redes industriais e sist supervisorios 1

7/21/2019 Redes Industriais e Sist Supervisorios 1

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Prof. André Sarmento Barbosa | http://www.andresarmento.com

1 Redes Industriais e Sistemas Supervisórios

CAPÍTULO 1INTRODUÇÃO

Redes industriais são essencialmente sistemas distribuídos, ou seja, diversos elementos trabalham deforma simultânea a fim de supervisionar e controlar um determinado processo. Tais elementos (sensores,

atuadores, CLP’s , CNC’s, PC's, etc), necessitam estar interligados e trocar informações de forma rápida e

precisa.

No início, os sistemas eram baseados em controladores de malha única de realimentação (Single-Loop

Controllers– SLC).

Diagrama de um sistema em malha única de realimentação

Nos anos 60 surgiram os sistemas de controle digital direto (Direct Digital Controller - DDC). O

desenvolvimento do controle industrial tem sido fortemente influenciado pela tecnologia dos

microprocessadores e microcontroladores que tende a tornar o controle de processo totalmente

distribuído. Mesmo antes da revolução da eletrônica digital, a qual proporcionou o surgimento do DDC e oque se seguiu os controles já eram distribuídos, a diferença fundamental é que estes não tinham um

funcionamento integrado, muito pelo contrario, funcionavam de forma desorganizada através de um

conjunto de malhas de controle independentes.

As primeiras aplicações do computador no controle de processos foram forçosamente centralizadas,

devido ao alto custo do mesmo (minis e grandes computadores). O controlador era fixado próximo à

unidade que ele controlava, assim, o operador estando em um ponto de controle, não tinha informações

do que estava ocorrendo no resto da planta industrial.

O que se seguiu então foi uma evolução do sistema com a adoção de várias melhorias, por exemplo, com o

desenvolvimento dos transmissores foi possível levar os sinais da variável de processo até uma sala de

http://pt.wikipedia.org/wiki/Controlador_l%C3%B3gico_program%C3%A1vel





http://pt.wikipedia.org/wiki/Controle_Num%C3%A9rico_Computadorizado





http://pt.wikipedia.org/wiki/Controle_de_malha_fechada









controle central onde os controladores realizariam as devidas correções e os sinais retornariam

ao campo para atuar os elementos finais de controle.

Possível diagrama de um DDC

Numa unidade fabril não existia somente uma sala de controle, mas várias, cada uma concentrava

informações sobre determinada área da planta industrial. Outra sala de controle, outra área, e assim por

diante. Podemos perceber que não existia uma integração de todas as informações das variáveis da planta

industrial. O operador estando em um ponto de controle não tinha informações do que estava ocorrendo

no resto da planta.

Hoje os DDCs estão praticamente extintos.

Atenção! Entenda que estamos nos referindo aos DDCs de muitos anos atrás, onde tanto computadores

como painéis eram realmente grandes, apesar disso, o diagrama mostrado na figura ainda é válido,

podendo caber em um espaço muito reduzido e se comunicar com outros DDCs, o que nos leva ao SDCDs.

Na década de 90 surgiram os Sistemas Digitais de Controle Distribuído.

Os Sistemas Digitais de Controle Distribuído (SDCD)

O Sistema digital de controle distribuído ou SDCD tem como função primordial o controle de processos de

forma a permitir uma otimização da produtividade industrial, estruturada na diminuição de custos de

produção, melhoria na qualidade dos produtos, precisão das operações, segurança operacional, entre

outros. O sistema é dotado de processadores e redes redundantes e permite uma descentralização do

processamento de dados e decisões, através do uso de unidades remotas na planta. Além disso, o sistema

oferece uma interface homem-máquina (IHM) que permite o interfaceamento com controladores lógicos

programáveis (CLP), controladores PID, equipamentos de comunicação digital e sistemas em rede.

http://en.wikipedia.org/wiki/Human_machine_interface



http://pt.wikipedia.org/wiki/PID









Em um SDCD, DDCs bem mais sofisticados implementam um grande numero de malhas de controle em um

único computador, que centraliza um conjunto de informações e funções de controle. Estes DDCs são

conectados via um barramento de comunicação de dados que inclui ainda um sistema supervisório.

Sistema digital de controle distribuído

Esta realidade não trata somente de processos industriais, mas praticamente de todos os segmentos da

automação, como por exemplo:

Usinas de geração elétrica e redes de abastecimento elétrico

Sistemas de controle de meio-ambiente

Semáforos

Sistemas de automação residencial

Sistemas de tratamento de água

Refinarias de petróleo

Usinas químicas

Indústria farmacêutica Redes de sensores de monitoramento meteorológico

Topologias de Rede:

A topologia de uma rede refere-se à forma com que os enlaces físicos e os nós (módulos, PCs,

equipamentos) estão interligados. As topologias básicas são:

Topologia Estrela

Nesta topologia existe um nó central (concentrador ou mestre) que se comunica com os demais nós. O

concentrador executa o gerenciamento da comunicação entre os nós. Nesta topologia a falha em um

nó que não seja o concentrador não compromete a rede, somente o nó defeituoso. No caso de falha

no nó concentrador toda a rede fica comprometida. Esta topologia é utilizada amplamente hoje em

redes locais Ethernet (100Mbps, 1Gbps e 10Gbps).

Topologia Estrela

http://pt.wikipedia.org/wiki/Sistemas_de_Supervis%C3%A3o_e_Aquisi%C3%A7%C3%A3o_de_Dados








Topologia em Anel

Consiste na ligação sequencia fechada entre todos os nós da rede. Para colocar um pacote de dados na

rede o nó de origem envia o pacote para o nó seguinte. O pacote é passado de nó a nó até que o

destino receba e retire o pacote da rede. O maior problema das redes em anel é que se houver falhado encaminhamento de um pacote por um nó, toda a rede pode ficar paralisada.

Topologia em Anel

Topologia em Barra ou barramento:

Todos os nós estão ligados ao barramento que, ao contrário do anel, não é dividido em seções

distintas. Todos os pacotes enviados são recebidos por todos os nós ao mesmo tempo. Esta topologia é

bastante confiável. A única ressalva é que ela necessita de terminadores nas pontas do barramento

para evitar reflexões e outros problemas com os sinais transmitidos, assim, uma ruptura no

barramento pode causar a paralisação da rede.

A topologia em barra é bastante utilizada em redes industriais.

Topologia em Barra

Podemos citar outras topologias, tal como a híbrida (combinação de duas ou mais topologias anteriores),

topologia em árvore (combinação de topologias em barramento), topologia totalmente conectada

(quando há enlaces de um nó para todos os outros) e topologia em malha (quando os nós estão

interligados de maneira completamente diversa, não recaindo em nenhuma das topologias descritas

anteriormente).

Modelo OSI, modelo TCP/IP e modelo usado em redes de automação.

O modelo de referência OSI (Open Systems Interconection) da ISO (International Standards Organization)

foi criado para tratar a interconexão de sistemas abertos, sendo aplicado às redes de computadores,

telecomunicações e automação. Como se trata de uma referência (e recomendação) nem todas as

implementações seguem as sete camadas do modelo. Cada uma das sete camadas possuem funções bemdefinidas e são utilizadas para o estudo e desenvolvimento de hardware e software em redes.





Modelo OSI

O Modelo TCP/IP, utilizado na Internet e em muitas intranets, segue uma divisão mais enxuta, com quatro

camadas (acesso a rede, Internet, transporte e aplicação), sendo considerado por alguns autores e

especialistas um modelo de cinco camadas (física, enlace, rede, transporte e aplicação).

No modelo TCP/IP clássico de quatro camadas temos as camadas física e enlace sendo tratadas como uma

só (acesso à rede). No modelo de cinco camadas temos as quatro primeiras idênticas ao OSI. Em todo caso,

as camadas de sessão, apresentação e aplicação no modelo OSI são tratadas de forma conjunta em uma

única camada do modelo TCP/IP, chamada camada de aplicação.

Relação entre o Modelo OSI e o Modelo TCP/IP

Baseando-se no modelo OSI, podemos verificar que as redes de controle em sistemas de automação (redes

industriais) utilizam somente três dos sete níveis propostos no modelo, a saber: física, enlace e aplicação.

A próxima figura mostra o modelo OSI, com as áreas em cor mais escura representando as camadas

correspondentes utilizadas em redes industriais.





As funções encontradas na camada de rede do modelo OSI são desempenhadas pela camada de enlace no

modelo utilizado em redes industriais e as demais funções das outras camadas (transporte, sessão e

apresentação) são desempenhadas na camada de aplicação.

Todos estes conceitos são bastante abstratos para aqueles que nunca tiveram contato mais próximo, em

nível de programação nos sistemas de redes. O assunto tende a ficar mais claro à medida que estudamosos protocolos existentes (Ex.: TCP, IP, MODBUS, etc.)

Por agora, podemos fazer uma comparação entre os modelos abordados anteriormente e o modelo

utilizado em redes industriais (3 camadas) que talvez ajude a entender melhor o assunto, principalmente

se você já possui um conhecimento prévio de redes TCP/IP.

Modelo utilizado em automação (somente áreas escuras)

No modelo TCP/IP o programador trabalha na camada de aplicação, tendo todas as outras camadas já

implementadas (prontas para serem usadas) no Sistema Operacional, assim, sendo a programação em

redes TCP/IP mais complexa (por envolver mais camadas e mais protocolos) o esforço de programação fica

reduzido.

Nas de redes industriais temos menos camadas para nos preocupar (mais simples), em contrapartida não

há muita coisa pronta para ser usada pelo programador que terá muitas das vezes que se preocupar com

detalhes de baixo nível no nível físico e de enlace.

Para exemplificar vamos ver como seria o mapeamento de uma rede utilizando o protocolo MODBUS

funcionando sobre um barramento RS-485 (ou RS232):

Observe que as camadas 3 a 6 não são implementadas. Novamente, não se preocupe se o assunto

está por hora muito abstrato, tudo ficará mais claro quando estudarmos alguns protocolos.

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