aula 02 parte comunicação

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SISTEMAS SUPERVISÓRIOS

Aula 02

INTRODUÇÃO

Os sistemas SCADA são softwares especialmente

desenhados para controlar a produção e assegurar a

comunicação entre dispositivos de campo;

Geralmente esses sistemas possuem uma estrutura

funcional mestre-escravo, onde a estação central

(mestre) comunica-se com o resto das estações

(escravos, slaves);

SCADAARQUITETURA BÁSICA

- Software de controle e aquisição de dados (SCADA)

- Aquisição e sistemas de controle (sensores e

atuadores)

- Sistema de Interconexão (comunicações)



Usuário SistemaV1

Visualização

Controle

Atuador

Sensor

Sistema de Processo

Base de dados

Um sistema de dispositivos eletrônicos conectados

através de um sistema de comunicação. O Sistema

de Comunicação possui uma topologia, utilizando

um determinado meio de transmissão e protocolos

que garantem o estabelecimento e a manutenção

da comunicação.

SCADADEFINIÇÃO DE REDE

Topologia é a forma pela qual uma rede se distribui quanto ao

traçado do sistema de cabeamento ou outros canais de

comunicação. Existem inúmeros modelos teóricos ou experimentais

de topologia. Na prática, podem-se encontrar no mercado redes com

topologia Barra, Estrela e Anel.

SCADATOPOLOGIAS DE REDE

Todos os equipamentos partilham uma via comum de tráfego de

dados:

As vantagens do uso dessa topologia:

• Custo reduzido com o cabo de rede, pois esta topologia utiliza um

único cabo para interligar os dispositivos.

• Facilidade no acréscimo de novas estações de trabalho.

As desvantagens do uso dessa topologia:

• Qualquer problema no cabo ou em alguma placa da rede,

fatalmente irá paralisar totalmente o tráfego.

• Sua manutenção nesse caso fica ainda comprometida pelo fato

de não se saber exatamente a localização do ponto do cabo ou

qual placa da rede com defeito.

SCADABARRAMENTO (BUS)

SCADABARRAMENTO (BUS)

Neste tipo de topologia, todos os

equipamentos são interligados entre si no

formato

físico de um anel.


• Se houver algum problema com a rede

local, poderá existir uma rota alternativa,

dependendo da implementação, como

para o acesso a uma determinada CPU.


• Dificuldade no acréscimo ou retirada de

estações de trabalho devido ao fato de

ter que se abrir o anel.

SCADAANEL (RING)

SCADAANEL (RING)

A topologia de rede em estrela é a mais comum em redes de

pequeno porte com um número especifico de computadores, foi

dado esse nome a essa nomenclatura de rede pois os

computadores e equipamento que estão ligados a ela se

interconectam por meio de equipamento comutador (switch), o

meio pelo qual os computadores se conectam ao comutador é o

cabo coaxial.

SCADAESTRELA


• Alta confiabilidade e segurança, já que cada uma das estações

da rede possui seu próprio cabo de acesso a rede.

• Qualquer problema num ramo irá paralisar somente a ele

mesmo, não interferindo no restante da rede.

• Facilidade no acréscimo de novas estações de trabalho e

manutenção simples;


• Maior quantidade (comprimento) de cabos para interligar um

determinado grupo de estações de trabalho do que na topologia

Bus.

• Necessidade do uso de um concentrador de fiação ( HUB ).

SCADAESTRELA

Essa topologia é baste similar a estrela pois utiliza comutadores

para interconectar os dispositivos, a diferença é que existem um

nó raiz interconectando os demais nós (nós filhos). As estações ou

equipamentos terminais são conhecidos como “folhas”.

SCADAÁRVORE

É a topologia mais utilizada em grandes redes. Assim, adequa-se a

topologia de rede em função do ambiente, compensando os custos,

expansibilidade, flexibilidade e funcionalidade de cada segmento

de rede.

O desenho final da rede resulta da combinação de duas ou mais

topologias de rede. A combinação de duas ou mais topologias de

rede permite-nos beneficiar das vantagens de cada uma das

topologias que integram esta topologia.

SCADAHÍBRIDA

Na década de 70, havia uma grande perspectiva de crescimento

proporcionado pelo investimento e desenvolvimento que estavam

em foco, contudo, havia uma tendência que poderia levar a uma

grande crise no setor referente à diferença de padrões utilizados

pelos fabricantes da época, quase impossibilitando a interconexão

entre os sistemas de diversos fabricantes;

Então foram desenvolvidos objetivos para implantação de um

sistema aberto como interoperabilidade, interconectividade,

portabilidade de aplicação e escabilidade.

SCADAPROTOCOLOS INDUSTRIAIS

Portabilidade da aplicação: Capacidade de um software

específico rodar em várias plataformas diferentes.

Interoperabilidade: Capacidade de um sistema de se comunicar

de forma transparente.

Escalabilidade: Capacidade que determinado equipamento possui

para receber implementações evitando que se torne obsoleto ou

deixe de atender as necessidades do usuário.

Interconectividade: Capacidade pela qual podemos conectar

vários equipamentos de diversos fabricantes.

SCADAPROTOCOLOS INDUSTRIAIS

Para alcançar esses objetivos, a ISO (International Organization for

Standardization) passou a se preocupar com um padrão de

arquitetura aberta e baseada em camadas. Foi então definido o

Modelo de Referência para Interconexão de Sistemas

Abertos (Reference Model for Open Systems Interconection - RM

OSI).

O Modelo de Referência OSI na verdade é apenas uma diretriz.

Conjuntos de protocolos reais frequentemente combinam uma ou

mais camadas OSI em um único nível.

SCADAMODELO OSI

O modelo separa as funcionalidades e as capacidades de arquitetura

de rede em camadas, escolhidas para quebrar o problema em

problemas menores e relativamente independentes;

Cada camada (N) usa os serviços da camada inferior (N-1) e

adiciona funcionalidades particulares para prover serviço à camada

superior (N+1);

As camadas definem desde aspectos físicos até aspectos abstratos

da aplicação;

O modelo OSI é constituído de sete camadas: Aplicação,

Apresentação, Sessão, Transporte, Rede, Enlace e Física.

SCADAMODELO OSI

• Agrupar funções similares em uma mesma camada, esta

desempenhando uma função definida;

• Camadas separadas para manipular funções distintas em termos

do processo e tecnologia envolvida;

• Possibilidade de alterações de funções ou protocolos dentro de

uma camada sem afetar as outras;

• Não criar um número grande de camadas para que a tarefa de

descrever e integrar as camadas não fique mais complexa do que

o necessário;

• Criar, para cada camada, fronteiras somente com a sua camada

superior e inferior;

SCADAMODELO OSI

SCADAMODELO OSI

Camada Física

Trata das características físicas, elétricas, mecânicas,

funcionais e procedimentos para ativar, manter e desativar

conexões entre dois pontos (sistemas).

As funções dentro deste nível são:

• Tipo de cabeamento;

• Valores físicos para os bits e sentido de transmissão;

• Interface física entre equipamento e meio de transmissão.

SCADAMODELO OSI

Camada de Enlace de Dados: trata da detecção ou correção de

erros, do controle do fluxo de dados, evitando que transmissores

rápidos sufoquem receptores lentos e, no caso de grandes redes

(barramento comum a vários sistemas), controlar o acesso ao meio.

Além disso, o tipo de rede e o sequenciamento de pacotes são

definidos nesta camada.

Camada de Rede (endereçamento): cuida das rotas que os

dados devem seguir e controla o congestionamento dos meios de

transmissão quando existem, a estrutura e conteúdo detalhados

serão determinados pelas camadas acima. O propósito é permitir

que as camadas mais altas tenham independência para rotear e

comutar considerações associadas com o estabelecimento e

operação de uma conexão. O estabelecimento, manutenção e

terminação de conexões das entidades comunicando-se são inclusos

nos serviços executados por esta camada

SCADAMODELO OSI

Camada de Transporte: garante a transferência de dados segura

e econômica entre a origem e o destino, mantendo o controle do

fluxo de dados, executando a verificação de erros e a recuperação

de dados entre os dispositivos. Controle de fluxo significa que a

camada de transporte procura ver se o dado provém de mais de

uma aplicação e integra cada dado de aplicação em um fluxo único

para a rede física.

Camada de Sessão: estabelece, mantém e finaliza a comunicação

com o dispositivo receptor, trabalhando com uma estrutura de

dados de nível mais alto, como transferência de arquivos. Trata

também da sincronização entre máquinas para transferências

longas.

SCADAMODELO OSI

Camada de Apresentação: Ao contrário das camadas inferiores,

esta camada trabalha com o conteúdo dos dados, alterando os

mesmos de acordo com a codificação de cada máquina,

possibilitando a compreensão da mensagem nas camadas

superiores.

Camada de Aplicação: essa é a camada que realmente interage

com o sistema operacional ou aplicativo sempre que o usuário

escolhe transferir arquivos, ler mensagens ou realizar alguma

atividade relacionada à rede.

SCADAMODELO OSI

Camada Física

Camada Enlace

Camada de Rede

Camada Transporte

Camada de Sessão

Camada de Apresentação

Camada de Aplicação

Aplicação

Transporte

Internet

Acesso à Rede

Modelo OSI TCP-IP

SCADAMODELO OSI X TCP-IP

De acordo com a definição do IEC/ISA-SP50, os barramentos de

campo possuem três das sete camadas definidas pelo modelo OSI,

da ISO:

1. camada física,

2. camada de enlace, e

3. camada aplicativa.

A divisão em camadas permite a livre implementação do sistema de

comunicação, desde que obedecidas as interfaces entre as camadas

e o protocolo (regras/linguagem) de cada camada.

SCADABARRAMENTOS DE CAMPO

Camada Física

Define o meio físico que transporta o sinal entre os equipamentos e

também os circuitos e regras para a modulação do sinal no meio

físico. Possui as seguintes características técnicas:

• Meio físico: foram definidos três meios físicos – par de fios (RS-

232, RS-485), fibra ótica e rádio;

• Taxa de comunicação: estão previstas taxas de

comunicação de 31.25 kbit/s até 100 Megabits;

• Número de equipamentos no barramento (31.25 kbit/s):

para sistema sem alimentação via barramento e sem segurança

intrínseca de 1 a 32 equipamentos. Com segurança intrínseca e

alimentação, de 2 a 6 equipamentos. Sem segurança e com

alimentação, de 1 a 12 equipamentos.


Camada Física

• Máxima distância: até 1.900 metros para 31.25 kbit/s, sem

repetidores (máximo número de repetidores igual a 4). Até 750

metros para 1 megabits. Até 500 metros para 2.5 megabits. Até 100

metros para 12 megabits.

• Topologias: tipo de barramento em que os equipamentos estão

conectados por braços que saem de diferentes pontos do

barramento principal ou tipo árvore em que os braços saem do

mesmo ponto do barramento.

• Alimentação: 9 a 32 VDC.

• Isolação galvânica obrigatória.

• Redundância: duplicação da fiação e dos circuitos de

transmissão e recepção.


Camada de Enlace

• Acesso à rede: existem três meios para acessar o barramento. O

primeiro modo é aquele em que recebemos do gerenciador ativo do

barramento o token (ou seja, uma ficha), o segundo modo é por

meio da requisição de um token com um código nas mensagens de

resposta, e o terceiro modo é por meio de uma resposta imediata

requerida por um equipamento mestre (aquele que inicia a

passagem da ficha).

• Modelo produtor/consumidor: os produtores de variáveis

colocam-nas num buffer que pode ser acessado pelo consumidor

sem envolvimento com o produtor;

• Atualização cíclica: é possível programar o gerenciador ativo

para ciclicamente assumir o token e, por meio do sistema de

resposta imediata, fazer a atualização das variáveis.


Camada de Enlace

• Referência de tempo: existem recursos para manter uma

referência de tempo única na rede, de forma a permitir o

sincronismo das atividades no barramento que influenciam os

processos.

• Endereçamento: os barramentos podem ser interconectados, e

mais de 100.000 variáveis ou os equipamentos podem ser

unicamente endereçados

Camada de Aplicação

Define a notação das mensagens e a forma como elas devem ser

transmitidas (ciclicamente, imediatamente, apenas uma vez, ou

quando solicitado pelo consumidor). O gerenciamento das

mensagens é também de responsabilidade do grupo que está

definindo esta camada. Ele é o responsável pela inicialização do

sistema, levantamento estatístico e relato de falhas para o usuário


Camada do Usuário

Outra camada que os barramentos de campo possuem, mas que

ainda não tem previsão de normalização pela IEC é a camada de

usuário.

Esta camada foi criada para garantir uma utilização das atuais

aplicações do usuário, tendo muitas vezes como padrão o 4-20 mA

para o sistema fieldbus, definindo os vários blocos funcionais

utilizados hoje no setor de controle de processo industrial

(algoritmos, parâmetros de entrada e saída, alarmes).


O termo redundância descreve a capacidade de um sistema em

superar a falha de um de seus componentes através do uso de

recursos redundantes, ou seja, um sistema redundante possui um

segundo dispositivo que está imediatamente disponível para uso

quando da falha do dispositivo primário do sistema.Roteador Primário

Roteador Secundário

Switch

Servidor Usuários

Inte

rnet

Figura 3: Exemplo de Redundância

SCADAREDUNDÂNCIA NA REDE

SCADAREDUNDÂNCIA NA REDE

Utilizamos a redundância no sistema de controle quando queremos

aumentar a disponibilidade dos barramentos que possuem apenas

um mestre. Este tipo de redundância pode prevenir a falha do

sistema de controle em caso de falta de alimentação do campo.

SCADACONTROLE REDUNDANTE

Utilizamos a redundância quando queremos aumentar a

confiabilidade do barramento de campo. Quando implementada, a

redundância consiste em dois barramentos físicos distintos

(barramento A e barramento B) com dois transceptores não

interconectados de forma alguma, gerando total independência das

informações que trafegam por eles.

SCADAREDUNDÂNCIA MEIO FÍSICO

Meio de transmissão é o caminho pelo qual os dados trafegam entre

as estações de trabalho em uma rede digital, em que o acesso é

realizado pela camada física.

Cada cabo fabricado possui uma característica técnica e, também,

uma construção especial para realizar tarefas específicas. Um dos

grandes problemas encontrados na área técnica, no Brasil, é que

misturamos os cabos e suas funções, generalizando a utilização de

cabeamento.

SCADAMEIOS FÍSICOS

Meio físico é o mais difundido por ter seu custo de implementação

reduzido. O mais comum é o RS-485 e o RS-232. O RS-232 é pouco

utilizado, mas ganha força com a utilização de um conversor

(hardware) de meio físico de RS-232 para RS-485. Podemos dizer

que o RS-232 é utilizado para conectar um equipamento ponto-a-

ponto, como, por exemplo, a programação de um dispositivo ou a

comunicação com modem. O RS-485 tem sua constituição mais

robusta e imune aos ruídos e interferências com a utilização da

malha de blindagem; por este motivo, é o mais utilizado na

indústria.

SCADAPAR TRANÇADO

Constituem dois fios enrolados em espiral, visando a redução do

ruído e estabilização das propriedades elétricas do meio físico ao

longo de todo o seu comprimento. Também permite a transmissão

analógica ou digital. Esse cabo é classificado em seis categorias, por

isso apresentamos as características de três categorias, de acordo

com sua capacidade de utilização e aplicação.

SCADAPAR TRANÇADO

Podemos encontrar vários tipos de conexão, como, por exemplo, os

conectores DB-9, os bornes de conexão e os conectores circulares.

Exemplos de cabos e conectores de par trançados

SCADAPAR TRANÇADO

Outro meio físico é o cabo coaxial, no qual o condutor consiste em

um núcleo interno de cobre circundado por condutor externo, tendo

um dielétrico separando condutores. O condutor externo é ainda

circundado por outra camada isolante.

Exemplos de cabos coaxiais

SCADACABO COAXIAL

Este tipo de cabo possui uma grande variedade de construções,

sendo alguns melhores para altas frequências, outros mais imunes a

ruídos etc. Os cabos possuem alta qualidade e, por causa disso,

tendem a não ser maleáveis, o que torna a instalação um pouco

difícil.

Em sua forma construtiva, mantêm uma capacitância constante e

baixa, permitindo que trabalhemos com taxas mais altas de

transmissão. Por causa desta característica, esse tipo de cabo

sempre foi muito utilizado para a transmissão de áudio e vídeo, e é

muito encontrado em instalações de antenas de televisão em

nossas casas.

SCADACABO COAXIAL

Existem cinco tipos de conectores para serem utilizados com cabos

coaxiais em redes de computadores, são eles conector BNC padrão

macho, conector BNC tipo”T”, conector BNC tipo “i”, conector

transceiver, conector BNC de terminação.

Conectores e acessórios para cabos coaxiais

SCADACABO COAXIAL

Um dos meios físicos mais interessantes é a fibra ótica. Seu núcleo

pode ser construído em vidro ou em plástico. A transmissão é

realizada pelo envio de um sinal de luz codificado, dentro do

domínio de frequência do infravermelho na grandeza de 10^12 até

10^14 Hz. Devido a essa característica, caso seja instalada

corretamente, a fibra ótica é totalmente imune a ruídos elétricos.

Por não terem contato elétrico entre as partes, o isolamento entre o

transmissor e o receptor não precisa ser no mesmo ponto podemos

utilizar aterramentos distintos.

Os únicos problemas apresentados são o alto custo de implantação

e a necessidade de junção de fibras em longas distâncias.

SCADAFIBRA ÓTICA

Tipos de

FibrasMultimodo Índice

Degrau

Multimodo Índice

Gradual

Monomodo

SCADAFIBRA ÓTICA

Ar

Ar

SCADAFIBRA ÓTICA

Vantagens

• Altas taxas de transmissão;

• Imunidade à interferências;

• Suporte de voz, dados, vídeo;

• Altamente confiável;

• Altas taxas de transmissão.

Desvantagens

• Custo de manutenção e instalação;

• Inflexibilidade do cabeamento;

• Cuidados na instalação e manutenção.

SCADAFIBRA ÓTICA

Exemplos de Fibras Óticas

SCADAFIBRA ÓTICA

Tipo Origem-Destino

Nesse tipo de configuração, os dados são

transmitidos/recebidos do nó fonte para um destino

específico. A ação sincronizada entre os nós é muito

difícil, uma vez que os dados chegam aos nodos em

momentos diferentes. Nesse tipo de rede existe o

desperdício de recursos em função da repetição dos

mesmos dados quando apenas o destino é diferente.

SCADATIPOS DE COMUNICAÇÃO

Produtor-Consumidor

Em relação à rede do tipo produtor/consumidor, os dados

são transmitidos/recebidos do nó fonte para todos os nós

da rede simultaneamente;

Em uma rede do tipo Produtor/Consumidor, os dados são

identificados pelo conteúdo e não pela origem e/ou

destino. No cabeçalho da mensagem encontra-se apenas

a informação do número da mensagem e, assim, os

dispositivos que precisam deste dado a “consomem”.


Comunicação Mestre-Escravo

Nesse tipo de comunicação, a estação Mestre é fixa e

somente ela é capaz de iniciar as mensagens. Os

dispositivos do tipo Escravo trocam dados apenas com o

Mestre, informando somente os dados solicitados. Esse

tipo de rede suporta apenas um Mestre e múltiplos

Escravos.


Comunicação Multimestre

Esse tipo de comunicação é exatamente idêntico ao

Mestre/Escravo, porém com a diferença que a

comunicação Multimestre suporta mais do que um

Mestre.


Comunicação ponto-a-ponto

Um par de estações toma o controle da rede por vez

para trocar informações entre elas. Não é realizado o

polling para verificar se a estação receptora está ativa e

possui mensagens para enviar. Os dispositivos podem

trocar dados com mais de um dispositivo, ou múltiplas

trocas com o mesmo dispositivo.


Multitransmissão

Nessa situação, os dados são transmitidos simultaneamente

para todos os equipamentos da rede.

Passagem de Ficha

Nesse tipo de rede não existe Mestre nem Escravo, e a cada

instante uma estação está no controle da rede, quando envia

e recebe seus dados. Após receber seus dados, passa a vez

para a próxima estação, que também deverá enviar e receber

seus dados, e assim por diante.

SCADAMÉTODOS TROCA DE DADOS

Cíclico

Neste método, os dispositivos produzem dados a uma certa

taxa configurada pelo programador;

É eficiente devido ao fato de os dados serem transferidos

numa taxa adequada ao dispositivo/aplicação;

Esse método é compatível com a utilização dos tipos de

comunicação Mestre/Escravo, Multimestre, ponto-a-ponto e

multitransmissão.


Método Cíclico


Não Solicitado (Unsolicited)

Dispositivos da rede produzem mensagens quando existe

alguma alteração no valor (estado) de certa memória,

otimizando, assim, a transferência dos dados trocados entre

dois equipamentos. Uma mensagem é enviada ciclicamente

para ver se os equipamentos estão ativos ou com falha. Um

sinal é uma mensagem em segundo plano e é transmitido

ciclicamente para confirmar que o dispositivo está ok. A

mudança de estado é eficiente porque se reduz

significativamente o tráfego da rede e recursos não são

desperdiçados processando-se dados antigos.


Método Não Solicitado


Polling

O “Polling” é uma mensagem enviada pelo equipamento

central à rede, sendo que os outros equipamentos só poderão

responder a esta solicitação se ela for enviada com destino a

ele. O desempenho deste tipo de rede depende

principalmente do equipamento principal, porém a falta de

algum outro nó não afetará a rede. Este método é utilizado

em sistemas do tipo Mestre/Escravo e também na

MultiMestre.


Método Polling


SENAI-RS. Redes Industriais: Atualização Tecnológica em Automação Industrial.

2011.

ALBUQUERQUE, Pedro U. B.; ALEXANDRIA, Auzuir R. Redes Industriais: Aplicações

em Sistemas Digitais de Controle Distribuídos. 2009.

SCADAREFERÊNCIAS

Pesquisar para os seguintes CLPs:Linha TPW03 (Weg);LC700 (Smar);

• Formas de comunicação;• Meio-físico utilizado para comunicação;• Métodos de troca de dados;• Redes suportadas; • Velocidade de transmissão;• Elementos suportados na rede;• Configuração na rede (mestre, escravo, etc.);• Servidores OPC (Integração com Supervisório);

Entrega eletrônica: 25/08/2014

SCADATRABALHO

aula 02 parte comunicação

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