Redes Industriais de Comunicao Universidade Estadual de Londrina

Redes IndustriaisClassificao

Redes de controleInterligam o equipamentos e sistemas inteligentes de controle, como por exemplo: CLPs, SDCDs, etc.

Entre os principais tipos tem-se: Profibus HSE, Micrisofot (Ethernet, TCP/IP)

Fazem troca de dados entre equipamentos e o sistema administrativoClassificao

Redes de dispositivos subordinadas a um equipamento inteligente de controle, como por exemplo SDCD, CLP ou computador com software adequado.

Redes de processospara comunicao entre equipamentos de campo (sensores, atuadores, etc.) e sistemas inteligentes (SDCD, CLP). Exemplos: HART, Foudantion Field Bus, Profibus PA, etc.

Redes abertas so redes que suportam equipamentos e dispositivos de diferentes fabricantes. Vantagens: no gera dependncias ou limitaes, mais verstil para controlar o processo. Desvantagens: possibilidade de falhas de comunicao, velocidades variveis de comunicao, domnio do protocolo de cada fabricante

Redes proprietrias so redes utilizadas pelos fabricantes para estabelecer a conectividade entre seus equipamentos. Vantagens: estabilidade de comunicao, facilidade de instalao de novos equipamentos Desvantagens: utiliza um nico fabricante, dependncia de upgrades dedicados

Meios Fsicos de TransmissoPar tranado Possui dois tipos de construo: com blindagem (shielded) e sem blindagem (unshielded)

Cabos par tranado sem blindagem (UTP Unshielded Twisted Pair) - aplicados em telefonia e em redes de alta velocidade - quanto mais apertado o enrolamento, maior a taxa de transmisso.

Cabos par tranado com blindagem (STP Shielded Twisted Pair)- Para ambientes sujeitos a interferncias

Cabos coaxial- Em algumas aplicaes mais eficiente que o par tranadoFibra tica- Constituda por um ncleo de fibra de vidro, envolvido por vrias camadas de material isolante- Ideal para grandes distncias

Tipos de ControleControle centralizado

Controle ponto a ponto

Controle produtor-consumidor

Sistema digital de controle distribudo (SDCD)

Comparao das Tecnologias

A escolha das tecnologias de redes de comunicao a serem utilizadasdepende dos requisitos de cada aplicao.

IEC 61158 Fieldbus Standard

A IEC 61158 Comunicao Digital para Medio e Controle Fieldbus para Uso em Sistemas de Controle Industrial, considerou um padro multi-opo, que inclui oito protocolos de campo:

(Type 1) - Fieldbus Foundation H1,(Type 2) - ControlNet;(Type 3) PROFIBUS (PROcess FIeld BUS)(Type 4) - P-Net;(Type 5) - Fieldbus Foundation High-Speed Ethernet;(Type 6) - SwiftNet;(Type 7) - WorldFIP; e(Type 8) - Interbus-S.

Pirmide da Automao

ModbusSensorBusDeviceBusFieldBusDataBusETHERNETNveis de Aplicao

Aplicaes nas Plantas IndustriaisNvel 4Administrao CorporativaNvel 3Gerenciamento de ProduoNvel 2Sistemas de SupervisoNvel 1Dispositivos de ControleNvel 0Sensores / AtuadoresNvel 2 - DataBusComputadores (Hosts)Nvel 1 - FieldBusDispositivos InteligentesNvel 0.5 - DeviceBusE/S e PerifricosNvel 0 - SensorBusDispositivosDispositivosRedes

Nvel 0 - SensorBusSensores e Atuadores tipicamente discretosMensagens de dados de alguns bitsFrequncia de comunicao de dezenas de milisegundosDistncia de dezenas de metrosConcepo determinstica

Nvel 0 - DeviceBusDistribuio de perifricos de controleMensagens de dados de bytes ou wordsFrequncia de comunicao de dezenas de milisegundosDistncia de centenas de metrosConcepo determinstica

Nvel 1 - FieldBusIntegrao entre unidades inteligentesMensagens de dados de words ou blocosFrequncia de comunicao de centenas de milisegundosDistncia de centenas de metrosModbus+

Nvel 2 - DataBusTransferncia macia de dados entre equipamentosMensagens de dados de blocos ou arquivosFrequncia de comunicao de segundos ou minutosGrandes distncias (LAN / WAN / Internet)ETHERNETFDDIMAP

Estrutura das Redes - Modelo OSI (Open System Interconnection)Utilizao da Rede (servios)Formatao e codificao de dadosAlocao de recursos para a aplicao e sincronizaoTransferncia de informaesRoteamento de informaesEstruturao, acesso e checagem de errosTransmisso de dados binrios atravs do meio de comunicaoAssunto a ser tratadoLinguagem comumEnquanto um fala o outro escutaCentral telefnicaSistema de comunicaoConverso da voz em sinal moduladoSinal eltrico e linha telefnicaExemplo

Estrutura da Rede Ethernet TCP/IP (DataBus)A Ethernet foi criada antes do modelo OSI

Estrutura Tpica Sensor/Device/FieldBusAs camadas esto implementadas em componentes padronizados e intrnsecos aos dispositivos simplificando a estrutura a apenas trs nveis.FsicaRedeTransporteSessoApresentaoAplicaoLigaoMultiplos Meios FsicosASIC / Chip SetDrivers / Software

Critrios para DimensionamentoMeio Fsico de ComunicaoCobertura Geogrfica (Topologia e Distncia)Mtodo de AcessoDesempenho (Velocidade x Throughput)Confiabilidade (Determinstica x Probabilstica)Protocolo de Comunicao

Meios Fsicos de ComunicaoElemento fsico utilizado para a propagao de dadosCabo CoaxialCabo de Par TranadoFibra pticaRadio Frequncia

Cobertura GeogrficaTopologia: forma de interligao dos elementos na RedeDistncia: espao mximo coberto pelo meio fsico de comunicao utilizado pela Rede.BARRAMENTO(BUS)ANEL(RING)ESTRELA(STAR)RVORE(TREE)

Mtodo de AcessoPolled AccessPergunta-Resposta (Query - Response)Mestre-EscravoToken AccessEqualizao de Acesso RedeRedes Peer-to-PeerCarrier Sense Multiple Access (CSMA)Acesso AleatrioCliente-Servidor

Mtodo de AcessoMestre / Escravo

Mtodo de AcessoToken Ring

Mtodo de AcessoHUBCSMA

Desempenho da RedeVelocidade:Taxa de transferncia total de dados por unidade de tempo.Considera informaes (dados teis) e o envelope de comunicao (dados de controle do protocolo).Throughput:Taxa de transferncia de informaes por unidade de tempo.Considera apenas os dados efetivamente teis para os integrantes da rede.

ConfiabilidadeRedes Probabilsticas:Permite apenas calcular a probabilidade da transferncia de informaes ocorrer em um determinado intervalo de tempo.Redes Determinsticas:Permite determinar com preciso o tempo necessrio para a transferncia de informaes entre os integrantes da rede.

ConfiabilidadeChecagem de erros: feita por meio de algoritmo utilizado para garantir a integridade dos dados transferidos na rede.

Exemplos:Paridade:Probabilidade de 50 %CRC-16 (Ciclical Redundant Check 16 bits):Probabilidade de 10-15 %

Consideraes AdicionaisCompatibilidade Rede - Ambiente (Fsica / Eltrica)Baixo Custo (Projeto / Instalao / Produtos)Fcil Instalao / Configurao / ExpansoProcedimento de Manuteno SimplesQuantidade de DispositivosTecnologia ConsolidadaDisponibilidade de Produtos

Protocolos de Comunicao

AS-i (Actuator Sensor Interface)

PROFIBUS (PROcess FIeld BUS)

Foudation Field Bus

Protocolo AS-i (Actuator Sensor Interface)AS-I surgiu em 1990, quando empresas se uniram em um consrcio para tornar seus equipamentos compatveis

Foi concebida como um sistema monomestre com comutao Cyclic polling (processo de varredura), neste sistema somente o mestre insere dados nos escravos em intervalos de tempo definidos.

Foi desenvolvida para atender aos requisitos de comunicao a nvel de cho-de-fbrica.

CaractersticasClassificao: SensorBusAmpla oferta de produtosTopologia:Barramento / Anel / Estrela / ArvoreTempo de Ciclo c/ 256 Discretas (16 Ns c/ 16 E/S): 4.7msMax. nmero de ns 248 E/S (31 dispositivos)Distncia Mxima: 100 metros / 300 c/ repetidorMestre-Escravo c/ pooling cclico

Nveis de Aplicao

Nvel de gerenciamento: computadores so conectados uns com os outros, s vezes fbricas inteiras via Ethernet; o volume de dados da ordem de megabyte e no precisa ser em tempo real;

Nvel de produo e processo: cada vez mais o PROFIBUS est se difundindo; o tipo DP com 12Mbit/s perfeito para altas exigncias;

Nvel de atuadores e sensores: a rede AS-i consagrou-se com mais de um milho de pontos j instalados;

Arquitetura TpicaSensoresInteligentesSensoresPartida deMotoresInterfacesMquinaInterfaces de OperaoPainelGatewayFonte

Processo com Rede ASi

AcessriosCaboDerivador para dispositivo ASiDerivador para dispositivo convencional

ConcetividadeCabo planoAS-i

Interoperabilidade

Interoperabilidade

Protocolo PROFIBUSPROFIBUS desenvolvido na Alemanha, inicialmente pela Siemens em conjunto com a Bosch e Klockner-Moeller em 1987. Em 1988 tornou-se um "Trial Use Standard" no contexto da norma DIN (DIN V 19245, parte 1), que define as camadas Fsica e Enlace.

Posteriormente, grupo de 13 empresas e 5 centros de pesquisa propuseram alteraes nas camadas Fsica e Enlace e definiram a camada de Aplicao (norma DIN V 19245, parte 2).

Esta proposta atualmente apoiada por mais de 300 empresas europias e internacionais.

Protocolo PROFIBUS uma rede de campo aberta, independente dos fabricantes, ao alcance de uma larga variedade de aplicaes de manufatura e processos de automao

A sua independncia e a garantia de ser uma rede aberta assegurada pelas normas internacionais

A comunicao entre dispositivos de diferentes fabricantes ocorre sem ajustes especiais

Pode ser usado em tarefas que requerem comunicao em tempo real, alta velocidade e de comunicao complexa

Protocolo PROFIBUSPerfis de comunicaoPROFIBUS DP (Distribuited Process)PROFIBUS PA (Process application) PROFIBUS FMS (Fieldbus Massage Especification)

PROFIBUS DP o perfil de comunicao mais utilizadoOtimizado para velocidade, eficincia, baixos custos de ligao e est projetado para comunicaes entre sistemas de automao e perifricos distribudos

PROFIBUS PAPermite conectar sensores e atuadores at mesmo em um barramento comum em reas intrinsicamentesegurasPode ser usado com tecnologia 2 fios de acordo com o padro internacional IEC 1158-2

Protocolo PROFIBUS

Protocolo PROFIBUSPROFIBUS FMS Soluo de propsito geral para comunicao de tarefa ao nvel de clulaOs recursos FMS poderosos abrem um amplo alcance de aplicaes com grande flexibilidadePode ser usado para tarefas de comunicao extensas e complexas

Profibus DP / PAClassificao: DevicebusMais de 300 fornecedores de equipamentosTopologia:Linha / Estrela / AnelVelocidade de transmisso: DP - Mx: 12 Mbps ; PA - Max: 31.25 kbps Tempo de Ciclo c/ 256 Discretas (16 Ns c/ 16 E/S): < 2.0 ms (dependente da configurao) Max. nmero de ns: 127Distncia Mxima: 100m entre segmentos (12Mbaud) ; 24Km (Dependente do meio e do Baudrate) Mestre-Escravo - peer to peer

Profibus DPProfibus PAProcess AutomationArquitetura Tpica Profibus DP/PASegmentCoupler

Inserindo EscravosConfigurao Profibus DP/PA

GSD - Identificador do dispositivoConfigurao Profibus DP/PA

Configurao do sistema via softwareProfibus DP / PA

Foundation Fieldbus - H1Classificao: FieldbusCrescente nmero de fornecedores de equipamentosTopologia: Barramento / Estrela Velocidade de transmisso: 31.25 kbpsTempo de Ciclo c/ 256 Discretas (16 Ns c/ 16 E/S): < 100 msMax. nmero de ns: 240 /segmento - 65.000 segmentosDistncia Mxima: 1900m (31.25 K) Cliente / Servidor - Notificao de eventos

Arquitetura Tpica Foundation Fieldbus H1

Arquitetura Tpica Foundation Fieldbus HSEHSE high speed ethernet trabalha a 100 Mbits/s e fornece integrao de controladores de alta velocidade (CLPs) e subsistemas

Principais Tecnologias ExistentesModbusETHERNETNo existe uma soluo nica que atendaa todas as necessidades de comunicao de dadosem automao industrial.

ConclusesAs linguagens de programao de CLPs j seguem um padro, sendo que as mais utilizadas so Ladder e Grafcet;As outras linguagens esto difundindo-se;Atualmente, as redes industriais so aplicadas, na maioria das vezes, em processos de grande porte;Os protocolos mais aplicados, ultimamente, so o Profibus e ASi;Em pequenos processos, o custo da instalao de redes razoavelmente alto;A tendncia de que as redes sejam mais utilizadas, mesmo em processos de pequeno porte.No existe uma soluo nica que atenda a todas as necessidades de um processo de comunicao de dados em automao industrial.

OBRIGADO !Filme Walking Technology

RefernciasCLP Curso Avanado, SENAI-DN.

Redes Industriais Curso Avanado, SENAI-DN.