SISTEMAS ELTRICOS DE

POTNCIA:

AUTOMAO

Jos Antonio Jardini

Escola Politcnica da Universidade de So Paulo

Departamento de Engenharia de Energia e

Automao Eltricas

1. Sistemas digitais

2. Configurao dos sistemas digitais de automao

3. Proteo de redes eltricas

4. Automao de subestaes

5. Automao de usinas hidroeltricas

6. Automao da distribuio de energia eltrica

ANEXOS

BIBLIOGRAFIA

CAPTULO I

OS SISTEMAS DIGITAIS PARA AUTOMAO ELTRICA

1.1 INTRODUO

Os sistemas digitais tm sido utilizados para a automao da gerao, transmisso e distribuiode energia eltrica.

O termo Automao Eltrica tem sido usado para designar estes sistemas digitais que soutilizados para superviso, comando, controle e proteo dos vrios componentes do sistemaeltrico.

Estes sistemas podem ser classificados, quanto ao processo a que esto relacionados em:

- Sistemas de superviso do sistema de potncia.- Sistema de automao de subestaes.- Sistema de automao de usinas.- Sistema de automao da distribuio.

Distinguem-se quanto s funes de comando, controle, superviso e proteo que neles estoinstaladas, portanto aos seus objetivos. Eles trocam informaes entre si, de forma a executarsuas funes, sem duplicao na coleta de dados e nas aes, estando ligados entre si atravsde uma rede de comunicao de dados que constitui a espinha dorsal destes sistemas.

De forma a melhor entender este inter-relacionamento, a seguir so apresentadas descriesgerais destes sistemas, sendo que alguns deles sero posteriormente detalhados.

1.2 SISTEMAS DE SUPERVISO E CONTROLE DO SISTEMA DE POTNCIA

Este sistema, tambm denominado Sistema de Superviso e Controle (SSC), ou Despacho deCarga, ou Sistema de Gerenciamento da Energia (EMS: Energy Management System), prov osmeios para coordenao da operao e da manuteno do sistema eltrico, isto visto de umaforma global.

O SSC composto por vrios nveis hierrquicos de ao. Na Fig. 1.2-1 mostrado um exemplodeste sistema onde podem ser identificados os seguintes nveis:

UAC- Unidade de Aquisio de Dados e Controle.COR- Centro de Operao RegionalCOS- Centro de Operao do Sistema

1.3 SISTEMA DE AUTOMAO DE SUBESTAES

O sistema digital de automao de subestao visa prover os meios para operao e manutenodesta. Ele se caracteriza por dois nveis hierrquicos: o nvel interface com o processo e aquisiode dados; e o nvel de comando e superviso tambm denominado Sistema Central.

No nvel de interface com o processo encontram-se as unidades de aquisio de dados (UAC) eos outros equipamentos dedicados como os reles de proteo (digital ou no), os equipamentosde oscilografia, as unidades para intertravamento, e os controladores de equipamentos tipocompensador esttico por exemplo.

No nvel do Sistema Central desenvolvem-se vrias funes algumas das quais esto listadas aseguir:

- Sinalizao ou monitorao de estado (status) de equipamentos.- medio.- protees:

de linha,de transformador,de barra,de reator,

por perda de sincronismo, etc. - monitorao das protees - religamento automtico - estimativa de localizao de falta na linha - telecomando - proteo por falha de disjuntor - controle de equipamentos de chaveamento (intertravamento) - seqncia automtica de chaveamentos - monitorao de sobrecarga em transformadores

- controle local de tenso e fluxo de reativo - corte seletivo de cargas (load shedding) - sincronizao - alarmes - indicao e registro de seqncia de eventos - oscilografia - interface homem-mquina - impresso de relatrios - interface com COR/COS e outros sistemas - autodiagnose

Este sistema central normalmente composto por vrios microcomputadores ou estaes detrabalho (workstation) ligados em rede de rea local (LAN : Local Area Network). Osequipamentos digitais do nvel de interface com o processo, se ligam ao Sistema Centraldiretamente na rede local ou atravs de processadores de comunicao encarregados de receberas informaes e transmiti-las para a rede.

Existem vrias filosofias de comunicao, de diviso do sistema em mdulos, e mesmo de quaisfunes ficam no Sistema Central ou prximo do processo. O uso de reles digitais exerce grandeimpacto na definio da filosofia destes sistemas.

Na Fig. 1.3-1 apresenta-se uma arquitetura tpica de um destes sistemas. No Brasil existem vriassubestaes digitalizadas, com inclusive proteo digital, como por exemplo: Ipiranga (SoPaulo), Metropolitana de Ribeiro Preto, dentre outras.

Nota: A LAN pode ser simples ou duplicada e as funes acima podem ser agrupadas em mais oumenos processadores dependendo da importncia da subestao.

Fig. 1.3-1 Sistema de automao de subestao

UAC1 REL 1 INTER-TRAVAMENTO

INTER-TRAVAMENTO

UAC n REL n

CONJUNTO "BAY 1" CONJUNTO 'BAY n'

MICRO 1 MICRO 2 MICRO 3

OPERAOBASE DE

DADOS HISTRICOSCOMUNICAO COM COR

BASE DE DADOS TEMPO REAL

LAN

Fig. 1.2-1 SSC.- Sistema de superviso e controle: nveis hierrquicos

Nas UAC desenvolvem-se a aquisio de dados do processo e o comando de manobra deequipamentos. Neste nvel encontram-se a interface com o processo e as seguintes funes soa ele associadas:

- Entrada de Dados - Variveis Analgicas: aquisio de valores de tenso, corrente,temperaturas, nveis de reservatrio, dentre outros.

- Entrada de Dados - Variveis Digitais: aquisio de informao sobre o estado ouposio de disjuntores (aberto ou fechado), de chaves, ou de equipamento ligado oudesligado.

- Sadas Digitais: mudana de posio de contato aberto/fechado permitindo assim otelecomando de equipamentos e dispositivos (chaves, disjuntores etc.)

- Sadas Analgicas: fornecimento de valores contnuos para ajuste da referncia (setpoint) de componentes eletrnicos dedicados de controle, como os reguladores detenso e de velocidade de geradores, e sinais para medidores analgicos tipoampermetros.

Normalmente so instaladas uma ou mais UAC para cada subestao e usina. Os dados relativosa elas so comunicados aos COR via canal de telecomunicaes (tipicamente a microonda).Cumpre notar neste ponto que apenas os dados mais significativos da estao dizem respeito satividades do SSC. Por exemplo, so de interesse ao SSC o estado dos disjuntores das linhas,geradores e transformadores, as potncias ativas e reativas em cada elemento, e a tenso nosvrios trechos de barra. Outros dados no tm interesse ao SSC, como por exemplo, o estadodos disjuntores do servio auxiliar da estao.

No COR ocorrem a operao e o atendimento das subestaes e usinas de uma regio da reaglobal. Dele partem por exemplo os sinais de telecomando dos disjuntores, os sinais para partir econectar um dado gerador na usina, e chegam todos os dados coletados nas UAC. No COR estlocalizado um sistema computacional que possui a interface homem-mquina (IHM) adequada aooperador da rede regional. A IHM permite a ele tomar o conhecimento dos alarmes, da seqnciade eventos, das medies, bem como executa os telecomandoss. Em resumo, reside no COR afuno SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition).

No COS encontram-se as facilidades para a operao global centralizada do sistema e acoordenao da gerao e carga. No COS est localizado um sistema digital, onde encontram-seas funes denominadas de "alto nvel"; onde so obtidas as informaes necessrias a operaoadequada e segura do sistema. Algumas destas funes so:

COS

COR 1 COR 2 COR 3

UAC 1 .... UAC n UAC 1 ...... UAC n UAC 1 ..... UAC n

- Previso de carga ligada, em base horria.- Programao hidro energtica, previso de cheias e vazes efluentes nos

reservatrios.- Fluxo de potncia.- Estimador de estado.- Anlise de contingncia (anlise de segurana).- Otimizao da gerao e transmisso.- Controle automtico de gerao (CAG), ou o controle de carga e freqncia.- Coordenao da manuteno, etc.

No COS so ligadas muitas vezes as UAC correspondentes malha principal do sistema.Portanto nele pode estar tambm includa a funo SCADA.

Tanto no COR como no COS encontram-se facilidades para gerao de relatrios gerenciais etcnicos. Na Fig. 1.2-2 mostrado o esquema de um sistema de transmisso com um SSC. NaFig. 1.2-3 mostrado um outro SSC onde esto incorporados outros nveis de ao tais como:

- COU: Centro de Operao de um conjunto de Usinas.- CAU: Centro de Atendimento de um conjunto de Usinas.- OS: Centro de Operao de um conjunto de Subestaes.- CAS: Centro de Atendimento de um conjunto de Subestaes.- COD: Centro de Operao da Distribuio.

No Brasil existem vrios SSC em operao, podendo ser citados dentre outros os sistemas dasempresas: ELETROBRS (COS em Braslia), FUNAS (Rio), ELETRONORTE (Braslia),ELETROSUL, (Florianpolis), CESP (Bom Jardim), CPFL (Campinas).

Estes SSC citados necessitam trocar informaes entre si, visto que todos os sistemas detransmisso so interligados e portanto interdependentes.

Fig. 1.2-2 Sistema de potncia e SSC

G2

G

COS500 kV

138 kV

138 kV

230 kV

COR 1COR 2

G1

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U U

U

U U U

U = UAC

Fig. 1.2-3 SSC com outras funes hierrquicas

C O S

.... COR n UAC

COU

CAU UAC

MALHA PRINCIPAL

OS/CAS

1 2 3 4

UAC COD

SUBESTAES NO ATENDIDAS

COR 1

1.4 AUTOMAO DE USINAS

O sistema digital de usina visa prover os meios para a operao e manuteno desta. Temconfigurao semelhante ao sistema de automao de subestao. Na Fig. 1.4-1 mostrado umexemplo deste sistema.

Fig. 1.4-1 Sistema de automao de usinas

As unidades de interface com o processo podem ser compostas por vrios mdulos, por exemploa UAC do gerador pode ter um mdulo para automatismo, outro para seqncia de eventos eoutro para as protees. Estas interfaces com o processo se integram com os reguladores detenso, de velocidade dos geradores, e com os controladores locais como os das comportas dovertedouro, por exemplo. Dentre outras, as seguintes funes fazem parte deste sistema:

- Medies, comando, controle e proteo- Alarmes- Seqncia de eventos- Superviso de estado de equipamentos- Partida, parada, sincronizao de grupos geradores- Superviso, controle, proteo da subestao elevadora- Despacho da usina, consistindo do controle conjunto ou individual:

- de potncia ativa- de tenso/reativos

- Proteo dos geradores- Operao automtica dos vertedouros, etc.

Nas grandes usinas hidroeltricas, a este sistema principal se integram subsistemasindependentes construdos para diversas atividades especificas como por exemplo: superviso(on line) das mquinas (vibrao, temperatura, descargas parciais, verificao do entreferro);aquisio e superviso dos dados hidro meteorolgicos; etc.

Vrias usinas possuem sistema digital de superviso e controle com vrios nveis decomplexidade. Exemplos de sistemas avanados no Brasil so encontrados na usina de Tucurui(ELETRONORTE), Salto Segredo (COPEL), Xing (CHESF).

LAN DUAL

OPERAO MANUTENOBASE DE DADOS

HISTRICOSCOMUNICAO COM COR

GERADOR 1 UAC 1

GERADOR n UAC n

VERTEDOURO UAC

SERVIOSAUXILIARES

UAC

SUBESTAO UAC 1

SUBESTAO UAC n

BASE DE DADOS TEMPO REAL

1.5 SISTEMA DE AUTOMAO OU INFORMATIZAO DA DISTRIBUIO

No que se refere ao sistema de distribuio de energia eltrica, a automao constitui naintegrao de vrias atividades operacionalizadas por subsistemas digitais especficos.

Na Fig.1.5-1 mostrado esquematicamente o que pode ser concebido como uma Automao daDistribuio, podendo l identificar vrios subsistemas cujos objetivos so descritos a seguir.

Fig. 1.5-1 Automao da distribuio

O Subsistema de Base de Dados Comum contem o cadastro de todos equipamentos da rede dedistribuio e seus atributos.

O Subsistema de Engenharia consiste num grande banco de dados onde as partes da rede socadastradas (trechos de alimentadores, transformadores, rede secundria) junto com osconsumidores. Atravs deste sistema possvel por exemplo localizar as coordenadascartesianas do local de um equipamento ou de um consumidor, ou fazer estudos de planejamentoda rede.

1- AUT COD

1.8 - LIGAO

1.9 - CONSTRUO

1.1 - BDC

SUBSISTEMA DE

GERENCIAMENTO DECONSTRUO

SUBSISTEMA DEGERENCIAMENTO DA

CARGA

SUBSISTEMA LEITURA AUTOMTICA

DE MEDIDORES

SUBSISTEMABASE DE DADOS COMUM

SUBSISTEMA DE

APOIO AMANUTENO

SUBSISTEMA DE

DIGITALIZAO DE MAPAS SUBSISTEMA DE

SUPERVISO EMTEMPO REAL

SUBSISTEMA DELIGAO DE

CONSUMIDORES

SUBSISTEMA DEATENDIMENTO

RECLAMAO

SUBSISTEMA

COMERCIAL

SUBSISTEMA DEENGENHARIA

1.7 - RECLAMAO

1.6 - CARGA

1.6 - MEDIDORES

1.4 - SUPERVISO

1.10 - CONTA

1.3 - MAPAS1.2 - ENGENHARIA

1.11 - MANUTENO

O Subsistema de Digitalizao de Mapas (AM/FM/GIS - Automated Mapping/FacilitiesManagement/Geographic Information System) utiliza programas digitais especficos e usadopara mapear a rede e consumidores em um sistema de cartografia mostrado na tela docomputador.

Os trs subsistemas seguintes referem-se a atividades em tempo real para a operao dosistema. s vezes o termo Automao da Distribuio usado apenas para estes subsistemas.

O Subsistema de Superviso em Tempo Real prov os meios para operao da rede primria esubestao de distribuio. Se caracteriza pela aquisio de dados (tenses, correntes, estadodos disjuntores) nos vrios pontos da rede, e pelo telecomando de disjuntores e chaves.

O Subsistema de Leitura Automtica de Medidores permite que o consumo do cliente sejaidentificado remotamente na sala de operao, onde passa a ser emitida a sua conta de luz.

O Subsistema de Gerenciamento da Carga completa o subsistema de tempo real, e prov osmeios para ligar ou desligar a carga de certos consumidores, no todo ou em parte, por perododeterminado, sendo usado para reduzir o pico de carga do sistema. Permite tambm mandarsinais de ajuste aos medidores de energia quando este est localizado em uma regio com tarifadiferenciada, na hora de ponta.

O Subsistema de Atendimento a Reclamao coordena as chamadas telefnicas pela linha 196 eprovidencia o atendimento. O Subsistema de Ligao de Consumidores opera a linha 120 paraatender a solicitao de ligao de novos clientes, e prover informaes diversas.

O Subsistema de Gerenciamento da Construo e o Subsistema de Apoio a Manutenoagilizam e organizam estas atividades.

O Subsistema Comercial aquele utilizado pela empresa para produo das contas de luz.

Nos prximos captulos, os sistemas de automao de subestaes, de usinas e da distribuiosero tratados mais detalhadamente.

CAPTULO 2

CONFIGURAO DOS SISTEMAS DIGITAIS DE AUTOMAO

2.1 INTRODUO

Os sistemas digitais para todos os tipos de automao eltrica so constitudos por subsistemase mdulos com caractersticas semelhantes. Na Fig. 2.1-1 mostrado de uma forma geral estesistema.

Fig. 2.1-1 Subsistemas e mdulos

2.2 SISTEMA CENTRAL

O sistema Central era, em muitos casos, composto por computadores de grande porte ligados emconfigurao dual (ou com maior redundncia). Na queda de um computador o outro assumeautomaticamente (hot stand by) as funes do sistema sem restrio ou com restrio parcial dassuas funes.

Com o advento dos microcomputadores, estaes de trabalho e redes locais, os computadores degrande porte tem sido substitudos por sistemas distribudos. A funo alocada a cada parte dosistema distribudo depende da concepo do fornecedor. Na Fig. 2.2-1 apresentada umaconfigurao semelhante que tem sido usada por alguns fornecedores tradicionais.

Fig. 2.2-1 Configurao do sistema central

Nesta configurao pode-se observar os seguintes subsistemas:

base de dados em tempo real base histrica de dados terminais de operao

O subsistema de base de dados em tempo real (SDTR) contm as informaes mais imediatas,serve para prover as informaes aos terminais de operao e executar a troca de informaescom outros sistemas.

O subsistema de base histrica de dados (SDH) contm o registro das informaes durante umcerto perodo de uso do sistema, perodo este superior a um dia. Atravs deste sistema so feitosos relatrios de anlise da operao, e de desempenho do processo, e do sistema digital.

O subsistema de operao (SO) contm os terminais de onde os operadores interagem com oprocesso.

importante observar tambm na Fig. 2.2-1 o subsistema de interface com o processo por ondechegam os dados e passam os comandos.

Em processos mais simples, por exemplo pequenas subestaes, o sistema central pode sereduzir a um nico microcomputador ou um par deles em configurao dual.

J nos grandes sistemas com automao completa podem ser encontrados os seguintesequipamentos (hardware):

a) subsistema de base de dados em tempo real: duas estaes de trabalho comtransferncia automtica de atuao (hot stand by). Contm tambm unidades dearmazenamento de dados, impressoras e modems para comunicao com outrossistemas;

b) subsistema base histrica de dados: duas estaes de trabalho com recebimentosimultneo de informaes para as duas (cold stand by). Este sistema caracterizadopor gerenciar grandes arquivos e por isto em seus equipamentos esto includosdiscos rgidos (winchester) de grande capacidade, discos pticos e fitas magnticas;

c) subsistema de operao: podem incluir uma ou mais estaes de trabalho, cada umacom um ou mais monitores coloridos com alta resoluo grfica. Muitos sistemasincluem outras estaes de trabalho, semelhante a este subsistema, com a finalidadede prover recursos para engenharia (preparao de novas telas, novos ajustes dosistema, etc.), ou para treinamento de operadores (utilizando a base de dados atual dosistema, porm com comando cego). Estes terminais (SO) incluem perifricos para aoperao como "mouses, trackball, light pen", impressoras e copiadoras de vdeo.

Finalmente importante observar que todos os subsistemas esto interligados por uma rede derea local, dual no caso da Fig. 2.2-1, e singela em muitos casos. Esta rede o centro do sistemae nela devero se concentrar os grandes esforos de concepo e escolha. Nela encontra-se adiferenciao dos fabricantes.

2.3 SISTEMA DE AQUISIO DE DADOS

O sistema de aquisio de dados composto pelas unidades de aquisio de dados e controle(UAC) e por unidades dedicadas (especializadas) como os reles digitais, os equipamentos deoscilografia, os reguladores (de tenso, de velocidade) e os eventuais equipamentos paraintertravamentos e para alarmes locais.Nos sistemas digitais de automao eltrica os dados normalmente coletados so:

tenses e correntes (e grandezas derivadas: potncia ativa, reativa, energias); estado (status) de equipamentos (disjuntores, seccionadoras, cargas reativas,

chaves de comando, atuao de reles etc.), inclusive o estado dos mdulos dehardware do sistema digital;

temperaturas; no caso de usinas hidreltricas: nveis de gua, vazes, presses; no caso de usinas trmicas: fluxos, nveis de combustvel, etc.

As aes de comando e as sinalizaes externas ao sistema digital so feitas ou atravs demudana de estado de reles (contatos) ou por valores contnuos de ajustes na forma de corrente etenso contnuas para sinal de referncia (set point) de reguladores e sinalizadores(ampermetros).

2.3.1 Unidades de aquisio de dados e controle (UAC)

Funcionalmente a UAC contm um mdulo de processamento com os blocos funcionais indicadosna Fig. 2.3.1-1.

Fig. 2.3.1-1 Blocos da UAC

Adicionalmente na UAC encontram-se dois outros mdulos: o de fonte, e o das borneiras econdicionamento dos sinais:

a) fonte: o mdulo de fonte o responsvel pela alimentao dos mdulos ativos e constitui-sede uma fonte chaveada com alimentao que pode ser CA 110/220 V, CC 12 V, CC 48 V, etc.e sadas de 5 V, 12 V, 24 V com o recurso de manter os valores de sada constantesindependente das variaes de entrada;

b) borneira e condicionamento de sinais: neste mdulo conectada a fiao vinda do campo(sinais de entrada e sada). A ligao com os dispositivos do campo feita atravs de circuitospticos acopladores, circuitos estes que convertem o sinal eltrico em luz e a seguir fazem adesconverso, ou ento por reles auxiliares, mantendo assim uma isolao entre o campo e aUAC. Neste mdulo so tambm includos os circuitos para proteo contra surtos vindos docampo e que possam atingir a UAC;

c) mdulo de processamento: composto pelos vrios cartes indicados na Fig. 2.3.1-1 cujasfunes esto descritas a seguir:

UCP: este carto a unidade central de processamento onde encontra-se o microprocessadorque controla e processa as informaes, e o relgio (clock) que define o ciclo de processamento;

MEMO: neste carto esto os bancos de memria onde se alojam os dados e o programa;

COM: neste carto encontram-se os circuitos eletrnicos para efetuar a comunicao de dadosentre a UAC e o sistema central. A comunicao da UAC com outros nveis do sistema deautomao (central de operaes, outras UAC do sistema formando neste caso uma rede), podeser feita atravs de transmisso via rdio, fio direto ou fibra ptica. Esta comunicao estabelecida obedecendo-se padres fsicos e lgicos, com velocidades de transmissocaractersticas de cada padro;

ED: neste carto so ligadas as entradas digitais (contatos) passando por acopladores pticos eprotees (varistores). Um carto pode acomodar desde 4 at 48 entradas digitais.Na Fig. 2.3.1-2 mostrada a ligao esquemtica de uma destas entradas, feita por via direta ouvia rele auxiliar.

Fig. 2.3.1-2 Entrada digital

Quando o contato est fechado, a tenso da fonte transferida aos dois terminais da entrada aa.Esta fonte pode ser externa ou interna, pode ser de corrente alternada (CA) ou contnua (CC).Como exemplo, pode-se citar uma UAC de pequeno porte utilizada para telecomandar chaves doscircuitos da rede primria de distribuio que utiliza uma tenso interna CC de 12 V para isto. Ocircuito eletrnico do carto ED, que mede a tenso nos terminais, compara-a com dois nveis detenso 75% (ou 9 V) e 25% (ou 3 V) para transies positivas e negativas que correspondemrespectivamente a contato fechado e aberto. A este par de terminais de entrada aa' corresponderna UAC um endereo que conter a informao '1' ou '0' caso o contato esteja fechado ou aberto;

SD: este carto aloja as sadas digitais, cada qual contendo tambm um endereo na UAC.Quando num endereo est o dgito '1', na correspondente sada digital surgir uma corrente quepoder ser enviada ao campo para comando. Em muitos casos este acionamento feito via relesauxiliares de baixo consumo permitindo o uso dos componentes mais simples no carto(Fig. 2.3.1-3).

Fig. 2.3.1-3 Sada digital

Estes cartes podem incluir uma rotina denominada "check before operate" normalmenteconstituda por duas funes: a primeira, mais simples, consiste em verificar o estado (status) dassadas digitais a qualquer momento, e a segunda consiste em verificar se a seleo doselementos de comando foi correta, antes do acionamento. Esta verificao feita com o sinalpresente no conector de sada que por sua vez lido e a informao devolvida ao processador. Oprocessador tem posse do sinal desejado e o sinal na sada do conector. Sendo estes iguais, oprocessador aguarda o comando ser concludo. Em caso contrrio, desativa o circuito dealimentao das sadas digitais inibindo a realizao do comando. Neste ponto pode-se entendercomo feito o telecomando e superviso no sistema digital (Fig. 2.3.1-4).

ED ED

a aa' a'

contatode

campo

contatode

campo

Fonte Fonte

+

-rel auxiliar

SD SD

rel auxiliar

Fig. 2.3.1-4 Comando convencional e digital

+ -

+ -

disjuntor

disjuntor

acionamento

mola

mola

contatos

contatos

sala de comando

sinalizao

a) Comando convencional

b) Telecomando digital

sala de comando

com

unic

ao

UAC

SD ED

relauxiliar

micro

L

comando

Na Fig. 2.3.1-4 procura-se mostrar esquematicamente como feito o comando no sistemaconvencional e no digital. No sistema convencional, ao ser pressionado o boto de comando,surge corrente no circuito de acionamento que puxa o pino de travamento permitindo que a molaabra o dispositivo. Solidrio com o eixo do polo do disjuntor encontram-se os contatos auxiliaresNA e NF. O contato NF fecha e a lmpada L indica disjuntor aberto na sala de comando.

No sistema digital, via mouse ou teclado, inicia-se a ao no micro na sala de comando. Ainformao vai do micro UAC pelo cabo de comunicao. A chegada dela na UAC provoca oacionamento da sada digital e a abertura do disjuntor. O contato NF lido na UAC e estainformao enviada ao micro na sala de comando onde em sua tela mostrada a ocorrncia docomando (por exemplo, mudando a cor do smbolo).

SA: este carto aloja as sadas analgicas, cada qual com um endereo na UAC. Dependendo dovalor existente no endereo aparecer um sinal analgico de tenso CC na faixa entre 10 V, oude corrente CC na faixa de 4 a 20 mA.

A seguir apresentada uma descrio de funcionamento de uns tipos de circuito DA, conversordigital/analgico [2-1]* para entendimento do processo.

Este circuito est esquematizado na Fig. 2.3.1-5 e utilizado quando se necessita converter umavarivel digital em analgica. A informao digitalizada, geralmente codificada em BCD 8421 ea partir desta faz-se a converso para uma sada analgica. Na sada analgica, tem-se estamesma informao em nvel de tenso correspondente ao valor binrio, colocado na entrada.

Fig. 2.3.1-5 Esquema do conversor D/A

O circuito apresentado na Fig. 2.3.1-6 o mais simples dentre aqueles que efetua a conversodigital-analgica. Trata-se de um circuito que utiliza como componentes, resistores e diodosapenas.

* Nota: recomenda-se a leitura de [2-1] para maiores detalhes.

Entrada Digital(BCD 8421)

Conversor DigitalAnalgico

(DA)

SadaAnalgica

Vs

ABCD

Fig 2.3.1-6 Esquema do conversor D/A bsico

Na figura acima, A o bit mais significativo. Para se entender o funcionamento do circuito, deve-se lembrar que o nvel zero de tenso corresponde a zero Volts, ou seja, eqivale a ligar o pontoao terra, e o nvel 1 de tenso corresponde a uma tenso pr determinada, igual a Vc. Outraconsiderao a se fazer que r, o resistor no qual aparecer a tenso de sada, deve ser muitomenor que R.

Quando houver nvel 1 em A e zero nas demais entradas (notao binria: 10002 igual a 8 nanotao decimal ou seja 810), a tenso Vs ser:

VV rR r

,

r R

V V rR

sc

s c

sendo resulta

=+

Por ltimo, j com nvel lgico 1 na entrada D e zero nas demais (ou seja 00012 = 110), a tensode sada Vs ser :

VV r8R

Vsc

r= =

Considerando este ltimo valor de tenso igual a 1 (Vr) tem-se que os demais valores de sada Vsobtidos, so diretamente proporcionais a 2, 4 e 8. Assim se por exemplo as entradas A e C foremcolocadas ao nvel lgico 1, permanecendo as demais em zero (ou seja 10102 = 1010), a seguintetenso de sada Vs ser obtida :

VV rR

V r4 R

V rR

. 114s

c c c= + = +

\ VV r 10

8R10 Vs

cr= =

Ou seja, a tenso de sada dez vezes maior que a tenso de referncia considerada.

Atribuindo-se valores adequados aos resistores e a tenso Vc, obtm-se uma sada em tensodesejada, diretamente proporcional ao valor numrico desejado.

O circuito em discusso, apresenta um funcionamento correto, mas no a melhor forma de sefazer um conversor D/A outras solues existem, uma das quais a que utiliza-se um circuito umpouco mais sofisticado, fazendo uma amplificao do sinal de sada atravs de um amplificadoroperacional.

Antes de iniciar o estudo do circuito conversor que utiliza o amplificador operacional, sero feitasalgumas consideraes bsicas sobre este componente.

Os amplificadores operacionais possuem as seguintes caractersticas principais :

- Alta impedncia de entrada- Baixa impedncia de sada- Tenso de sada igual a zero quando as entradas 1 (inversora) e 2 (no inversora) tiverem amesma tenso

Com a utilizao do amplificador operacional torna-se vivel a montagem de um amplificadorinversor de ganho estabilizado, como o da figura a seguir :

Fig. 2.3.1-7 Amplificador inversor de ganho estabilizado

R P

Ve

S

Vs+

r

2

1

O ganho do amplificador operacional ser dado por :

GVV

rR

s

e

= - = -

A montagem de um somador de tenses, utilizando o amplificador operacional apresentada nafigura a seguir:

Fig. 2.3.1-8 Somador de tenses

A tenso de sada Vs dada por :

+++-=8

V

4

V

2

V

1

V

Rr

V dcbas

Se as tenses Va, Vb, Vc e Vd podem apenas assumir um dos dois nveis lgicos de tenso, ouseja nvel um ou nvel zero, pode-se escrever :

Vr VR

A1

B2

C4

D8s

= - + + +

Onde V a tenso e A, B, C e D so os bits do cdigo BCD 8421.

Da expresso acima conclui-se que a sada analgica Vs, ser proporcional entrada que efetuada atravs do cdigo BCD 8421.

Pode-se ento construir um circuito conversor digital-analgico com chave seletora digital (umconjunto de portas lgicas E) na entrada. Este circuito anlogo ao anterior com a incluso dareferida chave conforme a figura a seguir:

R

2R

4R

8R

PS

Vs+

r

A

B

C

D

Fig. 2.3.1-9 Conversor D/A com chave seletora

A tenso de sada Vs, ter como resultado a mesma expresso que a do circuito de resistnciasanteriormente apresentado.

J na figura abaixo, apresentado um circuito de um conversor D/A com trs dgitos :

Fig. 2.3.1-10 Conversor D/A com 3 dgitos

R

2R

4R

8R

PS

Vs+

r

A

B

C

D

E

E

E

E

V

R

2R

20R

10R

200R

100R

4R

40R

400R

8R

80R

800R

PS

Vs+

r

A

A'

A''

B

B'

B''

C

C'

C''

D

D'

D''

A tenso analgica de sada Vs, ter como resultado a seguinte expresso:

Vr VR

A1

B2

C4

D8

A'10

B'20

C'40

D'80

A"100

B"200

C"400

D"800s

= - + + +

+ + + +

+ + + +

Existem outras alternativas de conversor D/A, porm visto no ser este o principal objetivo dopresente e sim apenas entender o princpio de funcionamento destes conversores, no sero aquidiscutidas.

EA - Este carto abriga as entradas analgicas cada qual contendo um endereo na UAC. Noendereo fica escrito o valor da varivel contnua correspondente a um valor de entrada de tensoCC dentro da faixa de 10 V, ou um valor de corrente CC na faixa de 4 - 20 mA.

A converso do valor analgico em digital [2-1] est esquematizada na Fig. 2.3.1-11:

Fig. 2.3.1-11 Conversor A/D

O circuito que efetua esta converso um pouco mais sofisticado que o dos conversores digital-analgico, pois necessita-se de um contador de dcada e um conversor digital-analgico pararealizar a converso. Sua configurao bsica apresentada na Fig. 2.3.1-12 :

Fig. 2.3.1-12 Conversor A/D

ENTRADA ANALGICA

SADADIGITAL

CONVERSOR

ANALGICA

DIGITAL

CLEAR

CLOCK

Ve

ENTRADA ANALGICA

CONVERSOR

D / A

E

CONTADOR

DE

DCADA

CK

A

BC

Dsada

Vr

+

A'B'

C'D'

Este circuito basicamente constitudo por um contador de dcada que gera o cdigo BCD 8421nas sadas A', B', C' e D'. Estas sadas sero injetadas num conversor digital-analgico, fazendocom que este apresente na sada uma tenso de referncia Vr. Esta por sua vez, injetada emuma das entradas de um circuito comparador (baseado num amplificador operacional) de duasentradas. Na outra entrada deste comparador injetado o prprio sinal analgico Ve a serconvertido.

A sada deste comparador permitir ou no a passagem do sinal de "clock" ao contador dedcada. A cada cadncia do clock o contador de dcada muda sua sada como indicado nodiagrama da Fig. 2.3.1-13 :

Fig. 2.3.1-13 Sada do contador de dcada

As sadas A', B', C' e D' do contador, ligadas nas entradas do conversor digital-analgico, farocom que este por sua vez, transforme a informao digital em analgica. A tenso de sada doconversor, que servir de referncia para a comparao exibida na Fig. 2.3.1-14:

Fig. 2.3.1-14 Sada Vr de referncia para comparao

Da comparao dos dois sinais que entram no comparador, resulta na sada deste, uma tensode nvel lgico zero quando Vr for maior que Ve, e de nvel lgico 1, quando Vr for menor que Ve.

A chave digital (porta E) tem em uma entrada o sinal de "clock" e na outra entrada e sada docomparador. Enquanto a sada do comparador estiver em nvel 1 (Vr < Ve), a chave darpassagem ao pulso de "clock" que aciona as mudanas de estado do contador. A partir domomento que a sada do comparador for zero, essa chave bloquear a passagem do "clock"fazendo com que o contador permanea no seu estado ( A', B', C', D') que ser igual ao nmerodado por A, B, C, D que por sua vez igual ao valor de tenso de entrada analgica .

Nos cartes EA aparecem tambm o circuito eletrnico multiplexador (multiplex).

O circuito multiplex [2-1] utilizado para enviar informaes contidas em vrios canais, a um scanal que por sua vez passar pelo conversor A/D.

O esquema do bloco multiplexador est indicado na Fig. 2.3.1-15.

Fig. 2.3.1-15 Multiplexador

A entrada de seleo tem por finalidade escolher qual das informaes de entrada deve ser ligada sada.

O circuito lgico bsico que efetua a funo de um multiplex de dois canais, visto naFig. 2.3.1-16.

Fig. 2.3.1-16 Multiplexador com duas entradas

MULTIPLEXADOR

MUX

12...n

Canais de

informao

de entrada

Sada nica

Informao

Multiplexada

1 2. . . . . . . . . . . kEntradas de Seleo

Quando A for igual a zero, ter-se- na sada, a mesma informao que a entrada I0 (notar que naporta E superior entra o valor de A invertido). Nesse caso, a informao I1 ser bloqueada pelaporta E inferior, pois o outro terminal desta estar ligado em A que valer zero.

J quando A for igual a 1, I0 ser bloqueada e, analogamente, a informao I1 aparecer nasada.

Circuitos semelhantes podem ser produzidos para multiplexar mais de dois canais.

Os cartes EA, normalmente possuem multiplexadores nas suas entradas de forma a reduzir oseu custo, pois passa a usar um nico conversor A/D.

Nota: Analogamente, existe o circuito demultiplex que faz a operao contrria, ou seja colocauma entrada em diferentes sadas dependendo do valor da varivel de seleo. Este circuito usado nos cartes SA.

Nos cartes EA, encontram-se tambm os circuitos de sample and hold que permitem manter ovalor de um sinal constante durante o perodo de medio. Estes circuitos sero melhor discutidosquando se tratar de proteo digital.

2.3.2 Unidades dedicadas

Esto includos neste grupo:

reles digitais equipamentos de oscilografia unidades especiais de intertravamento. medidores eletrnicos multifuno

Pode-se dizer neste ponto que estas unidades so semelhantes s UAC consistindo de CPU,memria, cartes de entrada e de sada.

Os reles digitais, para executar suas funes, usam as entradas analgicas para determinar osvalores de corrente e tenso, processam as informaes, e como resultado atuam numa sadadigital que entra no circuito de comando do disjuntor.

Os equipamentos de oscilografia possuem entradas digitais e analgicas, processam asinformaes, e mostram seus resultados em tela e impressora.

Os equipamentos de intertravamento possuem entradas digitais para ler o estado de contatos,analisam a lgica a que eles fazem parte e como resultado atuam numa sada digital, parapermitir ou bloquear a funo de comando.

Os medidores multifuno possuem entradas analgicas para ler as tenses e correntes trifsicase a partir delas calculam as demais variveis (P,Q, cos fi).

Segue-se pois que todos estes equipamentos so semelhantes em circuitos e funes.

2.3.3 Comparao dos equipamentos de aquisio de dados

Devido diferena entre as funes que executam, no econmico ter um nico equipamentogeral, para os fins descritos no item anterior, e para a UAC.

Os reles de proteo precisam coletar dados com resoluo menor que 1 ms, ou seja a cada1 ms devem coletar os valores de tenses e correntes em todas as fases. Precisam tambm,neste intervalo de tempo, filtrar os sinais de entrada e process-los para decidir sobre existnciaou no de defeito.

Os equipamentos de oscilografia precisam reproduzir as formas de onda incluindo algumasharmnicas. Dependendo das harmnicas de interesse, ele precisa coletar os dados dasvariveis (exemplo: tenso e corrente) com freqncia (nmero de vezes por ciclo) alta. Assim se desejado conhecer a participao da 10a. harmnica, a freqncia de amostragem deve sersuperior a 1200 Hz (2x10x60), ou seja, deve colher 20 amostras por ciclo de 60 Hz, portanto aresoluo ser de 0,8 ms.

Os equipamentos de intertravamento so semelhantes s UAC contendo to somente entradas esadas digitais, alm de CPU e memria.

As UAC podem abrigar grande nmero de pontos (entradas/sadas) dependendo da aplicao.Para geradores de usinas hidroeltricas, por exemplo, chegam a ter mais de 500 pontos. s vezesa UAC tem que atender especificaes para ler algumas entradas digitais com resoluo de 1 mse outros com resoluo mais lenta de 10 ms. Neste caso pode resultar que o fabricante venhaoptar por dividir a UAC em duas ou mais partes com processadores separados. Para UAC degrande porte, alguns fabricantes apresentam como soluo uma arquitetura distribudaconsistindo de uma rede local com vrios mdulos separados, cada um com sua prpria CPU,memria e comunicao (resultando num gabinete com um ou mais mdulos para EA, outrospara ED, outros para SD, outros para SA e alguns mdulos mistos).

Finalmente cabe lembrar que no mercado encontram-se dois tipos de equipamentos que podemser utilizados para UAC: as denominadas UTR-Unidades Terminais Remotas e osCLP-Controladores Lgicos Programveis. Ambos tm arquitetura semelhante e podem serutilizados para aquisio de dados, dependendo do requisito que se deseja. Maiores comentriossero acrescidos nos captulos seguintes.

2.4 INTERFACE COM O PROCESSO

As UAC e unidades dedicadas so projetadas para coletar dados, que chegam na forma de sinalpadro (por exemplo correntes CC na faixa 4-20 mA ou tenso CC de 10 V). Nem sempre osinal do processo se enquadra neste padro.

As sadas das UAC para o processo so tambm padronizadas e nem sempre tm a capacidade(potncia) para acionar os equipamentos (disjuntores por exemplo).

A adaptao dos sinais do processo de forma a torn-los compatveis com a UAC feita pelosdispositivos de interface, podendo ser listados:

transformadores de corrente (TC) transformadores de potencial (TP) transdutores reles de interface

2.4.1 Transformadores de corrente

O TC um transformador no qual passa a corrente de linha (centenas de ampres) e no seusecundrio aparece corrente da ordem de 5 A (relao de transformao tpica 2000-1000/5 A). Arelao de transformao N/5 Ampre escolhida em funo do que vai ser ligadono secundrio. Se for um medidor, o valor de N escolhido de forma que a maior correntepassante no primrio seja 70 a 80% de N. Nesta situao o ponteiro do medidor ficar a 70-80%do valor de fim de escala, ponto onde tem a maior preciso de leitura. Se o secundrio forutilizado para proteo, ento N escolhido de forma que a corrente de curto circuito mxima sejainferior ao limite de saturao do TC, da ordem de 20N. Em se fazendo desta forma resulta que acorrente no secundrio (no rel) seja proporcional corrente no primrio, sem harmnicas edistores oriundas de saturao do TC.

A preciso desejada ou especificada na transformao de corrente tambm diferentedependendo do uso, sendo que a preciso para proteo pode ser menor que aquela paramedio.

Outro aspecto a ressaltar que o TC, quando era usado para acionar reles eletromecnicos, tinhaque ter capacidade (potncia VA) para esta funo. Se o sistema precisava de vrios releschegava-se situao de precisar de mais TC (ou TC com vrios enrolamentos).

2.4.2 Transformadores de potencial

O TP reduz o valor de tenso do sistema a valor na faixa 110 V. Normalmente so providos comdois enrolamentos secundrios um sendo ligado em delta e outro em Y aterrado, resultando poisnuma relao de transformao por fase do tipo:

500.000/ 3 115 3 115 Volts- -

Estes dispositivos podem ser do tipo indutivo semelhante a um transformador de potncia, ou dotipo divisor capacitivo que como o prprio nome diz divide a tenso primria em dois capacitoresresultando no inferior a tenso secundria desejada, que por sua vez retirada via transformadorde tenso indutivo auxiliar.

Para proteo, s vezes utiliza-se um dos secundrios do TP em ligao delta aberto.

2.4.3 Transdutores

Os transdutores so dispositivos que recebem energia de uma forma, transformam-na etransmitem em outra forma. Pode ser considerado um transdutor o medidor de energiaresidencial, do tipo Ferraris, composto por um disco que gira com velocidade proporcional aoproduto dos fluxos magnticos produzidos por uma tenso e uma corrente (portanto a potncia)aplicados a ele. Atravs da contagem do nmero de rotaes do disco obtm-se a energia

medida. Outros tipos de transdutores recebem um sinal de entrada qualquer, e produzem nasada um sinal de corrente contnua (ou tenso) proporcional. Podem muitas vezes fornecer nasada um trem de pulsos de freqncia proporcional ao sinal de entrada.

Na automao eltrica encontram-se vrios tipos de transdutores para medio de:

tenso corrente potncia ativa, reativa, cos(fi) temperatura nveis, vazes, presses, etc.

No texto a seguir sero apresentadas as descries de funcionamento de alguns deles com oobjetivo de conceituao e de mostrar como se interagem com o sistema de aquisio de dados.

a) transdutores de corrente e tenso [2-2]

Os transdutores de corrente so ligados ao secundrio do TC e so constitudos pelos blocosindicados na Fig. 2.4.3-1

a

a

a'

a'

a''

a''

t t t

TC TranformadorAuxiliar

PonteRetificadora

Filtro Sada

Fig. 2.4.3-1 Transdutor de corrente

A corrente pois reduzida e retificada, resultando na sada em valor de corrente contnua numafaixa entre 0-20 mA, proporcional corrente CA na entrada.

Em alguns casos a corrente na sada da ponte retificadora precisa ser amplificada para atingir ovalor de sada desejado.

Alguns transdutores fornecem na sada pulsos de certa largura, numa freqncia(pulsos/segundo) proporcional entrada.

Os transdutores de tenso so semelhantes aos de corrente, acrescentando-se uma resistnciana sada do transformador auxiliar para transformar a tenso em corrente. Eles so ligados aosecundrio do TP.

b) transdutores de potncia [2-3]

Os transdutores de potncia tm como entradas os valores de correntes e de tenses obtidos dossecundrios dos TC e TP.

Possuem circuitos e dispositivos que entregam na sada um valor de corrente (ou trem de pulsos)proporcional ao produto adequado da tenso e corrente, portanto proporcional a potncia.

Dependendo do mtodo empregado para obter este produto, o transdutor chamado dinmico,quando so utilizadas partes movidas mecanicamente, ou esttico quando so usadoscomponentes eletrnicos exclusivamente (no mveis).

O transdutor composto dos seguintes elementos indicados na Fig. 2.4.3-2:

1) Transformadores de Entrada para corrente e tenso com isolao galvnica e para converteros valores medidos para que possam ser processados facilmente.

2) Multiplicadores para formao do produto U.I.

3) Possivelmente um Amplificador de Sada.

Fig. 2.4.3-2 - Principais elementos de um transdutor de potncia.

U.I IL , UL

I

1

1

2

3

O transdutor utilizado fundamentalmente para telemedio, onde a corrente de sada transmitida diretamente em forma analgica ou em forma digital (aps uma conversoanalgica/digital).

Transdutor Dinmico: Uma rpida descrio de uma conhecida tcnica clssica dada a seguir, afim de que o transdutor dinmico possa ser comparado com o transdutor esttico. Os mtodosdinmicos so geralmente baseados no princpio da compensao (Fig. 2.4.3-3). As duasentradas: corrente e tenso, so usadas para produzir um torque mecnico A, em um elementomedidor tipo disco (1). Uma corrente de compensao do amplificador (4) flui atravs da bobinamvel do elemento medidor (5), e produz um torque-contrrio B. Quando A diferente de B arotao do eixo percebida por meio da haste sensor (2), cujo movimento modifica o entreferrode uma bobina parte de um circuito oscilador (3), e varia a impedncia da bobina pela variao

da sua relutncia. A variao da sua indutncia faz variar a freqncia do circuito oscilador euma corrente de compensao ento produzida por um conversor freqncia-corrente noamplificador de controle (4).Esta corrente muda de valor at que o eixo medidor entre em repouso, ou seja at que um estadode equilbrio seja atingido, onde os torques A e B so iguais compensando um ao outro. Acorrente do amplificador (4) ento proporcional potncia de entrada.

Fig. 2.4.3-3 - Princpio de operao bsica de um transdutor dinmico.

Transdutor Esttico(Eletrnico): Vrios mtodos so conhecidos para medio de potnciaeltrica por meios eletrnicos. A escolha de um mtodo especfico determinada pelos requisitosde preciso e variao da caracterstica do dispositivo.

Alguns dos mais importantes so:

Multiplicador Hall Ponte Multiplicadora Aplicao do Efeito Gaussiano

B 5

2

34

1

TP

1. Elemento medidor tipo indutivo2. Haste sensora3. Bobina sensora4. Amplificador / conversor frequncia corrente5. Sistema de compensao

A

Aplicao de transistores de efeito de campo (FET) Multiplicadores de quatro quadrantes ou multiplicadores de duas parbolas Aplicao de componentes eletrnicos com curvas de caractersticas quadrticas Multiplicadores trmicos Multiplicadores logartmicos Multiplicador Mark-Space

Apenas alguns deles sero aqui descritos a ttulo de exemplo:

Multiplicador por efeito Hall: O sensor baseado em efeito Hall consiste numa pastilha de materialsemicondutor (Antimoneto de Indium) na forma de um paraleleppedo (6 faces). Entre duas faces

opostas aplica-se a tenso (V) atravs de uma resistncia (R), e em outras duas o fluxo (B)produzido por uma corrente (I), conforme indicado na Fig. 2.4.3-4.

Fig. 2.4.3-4 - Sensor de efeito Hall

No terceiro par de faces opostas, aparecer uma tenso proporcional ao produto B i . Comoi = V / R e B = Kb I resulta: Uh = Kh B I = Kh Kb I V / R = K P. Notar que Uh um sinalproporcional a potncia instantnea. Deste sinal deve-se extrair o seu valor mdio (VI cos fi).

O nvel de Uh normalmente baixo e precisa ser amplificado como indicado na figura.

Multiplicador Mark-Space: Este tipo de multiplicador um dos mais utilizado para transduo depotncia. Na Fig. 2.4.3-5 est esquematizado o seu princpio de funcionamento. Atravs de umcircuito eletrnico gera-se o trem de pulsos como indicado na parte inferior da Fig. 2.4.3-5.

V

R

I

B

UhAmplificador

Ua

Sensor Hall

i

T/2 k U1 1

F1+k2U2

-k2U2 F2

Ta Tb

T

A largura do pulso gerada em proporo ao fator k1U1 (mark-space) enquanto que a amplitude feita proporcional a k2U2, positivo durante o perodo Ta e negativo no perodo Tb. Segue-se queo valor mdio da onda ser:

Um = (F1+F2)/T = [k2 U2 Ta - k2 U2 Tb]/T =

= k2 U2 [(T/2+k1 U1)-(T/2-k1 U1)]/T =

= (2 k1 k2/T) U1 U2 = k U1 U2

Ta TbT

k UT

U-

= =K_2 1 1

1

Para utilizao deste princpio na medio de potncia CA preciso que T seja bastante inferiorao perodo da onda de 60Hz, normalmente 1/T = 5 a 8 kHz. Nas equaes apresentadas, a tensoCA deve corresponder a U1 enquanto a corrente dever ser proporcional a U2.

Resta portanto construir o circuito que deve ser composto de dois estgios: o primeiro queestabelece a relao Ta, Tb e o segundo que executa a modulao de amplitude k2U2adequadamente.

Na Fig. 2.4.3-6 apresentado esquematicamente os dois estgios [2-5], e na Fig. 2.4.3-7 estoapresentados os sinais em cada ponto do equipamento.

Observa-se que o equipamento dispe de um gerador de onda triangular cuja sada (y1) somadacom o valor de tenso (v) que pode ser admitida constante no intervalo T ( 1/T =5 a 8 kHz). Asada do somador (y3) passa por um comparador/limitador (y4) e usada para acionar uma chaveseletora eletrnica.O sinal de corrente (i) introduzido num amplificador de ganho (-R/R) = -1 resultando pois na suasada o valor z1 = -i.

Quando a chave eletrnica est desligada apenas o sinal z1 entra no segundo amplificadoroperacional resultando na sua sada o sinal z2 = (-R/R )(-i) = i.

Quando a chave eletrnica est fechada no segundo amplificador entra adicionalmente o sinal iao qual aplicado um ganho -R/(R/2) = -2.

Na sada haver composio dos dois sinais +i e -2i resultando o valor z2 = -i.

O valor mdio, do sinal de sada no tempo que se alterna de +i a i, pois proporcional aoproduto p = vi ou seja a potncia instantnea.

O valor mdio, obtido passando o sinal p por um filtro passa baixa, o valor da potncia ativaP = VI cos fi.

Fig. 2.4.3-6 Diagrama esquemtico do transdutor

Fig. 2.4.3-7 Valores dos sinais no transdutor

+

++

GERADORONDA

TRIANGULAR

COMPARADOR

PFILTROPASSABAIXA

CHAVESELETOR

y1

y2y3 y4

v

i R

R

R

RR/2

z2z1

y2

y1

y3

Tempo

Tempo

Tempo

Tempo

Tempo

OBS:Tempo muito pequeno pode-se admitiry = cte = V cos (wt) = v 2

Chave

ligada

desligada

z2 +i

-i

P valor mdio

Chave desligada z1= -RR

i = - i; z2 = -z1 = i

Chave ligada z1 = - i; z2 = - (R/R) z1 - [R/(R/2)] i = -i

c) transdutores de freqncia [2-4]

Os transdutores de freqncia so ligados ao secundrio dos transformadores de potencial e soconstitudos pelo blocos indicados na Fig. 2.4.3-8.

Fig. 2.4.3-8 Transdutor de freqncia

O detetor gera um impulso a cada passagem da tenso por zero. Estes impulsos so integradostransformando-se em pulsos (degrau). O valor mdio deste trem de pulsos proporcional freqncia Fig. 2.4.3-9.

Fig. 2.4.3-9 Sinais do transdutor de freqncia

DetectorPassagempor Zero

Integrador AmplificadorSada

Tenso

Tenso

sinal

tempo

detetor depassagempelo zero

sinal integrado

d) transdutores de fator de potncia [2-4]

Ao transdutor de fator de potncia so ligados os sinais de tenso e corrente. Cada um destessinais passa por um circuito que gera uma onda de pulsos. Os pulsos, gerados pelos detetoresdo circuito de corrente e tenso, so combinados, resultando em um pulso de largura proporcional defasagem entre a tenso e a corrente (Fig. 2.4.3-10).

Fig. 2.4.3-10 Sinais do transdutor de fator de potncia

e) outros transdutores

Existem transdutores que funcionam dentro do princpio da variao da resistncia de umelemento. Esta variao de resistncia pode aparecer por vrios processos como, por exemplo, avariao de temperatura, ou variao de esforo mecnico esticando um fio. Se a esta resistnciaestiver aplicada uma tenso, aparecer uma corrente proporcional variao de resistncia e,portanto, grandeza que provocou esta variao. Se este valor de variao de corrente forpequeno preciso amplific-lo, para posterior leitura.

f) transduo digital

Este termo transduo digital refere-se ao processo de medio de grandezas eltricas atravs deamostragem de sinais. Os valores instantneos de tenso ou corrente so lidos, com uma certa

vi

Pulso

Pulso composto

v

i

freqncia de amostragem (8 a 12 vezes por ciclo da onda de tenso ou corrente). Atravs detcnicas de anlise do tipo Fourier discreta ou outras, o mdulo e a fase da grandeza amostradaso calculados. De posse destes valores de mdulos e fases para as tenses e para a correntespode-se ento calcular as potncias, fator de potncia e outras grandezas.

Neste ponto importante comentar que os transdutores convencionais (no digitais) possuemuma constante de tempo da ordem de 100 a 200 ms, ou seja dada uma variao em degrau naentrada o valor de sada estabiliza no valor final aps 300 a 600 ms (3 constantes de tempo). Istofaz com que os transdutores no sejam adequados para aplicaes onde se desejam temposrpidos de resposta. Em alguns destes casos a transduo digital pode ser a soluo.

2.4.4 Transformadores de instrumentao eletrnicos - transformadores pticos de tensoe corrente. [2-6]

A designao transformadores de instrumentao eletrnicos se aplica a um arranjo consistindode sensores primrios de tenso e corrente que se conectam por um sistema de transmisso desinais a um conversor secundrio que produz uma quantidade a ser medida proporcional primria.

Dentro desta designao genrica encontram-se os transformadores pticos de tenso e correnteque se caracterizam por terem um sensor primrio do tipo ptico, ou seja, um cristal que, sobre ainfluncia de uma corrente ou tenso, modifica suas caractersticas com relao passagem deluz por ele.

A Fig. 2.4.4-1 mostra um diagrama de blocos destes transformadores.

Fig. 2.4.4-1 Diagrama de blocos de um sensor ptico genrico

Os sensores primrios hoje utilizados baseiam-se no efeito Faraday ou efeito Pockel.

O efeito Faraday consiste num fenmeno observado na propagao da luz polarizada, em que adireo do seu plano de polarizao gira, de um ngulo proporcional intensidade do campomagntico existente, paralelo direo de propagao. (Fig. 2.4.4-2).

Cristal Sensor Primrio

I ou V O/E

E/O

CircuitoEletrnico Sada

Luz incidente( linearmente polorizada)

Luz transmitida( linearmente polorizada)

ngulo de rotao doplano de polarizao

Campomagntico

H

F0

Fig. 2.4.4-2 Sensor Faraday

O ngulo de giro qF proporcional ao campo H. A potncia ptica na sada proporcional a qF,portanto a H. Produzindo-se pois no circuito eletrnico (conversor secundrio) um sinalproporcional potncia ptica tem-se que este ser proporcional ao campo H, portanto correnteque o produziu.

Este circuito eletrnico pode, tambm, produzir uma sada digital com valores proporcionais corrente que produziu o campo H. Este princpio utilizado nos TC pticos.

O efeito Pockel baseia-se no fenmeno de bi refringncia. Um material bi refringente quandoseu ndice de refrao no for homogneo fazendo com que a onda polarizada tenha velocidadede propagao diferente dependendo da orientao do seu plano de polarizao em relao a estemeio material. Apresenta pois eixos de mxima e mnima refrao. Assim quando um feixe de luzpolarizada transita por um eixo intermedirio sofre atrasos de fase diferentes em suascomponentes e emerge elipticamente polarizado.

Quando a este material aplica-se uma tenso resulta que a polarizao de luz emergente saiproporcional ao campo eltrico desta tenso modulando assim a sua potncia ptica. A potnciaptica da luz emergente passa a ser pois proporcional tenso aplicada.

Este princpio usado nos TP pticos. Estes so colocados prximos ao cabo em tenso. Atenso a ser aplicada no sensor obtida em duas placas ou cilindros nas vizinhanas do cabo, enestas placas aparece a tenso proporcional quela do cabo para a terra.

2.4.5 Reles de interface

Para acionamento dos disjuntores em geral utiliza-se tenso CC de 125 ou 250 Volts e correnteconsidervel. Assim para que uma sada digital de uma UAC entre nestes circuitos preciso queela tenha esta capacidade de corrente e tenso podendo resultar num projeto antieconmico. Aalternativa fazer com que ela venha a agir atravs de reles auxiliares com esta capacidade. (VerFig. 2.3.1-3)

Analogamente, os contatos auxiliares de equipamentos (disjuntores, seccionadores etc.) estoprevistos para serem inseridos em circuitos CC de 125, 250 V. Alguns projetistas consideram queseja necessrio o uso deste nvel de tenso para identificar o estado (status) destesequipamentos, visto que estes contatos esto submetidos a intempries (oxidaes) podendoresultar numa falsa indicao quando utilizado com tenses menores (12, 24, 48 V). Neste casoou se projeta a entrada digital da UAC para tenses e correntes altas, ou alternativamente utiliza-se reles auxiliares (ver Fig. 2.3.1-2).

Este reles so tambm denominados reles de interposio, e permitem pois, que se utilizetenses baixas nas entradas e sadas digitais das UAC. Estes reles, ao mesmo tempo provmuma isolao (separao), entre os circuitos de campo e da UAC.

23

2.5 COMUNICAO DE DADOS - PRINCPIOS

Diferentes aspectos, mais ou menos complexos esto envolvidos na comunicao de dados entrecomputadores como ser visto a seguir (*). Na figura 2.5 -1 mostrada uma comunicao entre 2computadores

Fig. 2.5-1 Comunicao de dados entre 2 computadores

Para transmitir dados do computador 1 para o computador 2 ocorrem as seguintes etapas:

- O programa do usurio no computador 1 seleciona os dados a transmitir e deposita-osno subsistema de comunicao

- Efetua-se a converso Digital / Analgica dos dados.

- Os dados na forma analgica so transmitidos no meio de comunicao (cabo nesteexemplo)

- Os dados chegam ao subsistema de comunicao do computador 2 e sofre uma conversoAnalgica / Digital.

- Os dados so retirados pelo programa do usurio no computador 2 para sua aplicao.

Normalmente, alm dos dados propriamente ditos, outras informaes (de controle) soadicionadas, por exemplo para verificar a integridade da transmisso.

O cabo de conexo pode ser de vrios tipos o nvel do sinal analgico (por exemplo +6 V) querepresenta o bit de dado pode ter diferentes valores.

Desta forma verifica-se que muitas so as alternativas de se fazer a transmisso, ao mesmotempo que pode-se imaginar porque existe necessidade de se criar alguns padres permitindoassim uma boa conectividade. A tecnologia de comunicao, tenta pois estabelecer algumasarquiteturas visando padronizar as solues de vrios fabricantes. Estas arquiteturas consideramo hardware e os protocolos de comunicao (regras para criao de uma mensagem com dadosa ser trocada entre computadores).

2.5.1 Padro RS-232C, RS-422, RS-485

O padro RS-232C foi o primeiro padro de comunicao serial para interligao deequipamentos, tendo sido introduzido em 1962. Suas caractersticas, que so basicamente parasinalizao do meio fsico, compreendem:

(*) Texto original preparado por A. J. Fossa, C. S. Rabak, O. Del Bianco FO [2.7]

COMPUTADOR1

COMPUTADOR2

CABO DE COMUNICAO

Subsistema de comunicao

24

- transmisso unidirecional;- uso de lgica positiva: +5 V a +15 V equivale ao 1 lgico; e -5 V a 15 V equivale ao

0 lgico :- faixa garantida para operao entre 0 e 20 kbps ( quilo bits por segundo);- distncia mxima recomendada : 50 ps (15m).

O padro RS-422: um padro de comunicao diferencial, para linhas balanceadas,unidirecional, de forma a permitir a conexo de 1 transmissor a at 10 receptores, com asseguintes caractersticas principais:

- sinal de sada nas faixas +2 V a +6 V e -2 V a -6 V;- 0,4 V mnimo de sinal diferencial;- limites de 10Mbit para distncias de at 40 ps (13m) ou ento, distncia mxima de

4000 ps (1300m) para velocidades de at 100 kbps.

O padro RS-485: uma extenso do padro RS-422, com o objetivo de permitir aimplementao de redes onde possvel interligar at 32 transmissores e at 32 receptores nomesmo par de fios de comunicao, sendo que so mantidas todas as especificaes fsicas dopadro RS-422.

2.5.2 Conceituao de redes

0 termo "Rede de Computadores" tem sido utilizado para designar a interconexo decomputadores autnomos, ou seja computadores que executam programas independentes.

Tendo em vista as vrias configuraes previstas para as redes de computadores, suasfinalidades, caractersticas e as distncias entre equipamentos, comum classificar-se as redescomo sendo :

a) Rede de rea Local (LAN Local Area Network) : so aquelas que tm at poucos quilmetrosde extenso; taxa de transmisso de dados de alguns Mbps; so em geral particulares(proprietrias), de uso restrito, estando instaladas em fbricas, num conjunto de escritrios, numcondomnio etc.

b) Rede de rea Extensa (WAN Wide Area Network): so aquelas que interligam equipamentosentre cidades ou mesmo pases diferentes; possuem taxas de transmisso de dados menor que 1Mbps; so de acesso aberto, no existindo uma classe especfica de dados que circulam nessasredes ; na maioria dos casos no possvel identificar um proprietrio da rede propriamente dita,j que em geral utilizam recursos pblicos (cabos telefnicos, e outros) e esto sujeitas legislaes especficas dos pases conectados.

c) Rede de rea Metropolitana (MAN Metropolitan Area Network) : so as redes que possuemdistncias razoveis - tipicamente dentro de uma mesma cidade - mas nas quais so utilizadastecnologia das LAN ( o caso, por exemplo das redes policiais, de firmas de servios pblicosetc).

Dando continuidade a esta classificao preciso discutir as topologias de redes.

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A topologia de uma rede caracterizada pela configurao das vias de transmisso existentesentre as diferentes estaes, podendo ser: malha irregular, estrela, anel, barramanto (oumultiponto), mistas, etc. Fig. (2.5.2-1).

Fig. 2.5.2-1 Topologias

a) Malha irregular

Cada n de comunicao ou estao pode ser conectado as outras estaes numa estruturairregular de interconexo. Esta topologia , geralmente, empregada em redes de computadores longa distncia.

b) Estrela (ou ligao ponto a ponto)

Na topologia em estrela, cada estao est ligada a estao central. No h problema de acessopois as vias so de uso dedicado, no sendo compartilhadas com outras estaes. Acomunicao ocorre aos pares e vrios pares podem se comunicar ao mesmo tempo.

Todas as decises de roteamento se concentram no n central. Assim, normalmente este deveapresentar uma maior capacidade de processamento.

c) Anel

A topologia em anel relativamente simples e facilmente adaptada s redes locais decomputadores onde o fluxo de comunicao entre as estaes tende a ser descentralizado.

Nesta topologia no h problema de roteamento, as mensagens so enviadas do transmissor aodestinatrio passando unidirecionalmente pelos ns intermedirios de comunicao.

Cada n de comunicao deve analisar os endereos das mensagens que circulam na rede,retirando de circulao as que tiverem seu prprio endereo e passando ao n seguinte as quetiverem endereo diferente do seu.

d) Barramento (ou multiponto)

Na topologia em barramento, o meio fsico de transmisso composto por um nico segmento detransmisso multiponto, compartilhado pelas diversas estaes interconectadas, sendo que osns de comunicao s devem reconhecer as mensagens que Ihe so destinadas.

A rede em barramento pode ser transformada funcionalmente numa rede em anel atribuindo umalgica na passagem de informao entre os componentes.

IRREGULAR ESTRELA ANEL BARRAMENTO

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2.5.3 Meios de transmisso

Um meio de transmisso, chamado tambm de canal ou suporte de transmisso, um meio detransmisso de ondas eletromagnticas portadoras de informaes ou sinais .

a) Condutores metlicos

Os condutores metlicos, tipicamente representados pelo par tranado e pelo cabo coaxial, tm aseguintes caractersticas principais:

. par tranado: bom em economia de dinheiro, tempo e energia; ruim em velocidade; debaixa imunidade.

. cabo coaxial: bom em velocidade e versatilidade; maior imunidade a rudos; ruim emfacilidade de instalao e manuteno;

b) Fibras pticas

As fibra pticas, so constitudas por um guia de ondas cilndrico composto de 2 materiaistransparentes, de ndices de refrao diferentes (o externo com ndice ligeiramente superior). Atransmisso feita atravs de sinal de luz codificado, geralmente na freqncia do infravermelho,emitida por diodos emissores de luz ( "LED" ) ou laser. Como a freqncia de transmisso( freqncia da portadora) bem superior as freqncias de sinalizao usuais, a atenuao dosinal no domnio da freqncia constante, permitindo taxas altssimas de transmisso. Aatenuao em fibras pticas depende do comprimento de onda (ou freqncia) da luz utilizada natransmisso.Observe-se que dada a caracterstica da unidirecionalidade de transmisso, o mais usual ainstalao de duas fibras numa rede (uma para cada sentido).

c) Outros

Transmisso via rdio, satlite, micro onda: Usam o ar como caminho de passagem do sinal.

2.5.4 O Sentido da Transmisso

As direes de transmisso dos dados permitem classificar um canal de comunicao nasseguintes alternativas :

- simplex: quando o sentido do fluxo de sinais nico (caso das redes em anel);

- half-duplex: quando o fluxo de sinais ocorre em ambos os sentidos, em instantediferentes no tempo (caso de redes tipo barramento);

- full-duplex: quando ocorre fluxo de sinais em ambos os sentidos no mesmo instantede tempo, havendo portanto a obrigatoriedade de existir dois canais de comunicaodistintos.

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2.5.5 Tipos de sinais

A informao a ser transmitida pode ser representada por sinais. Os sinais utilizados nacomunicao so: sinal analgico (aquele que apresenta infinitos valores possveis de amplitude);sinal digital (aquele que apresenta uma quantidade finita de nveis de amplitude).

Existem dois tipos utilizados na transmisso de sinal [2-8].

O tipo Banda Bsica (base band) que consiste na transmisso de um conjunto ou faixa de sinais,sem translao de freqncia. O sinal eltrico mais simples em banda bsica o sinal ON-OFF:(transmisso de um bit 1 - um pulso; transmisso de um bit 0 - sem pulso).

Para fugir de problemas associados a transmisso de sinal CC (corrente continua) pode-semodular este sinal numa onda portadora de freqncia CA (corrente alternada) especfica. Estamodulao pode ser feita em amplitude, freqncia ou fase (Fig. 2.5.5-1).

Fig. 2.5.5-1 Sinais: a) binrio; b) modulao em amplitude; c) em freqncia; d) em fase

O tipo Banda Larga (broad band) consiste na transmisso de mltiplos conjuntos de sinais, ondecada conjunto de sinal transladado por uma faixa de freqncia que no interfere com outrossinais do meio.

2.5.6 Mtodos de acesso ao meio

Os mtodos de acesso ao meio fsico de comunicao esto intimamente ligados topologia darede.

Observe-se, por exemplo, que as topologias em anel e barramento reduzem consideravelmente osproblemas quanto instalao e manuteno dos meios de transmisso, eliminando anecessidade do roteamento intermedirio das mensagens e permitindo a difuso de mensagensentre as estaes. Entretanto, estas topologias bsicas necessitam disciplinas para a utilizao domeio de transmisso.

0 1 0 1 1 0 0

a

b

c

d

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a) Os acessos controlados

Os acessos controlados diferem-se quanto ao gerenciamento, que pode ser centralizado oudistribudo. O gerenciamento do acesso centralizado feito numa estao privilegiada, ditamestre. O mtodo de alocao dos direitos de acesso baseado na interrogao das outrasestaes, ditas escravas. Este mtodo chamado de escrutao (polling). A prioridade deconsulta pode ser alterada nas tabelas de controle da estao mestre.

O gerenciamento centralizado apresenta as vantagens e os inconvenientes habituais ligados aesta estrutura: simplicidade, mas dependncia da estao mestre, alm da necessidade de tempoextra para as vrias perguntas, e atividades de administrao da rede.

Na filosofia de gerenciamento distribudo no existe um controle nico da rede, havendo, emprincpio, direitos iguais de acesso entre as vrias estaes. Num determinado instante, apenasuma nica estao pode acessar o meio, quando estiver autorizada para tanto. Esta autorizaohipoteticamente se efetua pela "posse" de uma ficha de autorizao (token) que fica circulandoentre as estaes.

A durao da utilizao do meio pelo possuidor do token limitada, o que permite definir umtempo de espera mximo para a emisso do pacote, e de qualificar este mtodo comodeterminstico.

As prioridades de emisso de pacotes podem ser gerenciadas. Um pacote de prioridade alta e asrespostas para os outros ns devem ser sempre emitidos; outros pacotes, eventualmente deprioridades inferiores ou perguntas para outros ns devem ser emitidos se houver temposuficiente na clula de posse do token.

Obviamente, o tempo de espera das respostas aumenta com o nmero de estaes conectadas, eo tempo de circulao do token por todas as estaes proporcional ao numero de ns.

Uma observao interessante diz respeito passagem do token entre os ns. Enquanto numarede em anel, a ordem de passagem do token imposta pela ordem de implantao do mesmo,para as redes em barramento, possvel o estabelecimento de um anel Lgico, cuja seqncia depassagem seja diferente do endereo fsico do n que possui o token. Nesta situao hentretanto, a formalidade do envio de uma mensagem que "passa" o token para a prximaestao do anel Igico.

Num eventual pane, a reconfigurao da rede se processa por mecanismos apropriados: adeteco da perda do token se efetua por temporizao (time-out), das vrias estaes, quedetectam inatividade na rede. O reinicio da comunicao tambm controlado portemporizaes, com valores diferentes para cada n presente na rede, que, em decidindo reiniciara comunicao, procura seu sucessor numa tabela de ns ativos, tabela esta disponvel namemria da interface de comunicao.

b) Acesso aleatrio

Esta filosofia ligeiramente diferente para as implementaes em barramento e em anel, a saber.

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b1) Redes em barramento -

Este mtodo consiste em deixar as estaes competirem. Elas acessam o meio por sua prpriainiciativa, e os conflitos resultantes de acessos simultneos devem ser detectados e resolvidos.Devido sua prpria natureza, o gerenciamento por competio apresenta 3 componentesprincipais:

aes efetuadas pela estao que deseja emitir : se ela detecta que o meio estrespectivamente livre ou ocupado;

meios de deteco de conflitos;

aes de resoluo de um conflito detectado.

Inmeros mtodos no gerenciamento por competio podem ser implementados, porm, os maiscorrentes so apresentados a seguir :

- aes para emitir. O mtodo mais simples consiste em emitir sem deteco prvia do meioocupado. Neste caso a porcentagem de colises muito alta, no sendo este mtodo o maisrecomendado para redes de processos industriais ou de controle.

O mtodo mais utilizado consiste em emitir, somente se o meio for detectado livre, e adiar aemisso, no caso contrrio. Devido s diferenas nos tempos de propagao, vrias estaes quetenham detectado o meio livre podem emitir ao mesmo tempo, provocando colises.

- Meios de deteco de conflitos. Dois mtodos so utilizados para detectar os conflitos:Deteco de Coliso e Evitando Coliso.

O mtodo Deteco de Coliso (C.D. - Collision Detection) consiste em o n transmissor coletaro sinal transitando no meio, compar-lo com o sinal emitido e indicar um conflito no caso dediferena.

O mtodo Evitando Coliso (C.A. - Collision Avoidance) consiste na estao receptora enviar umaindicao de recepo, e a estao transmissora detectar o conflito pela no chegada destaindicao num determinado tempo. Porm, este mtodo no permite difuso para vriasestaes.

- Aes de resoluo de um conflito detectado. Dois mtodos so utilizados; os Probabilsticos eos Determinsticos.

Os Probabilsticos (os mais conhecidos e usados ) so baseados na parada de emisso em todasas estaes em conflito, e por uma poltica de desencadeamento das aes. O mtodo que dmelhor resultado consiste em distanciar estas novas aes com um tempo diferente, funo donmero de tentativas de emisso do pacote correspondente. Neste mtodo no h garantia para osucesso da prxima tentativa.

Os Determinsticos consistem em deixar uma estao prioritria continuar a emitir aps detecodo conflito. Estes mtodos so conhecidos como CSMA/DCR (Deterministic Collision Resolution ).

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b2) Redes em anel

Existem dois mtodos principais para coordenao de acesso do anel : o Quadro Vazio e Inserode Registro.

- Quadro vazio. Os pacotes (quadros de tamanho fixo) ficam circulando entre as vrias estaesda rede, havendo um bit que indica se aquele quadro est vazio; uma estao que desejatransmitir aguarda a passagem de um quadro vazio, insere a mensagem no campo de dados doquadro e altera o bit de vazio/cheio para cheio. A estao destinatria, ao retirar os dados doquadro, volta a sinalizar esse bit como quadro vazio.

- Insero de registro. Neste caso visualiza-se a rede como contendo um conjunto de mensagens(registros) que esto circulando; uma estao que deseja enviar uma mensagem espera o fim deum registro, retarda o envio do registro seguinte, enquanto envia a sua mensagem (insero deum novo registro); a estao destinatria simplesmente retira o registro de circulao, diminuindoo nmero de registros em circulao. Como nico comentrio deste mtodo ressalta-se anecessidade de espao para armazenamento de um registro, durante a operao de insero denovo registro.

2.5.7 O modelo de referncia OSI/ISO

O modelo de referncia elaborado pela ISO International Standard Organization denominado OSIOpen System Interconnection organizado em 7 camadas (Fig. 2.5.7-1).

Fig. 2.5.7-1 Modelo OSI/ISO

Neste modelo so estabelecidos quais os servios que cada camada oferece a camada de ordemsuperior. A implementao de uma camada pode ser feita por hardware ou software (protocolo).A ISO produziu tambm normas especficas para o detalhe de cada camada.

Algumas das funes das vrias camadas sero listadas a seguir.

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A camada Fsica trata da forma de conexo (cabo, fibra ptica), dos conectores, do tipo dosinal, etc., ou seja dos aspectos eltricos de transmisso do sinal. Neste item entram as

consideraes sobre o uso de RS-232, RS 485, bem como se vai ser usado cabo, satlite, radioou fibra ptica para a transmisso do sinal.

A camada Enlace cria e reconhece os limite do quadro de dados; transmite os quadrosseqencialmente; e produz a confirmao de que as informaes foram transmitidas sem erros.

A camada Rede toma conta do controle da operao, organiza a transmisso de modo a evitarcongestionamentos, e resolve os problemas que aparecem quando a mensagem chega ao destino(erro de endereo, protocolos diferentes etc.).

A camada Transporte dentre outras funes recebe os dados da camada Sesso e divide-osem quadros novos para envio.

A camada Sesso gerencia a comunicao, controla o trfico permitindo-o ocorrer nos doissentidos ou em um s, etc.

A camada Apresentao codifica os dados para transmisso, compacta-os alem de outrasfunes

A camada Aplicao cuida da transferncia de arquivos, correio eletrnico, etc.

Cada camada tem seu prprio protocolo (regra de organizao das mensagens) e sempreacrescenta informaes de controle ao quadro de dados efetivo.

O que importante ressaltar que nem sempre as comunicaes usam as 7 camadas. Umagrande maioria usa um modelo simplificado que contem 3 camadas : Aplicao, Enlace, Fsica.

2.5.8 Protocolos

Para a transmisso de dados estes precisam ser organizados em um quadro de mensagens(protocolo). Houve poca em que cada fabricante estabelecia seu prprio protocolo. Comoresultado, quando este equipamento deve ser substitudo por outro (mesmo com as mesmascaractersticas na camada fsica) no se consegue a comunicao, pois os programas (drivers)esto preparados para receber os dados numa ordem previamente estabelecida diferente.

Esta dificuldade tem sido superada por iniciativa de rgos internacionais que procurampadronizar estes protocolos, ou pelo fato de que algum protocolo tornar-se to comum, dedomnio pblico, que vrios fabricantes passam ento a segui-lo.

Em particular interessante, mencionar o protocolo IEC 870-5 que define as regras paracomunicao de equipamentos usadas na automao de sistemas eltricos.

Em particular existem as aplicaes especficas desta norma denominada IEC 870-5/101 quedetalha a comunicao de um Sistema Central com uma UAC, e a IEC 870-5/103 que detalha acomunicao de um computador com reles digitais.

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Um protocolo derivado desta norma IEC 870-5 o protocolo DNP que define a comunicao deum Sistema Central com uma UAC (bastante utilizado nos EUA).

J a norma IEC 870-6 detalha a comunicao entre centros de controle.

Existem tambm os protocolos, padro de mercado, que por ser altamente difundidos sousados por vrios fabricantes. Neste conjunto pode-se elencar o TCP-IP usado na Internet, e oMODBUS, dentre outros.

Ao utilizar um destes protocolos os fabricantes esto atribuindo aos seus equipamentosintercambiabilidade e conectividade o que altamente desejvel pelo usurio.

2.5.9 Redes comerciais

O IEEE padronizou vrias redes. Estas esto contidas na norma IEEE 802 sendo:

802.1 - define as primitivas de interface802.2 - define a parte superior da camada Enlace802.3 - define o padro CSMA-CD (Ethernet)802.4 - define o padro Token Bus802.5 - define o padro Token Ring802.6 - define o padro FDDI

Nestes padres a camada Enlace foi substituda por duas subcamadas:

- LLC -Logical Link Control- MAC-Medium Access Control

A seguir so mostradas essas redes indicando as diferenas, que por sua vez se encontram nasubcamada MAC.

a) Ethernet

O padro Ethernet foi uma das primeiras arquiteturas de rede local. Esse esquema decabeamento e sinalizao para redes locais chegou ao mercado no final dos anos 70 e continuasendo um padro respeitado. A razo para a longa vida do padro Ethernet simples:proporciona transmisso de alta velocidade a um preo econmico, alm de apresentar uma baseslida para o suporte de diversas aplicaes de rede local, de micro a main frame. As empresasque comercializam placas adaptadoras Ethernet vm mantendo seus produtos atualizados, e aEthernet continua sendo uma boa opo em termos de rede local.

Com freqncia, as pessoas associam Ethernet a outros elementos alm do esquema desinalizao e de cabeamento.

Na verdade, Ethernet uma especifico que descreve um mtodo de conectar e compartilhar afiao de computadores e sistemas de dados. O padro Ethernet abrange o que no OSI/ISO chamada de camadas Fsica e Enlace.

A famlia de padres IEEE 802.3 inclui as especificaes dos antigos protocolos Ethernet, mas otrabalho do comit tambm abrange modificaes na estrutura bsica dos pacotes de dados.

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Deste modo tecnicamente o termo Ethernet no representa todas as opes descritas pelosubcomit 802.3. Este nmero uma descrio completa do padro.

As principais caractersticas das ligaes fsicas Ethernet incluem uma taxa de transferncia dedados de 10 megabits por segundo, uma distncia mxima entre as estaes de 2,8 km, caboscoaxiais blindados conectando as estaes, e um tipo especfico de sinalizao eltrica nos cabosdenominada Manchester-Encoded Digital Baseband. A especificao mais recente descreve ossinais eltricos que compem 0 e 1 binrios, constantemente transportados atravs da rede.

A especificao da camada Enlace do padro Ethernet descreve, em sua maior parte, como asestaes compartilham o acesso ao cabo coaxial atravs de um processo chamado de CSMA/CD(Carrier sense multiple access with collision detection). O CSMA/CD o tipo de esquemaoperacional chamado de protocolo de controle de acesso ao meio fsico (MAC) pelos comits depadres mais recentes. O meio fsico o cabo coaxial conectado aos ns da rede, e o protocolodo MAC determina como os ns da rede iro compartilhar o acesso ao cabo.

O esquema de cabeamento coaxial encontrado mais freqentemente em instalaes de redebaseadas em computadores usa cabos coaxiais de 52 ohms entre cada par de estaes da rede.Esse cabo, comumente chamado de Ethernet fino e, s vezes, de "cheapernet", normalmente selimita a distncias de 305 metros entre repetidores, apesar da especificao IEEE limitar ocomprimento dos cabos em 180 metros. A placa de interface de rede de cada estaonormalmente ligada a esse cabo atravs de um conector em T, que facilita a conexo e adesconexo de estaes na rede sem quebrar a continuidade do cabo.

O esquema de fiao Ethernet mais antigo encontrado mais freqentemente em instalaescom grandes computadores. Esse esquema utiliza cabos coaxiais com blindagem espessa. Essescabos servem de espinha dorsal para os grupos de ns espalhados por todo um prdio. Nessecaso, o comprimento mximo do cabo existente entre repetidores de 500 metros, e o cabo ligado a dispositivos denominados transceptores, que transformam as conexes dos cabos emalgo mais apropriado para um terminal ou microcomputador. Um cabo flexvel composto por fiosblindados de par tranado liga o transceptor porta da placa adaptadora da rede. Esses cabospodem ter at 15 metros de comprimento, e eles so conectados placa da rede atravs de umconector D de 15 pinos.

O padro Ethernet utiliza um conceito de comunicaes de dados denominado datagrama paraobter mensagens atravs da rede. A tcnica de controle de acesso ao meio fsico CSMA/CDassegura que dois datagramas no sejam enviados ao mesmo tempo e serve como mtodo deordenao caso isso venha a acontecer.

O conceito de datagrama do padro Ethernet se baseia na premissa de que um n que est secomunicando far o mximo esforo para enviar a mensagem. O conceito de datagrama, porm,no inclui uma garantia de que a mensagem ser recebida em um determinado tempo ou queestar livre de erros ou duplicaes; esse conceito nem mesmo garante que a mensagem serrecebida. Querendo certificar da ocorrncia de algum desses itens, dever ser implementado umsoftware de nvel mais alto.

Os datagramas Ethernet tomam a forma de pacotes de informaes. Esses pacotes possuemcampos que contm informaes sobre seu destino e origem e o tipo dos dados neles contidos,alm dos dados propriamente ditos. Como o campo de dados de cada pacote no pode ser maior

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do que 1500 bytes, mensagens muito grandes devero ser transportadas na rede atravs devrios pacotes.

Antes dos pacotes estarem prontos para atravessar o cabo coaxial da rede Ethernet sob a formade datagramas, eles devem passar pelo CSMA/CD, o protocolo de controle de acesso quedetermina como os ns da rede devem compartilhar o acesso ao cabo.

O CSMA/CD "escuta" o que est ocorrendo no meio de transmisso antes de transmitir. Se aplaca adaptadora da rede receber do software de nvel mais alto dados a serem enviados, eladever verificar se alguma outra estao est enviando dados atravs do cabo. Apenas quando ocabo estiver "silencioso" a placa adaptadora da rede enviar a mensagem.

O CSMA/CD tambm serve como mediador quando acontece o inevitvel, dois ou mais nscomeam a transmitir dados simultaneamente atravs de um cabo desocupado e as transmissescolidem. As placas adaptadoras so capazes de detectar essas colises devido aos sinaiseltricos produzidos por transmisses simultneas. Ao detectar uma coliso, as placasadaptadoras da rede comeam a transmitir o que chamado de sinal de congestionamento, paraassegurar que todos os ns conflitantes percebam a coliso. Feito isso, cada placa adaptadorapara de transmitir e consulta a programao interna de modo a determinar aleatoriamente umtempo para retransmisso. Esse perodo de "interrupo" assegura que as estaes nocontinuem provocando colises ao enviar dados toda vez que o cabo ficar silencioso.

No final de 1990, depois de trs anos de reunies, propostas e acordos, um dos comits IEEEconcluiu uma especificao para utilizar a sinalizao do tipo Ethernet com fios de par tranado.

O IEEE chama o novo padro 802.3 de 10 Base T. A famlia de padres 802.3 do IEEEgeralmente descreve uma sinalizao CSMA, como a do padro Ethernet, usada em diversossistemas de fiao. O nome 10 Base T indica uma velocidade de sinalizao de 10 megabits porsegundo, um

esquema de sinalizao por banda-base e uma fiao de par tranado em uma topologia fsicaem estrela.

O apelo terico do padro 10 Base T que oferece aos gerentes de redes locais a opo de usara fiao telefnica j instalada, poupando problemas e custos de instalao. No entanto, amaioria das organizaes no possui uma quantidade de fios de boa qualidade, capazes desuportar uma instalao de rede, e os responsveis pelo planejamento de redes locais sempreacabam decidindo que devem utilizar mais fios. Por outro lado, a tecnologia de fios de partranado, ao contrrio das alternativas Ethernet coaxiais e Token-Ring com fios blindados de partranado, j familiar aos tcnicos que esto nas equipes.

Para o gerente de uma rede, a maior vantagem potencial de uma instalao de fios 10 Base Tvem do esquema de fiao em estrela, que oferece gerenciamento centralizado e confiabilidade.

b) Token Ring

O subcomite 802.5 da IEEE, com uma liderana expressiva de representantes da IBM,desenvolveu um conjunto de padres que descreve uma rede com passagem de fichas em umatopologia lgica em anel.

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A estrutura da Token Ring base da arquitetura de redes local e remota da IBM. A empresaoferece conexes opcionais Token Ring em seus hardwares e softwares para main frame, demodo que PC e main frames possam ser utilizados da mesma forma em uma rede. Nosignifica

entretanto que para isso seja preciso utilizar hardwares e softwares IBM em redes complacas adaptadoras Token Ring. Outras empresas e muitos outros fabricantes vendem placasadaptadoras Token Ring.

Numa rede Token Ring usa-se a tcnica de fichas.

Em uma rede com passagem de fichas em anel, um conjunto de dados chamado de ficha circulaentre as estaes da rede quando estas encontram-se desocupadas. Essa tcnica define atopologia lgica seqencial e o protocolo de controle e de acesso aos meios fsicos. Uma estaocom mensagem a transmitir espera at receber uma ficha livre. Essa ficha livre transformadaem uma ficha ocupada. A estao transmite um bloco de dados chamado de quadroimediatamente aps a ficha ocupada. O quadro contm a mensagem, ou parte dela, a ser enviadapela estao. O sistema no faz com que uma estao aceite, leia e, depois, passe a fichaadiante. Em vez disso, o fluxo de bits que forma uma ficha ou uma mensagem pode passar porat trs estaes simultaneamente.

Quando uma estao transmite uma mensagem, no existe ficha livre na rede, de modo que asoutras estaes com mensagens a transmitir devem esperar. A estao receptora copia os dadosdo quadro, e o quadro continua a transitar pelo anel at chegar novamente estaotransmissora. A estao transmissora recolhe a ficha ocupada e insere uma nova ficha livre noanel. O uso do sistema de controle de acesso ao meio fsico atravs de passagem de fichas evitaque as mensagens interfiram umas nas outras, garantindo que apenas uma estao de cada vezpossa transmitir.

Esse fluxo de dados faz com que as redes Token Ring se adaptem melhor a meios de fibra pticado que sistemas do tipo "broadcast" como o Ethernet. O meio ptico normalmente estabeleceuma transmisso em um s sentido, e a ficha transportada em apenas uma direo ao redor doanel. Por isso, no h necessidade da utilizao de transformadores pticos, para dividir apotncia, ou de repetidores de alto custo.

Os sistemas Token Ring utilizam um centro de fiao (Hub) que contm reles eletromecnicosque transformam a estrela fsica em um anel Igico.

Quando uma estao tenta se juntar ao anel, uma descarga eltrica sai da placa adaptadora,atravs do cabo, para o Hub, onde ativa o rel referente a esse fio do Hub. Assim, o relreconfigura o anel em mili segundos e inclui a nova estao.

Se o cabo de uma das estaes se partir, os fios dos cabos entram em curto-circuito, ou aestao fica sem alimentao, o rel se abre, e a estao desligada do anel. Essa disposioevita que um cabo