Redes Industriais Redes industriais são necessárias devido à crescente informatização das empresas Todas as etapas do processo produtivo devem ser informatizadas.

Apresentação em tema: "Redes Industriais Redes industriais são necessárias devido à crescente informatização das empresas Todas as etapas do processo produtivo devem ser informatizadas."— Transcrição da apresentação:

1 Redes Industriais Redes industriais são necessárias devido à crescente informatização das empresas Todas as etapas do processo produtivo devem ser informatizadas O projeto do produto A produção em escala industrial O controle de qualidade O controle do estoque de peças ou da matéria-prima usada para produção O sistema de vendas ou de encomenda do produto O objetivo final é aumentar a eficiência, reduzindo os custos de produção, venda e distribuição do produto

2 O Processo de Produção O processo de produção passa por várias etapas executadas por diferentes elementos presentes no ambiente industrial A tendência no ambiente industrial é de se ter vários subsistemas com uma certa autonomia, com cada um sendo responsável por parte do processo de produção Tipos de equipamento presentes em cada subsistema do ambiente industrial são bastante diversificado Computadores são usados p/ projeto e supervisão Controladores de alto nível coordenam todo o processo de produção No chão de fábrica são usados robôs, esteiras, tornos, sensores, atuadores ...

3 Uso de Redes no Ambiente Industrial
Redes são usadas para integrar os equipamentos presentes em um determinado subsistema reponsável por parte do processo de produção Cada subsistema adota o tipo de rede mais adequado para si levando em conta o tipo de equipamento que utiliza e os requisitos da atividade que executa Subsistemas devem estar interligados para que sejam feitos a coordenação das atividades e a supervisão do processo produtivo como um todo Resultado: não existe um tipo de rede que seja capaz de atender a todos os requisitos dos diversos subsistemas existentes em um ambiente industrial

4 Requisitos de Redes Industriais
Os requisitos do ambiente industrial e seus processos de produção são geralmente diferentes daqueles presentes em redes locais de computadores Tipos de rede específicos para o ambiente industrial podem ser necessários Exemplo de requisitos de redes industriais: Boa resistência mecânica Resistência a chama, umidade e corrosão Alta imunidade a ruídos Taxa de erros baixa ou quase nula Tempo de acesso e de propagação limitados Tempo entre falhas e tempo de reparo baixos Boa modularidade e possibilidade de interconexão

5 Par trançado assíncrono (4 fios)
Meio de Transmissão Em ambiente industrial geralmente se usa codificação digital por variação da corrente (4-20mA) por esta ser menos susceptível a interferências eletromagnéticas Resist. Mecânica Taxa de Transm. Distância Erro Custo baixa Fibra ótica alta Cabo coaxial Par trançado assíncrono (4 fios) Par trançado (2 fios)

6 A Arquitetura MAP/TOP MAP: Manufacture Automation Protocol Iniciado em 1980 por iniciativa da GM, logo contando com a adesão de HP, DEC, IBM, etc. Busca interligar equipamentos desde o chão de fábrica até o nível de vendas, permitindo que pedidos de compra resultem automaticamente na manufatura e entrega do produto TOP: Technical and Office Protocol Surgiu em 1983, criado pela Boeing Tem por finalidade automatizar a parte técnico-administrativa de empresas, com soluções para comunicação entre usuários, edição de texto, CAD, bases de dados e trabalho cooperativo MAP e TOP se uniram em 1986

7 Física Enlace Rede Transporte Sessão Apresentação Aplicação MAP TOP
As Camadas MAP/TOP Banda Larga Banda de Base Física IEEE802.2 – LLC tipo 1 IEEE802.4 – Token Bus IEEE802.2 – LLC tipo 1 IEEE802.3 – CSMA/CD Enlace ISO 8473 (IP modificado) Rede ISO 8073 – TP4 Transporte ISO 8326/8327 Sessão ISO 8822 – ASN.1 Apresentação VTP, DS, FTAM +MMS VTP, DS, FTAM Aplicação MAP TOP

8 As Camadas Física e de Enlace
Camada Física MAP: transmissão em banda larga TOP: transmissão em banda de base Camada de Enlace MAP: usa Token Bus (também pode operar com Token Ring); controle de acesso por ficha; tempo de acesso determinístico TOP: usa CSMA/CD Ethernet; barramento com colisões; não-determinístico Ambos usam LLC tipo 1 (IEEE 802.2) no enlace lógico

9 As Camadas de Rede, Transporte e Sessão
Camada de Rede ISO 8473, baseado no IP mas com formatos de endereços e quadros ligeiramente diferentes Protocolo sem conexão e sem correção de erros Camada de Transporte ISO 8073 – protocolo de transporte nível 4 (TP4) Com conexão, controle de erros e de fluxo, com fragmentação e reordenamento de mensagens Fornece um canal confiável de transmissão Camada de Sessão ISO 8326/8327 Serviço de comunicação full-duplex e com resincronização

10 As Camadas de Apresentação e de Aplicação
Camada de Apresentação ISO 8822 Representação de dados no formato ASN.1 Camada de Aplicação MAP: MMS (Manufacture Message Service) TOP: , colaboração, etc. Em ambos: VTP: terminal virtual DS: serviço de diretório FTAM: tranferência de arquivo

11 LLC tipo 1 ou 3 MAC Token Bus
Variantes do MAP Banda Base LLC tipo 1 MAC Token Bus Inexistentes EPA Física Enlace Rede Transporte Sessão Apresentação Aplicação Banda Larga ISO 8473 ISO 8073 ISO 8326/8327 ISO 8822 FTAM, VTP, DS, MMS, etc. MAP LLC tipo 1 ou 3 MAC Token Bus Mini-MAP

12 MAP/EPA Provê duas pilhas de protocolos A pilha MAP contém todas as camadas do MAP convencional A pilha EPA contém somente as camadas de aplicação, de enlace e física EPA: Enhanced Performance Architecture MAP/EPA usa banda de base a 5 Mbits/s ao invés de banda larga como no Token Bus original No EPA os serviços de aplicação são construídos diretamente sobre a LLC tipo 1

13 Mini-MAP Mini-MAP suprime completamente as camadas de rede, transporte, sessão e apresentação do OSI Evita o alto custo das 2 pilhas de protocolos que ocorre no MAP/EPA Como no EPA, serviços de aplicação são construídos diretamente sobre o enlace Também é usada banda de base a 5 Mbits/s A diferença se encontra no uso de LLC tipo 3 (datagrama com reconhecimento) além do tipo 1 Com reconhecimentos a nível de enlace, a implementação de serviços de aplicação é facilitada Mini-MAP é usado na comunicação entre elementos mais simples como sensores e atuadores

14 MMS Serviço de Mensagens de Manufatura Conjunto de serviços de comunicação oferecido a aplicações industriais Usado na interação entre equipamentos industrias programáveis como robôs, tornos, controladores, etc. Provê mecanismos para: Carga remota de programas Controle remoto de equipamento Elaboração de relatórios de produção etc.

15 Modelo MMS Equipamento virtual de manufatura (VMD) Representa o equipamento real de produção Recursos do equipamento são modelados como objetos virtuais Recursos podem ser acessados através dos pontos de acesso a serviço (SAPs) do VMD Processo de aplicação (AP) Usuário dos serviços MMS Possui um ou mais VMDs Se comunica com outros APs de acordo com o modelo cliente-servidor O cliente requisita a operação no servidor O servidor executa a operação

16 Serviços MMS MMS possui 84 primitivas de serviço utilizadas para: Estabelecimento e manutenção de diálogo entre usuários MMS Obtenção de informações sobre VMDs Carregamento e armazenamento de programas e dados em equipamentos de produção Execução remota de programas em VMDs Gerenciamento do acesso concorrente a recursos de produção fornecidos por VMDs Interação com o operador do equipamento Definição e tratamento de eventos de produção Criação de relatórios sobre o funcionamento da célula de produção

17 Fieldbus Fieldbuses eliminam a necessidade de se utilizar várias interfaces ponto-a-ponto, uma para cada equipamento Fieldbuses substituem as interfaces digitais ponto-a-ponto (como RS232, RS422, etc.) por um barramento ao qual todos os equipamentos são conectados Os fieldbuses são geralmente usados na comunicação em ambiente industrial e veicular Existem diversos tipos de fieldbus Profibus (norma alemã) ISA SP-50 (norma americana) FIP (norma francesa) etc.

18 Estrutura Física de Fieldbuses
  Controlador Controlador IF IF Placa de Rede A S A A A S S S A S A Processo Industrial S Processo Industrial Sist. de Controle Tradicional X Sist. de Controle com Fieldbus

19 Vantagens dos Fieldbuses
Reduzem a cablagem e o número de interfaces usadas Limitam a complexidade do projeto da rede Reduzem o número de canais de comunicação entre os processos de controle e o equipamento industrial Maior modularidade da rede, facilitando sua expansão Facilidade de instalação e de manutenção Tempo de acesso (1-10ms) menor que de MAP/EPA e Mini-MAP (100ms) devido a sua menor complexidade Baixo custo, o que torna os fieldbuses ideais para inteligação de componentes mais simples Maior compatibilidade devido ao uso de padrões Eliminação da dependência de um só fornecedor, reduzindo ainda mais os custos devido à competição

20 Arquitetura Genérica de Fieldbuses
Assim como em MAP/EPA e Mini-MAP, as camadas de 3 a 6 são suprimidas da pilha As funções indispensáveis para comunicação executadas pelas camadas suprimidas são absorvidas pelas camadas 2 (enlace) e 7 (aplicação) Os cabeçalhos e terminadores de mensagens são reduzidos ao estritamente necessário para aproveitar da melhor forma possível a capacidade de transmissão O mecanismo de acesso ao meio deve propiciar um tempo de acesso limitado (determinístico)

21 FIP FIP = Factory Instrumentation Protocol Padrão proposto pelo governo Francês + empresas Procura levar em conta as restrições de tempo das aplicações de chão de fábrica Segue um modelo de transmissão do tipo produtor-consumidor com controle de acesso centralizado Pode ser encontrado em chips que implementam as 3 camadas do padrão FIP

22 Camada Física Meios de transmissão usados pelo FIP Par trançado (blindado ou não) Fibra ótica Velocidades de transmissão S1: Kb/s, para distâncias de até 2000m S2 (padrão): 1Mb/s, <500m, par trançado blindado S3: 2.5 Mb/s, <200m, par trançado blindado Usa codificação Manchester (relógio + dados) Suporta até 256 estações O barramento pode ser dividido em segmentos interligados por repetidores

23 Camada de Enlace Transmissão no FIP é totalmente baseada em difusão (broadcasting), segundo o princípio de que um dado pode interessar a várias estações As mensagens trocadas pela rede têm a forma de variáveis que tem seu valor definido por um produtor e são usadas por um ou mais consumidores Um “Árbitro do Barramento” controla o acesso ao meio definindo que variável deve ser transmitida em um determinado instante; o produtor então a envia, e os consumidores lêem o seu valor Endereços não são utilizados: o produtor sabe que variáveis produzir, e estas são difundidas na rede para todos os possíveis consumidores

24 Camada de Aplicação FIP possui um subconjunto das mensagens industriais definidas pelo padrão MMS Possui ainda uma família de serviços denominada MPS (Message Periodic/aperiodic Services) Serviços MPS são usados para ler/escrever valores de variáveis ou listas destas, ler descrições das variáveis, e para fazer sincronização dos elementos da rede FIP possui ainda uma série de funções de gerenciamento da rede usadas para definir variáveis, detectar e corrigir falhas, etc.

25 Profibus Profibus = Process Field Bus Criado por iniciativa da Siemens, Bosch, e Klockner-Moeller em 1987 Norma Alemã DIN V19245 Suportado por >100 empresas A comunicação pode ser: com conexão: comunicação confiável sem conexão: para broadcast ou multicast

26 Camada Física Usa interface padrão RS-485 e barramento de par trançado blindado de 130 O barramento pode ser dividido em até 4 segmentos Cada segmento pode ter até 32 elementos, resultando em um máximo de 128 elementos por barramento Usa codificação tipo NRZ Velocidades de transmissão: 9.6, 19.2 e Kb/s para distância < 1200m 187.5 Kb/s para distância < 600m 500 Kb/s para distância < 200m

27 Início Destino Origem Controle ... Dados ... CRC Fim Camada de Enlace
Usa método mestre/escravo combinado com passagem de ficha para controlar o acesso ao meio estações mestres dispostas em um anel lógico no qual o acesso é controlado por passagem de ficha estações escravas só acessam o meio por ordem do mestre de posse da ficha Quadros são formados por caracteres UART (11 bits) A transferência dos dados é feita sempre com confirmação positiva por parte do receptor Início Destino Origem Controle ... Dados ... CRC Fim

28 Camada de Aplicação Usa subconjunto MMS chamado FMS (Fieldbus Message Specification) Possui ainda serviço FMA (Fieldbus Management) para gerenciamento da rede LLI (Lower Layer Interface) faz a conexão com a camada de enlace ALI (Application Layer Interface) fornece uma interface de mais alto nível para as aplicações

29 ISA SP-50 ISA SP-50 = Instrumentation Society of America Standard & Practices 50 Candidata a se tornar o padrão mundial Camada Física: Meio de transmissão H1: par trançado a Kb/s em topologia de barramento ou estrela H2: par trançado a 1Mb/s em barramento e distância máxima de 750m com 30 estações Adaptações permitem uso de fibra ótica e rádio Condificação em Manchester

30 Camada de Enlace Controle de acesso por ficha + mestre/escravo Tipos de estação: Iniciadoras podem pedir ficha e transmitir Escravas só transmitem quando solicitado Mestres podem agir como iniciadora ou escrava; elegem um líder que controla o acesso Pontes interligam segmentos de rede Líder autoriza estações que solicitaram ou reservaram acesso a transmitir ou circula a ficha entre mestres Serviços de enlace Transmissão de dados com ou sem conexão Gerenciamento de buffers de dados Escalonamento de acesso ao meio

31 Camada de Aplicação Serviços MCSE (Message Common Service Element): estabelece e interrompe conexões entre aplicações Serviços IMSE (Industrial Message Service Element): semelhante ao MMS Serviços DDM (Distributed Database Maintenance): permite o acesso a bases de dados distribuídas Serviços de Geranciamento: controla inicialização de endereços, sincronização, escalonamento, faz diagnóstico de erros, otimiza desempenho, etc. Além da camada de aplicação, o SP-50 possui uma camada de usuário, que fornece uma interface amigável para o programador de aplicações

32 CAN CAN = Controller Area Networks Proposto pela Bosch Normas ISO e 11898 Desenvolvido inicialmente para veículos, mas devido à sua comprovada confiabilidade e robustez também está sendo adotado em aplicações industriais Existem implementações em um só chip (Intel 85526, Philips 82C200, Motorola 68HC05, NEC 72005, etc.) Tem baixo custo: menos de $10 por nó

33 Camada Física Usa par trançado (blindado ou não) ou fibra ótica Velocidade de até 1Mb/s dependendo da distância Suporta até 32 nós por barramento Usa codificação NRZ Linhas CAN_H e CAN_L se voltagem em CAN_H > CAN_L => bit 1 se voltagem em CAN_L > CAN_H => bit 0 Confiável: continua funcionando mesmo se um dos cabos é rompido um dos cabos é conectado ao sinal elétrico um dos cabos é conectado ao terra

34 Camada de Enlace Acesso ao meio CSMA/CD com resolução de colisão Mensagens são identificadas por um rótulo e trazem um dado (valor) correspondente; rótulos menores significam que a mensagem tem maior prioridade Quando duas estações tentam transmitir ao mesmo tempo, a prioridade define que mensagem deve prevalecer; a mensagem de menor prioridade deve aguardar para ser transmitida Estações não possuem endereços: mensagens são difundidas na rede e estações interessadas as lêem Mensagens tem campo de dados de no máx. 8 bytes É possível requisitar um certo dado enviando uma mensagem com o rótulo correspondente e marcando o bit RTR (remote transmission request) da mensagem

35 Camada de Aplicação Camada de aplicação não é definida pelo padrão CAN Áreas de aplicação diferentes definem seus próprios protocolos de aplicação Exemplo: protocolo DeviceNet para interconexão de CLPs e sensores inteligentes Os rótulos para identificação de mensagens também são padronizados para cada área de aplicação Exemplo: a indústria de motores define que o identificador representa a corrente no motor, enquanto representa a velocidade medida pelo tacômetro

36 Camada de Aplicação O grupo CiA (CAN in Automation) definiu uma estrutura de camada de aplicação para o uso de redes CAN no ambiente insdustrial CMS: CAN Message Services Fornece serviços de leitura/escrita de variáveis e tratamento de eventos Baseado no MMS NMT: Network Management Serviços de inicialização e gerenciamento da rede DBT: Distributor Serviços de identificação dinâmica de mensagens com base em nomes definidos pelos usuários

37 Bitbus Desenvolvido pela Intel, tornou-se padrão IEEE 1118 Alternativa para os Fieldbuses Integra os componentes de nível mais baixo: sensores, atuadores e instrumentos de medição Camada Física Topologia: barramento Interface: RS-485 Velocidade: até 2.4 Mbps em modo síncrono (4 fios) ou 1 Mbps em modo assíncrono (2 fios) Cada segmento suporta até 28 estações Uso de repetidores permite conectar até 250 elementos na rede

38 Camadas de Enlace e Aplicação
Camada de Enlace Acesso ao meio mestre/escravo Protocolo SDLC (Synchronous Data Link Control), implementado pelo processador Intel 8044 Camada de Aplicação Serviços RAC (Remote Acess and Control): permitem o controle e o acesso a sensores e atuadores

39 Interbus Desenvolvido pela Phoenix Contact, da Alemanha Várias outras empresas fabricam produtos compatíveis Está sendo padronizado pela DIM e pela IEC Usado para interligação de sensores e atuadores a um elemento inteligente (CLP, CNC, etc.) Caracterísiticas Físicas: Topologia: anel Número máximo de estações : 256 Distância: até 13 Km sem repetidores; até 400m entre duas estações consecutivas Taxa de transmissão: 500 Kbps

40 Camada de Enlace Método de acesso mestre/escravo Um quadro com campos destinados a cada escravo, chamado quadro concatenado, circula no anel Cada escravo verifica o campo destinado a ele, altera o valor do campo se julgar necessário, e repassa o quadro para o escravo seguinte O processo se repete até que o quadro passe por todos os escravos e retorne ao mestre O tempo de varredura dos escravos é determinista, obtido em função do número de escravos no anel

41 Camada de Aplicação PMS: Peripheral Message Services Subconjunto do MMS Gerencia conexões Gerencia objetos Identifica e verifica o estado do sistema Permite o acesso a variáveis Gerencia a carga de programas

42 AS-I Actuator/Sensor Interface Desenvolvida por um consórcio de 11 empresas Usada para interligação de elementos binários (sensores, atuadores, botões liga/desl., relés, etc.) a um elemento inteligente (CLP, CNC, PLC, PC, etc.) Vantagens: baixo custo e simplicidade Pode ser interconectada com CAN, Profibus, FIP, Interbus, RS-232, RS-485, etc.

43 Camada Física Topologia: mista - estrela, série, barra, árvore, ou uma combinação destas topologias Módulos com um chip AS-I permitem a conexão de elementos binários à rede Cada módulo pode ter até 4 entradas e 4 saídas digitais de 1 bit Meio de transmissão: cabo com 2 fios, também usado para alimentar os módulos com 24V DC Número de módulos: máximo de 31 Tamanho do segmento: até 100m por segmento (300m com repetidores) Tempo de varredura dos módulos: máximo de 5 ms (frequência de operação: 167KHz)

44 Camada de Enlace Método de acesso mestre-escravo O elemento inteligente executa a função de mestre Cada módulo assume o papel de um escravo Escravos são contactados de maneira cíclica: Mestre envia quadro de 17 bits (4 bits de dados, um para cada porta de entrada) ao escravo Se for necessário, o escravo responde com quadro de 7 bits (4 bits de dados, um para cada saída) Detecção de erro: bit de paridade nos quadros Endereço dos escravos: 5 bits (valor de 1 a 31)

45 GPIB GPIB (General-Purpose Interface Bus) é o principal tipo de rede de instrumentação disponível no mercado Criado pela HP Tornou-se a norma IEEE / IEC 625-1 Problemas para uso em redes industriais: Cabos e interface caros Sinal sensível a perturbações Barramento curto (<20m)

46 Camada Física Meio de transmissão: barramento paralelo c/ 16 linhas 8 para dados 3 para controle (handshake) 5 para gerenciamento Codificação Sinal > 2V => Bit 0 Sinal < 0,8V => Bit 1 Cada baramento pode ter até 15 estações Comprimento máximo: 20m Taxa de transmissão: 1Mbps

47 Camada de Enlace Método de acesso mestre/escravo Estação controladora (mestre) coordena o acesso ao barramento Define a estação emissora e a(s) estação(ões) receptora(s) para cada janela de transmissão

48 Ethernet Industrial As redes Ethernet, que são o padrão usado em >95% das redes locais de computadores, estão sendo usadas também no chão de fábrica Vantagens: Baixo custo ($10-20) Grande disponibilidade no mercado Compatibilidade entre fabricantes diferentes Facilidade de interconectar com o resto do processo industrial Problema: como o método de acesso usado é por colisão, não existe um limite de tempo de propagação Diversas soluções estão sendo adotadas para limitar o o tempo de propagação de mensagens

49 O Padrão Ethernet O padrão define as características do meio físico e a camada de acesso ao meio Usa cabo coaxial de 50 (máx. 500m, 100 máquinas); também podem ser usados par trançado e fibra ótica Velocidades de 1, 10, 100 Mb/s ou 1 Gb/s O quadro de dados tem o seguinte formato: Na camada MAC é usado o método de acesso múltiplo com detecção de colisão 1-persistente Destino Origem Tam. Dados Prench. Cód. Erro 8 bytes ou ou bytes

50 Limitação do Tempo de Propagação
São usadas técnicas para contornar o problema do tempo de resposta ilimitado Técnica de Limitação da Carga O número de elementos no segmento é limitado Se mais elementos precisam ser interconectados à rede, estes são colocados em um segmento em separado interconectado por uma ponte O tráfego é mantido em <2% da capacidade total Com isso, o número de colisões é bastante reduzido e o tempo de resposta se mantém aproximadamente constante

51 Limitação do Tempo de Propagação
Uso de Switch Ethernet Cada equipamento tem um segmento full-duplex p/ se comunicar com o switch => não há colisões! O switch também pode implementar políticas de escalonamento de quadros, limitando o tempo de propagação Uso de protocolos sobre a rede Ethernet Protocolos construídos sobre a rede coordenam o tempo de acesso usado por cada nó da rede São usadas estampas de tempo nos quadros

52 Ethernet Industrial: Conclusões
Existem propostas de soluções para o problema do tempo de resposta ilimitado na Ethernet, mas ainda há problemas a resolver Soluções ainda são proprietárias; IEA (Industrial Ethernet Association) tenta definir um padrão comum a ser adotado pelos fabricantes Conectores RJ-45 são pouco resistentes; solução: usar DB-9 ou conector não-padrão Ainda não é usada no nível mais baixo da rede indus-trial; solução: integrar todo o suporte em um chip Interferência da rede corporativa no tráfego do chão de fábrica; solução: cuidado no projeto de rede para isolar o tráfego com uma ponte ou gateway

53 ARCNET Attached Resource Computer Network, da Datapoint Rede local, também usada em ambiente industrial Meio de transmissão: Par trançado Cabo coaxial Fibra ótica Topologia: anel ou barramento Velocidade: 2.5 Mbps Número de nós: 254 Controle de acesso ao meio por passagem de ficha Adequada a instalações industriais devido ao tempo de acesso ao meio limitado, boa topologia e baixo preço

54 Token Ring Produto da IBM, tornou-se padrão IEEE 802/ISO 8802 Rede local, também usada em ambiente industrial Meio de transmissão: Par trançado Cabo coaxial Topologia: anel Velocidade: 4 ou 16 Mbps Número de nós: 255 Controle de acesso ao meio por passagem de ficha Vantagem: tempo de acesso ao meio limitado Desvantagens: alto custo e flexibilidade limitada

55 Redes SINEC Produto da Siemens Oferece alternativas que englobam todos os níveis hierárquicos da automação SINEC H1: rede tipo Ethernet SINEC H2: rede tipo MAP SINEC L1: Filedbus proprietário da Siemens SINEC L2: rede tipo Profibus, em 3 variantes: FMS: para interligação de equipamentos inteligentes autônomos (CNCs, CLPs, PCs, etc.) DP: para interligação de elementos remotos de entrada/saída (CLPs, sensores e atuadores) PA: para interligação de equipamentos de instrumentação