valor de vazão estimado pelo sensor de forma digital, com a possibilidade de envio e recebimento de outras informações do transmissor, tais como temperatura, alarmes do
processo ou alarmes de mau funcionamento do próprio transmissor. 5. O controlador não está mais presente fisicamente, com possibilidade de
ser implementado em software usando o microprocessador do transmissor ou da válvula de controle.
6. Um equipamento chamado de Gateway permite que uma estação de supervisão, via protocolo de comunicação serial, tenha acesso ao
tráfego da rede, onde poderiam ser efetuados os registros das variáveis de processo, definição de parâmetros e diagnósticos de funcionamento.
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Processo de Comunicação de Dados
Componentes
Transmissor
Mensagem (Conjunto de Bits)
Canal de Transmissão Protocolo de Comunicação Receptor Estação de Origem Estação
de Origem de Destinode DestinoEstaçãoEstação
1. O processo de transmissão de dados pode ser dividido em 5 componentes:
2. Transmissor: Elemento que está originando a mensagem. 3. Mensagem: Dado a ser enviado.
4. Na codificação da informação em um formato digital é comum precisarmos de vários bits. Por exemplo, usando o código ASCII, precisamos de 8 bits para transferir uma única letra.
5. Canal de Transmissão: Meio físico por onde trafegará a mensagem. 6. A transmissão de dados digitais podem ser efetuadas em dois formatos:
Serial: apenas um canal para transmissão da informação. Paralela: vários canais para transmissão da informação. 7. Protocolo de comunicação: Regras para que a comunicação seja
estabelecida.
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7
Formatos de Transmissão
Transmissão Paralela
1. Na comunicação em paralelo, grupos de bits são transferidos simultaneamente (em geral, byte a byte) através de diversas linhas condutoras dos sinais. Desta forma, como vários bits são transmitidos simultaneamente a cada ciclo, a taxa de transferência de dados é alta.
2. No entanto, o processo de transferência em paralelo envolve um controle sofisticado e é razoavelmente complexo, o que o torna mais caro. Um dos problemas importantes diz respeito à propagação dos sinais no meio físico, isto é, no cabo de conexão entre o dispositivo e a interface. Essa propagação deve se fazer de modo que os sinais (os bits) correspondentes a cada byte cheguem simultaneamente à extremidade oposta do cabo, onde então serão
re-agrupados em bytes. Como os condutores que compõem o cabo usualmente terão pequenas diferenças físicas, a velocidade de propagação dos sinais digitais nos condutores poderá ser ligeiramente diferente nos diversos fios. Dependendo do comprimento do cabo, pode ocorrer que um determinado fio conduza sinais mais rápido (ou mais lento) que os demais fios e que desta forma um determinado bit x em cada byte se propague mais rápido e chegue à extremidade do cabo antes que os outros n-1 bits do byte. Este fenômeno é chamado skew, e as conseqüências são catastróficas: os bits x chegariam fora de ordem (os bytes chegariam embaralhados) e a informação ficaria
irrecuperável.
3. Em decorrência desse problema, há limites para o comprimento do cabo que interliga um dispositivo ao computador, quando se usa o modo paralelo. 4. As restrições citadas contribuem para que a utilização da comunicação em
paralelo se limite a aplicações que demandem altas taxas de transferência, normalmente associadas a dispositivos mais velozes tais como unidades de disco, ou que demandem altas taxas de transferência, como CD-ROM, DVD, ou mesmo impressoras, e que se situem muito próximo do núcleo do computador. Em geral, o comprimento dos cabos paralelos é limitado a até um máximo de 1,5 metro.
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Formatos de Transmissão
Transmissão Serial
1. Na comunicação serial, os bits são transferidos um a um, através de um único par condutor.
2. Os bytes a serem transmitidos são serializados, isto é, são
"desmontados" bit a bit, e são individualmente transmitidos, um a um. Na outra extremidade do condutor, os bits são contados e quando formam 8 bits, são remontados, reconstituindo os bytes originais. 3. Nesse modo, o controle é comparativamente muito mais simples que no
modo paralelo e é de implementação mais barata. Como todos os bits são transferidos pelo mesmo meio físico (mesmo par de fios), as eventuais irregularidades afetam todos os bits igualmente. Portanto, a transmissão serial não é afetada por irregularidades do meio de transmissão e não há skew. No entanto, a transmissão serial é
intrinsecamente mais lenta (de vez que apenas um bit é transmitido de cada vez).
4. Como os bits são transmitidos seqüencialmente um a um, sua utilização é normalmente indicada apenas para periféricos mais lentos, como por exemplo teclado, mouse, etc. ou quando o problema da distância for mandatório, como nas comunicações a distâncias médias (tal como em redes locais) ou longas (comunicações via linha telefônica usando modems).
5. Comparativamente, a transmissão serial tem recebido aperfeiçoamentos importantes (seja de protocolo, de interface e de meio de transmissão) que vem permitindo o aumento da velocidade de transmissão por um único par de fios, cabo coaxial ou de fibra ótica. Como o aumento da velocidade de transmissão em interfaces paralelas ocasiona mais skew, a tendência tem sido no sentido do aperfeiçoamento das interfaces seriais que hoje permitem taxas de transferência muito altas com
relativamente poucas restrições de distância. Em microcomputadores, a interface USB - Universal Serial Bus permite hoje ligar até 128
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Modos de Operação do Canal de Comunicação
Simplex
Fluxo único da estação de origem para o destino
Half Duplex
Fluxo duplo entre as estações, mas não simultâneo
Full Duplex
Fluxo simultâneo de informações
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Verificação de Erros de Transmissão
Alteração dos valores dos Bits
Origem dos Erros de Transmissão
Ruído: Branco / Térmico Impulsivo Distorções: Atenuação em Amplitude Retardo de Fase Deslocamento de Freqüência
Técnicas de Detecção de Erro
Eco
Paridade, Checksum e CRC
1. Toda transmissão de dados é sujeita a erros. Por isso são necessários métodos de verificação de integridade da informação entre o transmissor e receptor. 2. Existem dois formatos básicos de ruído que afetam as redes de comunicação: o
ruído branco e o ruído impulsivo. O ruído branco, também conhecido como ruído térmico, é provocado pela agitação dos elétrons nos condutores
metálicos. Seu nível é função da temperatura, sendo uniformemente distribuído em todas as freqüências do espectro. Na prática, é mais danoso à comunicação de dados do que à de voz.
3. Já o ruído impulsivo é do tipo não contínuo, consistindo em pulsos irregulares de grandes amplitudes, sendo de difícil prevenção. A duração destes pulsos pode variar de alguns até centenas de milisegundos. É provocado por distúrbios elétricos externos ou por falhas em equipamentos (indução nos circuitos eletrônicos). O ruído impulsivo é o causador da maior parte dos erros de transmissão em sistemas de comunicação.
4. O objetivo de uma técnica de detecção de erro é habilitar o receptor de uma mensagem a determinar se a mensagem foi corrompida durante a transmissão com presença de ruído no canal de comunicação.
5. O eco é um método simples de verificação de erro, mas gera dobra o tráfego de dados e não permite a identificação do momento da ocorrência do erro. 6. Nas técnicas mais usadas o transmissor adiciona uma informação adicional,
calculada a partir do conteúdo da mensagem.
7. O Receptor efetua o mesmo cálculo a partir do conteúdo da mensagem e compara o seu resultado com o valor calculado e enviado pelo transmissor. Se os resultados forem iguais a mensagem não foi corrompida na transmissão. 8. Estes esquemas não proporcionam um meio para corrigir o dado com erro
recebido. Normalmente o receptor informa ao transmissor que houve um erro durante a transmissão e solicita o reenvio da mensagem.
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Técnica da Paridade
O transmissor adiciona um bit a cada byte de dados
transmitidos
Paridade Par
O número total de 1’s na palavra considerando-se o bit de paridade é par.
Paridade Ímpar
O número total de 1’s na palavra considerando-se o bit de paridade é ímpar.
1 0 1 0 1 0 1 0
0
1 0 1 0 1 0 1 0
1
Bit de Paridade
Bit de Paridade
1. Na técnica da paridade, o transmissor adiciona um bit a cada byte de dados transmitidos.
2. Este bit é calculado conforme o tipo de paridade convencionado, PAR ou ÍMPAR.
3. O receptor efetua o mesmo cálculo e compara o seu bit de paridade com o recebido na transmissão como forma de validação do byte recebido.
4. A paridade tem sido usada em sistemas com lentas taxas de transmissões de dados, pois é fácil e barata de implementar eletronicamente, no entanto esta técnica não consegue detectar variações de bits em quantidade par.
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Técnica do Checksum
O transmissor adiciona um bloco de bits referente a
soma dos bytes a serem transmitidos.
7B 4A
F8
D4
91
Checksum0 1 1 1 1 0 1 1
0 1 0 0 1 0 1 0
1 1 1 1 1 0 0 0
1 1 0 1 0 1 0 0
1 0 0 1 0 0 0 1
+
7B
4A
F8
D4
91
1 0
1. Na técnica do checksum, o transmissor adiciona um ou mais bytes a partir da soma do bloco de byte de dados a serem transmitidos. 2. Se o resultado da soma excede o número de bits reservados para o
checksum, os bits excedentes são descartados.
3. O receptor efetua o mesmo cálculo e compara o seu resultado com o recebido na transmissão como forma de validação do bloco de dados recebido.
4. A vulnerabilidade aos erros em dois ou mais bits existente na técnica da paridade não existe na técnica do checksum, no entanto esta técnica está sujeita a não detectar determinados erros que provoquem alterações nos dados que mantenham o resultado da soma inalterada.
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Técnica do CRC – Cyclic Redundancy Checking
O transmissor divide a mensagem por um valor
binário de 16 bits predeterminado e adiciona o resto
da divisão a mensagem a ser transmitida
Mecanismo com maior eficiência na detecção de erros
(maior que 99,9984%)
Algoritmos diferem no polinômio base:
CRC-16, CRC-CCITT, CRC-32
Dados
Resto
CRC1. A idéia básica dos algoritmos CRC é simplesmente tratar a mensagem como um enorme número binário, dividi-lo por um outro número binário fixo, fazendo o resto da divisão o “checksum”.
2. No recebimento da mensagem, o receptor efetua a mesma divisão e compara o resto com o “checksum” calculado pelo transmissor. 3. O quociente da divisão é fixo e conhecido pelo transmissor e receptor
podendo ser de 8, 16 e até 32 bits sendo conhecido como polinômio base.
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Características dos Meios de Transmissão
Ruídos Eletromagnéticos
O meio de transmissão a base de cobre é fonte e vítima de EMI.
Interferência eletromagnética (EMI) é causada por campos
eletromagnéticos gerados por tensões e correntes de equipamentos eletro-eletrônicos ou emissores de radio frequência.
Lâmpadas fluorescentes, aquecedores, rádios, dispositivos eletrônicos, radares, motores, máquinas de solda, inversores de freqüência, fontes chaveadas.
Formas de Acoplamento de Ruídos
Acoplamento por Impedância
Acoplamento capacitivo ou eletrostático Acoplamento indutivo ou magnético Radiação eletromagnética
Diafonia (Crosstalk) é o acoplamento de energia entre condutores de um mesmo cabo ou entre cabos.
1. Em comunicação de dados são utilizados diversos tipos de meios de transmissão. Eles devem procurar proteger os dados que por eles trafegam.
2. Os meios baseados em condutores metálicos, principalmente em um ambiente industrial, são submetidos a indução de tensões que podem levar a perda da informação transmitida.
3. Os campos eletromagnéticos em torno de um meio de transmissão são a fonte de geração destas tensões espúrias.
4. O uso compartilhado de condutores de retorno podem levar a acoplamento de ruído entre dois circuitos.
5. A magnitude do ruído acoplado capacitivamente é proporcional a capacitância entre a fonte de ruído e o meio de transmissão e ainda à taxa de variação da tensão.
6. A magnitude do ruído acoplado indutivamente é proporcional a indutância mútua entre a fonte de ruído e o meio de transmissão e ainda à taxa de variação da corrente.
7. Quando a indução ocorre entre condutores de um mesmo cabo ou em cabos próximos, chamamos este fenômeno de diafonia ou crosstalk. Antigamente este fenômeno era comum a percepção deste problema em ligações telefônicas quando ouvíamos outras conversações.
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15
Características dos Meios de Transmissão
Atenuação
Perda da potência do sinal ao longo do meio de transmissão Limita o comprimento do meio de transmissão
Especificada em decibel(db) P1= Pot. Transmitida P2= Pot. Recebida
db
P
P
log
.
10
Atenuação
2 1 10=
1. Todo sinal perde potência ao trafegar por um meio de transmissão. Uma atenuação severa deve ser evitada para que o receptor não receba mais ruído do que o sinal transmitido.
2. A unidade de medida de atenuação e ganho é o decibel (db). 3. Não devemos confundir esta unidade usada para comparar duas
potências com a unidade dbm, que é uma unidade de potência, significando decibéis em relação a 1mW.
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Impedância Característica
Propriedade intrínseca de cada linha de transmissão, função de sua geometria, isto é,
indutâncias e capacitâncias. Outras definições
Impedância de entrada se o linha tivesse um comprimento infinito Valor da carga, que colocada no final da linha não provoque nenhuma reflexão. ε = d D log 138 Z0 = r D log 9 , 275 Z0
1. Todo condutor de cobre usado para transmitir potência entre uma fonte e uma carga é considerado uma linha de transmissão.
2. Uma linha de dois condutores pode ser modelada pela resistência de seus condutores, a indutância própria, a capacitância dos condutores separados por um isolante e a condutância da isolação entre os condutores.
3. Em altas freqüências podemos considerar que a resistência é desprezível frente a indutância e capacitância.
4. Desta forma podemos afirmar que a impedância da linha depende da sua geometria, isto é, espaçamento e diâmetro dos condutores e tipo de material isolante utilizado, pois estes parâmetros é que definem a sua indutância e capacitância independentemente do seu comprimento. 5. Em um cabo coaxial a impedância depende do diâmetro do condutor
interno e externo e da constante dielétrica do material usado como isolante.
6. Em um cabo paralelo separado pelo ar a impedância depende do espaçamento entre os condutores e o raio de sua isolação.
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Reflexão de Sinais
Definição
Dado um sistema elétrico composto por fonte de sinal + cabo + carga, caso as impedâncias entre os elementos não estejam corretamente casadas, ocorre um retorno de parte do sinal emitido pela
fonte de volta para a própria fonte, após ter atingido a carga. Esse retorno é chamado deReflexão.
Efeito de ruído na transmissão distorcendo formas de
onda, mas...
Irrelevante quando a linha de transmissão é muito menor que o comprimento de onda transmitida.
Implicações
Alterações na geometria do cabo provocam reflexões. Necessidade de terminações nos cabos.
1. A importância do conhecimento da impedância característica é para evitar o aparecimento de reflexões no sinal transmitido.
2. A melhor eficiência em um sistema de transmissão ocorre quando a impedância de saída da fonte, a impedância da linha e a impedância da carga são iguais não provocando reflexões.
3. Se a linha de transmissão é muito menor (dez vezes) do que o comprimento de onda do sinal transmitido, não teremos reflexões. 4. Por exemplo, um sinal de 10 MHz tem um comprimento de onda de 30
metros, portanto somente linhas acima de 3 metros serão perturbadas pelas reflexões.
5. No entanto um sinal de 100MHz tem um comprimento de onda de 3 metros, portanto linhas acima de 30 cm já serão perturbadas pelas reflexões.
6. Alterações na geometria do cabo (tais como emendas, conexões mal feitas, conectores inadequados, dobras acentuadas) alteram localmente a sua impedância e provocam conseqüentemente reflexões adicionais no sinal. Dessa forma é importante que sejam utilizados cabos sem emendas e conectores com impedância característica igual à do próprio cabo.
7. Em uma rede temos vários consumidores do sinal em uma mesma linha, mas como as interfaces tem alta impedância é necessário o uso de terminadores na linha para evitar as reflexões.
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Largura de Banda (Banda Passante)
Diferença, em Hertz, entre a máxima e mínima freqüência de um sinal senoidal transmitido sem
atenuação
Capacidade de transmissão de dados de um canal de comunicação em bps
Meio de Transmissão se comporta como filtro passa-baixa
Nos meios a base de cobre há atenuação das componentes de alta freqüência do
sinal transmitido De BandaLargura
1. Todo meio de transmissão tem uma largura de banda, também chamada de banda passante.
2. O conceito de largura de banda varia dependendo da aplicação em referência.
3. Nos casos de meios de transmissão ela especifica a diferença entre a máxima é a mínima freqüência de um sinal senoidal que pode ser transmitido com atenuação aceitável, isto é, menor que 3 decibéis. 4. Em redes de computadores, largura de banda também é utilizada para
especificar a capacidade de um canal de comunicação em bits por segundo.
5. Em meios de transmissão de cobre, os fatores limitantes da máxima freqüência são os capacitores e indutores presentes intrinsecamente no meio.
6. Podemos comparar um meio de transmissão com um filtro passa-baixa que atenua os sinais de alta freqüência do sinal a ser transmitido.
7. O gráfico, chamado de diagrama de bode, mostra a freqüência de corte f0 de um determinado meio de transmissão. Sinais com freqüência superiores são atenuados em valores superiores a 3db.
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Largura de Banda (Banda Passante)
Análise de Fourier
Decomposição de um sinal periódico em um somatório de sinais senoidais de freqüências múltiplas.
Representação de Sinais no Domínio da Freqüência
(
n t.)
b .sen(
n t.)
cos . a a ) t ( v 0 1 n n 0 1 n n 0 + ω + ω =∑
∑
∞ = ∞ =∫
∫
∫
ω = ω = = T 0 0 n T 0 0 n T 0 0 dt ). t. . n ( sen ). t ( v T 2 b dt ). t. . n cos( ). t ( v T 2 a dt ). t ( v T 1 a ) t. ). 1 n . 2 (( sen . ) 1 n . 2 ( 1 ) t ( v 0 n∑
∞ = ω + + =Exemplo de série de Fourier para a onda quadrada
1. O conceito de largura de banda é aplicado em ondas quadradas, considerando que uma onda quadrada pode ser decomposta em um somatório de sinais senoidais.
2. O matemático Fourier mostrou que qualquer sinal periódico pode ser construído por uma série infinita de senóides com múltiplas freqüências. 3. Há uma freqüência fundamental (período do sinal) e outras freqüências
múltiplas conhecidas como harmônicas. 4. Análise de Fourier:
5. Onde: w0: freqüência fundamental ane bn: coeficientes de Fourier a0: componente continua do sinal
(
n .t)
b .sen(
n .t)
cos . a a ) t ( v 0 1 n n 0 1 n n 0 + ω + ω =∑
∑
∞ = ∞ =∫
∫
∫
ω = ω = = T 0 0 n T 0 0 n T 0 0 dt ). t . . n ( sen ). t ( v T 2 b dt ). t . . n cos( ). t ( v T 2 a dt ). t ( v T 1 a20
Largura de Banda (Banda Passante)
Exemplo de decomposição de uma onda quadrada em
ondas senoidais de freqüências múltiplas.
Freq. Fundamental
2 harmônicas
4 harmônicas
8 harmônicas Coeficientes das harmônicas
1. A figura mostra a decomposição de um sinal quadrado resultante da transmissão do byte “01100010”.
2. São mostradas graficamente os valores dos coeficientes, ou seja das amplitudes dos sinais senoidais da freqüência fundamental até a sua 15ª harmônica.
3. Na seqüência são mostradas:
- Somente a freqüência fundamental. - A primeira e a segunda harmônica. - As quatro primeiras harmônicas. - As oito primeiras harmônicas.
4. Nas figuras podemos observar que a cada harmônico adicionado o sinal vai se aproximando da forma quadrada original. e que as componentes de mais alta freqüência dão a forma final da onda quadrada.
5. Como as linhas de transmissão podem ser modelados como filtros passa-baixa, as componentes de alta freqüência serão atenuadas mais fortemente distorcendo a forma de onda transmitida pela linha,
deixando-a mais distante da forma original.
6. Portanto, quando menor a largura de banda de um meio, mais
distorcida será a forma de onda de saída. Desta forma, para evitarmos a distorção teremos que reduzir a freqüência do sinal original, ou seja, reduzir a taxa de transmissão.
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Meios de Transmissão – Cabo Coaxial
Usados para transmissão de áudio, vídeo e dados
Técnica da Blindagem
Condutor interno circundado por um condutor externo,
separados por um dielétrico.
1. O cabo coaxial é largamente usado em comunicação de dados analógicos, como transmissão de vídeo e áudio, instrumentação eletrônica e até mesmo em eletroeletrônicos portáteis.
2. Em comunicação de dados digitais, chegou a ser utilizado no inic io das redes Ethernet e é encontrado em alguns tipos de redes industria is como ControlNet.
3. O sinal é transmitido pelo condutor interno, cujo diâmetro tem importância na definição da resistência do cabo e conseqüente atenuação do sinal e na definição da sua impedância característica. 4. O condutor externo, que deve ser aterrado, age como uma blindagem
confinando o campo eletromagnético gerado pelo condutor interno dentro do cabo.
5. O condutor externo também age como uma barreira impedindo que ruído eletromagnético externo atinja o condutor interno, induzindo tensões e correntes espúrias.
6. A blindagem não é perfeita, ou pela incapacidade de uma malha ter uma cobertura de 100%, ou pela espessura insuficiente das camadas metálicas utilizadas.
7. O dielétrico é responsável pela isolação elétrica entre a blindagem e o sinal transmitido. Além de participar da definição da impedância
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Meios de Transmissão – Cabo Coaxial
Tipos de cabo coaxial
Caracterizados pela impedância característicae atenuação. Identificados pelo código RG-#.
Transmissão via Rádio, Dados: 50 ohms
RG-8, RG-58
Áudio, vídeo e TV: 75 ohms
RG-6, RG-11 e RG-59
Conectores
Tipo F Tipo BNC Tipo PAL Conector F Conector BNC Conector PAL1. O cabo coaxial de 50 ohms é largamente utilizado para transmissões via rádio, pois coincide com a impedância características das antenas mais comuns. Também foi utilizado pela Ethernet e para conexões de equipamentos de laboratório como osciloscópios. Construções comuns incluem o RG-8 e RG-58, tendo o RG-8 maior diâmetro que o RG-58. 2. A impedância característica de 75 ohms é um padrão internacional
otimizada para o design de cabos coaxiais com longas distâncias. É usada largamente em aplicações de vídeo, áudio e telecomunicações, inclusive para sistemas de TV a cabo. Construções comuns incluem o RG-6, RG-11 e RG-59, sendo o RG-59 o mais fino, RG-6 o intermediário e o RG-11 o de maior diâmetro.
3. O conector BNC é adequado para cabos RG-59 e RG-6, tendo três peças, incluindo um pino que permite o uso com cabos coaxiais com condutor interno sólido ou flexível.
4. O conector tipo F é bastante usado em sistemas de TV digital, por satélite e CFTV que usam o cabo RG-6 com condutor interno sólido. 5. O conector de alto desempenho PAL (Belling Lee) tem um pino central
banhado a ouro sendo usado na Europa para sistemas de TV e Rádio com cabos RG-6 ou RG59.
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Usado para transmissão telefônica e dados
Técnica do Cancelamento do Ruído
Pares de condutores isolados e trançados
Meios de Transmissão - Cabo de Par Trançado
1. Inicialmente utilizado em sistemas telefônicos, o cabo de par trançado é utilizado como meio físico pela maioria das redes industriais e
corporativas pela sua facilidade de instalação e relação custo-benefício. 2. O objetivo do entrançamento é eliminar a diafonia (crosstalk), ou seja,
a transferência de energia do sinal de um par para outro no mesmo cabo.
3. Geralmente os dois fios levam sinais elétricos iguais e contrários. Os campos eletromagnéticos dos fios de um par tendem a se cancelar devido aos seus valores opostos.
4. Quanto maior o número de voltas por unidade de comprimento, melhor o cancelamento, reduzindo a possibilidade de diafonia. No entanto aumenta a atenuação, o atraso na propagação e o custo do cabo. 5. Os transmissores e receptores devem usar transmissão de dados
balanceadas, na qual o receptor efetua a diferença da tensão elétrica presente nos dois fios para decodificar a informação.
6. O entrançamento, mantendo uma distância similar dos dois fios a uma eventual fonte de ruído externo, tende a fazer com que sejam induzidas tensões iguais em ambos os condutores. Como o receptor irá calcular a diferença de tensão entre eles, o ruído tende a ser cancelado.
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Comum ou não revestido (Unshield Twisted Pair - UTP)
Baixo Custo
Baixa Imunidade ao Ruído
Largura de Banda inversamente proporcional ao comprimento
Revestido ou blindado (STP)
Melhor Imunidade ao Ruído e conseqüente aumento da Largura de Banda
Padronizado em categorias pela EIA (Electrical
Industrial Association)
Categorias x Largura de Banda
Conectores RJ (Registered Jack)
Meios de Transmissão - Cabo de Par Trançado
1. Cabos blindados (STP) são mais caros e menos flexíveis que os cabos sem blindagem (UTP).
2. As categorias definem principalmente a largura de banda do cabo.
Categoria 3: 16MHz Categoria 4: 20MHz
Categoria 5: 100MHz Categoria 5e: 100MHz
Categoria 6: 250MHz
3. Quanto maior a largura de banda, maior a susceptibilidade a ruídos. 4. Usa conectores RJ-11, RJ-13, RJ-45 selados ou não, ou M-12 em
ambientes industriais.
5. Tem desempenho inferior aos cabos coaxiais, mas possibilitou o uso do cabeamento de voz existente nos prédios e facilitou a implantação da topologia de rede em estrela.
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Meios de Transmissão – Fibra Ótica
Guia de ondas luminosas
Propagação de pulso de luz através do principio da reflexão
Construção da Fibra
Núcleo (Core) Casca (Cladding) Revestimento (Coating)1. A transmissão de dados digitais utiliza em larga escala os cabos de fibra ótica.
2. A fibra ótica em si é mais barata que o cabo coaxial, principalmente quando comparado a capacidade de transmissão de dados por unidade monetária.
3. No entanto, os equipamentos de transmissão e recepção necessários a conversão elétrica / óptica / elétrica, junto com mais complicados métodos de conectorização e emendas de cabeamento, tornam o cabo ótico o mais caro meio de transmissão.
4. A luz na fibra ótica viaja através do núcleo de vidro refletindo constantemente na casca, também de vidro, usando o principio chamado de reflexão interna total.
5. Devido a casca não absorver qualquer luz do núcleo, a luz pode alcançar grandes distâncias. No entanto, alguma parte do sinal de luz degrada dentro do núcleo da fibra, principalmente devido as impurezas do vidro, necessitando de amplificação para continuar a transmissão. 6. Sobre o revestimento da fibra há um reforço estrutural para possibilitar
o lançamento mecânico da fibra dentro de tubulações e protegê-la de agentes agressores físicos e químicos.
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Meios de Transmissão – Fibra Ótica
Teoria da Operação
1. A fibra ótica é fabricada com um núcleo de vidro ótico envolvido por uma casca de vidro tratada com impurezas de forma que tenham índices de refração diferentes.
2. Índice de refração é a relação entre a velocidade de propagação da luz no vácuo e de propagação da luz no meio em análise.
3. O índice de refração do núcleo tem que ser maior que o índice de refração da casca para que ocorra a reflexão total.
4. Devido a esta diferença dos índices de refração, a luz que entra em determinados ângulos viaja através do núcleo, refletindo
constantemente na casca.
5. Existe um ângulo crítico que, quando ultrapassado, não proporciona a reflexão do sinal de luz, impossibilitando a sua propagação pelo núcleo.
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Meios de Transmissão – Fibra Ótica
Tipos de Fibras Óticas
Núcleo e casca de Plástico
Núcleo de vidro com casca de plástico (HCS) Núcleo e casca de vidro
Classificação das Fibras Óticas
Multimodo
Aplicações em redes locais
Monomodo
Aplicações em redes de longa distancia
Núcleo Casca
1. As fibras óticas de plástico (POF) constituem uma solução de baixo custo para efetuar conexões óticas somente em distâncias curtas (70m), pois apresentam perdas elevadas de 0,15-0,2 db/m quando transmitindo luz com 650nm de comprimento de onda. Tem largura de banda reduzida, mas são mais flexíveis, leves e robustas com manejo e instalação mais fácil que as demais.
2. As fibras HCS tem atenuação menor que as fibras de plástico
permitindo enlaces de até 400m, embora apresente um pouco mais de dificuldade na instalação que as fibras de plástico.
3. A classificação das fibras quanto ao modo de propagação é definida pelo número de caminhos que o sinal de luz segue dentro do núcleo da fibra.
4. Nas fibras óticas multimodo, que apresentam diâmetros de até 50 vezes o comprimento de onda do sinal de luz propagado, encontramos vários caminhos que podem ser percorridos pelo sinal.
5. Estes diferentes caminhos fazem com que o sinal recebido apresente distorções devido as pequenas diferenças de fase e tempo de
propagação. Isto obriga a uma redução na largura de banda (<300Mbps) e limitação na distancia empregada (<3km).
6. As fibras óticas Monomodo, são de vidro, com reduzido diâmetro do núcleo, não sofrem com a dispersão do sinal de luz, com reflexões mínimas permitindo o alcance de maiores taxas de transmissão e distâncias de enlace.
7. A fonte de luz deve ser poderosa e alinhada precisamente dentro da fibra, requerendo o uso de lasers e técnicas sofisticadas de alinhamento nas interfaces da fibra, tornando a sua instalação e manutenção mais cara.
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Características dos Sistemas com Fibra Ótica
Positivas
Enorme Largura de Banda Baixa Atenuação
Segurança intrínseca Baixas taxas de erro Imunidade a EMI Sem diafonia
Boa logística de instalação Isolação galvânica entre os nós Adequada para áreas
classificadas
Negativas
Alto custo de equipamentos Adequada para enlaces ponto-a-ponto
Manutenção complexa Uso somente em sistemas digitais
1. Quando temos que interligar dispositivos a grandes distâncias ou estamos em ambientes altamente ruidosos, ou ainda com grandes quantidades de dados a serem transmitidos, a solução para o meio físico recai sobre a fibra ótica. 2. Dentre as características positivas deste meio destacamos:
3. Taxas de transmissão na faixa dos 10 Gbps com perspectiva de aumento em um futuro próximo.
4. Menores perdas que os cabos coaxiais, permitindo enlaces de dezenas de kilômetros.
5. Menos susceptível a escutas clandestinas da informação e ao roubo que os cabos metálicos.
6. A utilização da luz torna o meio imune aos campos eletromagnéticos, já que não há metal para indução de tensões e correntes espúrias. Da mesma forma não há possíbilidade de uma fibra transferir parte do seu sinal para uma fibra vizinha (diafonia).
7. Fibras óticas são encontradas em cabos mais leves e finos que os cabos metálicos, com melhor aproveitamento do espaço físico.
8. O material dielétrico que compõe a fibra proporciona um isolamento elétrico entre os transceptores, evitando problemas de circulação de correntes elétricas devido a problemas de aterramento.
9. Não há a produção de faíscas em caso de ruptura e curto-circuitos nos cabos, possibilitando o uso em áreas com presença de substâncias inflamáveis. 10. Dentre as características negativas deste meio destacamos:
11. Apesar do custo relativamente baixo da fibra, o custo dos transceptores é alto. 12. Não é simples a derivação e o chaveamento de fibras óticas, dificultando o uso
em redes com topologia em barramento e estrela.
13. Técnicas de identificação de defeitos, emendas e terminação de fibras são difíceis e necessitam de equipamento e treinamento especializado.
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Meios de Transmissão - Sem fio
Uso da irradiação de ondas eletromagnéticas Rádio Infra-vermelho Comprimento de Onda
λ
em cm frequencia Luz . Vel = λ1. Sistemas sem fio diferem de sistemas cabeados pelo uso da atmosfera como meio de transmissão de ondas eletromagnéticas.
2. Trata-se de uma tecnologia centenária no uso de transmissão de sinais analógicos de áudio e vídeo, mas relativamente recente para
transmissão de dados digitais.
3. As ondas eletromagnéticas são caracterizadas por sua freqüência e comprimento de onda, sendo grandezas inversamente proporcionais. 4. A figura mostra o espectro eletromagnético, onde relaciona os
comprimentos de onda da radiação eletromagnética com as suas respectivas designações como rádio/microondas, infra-vermelho, luz visível, ultra-violeta, raios X e raios gama.
5. Para a transmissão de dados digitais sem fio encontramos aplicações com ondas nas freqüências de rádio, microondas e infra-vermelho. 6. As ondas eletromagnéticas nas freqüências de rádio e microondas
podem ser geradas por sinais de tensão e correntes alternadas aplicadas em antenas.
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Meios de Transmissão - Sem fio
Divisão do espectro de radio freqüência
Uso licenciado
Necessário registro junto a ANATEL
Uso público
Existência de faixas de freqüências de uso livre com potência limitada. RESOLUÇÃO ANATEL Nº 365, DE 10 DE MAIO DE 2004
902-907,5 MHz e 915-928 MHz 2400-2483,5 MHz e 5725-5850 MHz
1. Devido ao grande uso da radiofreqüência, o seu espectro é dividido em faixas com sua utilização regulamentada por órgãos governamentais, no caso do Brasil, a ANATEL.
2. As faixas do espectro mais conhecidas são:
MF (Medium Frequency): Radiodifusão em AM VHF(Very High Frequency): Radiodifusão em FM e TV UHF(Ultra High Frequency): Telefone Celular, TV, Redes 3. A utilização de uma determinada freqüência deve ser licenciada junto a
ANATEL que desta forma terá como controlar e impedir que outro usuário utilize esta mesma freqüência.
4. No entanto, em cada faixa do espectro, existem determinados intervalos de freqüências, chamados de ISM (Industrial, Science e Medical), para uso sem licenciamento, desde que sejam respeitados determinados limites de potência de transmissão.
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Sistema de Comunicação sem Fio
Componentes
Radio Modem Antena Cabeamento
1. A figura mostra um sistema de aquisição de dados, comumente chamada de SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), onde uma estação central coleta e envia dados a unidades remotas,
chamadas de UTRs via enlaces de rádio.
2. Em cada unidade remota os dados são concentrados em controladores lógicos programáveis ou dispositivos microprocessados dedicados ao tipo de sistema supervisionado.
3. A transmissão dos dados digitais é efetuada por enlaces sem fio usando rádio modem e um sistema irradiante composto de antena, cabeamento e conexões.
4. A propagação dos sinais é efetuada com sinais de tensão senoidais, sendo a função do radio modem efetuar modificações nestes sinais, usando técnicas específicas, para codificar os dados digitais a serem transmitidos.
5. No momento da recepção, cabe ao radio-modem decodificar o dado digital a partir do sinal senoidal recebido pela antena.
6. Além de suas funções básicas, os rádios modem atuais permitem a configuração e diagnóstico local e remoto através de softwares dedicados.
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Antenas Isotrópicas
1. O inicio e o fim de um circuito de comunicação sem fio é a antena. 2. Fisicamente, uma antena é um arranjo de condutores que geram uma
radiação eletromagnética em resposta a uma tensão e corrente alternada aplicada em seus terminais.
3. Quando imersa em um campo eletromagnético a antena sofrerá uma indução de tensão alternada disponibilizada em seus terminais. 4. As antenas podem ser de vários tipos dependendo da freqüência
utilizada e do modo de transmissão dos sinais.
5. A figura mostra o padrão de radiação de uma antena isotrópica. Trata-se de uma antena teórica que irradia igualmente em todas as direções. É considerado um ponto no espaço sem dimensões e sem massa. 6. Esta antena não pode existir fisicamente, mas é útil como um modelo
teórico para comparações com outras antenas.
7. No slide observamos o padrão de radiação em 3D. Trata-se de uma representação gráfica do valor relativo da radiação transmitida ou recebida de uma antena em uma determinada direção.
8. O padrão de radiação também pode ser definida como as posições onde a potência emitida por unidade de superfície é a mesma.
9. A principal informação que podemos retirar destes gráficos é o melhor ângulo de emissão e recepção.
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Antena Omnidirecional
1. Uma antena omnidirecional é projetada para transmitir dados em todas as direções, exceto para cima e para baixo, conforme representado em seus diagramas de padrão de radiação.
2. Precisamos deste tipo de antenas em sistemas de transmissão
simultânea a várias estações de recepção dispersas geograficamente, ou ainda em estações de recepção móveis.
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Antena Direcional
1. Uma antena unidirecional é projetada para concentrar a irradiação em uma única direção conforme podemos observar no padrão de radiação em 3D.
2. No slide temos três exemplos de antenas unidirecionais para diferentes freqüências.
3. A antena YAGI, exemplo de antena unidirecional, é bastante usada na faixa de freqüência de VHF e UHF. Ela é composta de elementos com tamanhos proporcionais ao comprimento de onda irradiado ou captado. 4. A antena parabólica também é um exemplo de antena unidirecional
para sinais de menores comprimentos de onda (GHZ), os quais são focados por um refletor (parábola) e direcionados a antena
propriamente dita.
5. Também podemos enquadrar as antenas planares como antenas direcionais. As antenas planares são construídas com uma fina camada metálica separada por um dielétrico de uma superfície plana aterrada, sendo usadas em sistemas móveis, como celulares e redes locais sem fio, diferenciando-se pelo pequeno tamanho e peso e possibilidade de design mais modernos.
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Ganho de Antenas
1. O ganho de uma antena é medido em dbi (decibel isotrópico).
2. Ele relaciona a potência do sinal irradiado pela antena com a potência de uma antena isotrópica, que irradia o sinal igualmente em todas as direções.
3. O uso de uma antena direcional de alto ganho em um sistema de enlace sem fio pode ter o mesmo efeito do aumento de potência do radio modem.
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Tecnologias sem fio
Nome Comercial ZigBee GPRS/GSM Wi-fi Bluetooth
Padrão IEEE 802.15.4 1xRTT/CDMA IEEE 802.11b IEEE 802.15.1
Aplicação Controle e
Monitoração Voz e Dados
WEB, email e Video Subsituição de cabeamento Recursos Sistema 4kB-32kB +16MB +1MB +250kB Duração da Bateria (dias) 100-1000 1-7 0,5-5 1-7
Tamanho da Rede Ilimitado 1 32 7
Largura de Banda (kb/s) 20-250 64-128 +11.000 720 Distância (m) 1-100 +1000 1-100 1-10 Pontos Fortes Confiabilidade, Custo e Consumo Alcance, Qualidade Velocidade, Flexibilidade Custo, Conveniência
1. As tecnologias de comunicação sem fio estão invadindo todos os espaços e não será diferente no ambiente de automação de processo. 2. Os sistemas sem-fio tem vantagens como mobilidade, sendo uma
alternativa a locais com restrições de lançamento e distância de cabeamento, no entanto questões como segurança, confiabilidade e alimentação elétrica das unidades remotas devem ser consideradas. 3. A tabela mostra algumas das várias soluções padronizadas para
comunicações sem fio atualmente disponíveis no mercado que naturalmente serão utilizadas para controle de processos.
