redesind_04 - introdução aos sistemas de comunicação

1ENGG55 REDES INDUSTRIAISIntroduo aos Sistemas de

Comunicao Industrial

Prof. Eduardo Simas

([email protected])

DEE Departamento de Engenharia EltricaEscola Politcnica - UFBA

Introduo

Muitas vezes, para que a informao medida em campo seja utilizadacorretamente, necessrio transmiti-la para o local onde vai serprocessada ou analisada.

As redes de comunicao industriais fazem este papel.

Entre as funes de uma rede industrial pode-se destacar:

Transmitir a informao medida nos sensores para as unidade deprocessamento ou para os sistemas de controle e superviso daplanta;

Transmitir os comandos enviados pelos sistemas de controle esuperviso para os elementos atuadores (motores, vlvulas, fornos,etc).

Neste mdulo sero estudados alguns padres de comunicao utilizadosem redes industriais.

2Prof. Eduardo Simas DEE/UFBA

Introduo

Ao longo dos anos o modo de transmisso da informao nos ambientesindustriais foi gradualmente evoluindo em busca de tecnologias maisavanadas.

Atualmente os protocolos de redes de campo esto cada vez maisdifundidos.

Prof. Eduardo Simas DEE/UFBA 3

Fig. retirada de: L. A. Guedes (2005)

Classificao das Redes para Automao

industrial, Notas de Aulas DCA/UFRN

Introduo

As redes de comunicao por sinais eltricos foram introduzidas em ambientesindustriais a partir de da dcada de 1960 e permitiu a substituio de grandequantidade de tubos utilizados para a transmisso pneumtica.

Isso contribuiu para:

Reduzir os custos de instalao;

Reduzir o tempo de transmisso dos sinais.

Inicialmente os sensores geravam sinais analgicos que eram transmitidos para oselementos de controle (sistemas de superviso, computadores ou controladoreslgicos programveis CLPs).

A comunicao digital entre pequenos dispositivos de cho de fbrica s foiiniciada na dcada de 1980 e sua aceitao aumentou apenas na dcada seguinte.

Com o aumento da complexidade dos sistemas automatizados, foram propostosdiferentes protocolos (padres) de comunicao para redes industriais.

Se tornou necessrio trabalhar no sentido de uniformizar os protocolos e garantira interconexo de dispositivos de diferentes fabricantes.


Introduo aos Sistemas de Comunicao



Um sistema de comunicao simples formado por: fonte de informao,transmissor, canal (ou meio) de transmisso, receptor e destino.

O objetivo enviar o contedo de uma mensagem (informao) de umlocal (transmissor) para outro (receptor).



Os sistemas de comunicao podem ser classificados quanto natureza dainformao transmitida em:

Analgico

Digital

Uma fonte de informao analgica pode ser convertida para digital porum processo chamado converso A-D (analgico-digital).

A converso A-D envolve a execuo de algumas etapas como:

Amostragem (amostras do sinal analgico devem ser tomadas aintervalos que respeite o limite de Nyquist para amostragem segura)

Quantizao (os valores da amplitude do sinal analgico soaproximados pelo nvel de quantizao mais prximo, esse processointroduz erros de quantizao)

Codificao (os nveis de quantizao so associados a palavrasdigitais)


Transmisso Analgica x Digital

O termo analgico est relacionado palavra anlogo, pois o sinal queele representa tenta representar de modo fiel o processo fsicocorrespondente.

Para a obteno de um sinal digital a partir de sua representaoanalgica preciso realizar um processo conhecido como conversoanalgico-digital(embora existam sinais naturalmente discretos no tempo,i.e. a temperatura diria, o valor de uma ao no fechamento da bolsa devalores, etc).

Considerando que:

Grande parte dos fenmenos e sinais existentes naturalmente soanalgicos.

A converso analgico-digital sempre introduz erros de quantizao aosinal digitalizado.

Ento, porque o processamento digital to difundido atualmente ?



Os circuitos digitais so mais tolerantes a variaes nos componenteseletrnicos;

O sinal digital mais imune ao rudo aditivo na transmisso (mais simples deminimizar o erro em cada bit, pois este s pode assumir os valores 0 ou 1);

A crescente disponibilidade de dispositivos para o processamento digital(computadores pessoais, sensores digitais equipamentos mveis, hardwarededicado, etc);

possvel utilizar sinais multiplexados por diviso no tempo.

Desvantagens:

So necessrias duas etapas adicionais para o processamento de um sinalanalgico (conv. AD e DA).

Os circuitos de processamento digital, em geral, consumem mais energiaque os analgicos, pois utilizam sempre dispositivos eletrnicos ativos nasua construo.




Sinal analgico Sinal amostrado e quantizado



no processo de codificao que osdiferentes nveis de quantizao soassociados s palavras digitais.

No exemplo ao lado uma codificao a 4 bits utilizada para representar at 16 nveis dequantizao diferentes.

O nmero de nveis de quantizao (NQ) quese pode representar funo do nmero debits (NB) de codificao utilizada:

O mximo erro de quantizao pode serestimado por:

Sendo x a faixa de excurso (range) da varivel.



Sinal digital

As informaes das

amostras quantizadas

do sinal analgico so

representadas por

palavras digitais

Anlise no Domnio da Frequncia

A informao contida num sinal pode ser melhor interpretada se ele foranalisado num domnio diferente do original.

As operaes matemticas que realizam uma mudana de domnio numafuno so chamadas de transformadas.

A Transformada de Fourier realiza a transformao de um sinal h(t) nodomnio do tempo para um sinal H(w) no domnio da frequncia:


Anlise no Domnio da Frequncia

Neste slide so mostrados exemplos de um sinal no domnio do tempo x(t)e seu respectivo espectro de frequncias.

A presena de altas frequncias indica que o sinal no domnio do tempotem variaes rpidas.

Para sinais de udio as baixas frequncias correspondem aos sons graves eas altas frequncias aos agudos.


Anlise no Domnio da FrequnciaExemplos de Pares da Transformada de Fourier


Tcnicas de Modulao / Multiplexao

Para possibilitar a transmisso de mais de um sinal de informaocompartilhando o mesmo meio de transmisso necessrio utilizartcnicas de modulao ou de multiplexao.

As tcnicas de modulao consistem basicamente em aproveitardiferentes faixas do espectro de frequncia disponvel no meio detransmisso para enviar informaes de diferentes fontes ao mesmotempo (Exemplos: Modulao AM, FM, PM, ASK, QAM, etc).

De modo anlogo, o processo de Multiplexao tem o objetivo detransmitir diversas fontes de informao utilizando o mesmo meio, mas demodo intercalado ou multiplexado (Exemplos: Multiplexao por divisono tempo, multiplexao por diviso na frequncia, multiplexao pordiviso no comprimento de onda);


Exemplo Modulao AM

Um sinal x(t) multiplicado por umaportadora senoidal defrequncia fixa econhecida f:

XAM(t)=x(t)sen(2ft + )

Deste modo ainformao de x(t) movida para a faixade frequncias emtorno de f.


Exemplo Modulao AM


Exemplo Modulao FSK

Nesta forma de modulao a frequncia do sinal transmitido varia com ovalor do sinal de informao digital:


Exemplo Multiplexao por Diviso no Tempo

Na multiplexao por diviso no tempo, as informaes digitais dediversas fontes so transmitidas por um mesmo meio de modointercalado no tempo (aproveitando intervalos de tempo que no seriamutilizados na transmisso de apenas um canal).

A taxa de transmisso de informao no meio a soma das taxasindividuais de cada fonte.


Multiplexao por Diviso na Frequncia Os sinais de informao so deslocados da banda base para diferentes faixas de

frequncia e transmitidos ao mesmo tempo. Se no houver sobreposio nosespectros possvel recuperar a informao original de todos os canais.


Padres Analgicos de Comunicao Industrial


Padres Analgicos

Os padres de transmisso de informao a partir de sensores com sada analgicaainda so utilizados em plantas industriais (embora com aplicaes reduzidas).

O Padro ISA S50.1-1972 regulamenta o uso destes sinais. Os valores da varivel eltricadevem ser proporcionais aos sinais de informao a serem transmitidos.

Padres existentes:

0-5V, 0-10V, 1-5V, 2-10V, 4-20mA, 1-5mA, 0-20mA, e 10-50mA.

Padres de tenso:

So de fcil entendimento;

So bastante afetados pela impedncia da linha.

Padres de corrente:

Maior imunidade rudo;

Pode ser transmitido a longas distncias pois possui relativa independncia no quese refere ao comprimento do cabo.


Padro 4-20 mA


Padro 4-20 mA

Caractersticas:

Utiliza uma malha de corrente com variao de 4 a 20 mA.

A variao de corrente na malha em geral linearproporcionalmente varivel do campo.

Vantagens:

Imunidade ao rudo

No existe perda de sinal

Desvantagens:

No muito intuitivo o uso de variaes de corrente.


Padro 4-20 mA

Malha de Corrente:


Protocolo Hart


Protocolo Hart

O protocolo Hart (Highway Addressable Remote Transducer) foidesenvolvido no incio dos anos 80 por Rosemount.

um protocolo aberto.

Em 1993 foi criado o HART Communication Foundation para proversuporte e gerenciar o protocolo.

Caractersticas:

Possibilita comunicao de forma digital entre dispositivos de campo econtroladores;

Comunicao bidirecional no interfere no sinal analgico 4 20 mA;

Utiliza chaveamento de frequncia (FSK) com frequncia de 1200 Hzpara binrio 1 e a frequncia de 2200 para binrio 0.


Protocolo Hart


Padro de modulao FSK utilizado no protocolo HART:

Protocolo Hart

A separao no domnio da frequncia permite a utilizao do mesmomeio de transmisso (em geral o par tranado) para o sinal analgico e osinal do protocolo HART.


Protocolo Hart

Caractersticas: Taxa de transmisso de 1200 bps O valor indicado pelo sensor transmitido no sinal de 4 a

20 mA enquanto medidas adicionais, configurao,calibrao, etc.

Pequena variao de tenso

Tipos de comunicao entre dispositivos: mestre-escravo (um dispositivo mestre faz as solicitaes

de informao aos escravos); Brust (ou rajadas, neste modo os frames de dados so

enviados apenas quando necessrio); Etc.


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