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Centro Universitrio do Leste de Minas GeraisCurso: Tecnologia de Desenvolvimento de Software Disciplina: Redes Industriais Professor: Max Mauro

Trabalho

Ethernet Industrial

Alunos: Hadailton de Sousa Carvalho Soraia Teixeira Kemil

Ethernet Industrial

Contedo

Introduo _______________________________________________________________ 3 O que Ethernet? _________________________________________________________ 4 As redes atuais ____________________________________________________________ 4 O incio da EtherNet _______________________________________________________ 6 A velocidade da Ethernet ___________________________________________________ 8 Por que Ethernet Industrial? ________________________________________________ 8 As vantagens da Ethernet Industrial __________________________________________ 9 Os requerimentos de um equipamento industrial_______________________________ 11 Concluso _______________________________________________________________ 16 Referncia _______________________________________________________________ 17

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Ethernet Industrial

IntroduoMuitas empresas, procurando melhorar seus processos, reduzir custos e melhorar a produtividade, esto adotando a tecnologia Ethernet em seu cho de fbrica. Esta migrao est crescendo rapidamente. De acordo com um estudo recente da ARC Advisory Group, o mercado mundial para a Ethernet Industrial dever crescer a taxas maiores que 84% nos prximos 5 anos. Considerada anteriormente como uma soluo para ambientes corporativos de redes, a tecnologia Ethernet tem demonstrado ser uma alternativa robusta capaz de atender s necessidades especficas da rea de produo. Redes Ethernet Industrial que utilizam tecnologia de swtiching inteligente, podem oferecer uma variedade de vantagens comparada s instalaes industriais tradicionais. Ethernet Industrial aplica os padres Ethernet desenvolvidos para comunicao de dados s redes de controle das fbricas. A tecnologia pode ser empregada utilizando uma arquitetura Ethernet switched que tem sido bem sucedida em mltiplas aplicaes crticas em mercados diferentes. Como a tecnologia baseada em padres de indstria, Ethernet Industrial permite s organizaes economizar dinheiro atravs do abandono de sistemas proprietrios e caros. Ao mesmo tempo, ela fornece disponibilidade, performance e segurana de rede, itens requeridos para suportar aplicaes de misso crtica nas indstrias.

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O que Ethernet?Ethernet a maior tecnologia de redes locais em uso na atualidade e utilizada por aproximadamente 85% dos PCs e estaes de trabalho conectados rede do mundo. Ethernet refere-se famlia da produtos de rede cobertos pelo padro IEEE 802.3, que podem ser utilizados tanto em cabeamento de fibra tica como em par tranado. Com o passar dos anos, a Ethernet tem evoludo para dar mais performance e inteligncia de rede. Esta evoluo contnua fez da Ethernet uma excelente soluo para aplicaes industriais. Atualmente, a tecnologia pode dar quatro velocidades. Ethernet 10Base-T permite performance de at 10 Mbps sobre um cabeamento em par tranado de cobre. Fast Ethernet permite um aumento de velocidade em 10 vezes a especificao 10Base-T (100 Mbps) enquanto mantm-se muitas das especificaes tcnicas da Ethernet. Estas similaridades permitem organizaes a utilizar aplicaes e ferramentas de gerenciamento do tipo 10Base-T em redes Fast Ethernet. Gigabit Ethernet estende o protocolo Ethernet ainda mais, aumentando a velocidade para 1000 Mbps (1 Gbps). Como ela baseada no padro Ethernet atual e compatvel com a base instalada de equipamentos Ethernet e Fast Ethernet, os gerentes de rede podem suportar Gigabit Ethernet sem precisar aprender uma nova tecnologia nem mesmo retreinamento. 10 Gigabit Ethernet, confirmado como um padro em junho de 2002, a verso ainda mais rpida da Ethernet. Como a 10 Gigabit Ethernet um tipo de Ethernet, ela pode suportar servios inteligentes de rede baseados em Ethernet, interoperar com arquiteturas existentes e minimizar as curvas de aprendizado dos usurios. Sua altssima taxa de transmisso de dados a torna uma boa soluo para dar grandes larguras de banda nas redes geograficamente dispersas.

mais de 300 milhes de portas Ethernet foram instalados no mundo. A tecnologia Ethernet goza de ampla aceitao visto que fcil de entender, montar, gerenciar e manter. Ethernet barata e flexvel e suporta uma variedade de topologias de rede. Embora tradicionais, as solues industriais no baseadas em Ethernet tm uma taxa de transferncia de dados entre 500 Kbps e 12 Mbps. A tecnologia Ethernet pode dar alta performance. E, como ela baseada em padres da indstria, ela pode utilizar e ser conectada a muitos dispositivos compatveis com o padro Ethernet, de qualquer fabricante.

As redes atuaisAtualmente, muitas empresas de manufatura mantm redes separadas. No passar dos anos, estas redes se ajustaram para atender a diversos fluxos de informao e requerimentos de controle.

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As redes corporativas de tecnologia de informao suportam as funes administrativas tradicionais, como recursos humanos, contabilidade e suprimentos. Esta rede baseada no onipresente padro Ethernet. As redes de controle conectam dispositivos de monitorizao e controle, incluindo PLCs, controladores baseados em PCs, racks e interfaces homem-mquina. Estas redes, as quais no foram Ethernet no passado, requerem um roteador ou, em muitos casos, um gateway para traduzir os protocolos especficos de aplicao para os protocolos baseados em Ethernet. Esta traduo permite que informao seja compartilhada entre as redes corporativas e as de controles do cho de fbrica, que no so conectadas. As redes de baixo nvel conectam os dispositivos de cho de fbrica, dentre os quais sensores, cmeras, medidores de nvel e outros equipamentos de automao, como robs e atuadores. A conectividade entre estes equipamentos tem sido tradicionalmente realizada atravs de protocolos de alta confiabilidade mas limitados em termos de performance e ligao com redes de alto nvel. Estas redes foram projetadas para suporte diferentes tipos e formatos de informao bem como condies adversas do ambiente (rudo, etc.). Existem, contudo, vrias desvantagens de se manter mltiplas redes baseadas em vrios protocolos tradicionais. Menor eficincia e produtividade: devido natureza das tradicionais redes de controle no-Ethernet, difcil compartilhar dados entre o cho de fbrica e as entidades de software de alto nvel (como os ERPs), necessitando da figura de um gateway que age como elo de ligao entre as redes de fbrica e corporativa. Este gateway limita a implementao de programao em tempo real, monitorizao e sistemas de manuteno. Altos custos: os sistemas tradicionais usualmente utilizam sua prpria arquitetura de transmisso na camada 1 (cabeamento e sinalizao). Estas interfaces tendem a ter altos custos e poucos fornecedores. Pgina 5/17 Hadailton de Sousa Carvalho Soraia Teixeira Kemil

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Alta complexidade e treinamento redundante: a maioria das organizaes j possuem profissionais treinados para suportar suas redes corporativas baseadas em Ethernet. Redes de controle baseadas em Ethernet podem utilizar esta experincia, concentrando esforos em uma rede nica, reduzindo o nvel de complexidade criado por plataformas mltiplas. Limitaes de endereamento e largura da banda: a largura de banda compartilhada disponvel hoje para uma boa parte das redes tradicionais de controle normalmente medida em Kbps, tendo as implementaes mais rpidas compartilhando 12 Mbps entre mltiplos nodos. Esta largura de banda limita o potencial de transmitir dados em tempo real e torna virtualmente impossvel incorporar dispositivos (como cmeras digitais) que demandam mais performance. Mesmo se maior largura de banda estiver disponvel, no existe ligao ou estrutura que possa associar um dado dispositivo a um esquema de endereamento IP, o que limita o trfego de monitorizao dentro da prpria rede.

Figura: Exemplo de rede EtherNet

O incio da EtherNetA Ethernet, foi inicialmente concebida por Bob Metcalf do Centro de Pesquisas Xerox (Palo Alto Research Centre PARC) quase 30 anos atrs. Entretanto ela tem sua raiz vinculada a um pioneiro Norman Abramson da Universidade do Hava em 1967. Abramson teve a tarefa de fazer com que o mainframe da universidade falasse com alguns terminais externos que estavam localizados em algumas outras ilhas do Hava. Passar um cabo fsico para os terminais estava fora de questo e ento Abramson pensou em usar rdio. Entretanto, devido as freqncias que ele estava forado a usar, ele no tinha freqncias diferentes suficientes para todos os terminais que ele precisava atingir ento alguns terminais precisariam compartilhar. Entretanto, o problema com um rdio de freqncias normal compartilhado que interferncias ocorrem e ento Abramson percebeu que precisaria achar uma forma de regular a transmisso dos dados. Pgina 6/17 Hadailton de Sousa Carvalho Soraia Teixeira Kemil

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Abramson ento teve a idia de usar apenas duas freqncias para toda a comunicao, e estabelecer regras que ditariam quando e qual terminal ou o mainframe enviaria dados. Para transmisses de sada do mainframe uma freqncia seria usada e para transmisses de entrada dos terminais uma outra freqncia seria usada. Ento Abramson desenvolveu um sistema de endereos e re-envio (reply) para a comunicao. O mainframe enviaria uma mensagem com seu endereo configurado para um terminal. Embora todos os terminais pudessem receber a mensagem, somente o que estava endereado poderia na verdade usar a informao para processamento futuro. Os outros iriam apenas descart-la. Depois do recebimento da mensagem, o terminal checaria ento se nenhum outro terminal estaria usando a freqncia. Ento ele transmitiria um recibopara a mensagem que normalmente s seria recebido pelo mainframe e pelos terminais mais prximos. Isso funcionava em ambas as direes, por exemplo, para mensagens enviadas pelo mainframe e para mensagens enviadas pelos terminais. Mas o que aconteceria se dois ou mais terminais transmitissem mensagens ao mesmo tempo? Bem, alguma interferncia, ou uma coliso, poderia ocorrer e o mainframe poderia no receber a mensagem e poderia no enviar a confirmao para os terminais. Os terminais tinham um perodo de timeout construdo dentro deles, tipicamente de 200 a 1500 nanosegundos, que se eles no recebessem um reenvio (reply) dentro desse perodo, ento eles enviariam a mensagem novamente. Havia tambm um limite mximo baseado no nmero de tentativas que o terminal poderia fazer antes de relatar um erro para o operador ou usurio. Esse processo ou mtodo conhecido como modelo CSMA/CD (ou Carrier Sense, Multiple Access, Collision Detect). Alguns anos depois, quando Bob Metcalf estava ocupado conectando a ltima inveno da Xerox (uma impressora a laser) a uma de suas outras invenes (um PC) ele se decidiu contrariamente a passar um cabo de cada PC para a impressora a laser. Em vez disso, olhando para alguns novos desenvolvimentos em comunicao ele se voltou para o trabalho de Abramson e, um pouco de re-engenharia, foi capaz de transferir os dados mas por meio de um cabo coaxial e um pouco mais rpido. (A rede Aloha da universidade do Hava tinha uma banda de 4800 bps Metcalf conseguiu a rede Ethernet no PARC com at 2,94 Mbps). Para aumentar a eficincia, embora seguisse o modelo CSMA/CD, ele fez pequenas alteraes, de forma que no mais reenvios (replies) fossem enviados como uma forma de deteco de coliso. No lugar disso, como o sistema estava funcionando num cabo de cobre, Metcalf verificou a tenso corrente no cabo e quando essa tenso pulava para um offset pr-determinado, uma coliso havia ocorrido. Esse salto na tenso era facilmente detectado por todas as interfaces no cabo e o terminal que estava enviando a mensagem poderia ento tentar novamente aps um certo atraso, conhecido como tempo de backoff. A Ethernet havia nascido! Pgina 7/17 Hadailton de Sousa Carvalho Soraia Teixeira Kemil

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A velocidade da EthernetUma das principais vantagens da Ethernet sobre quase todos os outros tipos de rede sua velocidade. Uma frase comum na indstria de comunicao e redes no momento fat pipes. Isso se refere banda de conexo entre dois dispositivos. Como mencionado acima, Ethernet no PARC rodava a 2,94Mbps. Quando a Microsoft introduziu o Windows Workgroups 3.11 em 1993, o cabo coaxial e os NICs (Network Interface Card) fornecidos no pacote rodavam a 10 Mbps. Atualmente, a maioria das redes de escritrio roda a 100Mbps (Fast Ethernet). Entretanto, a velocidade real (ou fat pipes, verdadeiramente) entre switches. Eles rodam a 1Gpbs. A IEEE, o rgo governamental para Ethernet, j anuncia os padres para Ethernet 10 Gbps. Entretanto, o ponto principal que a Ethernet muito mais rpida que qualquer outra rede, seja essa baseada em escritrio ou em fbrica. Existe um corrente de defensores do determinismo, que alegam que as redes EtherNet no satisfazem este requerimento. Porm, considerando a alta velocidade demonstrada acima, os dados trafegam to rapidamente, que qualquer atraso de tempo causado pela espera de um outro dispositivo finalizar sua transmisso quase desprezvel.

Figura: a evoluo da velocidade da Ethernet

Por que Ethernet Industrial?

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Ethernet Industrial oferece uma soluo robusta que diminui custos, aumenta a produtividade e simplifica o sistema. Ela baseada em um padro de comunicao de dados barato e utilizado universalmente. Ethernet tem sido ultimamente considerada como uma alternativa para a transmisso de dados nas plantas fabris. Sua aceitao, contudo, cresceu dramaticamente nos ltimos anos graas necessidade de alta confiabilidade. Por exemplo, consrcios como o Open DeviceNet Vendor Association esto incluindo detalhes dos sistemas de cabeamento baseados em Ethernet em sua especificao. Enquanto aquelas redes orientadas a dados, utilizadas nos escritrios, foram projetadas para maximizar a largura de banda, as redes de controle de dispositivos foram otimizadas para obter uma grande performance determinstica com baixa latncia. No incio da vida da Ethernet, as implementaes orientadas a coliso fizeram os nveis de determinismo inaceitveis para as plantas fabris. Atualmente, as instalaes Ethernet (100 Mbps, full duplex em uma rede chaveada) demonstram baixa latncia medida em microsegundos, o que significa uma ordem de magnitude muitas vezes melhor que a maioria dos requerimentos de confiabilidade das plantas fabris. Portanto, difcil justificar uma estrutura mltipla de rede, j que as implementaes Ethernet satisfazem e excedem a performance, a confiabilidade, a recuperao e o determinismo exigidos pelo cho de fbrica.

As vantagens da Ethernet IndustrialA tecnologia Ethernet perfeitamente aplicvel aos desafios que os fabricantes enfrentam hoje e aos que viro no futuro. Ethernet industrial capaz de unir as vrias redes existentes na empresa (administrativa, controle e automao) em um nico sistema.

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Figura: a Ethernet se move para o cho de fbrica

Com uma rede mais integrada, as informaes crticas para o negcio podem fluir livremente e em tempo real atravs da empresa. Como conseqncia, empresas experimentam grandes ganhos na colaborao, eficincia e qualidade de trabalho, tendo ainda a possibilidade de compartilhar informao entre os processos de cho de fbrica com outros parceiros de negcio, tornando o negcio em e-business. Com uma rede Ethernet suportando o esquema de endereamento IP, uma empresa passa a ter a habilidade de colaborar eletronicamente com fornecedores, clientes e contratados. Os parceiros podem se beneficiar de um melhor acesso a informaes como posio de pedidos e datas de entrega, os quais eles podem acessar em tempo real a partir das prprias estaes de trabalho.

Custos reduzidosUma interface padro Ethernet traz para o cho de fbrica a economia em escala desfrutada por centenas de milhes de usurios Ethernet, diminuindo custos e incrementando o nmero de potenciais fabricantes e vendedores de equipamentos para uma aplicao da indstria. Em alguns cenrios, a reduo de custos pode alcanar uma magnitude tremenda.

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Maior banda e funcionalidade geralEthernet disponibiliza uma banda compartilhada que atende com folga as necessidades das redes atualmente. Tipicamente, alcana-se de 10 a 1000 Mbps utilizando tecnologias de chaveamento (switch) que podem garantir uma performance adequada para todos os equipamentos conectados rede. Esta capacidade permite as redes a suportar quantidades substanciais de informao. Uma rede Ethernet, por exemplo, permite transmitir informaes de controle detalhadas, em tempo real, do cho de fbrica para o sistema ERP. Com largura de banda suficiente, aplicaes adicionais podem ser adicionadas rede, incluindo a transmisso simultnea de dados, voz e imagem.

Estrutura de rede simplificadaUma rede nica elimina a necessidade de implementar, suportar e manter trs ou mais sistemas separados, reduzindo os custos gerais de rede e melhorando o acesso informao. Fabricantes no precisam mais enfrentam altos custos e funcionalidades limitadas para manter vrias redes. Ethernet industrial tem o potencial de oferecer uma nica rede, de alta qualidade e performance para toda a empresa, reduzindo dramaticamente custos e elevando as funcionalidades dentro da empresa.

Os requerimentos de um equipamento industrialEm um ambiente industrial automatizado, os equipamentos esto conectados em rede e executam um papel importante dentro do contexto de toda a planta. Isto bem diferente da grande maioria das aplicaes de escritrio, onde falhas no equipamento Ethernet apenas significaria que poucos PCs no poderiam enviar e-mails durante alguns minutos. Na aplicao industrial, quando um equipamento perde sua conexo com a rede, os resultados poderiam ser uma grande perda financeira. Ao escolher equipamentos Ethernet para satisfazer os requerimentos das aplicaes industriais e para garantir que toda a planta continuar operando sem percalos, alguns pontos devem estar em mente:

alta confiabilidade essencial para aplicaes industriais; capacidade de rpida recuperao e segurana ajuda a garantir aoperao contnua; Pgina 11/17 Hadailton de Sousa Carvalho Soraia Teixeira Kemil

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relatrios dinmicos de status, que do o status dos equipamentospodem prevenir danos e perdas ao sistema; funes-chave de gerenciamento na implementao das redes industriais Ethernet.

Alta confiabilidade essencial para aplicaes industriaisUma nova indstria tem surgido para fornecer produtos Ethernet que satisfaam os requerimentos das aplicaes industriais. Para garantir a confiabilidade essencial que este tipo de aplicao demanda, os usurios destas solues deveriam demandar produtos da linha Ethernet Industrial com as seguintes caractersticas: fontes de energia redundantes para evitar nico ponto de falha; topologia de rede em anel para proporcionar caminhos alternativos; produtos construdos com componentes de melhor qualidade e maior confiabilidade, garantindo um maior MTBF (tempo mdio entre falhas); habilidade de suportar condies extremas de temperatura, como de 40C at +75C; produtos projetados com gabinetes resistentes ao de substncias do ambiente; produtos em conformidade com padres estabelecidos (CE, FCC, UL, etc.) e projetados para suportar condies de choque, queda e vibrao.

Capacidade de rpida recuperao e segurana ajuda a garantir a operao contnuaA lista acima somente d os requerimentos bsicos das aplicaes industriais. Ao considerar comunicao industrial, confiabilidade significa mais que gabinetes resistentes ou boa tolerncia a temperaturas extremas, mas tambm envolve mais funcionalidades de recuperao de falhas. No escritrio, uma falha na rede de 3 minutos pode facilmente ser tratada como uma pequena inconvenincia, mas em um ambiente industrial, a mesma falha poderia causar grande perda em dinheiro. Considerando isto, as funes de auto-recuperao listadas abaixo podem ser significativas na operao contnua da rede. monitorizao de auto-recuperao para evitar interrupes aleatrias dos servios; rpida recuperao em caso de mudana do ponto de conexo dos dispositivos, de forma que a comunicao seja mantida evitando-se intervalos de inatividade.

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Figura: Exemplo de Auto-recuperao

Outra importante considerao que, quando equipamentos de Ethernet Industrial so utilizados como parte de um sistema de automao, em muitas situaes eles so utilizados para conectar dispositivos. E considerando que os sistemas de automao incorporam dispositivos sensveis, que precisam estar protegidos contra acesso no autorizado, muito importante ter algum tipo de sistema de autenticao para restringir o acesso apenas aos usurios autorizados.

Figura: Emprego de Sistemas de Autenticao para controlar acesso

Relatrios dinmicos de status, que do o status dos equipamentos podem prevenir danos e perdas ao sistemaEquipamentos Ethernet Industrial adequados precisam se responsabilizar em viabilizar mecanismos de mensagens de alerta de tempo real. Mesmo fora das cabines de comando, os engenheiros de processo precisam ser informados sobre a condio (status) dos dispositivos de automao, principalmente nas condies de falha, onde a comunicao deve ser imediata. As mensagens de alerta precisam ser disparadas por eventos. As seguintes caractersticas so requeridas para um equipamento Ethernet Industrial adequado: Pgina 13/17 Hadailton de Sousa Carvalho Soraia Teixeira Kemil

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Ser capaz de enviar mensagens de alerta (por exemplo, por e-mail) quando uma exceo (falha) detectada

Possuir sinalizadores (exemplo, sadas digitais) para alertar os engenheiros que esto trabalhando no equipamento

Funes-chave de gerenciamento na implementao das redes industriais Ethernet Identificao da integridade dos segmentos de rede atravs da utilizao do comando ping; Anlises do comportamento da rede a partir de localizaes remotas; Atribuio de endereos IP aos equipamentos conectados; Atribuio de espelhamento de portas para a melhor monitorizao online; Suporte ao protocolo SNMP para facilitar as anlises de rede; Suporte ao OPC Server para facilitar a integrao com o sistema de automao. Pgina 14/17 Hadailton de Sousa Carvalho Soraia Teixeira Kemil

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ConclusoA migrao dos ambientes industriais para a tecnologia Ethernet tem crescido rapidamente medida que as empresas reconhecem os muitos benefcios que a Ethernet Industrial pode dar. De acordo com um estudo da ARC Advisory Group, o mercado para os dispositivos Ethernet Industrial cresceram a taxas anuais maiores que 50%, de 2001 a 2003. As razes do sucesso da Ethernet Industrial so claras. A tecnologia permite aos fabricantes padronizar e consolidar suas diferentes arquiteturas de redes industriais, utilizando produtos oferecidos por uma variedade de fabricantes. Como a Ethernet Industrial uma tecnologia baseada em padres, ela permite as empresas a tirar vantagem da economia de escala, enquanto sustenta a flexibilidade necessria para suportar seus especficos requerimentos de cho de fbrica. Como a Ethernet Industrial utiliza facilidades inteligentes de rede, encontradas nos ambientes corporativos, as organizaes podem gozar de um controle muito maior sobre seu equipamento conectado rede. Uma rede Ethernet Industrial bem implementada pode fazer muito mais que simplesmente emular as funes de uma rede industrial tradicional. Atravs dela, as empresas podem conectar suas redes corporativas de dados ao cho de fbrica para fazer a operao geral mais eficiente. E, permitindo aos fabricantes inovar e manter a compatibilidade com as redes Ethernet existentes, torna-se possvel criar uma grande variedade de aplicaes para suportar as necessidades de negcio hoje e no futuro.

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Referncia

BRENES, Manrique. Industrial Ethernet gaining factory floor strength. Disponvel em: . Acessado em: jul. 2005. SITE MOXA. Industrial Ethernet Connectivity. Disponvel em: < http://www.moxa.com/solutions/Industrial_Ethernet_Connectivity.htm>. Acessado em: jul. 2005. SITE CISCO. White Paper Industrial Ethernet: A Control Engineers Guide. Disponvel em: < http://www.cisco.com/application/pdf/en/us/guest/products/ps628/c1244/cdccont _0900aecd8013313e.pdf>. Acessado em: jul. 2005.

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