apresentacao - aula 03 meios de transmissao

FENG ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAO

Meios de TransmissoRedes Industriais Semestre 01/2015

Engenharia de Controle e Automao


Introduo

Meio de Transmisso o caminho fsico pelo

qual os sinais eltricos e as ondas

eletromagnticas se propagam.

Meios de transmisso mais utilizados nas

redes industriais: cabo de pares tranados, o

cabo de fibra tica e sistema wireless.


Introduo

A capacidade de um meio de transmisso normalmente denominado de banda passante.

Banda passante a faixa de freqncias de ciclo, medidas em Hertz (Hz) ou ciclos por segundo. As medies de banda passante variam de acordo com as mudanas de distncia e com as tcnicas de

sinalizao usadas. A preocupao principal deve ser a quantidade de dados binrios por perodo

pode ser transmitida com segurana na banda passante utilizvel de um meio.

Ex.: 900MHz, 2.4GHz, 5GHz,...


Introduo

A atenuao o enfraquecimento ou distoro das ondas eletromagnticas durante uma transmisso. medida que uma onda se propaga por um meio, parte de sua energia absorvida ou

dispersada pelas propriedades fsicas do meio.

A interferncia eletromagntica (EMI electromagnetic interference) ocorre quando ondas eletromagnticas indesejveis afetam o sinal desejado.


Pares de Cabos Tranados



Os pares tranados so comuns para o uso do fio de cobre como cabo de comunicao. Quando dois fios de cobre muito

prximos conduzem sinais eltricos, ocorre uma certa

quantidade de interferncia eletromagntica, chamada de

diafonia. Alm disso, devido a faixa eletromagntica usada, os

pares tranados transmitem e recebem sinais indesejados de

outras fontes. Tranar os fios de cobre reduz a emisso de

diafonia e de sinais indesejados. Cada fio transado conduz uma

corrente cujas ondas emitidas so canceladas pelas emisses

do outro cabo.



Uniformidade Fsica = Mdia de Impedncia no Media Twist Cable



No revestido (comum ou UTP)

RoHS significa Restriction of HazardousSubstances, uma norma que faz parte da

diretiva WEEE (Waste Electric and

Electronic Equipment) da Comunidade

Europia que governa aspectos

ambientais da indstria eletro-eletrnica

da CE.



Revestido (blindado STP)



Cable Specification Comparison Table para Ethernet TCP/IP e Ethernet/IP

Specification CAT5 CAT5e CAT6 CAT6a CAT7Frequency 100 MHz 100 MHz 250 MHz 500 MHz 600 MHz

Attenuation (Insertion Loss)* 24 dB 24 dB 19.8 dB 18.4 dB 20.8 dB

Characteristic Impedence100 ohms

15

100 ohms

15

100 ohms

15

100 ohms

15

100 ohms

15

NEXT * 27.1 dB 30.1 dB 44.3 dB 59 dB 62.1 dB

PS-NEXT * N/A 27.1 dB 42.3 dB 59.1 dB 59.1 dB

ELFEXT * 17.9 dB 17.4 dB 27.8 dB 43.1 dB Not Specified

PS-ELFEXT * 14.4 dB 14.4 dB 24.8 dB 41.8 dB Not Specified

Return Loss * 16 dB 20.1 dB 20.1 dB 32 dB 14.1 dB

Delay Skew * 50 ns 45 ns 45 ns 45 ns 20 ns

100 Mbps

1 Gig

10 Gig



Conectores Ethernet:

Conectores ControlNet:

Conectores DeviceNet:


Fibra tica

Um dos principais problemas em um ambiente industrial o rudo eltrico ou eletromagntico que se produz nos cabos de comunicao da rede. Este rudo pode ser atenuado com o uso do cabo

blindado, mas algumas vezes a nica soluo o uso de fibra tica.

Os sistemas de fibra tica empregam pulsos de luz em vez de correntes eltricas para transmitir o sinal, o que proporciona isolamento entre os sistemas situados nos extremos da conexo. Estes

sistemas so utilizados em aplicaes com muita interferncia eletromagntica e para incrementar

a distncia em alta velocidade da transmisso.

Tambm um meio utilizado para conectar equipamentos de reas classificadas Ex.


Fibra tica

Vantagens: Imunidade aos rudos eltricos e eletromagnticos, imunidade aos transientes de tenso, no afetado por diferenas de potencial devido ao aterramento entre os extremos e

transmisso com alta velocidade e grande largura de banda (at 2 Gbps).

Desvantagens: Especializao do pessoal de instalao e manuteno, atenuao inerente ao material de constituio e a distncia de enlace depende do tipo de fibra tica e da qualidade dos

conectores e o custo da tecnologia e instalao ainda alto, com tendncia de baixa.


Fibra tica

Princpio de funcionamento: A excitao produzida por diodos laser, com luz no espectro infravermelho que transporta a

informao de um extremo ao outro da fibra. A informao recuperada por um diodo

receptor, que reconstitui o sinal eltrico.

A fibra tica composta de 3 camadas principais. A mais interna chamada ncleo ou

core em ingls. nessa parte que a luz guiada. Todos os cabos de fibra tica so

classificados de acordo com seu ncleo, os mais comuns so 50, 62,5 e 100 m. Cobrindo o

ncleo existe outra parte chamada cladding. O cladding responsvel por causar a

reflexo dos feixes luminosos. O ncleo e o cladding so feitos, normalmente, de vidro com

alto grau de pureza, mas podem ser encontrados ambos em plstico, ou ainda o ncleo de

vidro e o cladding de plstico. A terceira camada, sobre essas duas, chamada buffer

coating cuja a funo proteger de umidade e outros possveis danos. Ainda pode existir

uma quarta camada, chamada jacket que d mais proteo ao cabo.


Fibra tica

As principais fontes de atenuao so as emendas de cabos, terminaes de conectores e a perda

intrnseca, que ocorre naturalmente quando a luz

viaja atravs de longos cabos de fibra tica. Para

evitar perdas de sinal, a qualidade das terminaes

utilizadas nos enlaces de fibra tica de

fundamental importncia.

DIOS com pigtails

LC

Racks 19

Painis de Controle


Fibra tica


Fibra tica

Fiber Connectivity: SC, LC & MTP

SC (Subscriber Connector)

Where used: Datacom and telcom

Losing popularitySize prevents high-density applications

LC (Lucent Connector)

Where used: Datacom

Most popular in data centers and telecom roomsSmall footprint allows high port count switches, SAN directors, etc.

SFP, SFP+ optical modules use LC

MTP (Multiple-Fibre Push-On/Pull-off)

Where used: Data centers

Terminate 12 or 24 fibers High density

Used for 40G/100G Ethernet

Panduits has superior end face

Important: Keeps the end of the fibers aligned Less insertion los


Fibra tica

Field Polish Connectors

Available in TIA/EIC-604 FOCIS compliant LC, SC, & ST

interfaces

Connector housing and strain relief boot colors follow TIA/EIA-

568-C.3 for LC and SC types.

LC & SC connectors are available in simplex or duplex types

Insertion Loss (typical):LC 0.1dB multimode and single modeSC 0.1dB MM and 0.15dB SMST 0.15dB MM and 0.20dB SM


Fibra tica

Tipos de Fibra tica: Monomodo ou modo simples:

Proporciona taxas de transmisso maiores que a fibra multimodo (at 50

vezes). A fibra monomodo tem um ncleo mais estreito que a fibra multimodo

tipicamente 5 a 10 m. Um nico comprimento de onda pode ser transmitido.

O ncleo estreito e o comprimento de onda nica eliminam qualquer distoro

que poderia resultar em pulsos sobrepostos, proporcionando a menor

atenuao de sinal e velocidade de transmisso mais rpida do qualquer outro

cabo de fibra. A desvantagem o alto custo.

Singlemode optical fiber: The light can only take one path


Fibra tica

Tipos de Fibra tica: Multimodo:

Proporciona grande largura de banda em alta velocidade em cabos ticos. As

ondas luminosas so dispersas em inmeros caminhos de propagao , ou

modos, medida que trafegam atravs do ncleo do cabo. Os dimetros tpicos

do ncleo das fibras multimodo so 50, 62,5 e 100 m.

Em enlaces longos (maiores que 1 km), os mltiplos caminhos percorridos pela

luz podem causar distores no sinal, resultando em uma transmisso com

erros ou incompleta.

Multimode fiber: The light can take several paths simultaneously


Fibra tica

Core

Cladding

Multiple Path or

Multimode Fiber

Single Path or

Singlemode Fiber

Core

Cladding

Size is

measured in

microns or 1 MILLIONTH of

one meter

Two Basic Types Core size depends on fibre type

Cladding is ALWAYS 125 microns

Core 62.5, 50 or 8.3 microns


Fibra tica

To Help Improve Throughput and Distance 50 Micron Fiber is Adopted

Old-Style 62.5

Micron CoreNewer 50

Micron Core

62. 5

Micron

CladdingCladding

50 MicronCladding is

125 Micron

on Both


Fibra tica

Testes de Certificao:

Atenuao -medida em dB/km, a diminuio da intensidade do sinal medida

que trafega pelo cabo tico.

Perda de retorno a quantidade de luz refletida pela outra extremidade do cabo de volta at a fonte de luz.

ndice de refrao gradual a medida da quantidade de luz inserida na fibra. Esta medida normalmente expressa em comprimentos de onda de 850 a 1300

m. Comparado com outras freqncias operacionais, estas duas freqncias rendem a menor perda de potncia intrnseca no caso da fibra multimodo.

Atraso de Propagao o tempo que o sinal leva para trafegar de um ponto a outro no canal de transmisso.

Reflectometria no domnio do tempo (TDR) permite isolar as falhas atravs da transmisso de pulsos de alta freqncia e examinando suas reflexes ao longo

do cabo.


Meio de Transmisso Sem Cabo -Wireless

Cabos, Cabos, Cabos, .

Versus

Wireless



cada vez mais popular para a indstria o controle do processo de sistemas de automao. Parte deste crescimento devido ao surgimento de tecnologias de rdio freqncia muito confiveis

capazes de suportar as condies extremas presentes em plantas industriais.

Outros fatores que impulsionaram o crescimento de utilizao so os benefcios que apresentam as redes wireless, incluindo os custos de instalao reduzidos, a eliminao de tarifas das linhas

telefnicas para locais remotos, reduo do desgaste mecnico para dispositivos mveis(e assim

melhorar o desempenho dos sistemas de manuseio de materiais) e fornecendo informaes

cruciais para a produo e a manuteno dos sistemas sempre que necessrio.



Entre as estratgias do sistema wireless reduzir custos de instalao e melhorar a produtividade , isto levou a wireless a ser utilizada em muitos processos cruciais.

Como os sistemas se tornam mais dependentes de redes sem fio, importante incluir o diagnstico inteligente para detectar a degradao da rede e evitar falhas de comunicao antes que eles

ocorram. Alterar as condies so dadas na maioria das plantas, no entanto, essas alteraes

podem afetar o desempenho sem fio. Portanto, o monitoramento contnuo da rede de RF uma boa

prtica e pode eliminar inesperado baixos fechar tcnicas de diagnstico.



Os tipos de sinais sem cabo mais comuns so:

Ondas de Rdio RF

Microondas

Luz Infravermelha



Ondas de Rdio: Inicialmente desenvolvidas durante a Segunda Guerra Mundial, em meados dos anos 80 o FCC, rgo

regulador de telecomunicaes dos EUA, autorizou o uso de trs faixas de rdio-freqncia (RF) para finalidades industriais, cientficas e mdicas sem a necessidade de concesso.

As redes em RF evoluram ao ponto de haver enlaces sem fio que suportam velocidades at 300Mbps. Os limites de distncias funcionais das redes sem fio chegam at 32km e os protocolos de segurana so similares aos usados em redes cabeadas.

O espectro eletromagntico considerado como freqncia de radio (RF) fica entre 10kHz e 5GHz e divide-se em 3 faixas: Ondas Curtas, FM e VHF / UHF.



Ondas de Rdio: As ondas de rdio podem ser transmitidas em todas as direes, ou sintonizadas com preciso para

emisses direcionais de uma variedade de antenas transmissoras. A antena e o transmissor determinam a freqncia e a potncia do sinal RF. As estaes transmissoras e receptoras usam uma faixa de freqncia adequada para as necessidades do sistema (conforme regulamentao).


Meio de Transmisso Sem Cabo Wireless Uso de Repetidores

Necessrio para: Elevar o alcance de uma rede

Contornar obstculos

Impacto na velocidade (troughput) O uso de um repetidor reduz a velocidade pela metade, mas a incluso de mais repetidores no

tem mesma taxa de decrcimo da velocidade.

Algumas das outras alternativas do mercado reduzem por 1/n, sendo n a quantidade de repetidores em cascata

RLX

RLX

RLX RLX

Distncia muito grande para o

rdio no topo do morro

Repetidor no topo do morro,

ou ao lado para desviar do morro


Meio de Transmisso Sem Cabo Wireless - Componentes

1) Rdio

2) Cabo coaxial conversor

3) Supressor de descargas atmosfricas (se utilizado)

4) Cabo coaxial extensor

5) Antena


Meio de Transmisso Sem Cabo Wireless - Sistemas

WLAN Architecture Comparison

Lower initial costs Lower expertise level More control of certain parameters

Management

Control

Transport

Access

Application

Services

Autonomous

AP

Autonomous WLAN

Lightweight AP

Cisco Unified WLAN

Prime Network

Control System

(NCS)

Mobility Services

Engine (MSE)

WLAN Controller

(WLC)

Identity Services

Engine (ISE)

Centralized management and control Support for large scale deployments Enhanced security and services

Management

Control

Transport

Access

Application

Services



Autonomous WLAN Architecture

WGB

Autonomous

AP

SSID1

5 GHz

AccessSwitches

DistributionSwitch

1

2

3

1

EtherNet/IP (Wired)

2

EtherNet/IP (Wireless)

3

AP management

1

Autonomous

AP

SSID2

2.4/5 GHz

3

Each autonomous AP is managed individually Limited coordination between APs Stand-alone IACS applications Fixed clients and predetermined traffic



Unified WLAN Architecture

Functionality is split between lightweight APs and Wireless LAN Controller (WLC)

Centralized management of WLAN parameters Zero-touch AP deployment Large scale plant-wide coverage

WGB

Lightweight

AP

SSID1

5 GHz

SSID2

2.4/5 GHz

2

3

Lightweight

AP

WLC

EtherNet/IP (Wireless)

MSE ISE NCS

1

1

EtherNet/IP (Wired)

2

3

WLC / AP management

CAPWAP tunnel (Data / Control)

1

1



Wireless Access Point (WAP or AP)Device that allows wireless devices to connect to a wired network using WiFi

Workgroup Bridge (WGB) Provides ability to connect several wired clients with a single wireless bridge by learning MAC addresses of its wired

clients on the Ethernet interface and reports them to the Access Point

Cisco-Unified NetworkWireless network consisting of Lightweight Access Points (LWAP) managed centrally by a Wireless LAN Controller

(WLC)

Autonomous NetworkWireless network enabled by individually managed (autonomous) APs

IEEE 802.11 a/b/g/nMAC & PHY specifications for implementing WLAN in 2.4 & 5 GHz bands

Multiple-Input/Multiple-Output (MIMO)The use of multiple antennas, at both the transmitter and receiver, to improve communication performance



Ondas de Rdio:

IEEE 802.3 specifies wired connection between radios and devices

IEEE 802.11 specifies an over-the-air interface between a wireless LAN client and a base station or between two wireless LAN clients.

802.11a

802.11b

802.11g

Wi-Fi

HomeRF

802.11n

HomeRF 2.0Wi-Fi5

Bluetooth



EtherNet/IP = ability to create a single network infrastructure

IEEE 802.11a/g/n wireless provide benefits for IACS applications

Widely adopted standard-based technology Convergence with the existing enterprise WLAN infrastructure WLAN mobility and fast roaming capabilities Higher throughput and reliability for real-time applications 5 GHz spectrum availability with more bandwidth and less interference Direct transmission of Ethernet-based industrial protocols such as EtherNet/IP



Ondas de Rdio: Padronizao IEEE (rgo de normalizao americano)

802.11

1 or 2 Mbps transmission in the 2.4 GHz band

frequency hopping spread spectrum (FHSS) or direct sequence spread spectrum (DSSS)

802.11b

11 Mbps transmission in the 2.4 GHz band

Only DSSS

Vendor access points not compatible

Wi-Fi

Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA) certification for 802.11b devices

802.11a

Up to 54 Mbps in the 5GHz U-NII band

300 MHz bandwidth indoor, OFDM

Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM)

50m range at 11 Mbps

802.11n

Up to 300 Mbps in the 5GHz U-NII band

Utilizam a sigla MCS (Modulation and Coding Scheme)

MCS0 a mais lenta, e MCS15 a mais rpida

Maiores velocidades permitem aplicaes mais exigentes, principalmente envolvendo

Vdeo e/ou voz adicionalmente a dados, Sincronismo de movimento e I/O

Wi-Fi5

Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA) certification for 802.11a devices


Meio de Transmisso Sem Cabo Wireless -Intelligent Cellular

Tecnologia 3G Dual Cellular GSM/HSDPA & CDMA Suporta as duas redes

Alta velocidade - At 14 Mbps (download)

Portas Ethernet & Serial

E/S Incorporadas

Cliente VPN & Servidor VPN integrado Acesso remote fcil e seguro

HSUPA = high speed uplink packet access Actual speeds will depend on base station traffic and link rate speeds are for highest link rate of device



Remote Machine Monitoring PC to Multiple Devices over VPN

Application: The customer is a manufacturer (OEM) of machines that are shipped to many different end locations.

The OEM wants to be able to troubleshoot issues at the customer site without having to travel to the site and without requiring the

end-user to connect the machine(s) to a local network for internet access. This solution creates a secure IPSec VPN tunnel from the

technicians PC at the OEMs office to the equipment at the End-Users facility.

Customer Benefit/Savings: Cost of time to travel to the site (up to $1000) plus up to $500 per day travel cost. Cost to end user due to

disruption of production could easily be $5,000+ per day. The reluctance of the end-user to grant network access for internet

connectivity is very high. This offers them a solution that works very well.

Data Usage: Difficult to predict, but assumed to be high if doing a lot of diagnostics, downloading new programs to the controller, etc.



Exemplo de uso: LAN para Celular

Private IP

Address

Public IP

Address



Exemplo de uso: Celular para Celular

Public or Private IP

Addresses



Microondas: Existem dois tipos de sistemas de comunicao de dados por

microondas:

Sistemas terrestres usam antenas parablicas direcionais que necessitam de

um caminho livre (visada direta) entre si. Os sinais, freqncias entre 4 a 23

GHz, so gerados por um transceptor. Utilizada para fazer ligao entre prdios

separados em que a instalao de cabo seria dificultosa ou de custo elevado.

Sistemas de satlite transmisso com caracterstica de visada irradiada entre

antenas parablicas localizadas na Terra e satlites de rbita geossncrona.

Devido a longa distncia que o sinal deve percorrer (transmissor satlite

receptor), as transmisses esto sujeitas a atrasos de propagao da ordem de

500 ms a mais de 5 s.



Sistema de Infravermelho:

Usa diodos emissores de luz (LEDs) ou diodos injetores de laser (ILDs) e fotodiodos para a troca de dados entre as estaes. A luz transmitida por estes dispositivos contm apenas ondas eletromagnticas ou fotons de uma pequena faixa do espectro. Os sinais so transmitidos por uma linha visada e reflexes (repetidor passivo), so incapazes de ultrapassar objetos opacos e so desvanecidos por fonte de luz intensa.

Utiliza freqncias entre 100GHZ e 1000THz.


Infra-estrutura


Infra-estrutura

Problemas que devemos prevenir na distribuio de redes


Infra-estrutura

Isso torna impossvel de gerir, manter

e solucionar problemas

No importa o

hardware, a

instalao de m

qualidade dos cabos

ir resultar em uma rede com problemas

A instalao

adequada do

cabo fundamental


Infra-estruturaInfraestrutura de Rede

+80% dos problemas de rede so causados

por m instalao fsica.


Infra-estrutura

$10 $100

$1000

$10,000

Plan Design Build Deploy/Operate

$$Relative Cost to Resolve Problems

Source: www.motioncontrolonline.Mechatronics Part I: Motion Controls Next Top Model; Aberdeen Group, The Mechatronic System Design Benchmark Report.

O custo para resolver problemas aumenta

exponencialmente durante o ciclo de projeto Reality:

>35%

resolved late

Invista em um bom planejamento ou pague muito mais depois!


Infra-estrutura

$120 $180 $275 $550

$3.500 $5.000

$22.000

InjectionMolding,Extrusion

Power Plant Food andBeverage,Tobacco

Pulp & Paper Oil & Gas Data Center AutomotiveMfg.

Reference Points of Industry Downtime Direct Costs ($ per minute)

Multiple information sources: Application Downtime, Your Productivity Killer, ARC Brief, January 2012, ARC Advisory Group; Business Industrial

Network, Downtime Survey 2001; Emerson Network, Data Center Outages Can Be Painful; ATS/Nielsen Research Automotive Manufacturers Survey,

2007; PlantEngineering; Maintenance Technology.

Avaliao

Custos de Parada por Industria


Infra-estrutura Boas Prticas

M.I.C.E is part of TIA 1005

M.I.C.E diagramming allows the design to balance component costs with mitigation costs in order to build a robust yet cost-effective system

Office Industrial

Increased Environmental Severity

Assessment

M.I.C.E. Diagramming



CONTROL

ROOM

CONTROL PNLZ

WE

LD

ING

RO

BO

TS

PURCHASINGM

D

C

CAD ENGINEERING

LOBBY

MENSSALE

S

LADIESSTORAGE ROOM

CP

Z

CP

BORING MILL

3-TON CRANE

60 CNC MILL

SHOP SUPERVISOR

UNIVERSAL ID/OD

GRINDER150 TON

TRYOUT

PRESS

WET GRINDERSURFACE GRINDER

CP

MACHINE

ASSEMBLY AREA

MACHINE

ASSEMBLY AREA

Z

SHIPPING AND RECEIVING

Z

AUTOMATED 48 CUTOFF SAW

WIRE EDM

MACHINES

C

P

Z

DO ALL

BANDSAW

BAR FEED

BANDSAW

CP

Layout / Building Blocks

Example: Connect MDC to Zones

and Zones to Machines



Micro Data Center

Servidores de MES de TA/TO

Zone System

Switches para

acesso do TIControl Panel Solutions

Design your system using cost effective and easy to troubleshoot Network Architectures


Perguntas?

Como exerccio opcional, utilizar o software

Prosoft Wireless Designer que pode ser obtido no site

www.prosoft-technology.com

para a verificao das solues de arquitetura de comunicao

em redes Ethernet/IP wireless.

apresentacao - aula 03 meios de transmissao

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