REDES Prof. Eduardo Bonamini

Redes Industriais Necessidade da indústria pela integração de equipamentos e dispositivos em todos os níveis de automação Necessidade de tecnologias de comunicação de dados especificamente desenvolvidas para atender os requisitos industriais

– Melhorar o rendimento do controle de processos de uma indústria Objetivos:  – Melhorar o rendimento do controle de processos de uma indústria  – Aumentar eficiência, qualidade e segurança no sistema produtivo  – Facilitar a instalação dos equipamentos  – Fornecer diagnósticos rápidos e detalhados  – Facilitar a manutenção  – Configurar dispositivos com maior rapidez  – Utilizar menor quantidade de fios  – Reduzir custos

• Histórico:  – Década de 60: • Transmissão analógica (0-10V ou 4-20 mA). • Painel de instrumentos conectados diretamente aos transdutores ou atuadores.  – Década de 70: • Transmissão digital (controle digital direto entre controlador e os dispositivos de entrada/saída). • Controlador Lógico Programável (CLP).

• Histórico:  – Década de 90: • Redes de controladores de lógica programável(controle distribuído–Fieldbus). • Controlador Programável (CP) e software supervisório central, que gerencia alarmes, receita se relatórios.  – Atualmente: • Redes que interligam dispositivos de campo inteligentes (sensores e atuadores), CLPs, etc.

Níveis Hierárquicos de Redes Industriais Nível de campo:  – Rede de dispositivos de campo (sensores, atuadores, etc.) • Nível de controle:  – Rede de equipamentos inteligentes de controle como CLP’s ou computadores • Nível de gerência:  – Rede de equipamentos e sistemas inteligentes de controle como CLP’s, SDCD’s (Sistemas Digitais de Controle Distribuído), etc.  – Neste nível há a troca de dados entre equipamentos e o sistema administrativo

Níveis Hierárquicos de Redes Industriais

Níveis Hierárquicos de Redes Industriais

Níveis de Redes Industriais

Níveis de Redes Industriais Nível 0  – Sensores e Atuadores  – Instrumentação • Nível 1  – Dispositivos de Controle: PLC’s, Remotas de sistemas digitais de controle distribuídos (SDCD’s) • Nível 2  – Sistemas de Supervisão: Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA), interface homem-máquina (IHM) e otimizadores de processo dentro do conceito de APC( Advanced Process Control )’

Redes Industriais Nível 3  –Gerenciamento da Produção:MES (Manufacturing Execution System) PIMS (Process Information Management System)  –APS (Advanced Planning and Scheduling )  –LIMS (Lab Information System)  –Sistemas de Manutenção (Maintenance Management System)  –Sistema de Gestão de Ativos (Asset Management System)

Nível 4  –Sistemas Integrados de Gestão Empresarial Administração Corporativa   ERP - Enterprise Resource Planning  • Nível 5 Data Warehousing corporativos  – Utilizado para armazenar informações relativas às atividades de uma organização em bancos de dados  – EIS (Executive Information Systems)  –tem como objetivo principal dar suporte à tomada de decisão.

Redes  – Nível 2 – Databus (Computadores Hosts)  – Nível 1– Fieldbus (Dispositivos inteligentes)  – Nível 0 - Devicebus (E/S e periféricos),Sensorbus (dispositivos)

Sensorbus  – Rede utilizada para ligar sensores e atuadores.  – Transferência rápida  – Baixo custo  – Distância máxima: 200 metros  – Exemplo: AS-I e CAN

Devicebus  – rede utilizada para conectar dispositivos mais genéricos como CLPs, remotas de aquisição de dados e controle, etc.  – Transferência rápida  – Distância máxima: 500 metros  – Exemplo: DeviceNet, Profibus DP e ModbusPlus Redes Industriais

Fieldbus  – rede de equipamentos que desempenham funções específicas de controle.  – Transferência mais lenta e opera com vários tipos de dados (analógicos, digitais, parâmetros, programas, informações para o usuário).  – Distância: até 10 km  – Exemplo: HART, Profibus FMS, Fieldbus Foundation

Databus  – rede de comunicação que conecta os sistemas de supervisão aos sistemas informáticos de gestão.  – Grande volume de dados  – Transferência lenta  – Exemplo: Ethernet Redes Industriais

AS-I – ACTUATOR SENSOR INTERFACE    –Originalmente concebida para interligar sensores e atuadores com operação somente de LIGA/DESLIGA  –Utiliza cabo comum a todos os elementos da rede  –Até 100 metros  –Normas: EN50295, IEC 62026-2  –Sistema Mestre/Escravo (Varredura dos escravos)  –1 mestre por rede  –31 escravos

AS-I – ACTUATOR SENSOR INTERFACE    – O mestre possibilita as funções de diagnóstico, monitoramento contínuo da rede, reconhecimento de falhas e atribuição de endereço correto quando um nó é removido para manutenção  – É possível trocar ou adicionar escravos durante aoperação normal, sem interferir na comunicação com os outros nós. Cada um destes dispositivos tem um endereço único na rede, devendo este estar entre o endereço 1 a 31 Redes Industriais

AS-I – ACTUATOR SENSOR INTERFACE  

CAN – CONTROLLER AREA NETWORK  – Desenvolvido originalmente pela BOSCH para integrar elementos inteligentes em veículos autônomos, com o intuito de eliminar a grande quantidade de fios nos automóveis Mercedes.  – Padronizada pela ISO 11898 e 11519.  – Protocolo de comunicação serial síncrono.

Redes Industriais – Apresenta as seguintes vantagens: CAN  –   CONTROLLER AREA NETWORK   Apresenta as seguintes vantagens: • Simplificação do cabeamento (custo, confiabilidade, reduçãoda necessidade de manutenção) Flexibilidade (facilidade de implementação de modificações naestrutura da rede) Velocidade de comunicação atendendo a requisitos de temporeal do sistema Facilidades para acesso aos diversos nós da rederemotamente (monitorando, alterando dados e diagnosticando falhas)  A partir de 1991, vários fabricantes foram licenciadospara a fabricação de chips para CAN Redes Industriais                                                                                                                                                                                                          CAN – CONTROLLER AREA NETWORK   –Apresenta as seguintes vantagens: • Simplificação do cabeamento (custo, confiabilidade, redução da necessidade de manutenção) • Flexibilidade (facilidade de implementação de modificações na estrutura da rede) • Velocidade de comunicação atendendo a requisitos de tempo real do sistema • Facilidades para acesso aos diversos nós da rede remotamente (monitorando, alterando dados e diagnosticando falhas)  – A partir de 1991, vários fabricantes foram licenciados para a fabricação de chips para CAN

CAN – CONTROLLER AREA NETWORK    – Características do Protocolo: • Priorização de mensagens; • Flexibilidade de configuração; • Recepção do multicast com sincronia de tempos; • Multimestre, produtor-consumidor; • Detecção e sinalização de erros; • Retransmissão automática de mensagens corrompidas assim que o barramento estiver ativo novamente; • Distinção entre erros provisórios e falhas permanentes dos nós

CAN – CONTROLLER AREA NETWORK  – Características do Protocolo: • Topologia: barramento ou estrela; • Taxa de transmissão: de 125 kbps ou 1 Mbps; • Comprimento máximo do barramento: 1 km para125 kbps e 40m para 1 Mbps; • Número máximo de nós: 16; • Codificação de bits: NRZ (Non Return to Zero); • Meio de transmissão: usualmente par trançado ou fibra ótica

HART – Highway Addressable Remote Transducer   – Desenvolvido pela Fisher Rosemount em meados da década de1980 como um protocolo proprietário.  – A partir de 1990, o HART tornou-se um padrão aberto.  – HART é um protocolo digital, mas aceita também comunicação analógica no padrão 4-20mA.  – Compatível com a enorme base instalada analógica existente no mundo, além de possibilitar o uso de instrumentos inteligentes em cima dos cabos 4-20 mA tradicionais.  – Os dispositivos capazes de executarem esta comunicação híbrida são denominados smart .Redes Industriais

– Características do protocolo HART: • Meio físico: par trançado; HART – Highway Addressable Remote Transducer   – Características do protocolo HART: • Meio físico: par trançado; • Taxa de Transmissão: 1200 bps; • Transmissão assíncrona a nível de caracteres UART(1 start bit , 8 bits de dados, 1bit de paridade e 1stop bit ); • Tempo médio de aquisição de um dado: 378,5 ms; • Método de acesso ao meio: Mestre/escravo;

De configuração e calibração; HART – Highway Addressable Remote Transducer   –Características do protocolo HART: • Topologia: Ponto a ponto ou multidrop, onde todos os componentes são conectados pelo mesmo cabo. O protocolo permite o uso de até dois mestres. O mestre primário é um computador ou CLP ou multiplexador. O mestre secundário é geralmente representado por terminais hand-held  De configuração e calibração;

HART – Highway Addressable Remote Transducer   – Características do protocolo HART: • Modulação: O sinal Hart é modulado em FSK ( Frequency Shift Key  ) e é sobreposto ao sinal analógico de 4-20 mA.Para transmitir 1 é utilizada a frequência de 1200 Hz.Para transmitir 0 é utilizada a frequência de 2400 Hz. A comunicação é bidirecional.O sinal FSK é contínuo em fase, não impondo nenhumainterferência sobre o sinal analógico.

HART  –   Highway Addressable Remote Transducer   A distância máxima do sinal HART é de cerca de 3000m com cabo com um par trançado blindado e de 1500m com cabo múltiplo comblindagem simples.

MODBUS   – Desenvolvido e publicado pela Modicon Industrial AutomationSystems em 1979 para uso do seu CLP, tornou-se um padrão defato na indústria. É um dos mais antigos protocolos utilizados em redes de controladores lógicos programáveis para aquisição de sinais deinstrumentos e comandar atuadores usando uma porta serial.  Atualmente parte do grupo Schneider Electric, a Modicon colocouas especificações e normas que definem o Modbus em domíniopúblico. O protocolo é utilizado em milhares de equipamentos existentes eé uma das soluções de rede mais baratas a serem utilizadas emautomação industrial. Redes Industriais

MODBUS   – MODBUS é usualmente implementado usando RS232, RS422 ou RS485sobre uma variedade de meios de transmissão.  A tecnologia de comunicação no protocolo é o mestre-escravo, sendo quesomente um mestre e no máximo 247 escravos podem ser conectados àrede.  A comunicação é sempre iniciada pelo mestre, e os nós escravos não secomunicam entre si. O mestre pode transmitir dois tipos de mensagensaos escravos, dentro de uma mesma rede: • Mensagem tipo unicast  : o mestre envia uma requisição para um escravodefinido e este retorna uma mensagem-resposta ao mestre (requisição eresposta); broadcast  : o mestre envia a requisição para todos os escravos,e não é enviada nenhuma respostas para o mestre.

MODBUS   – Existem dois modos de transmissão: •  ASCII (American Code for Informastion Interchange), ondecada byte de mensagem é enviado como 2 caracteres ASCII RTU (Remote Terminal Unit) onde cada byte da mensagem é enviado como 2 caracteres hexadecimais de 4 bits, que sãoselecionados durante a configuração dos parâmetros decomunicação. Eles definem o conteúdo dos campos damensagem transmitida serialmente.  As topologias físicas usadas pelo MODBUS são: Ponto a Ponto com RS-232 Barramento Mutiponto com RS-485

MODBUS

MODBUS   – Tipos de Protocolo MODBUS: • MODBUS TCP/IP: usado para comunicação entre sistemas desupervisão e controladores lógicos programáveis. O protocolo Modbusé encapsulado no protocolo TCP/IP e transmitido através de redespadrão Ethernet com controle de acesso ao meio por CSMA/CD. MODBUS PLUS: usado para comunicação entre de controladoreslógicos programáveis, módulos de E/S, chaves de partida eletrônicade motores, interfaces homem máquina etc. O meio físico é o RS-485com taxas de transmissão de 1 Mbps. MODBUS PADRÃO: é usado para comunicação dos CLPs com osdispositivos de entrada e saída de dados, instrumentos eletrônicosinteligentes (IEDs) como relés de proteção, controladores deprocesso, atuadores de válvulas, etc., o meio físico é o RS-232 ouRS-485 em conjunto com o protocolo mestre-escravo.

PROFIBUS   – PROcess FIeld BUS    PROFIBUS foi concebida a partir de 1987 em umainiciativa conjunta de fabricantes, usuários e dogoverno alemão.  A rede está padronizada através da norma DIN 19245incorporada na norma européia Cenelec EN 50170 etambém IEC61158 e IEC61784. Padrão aberto de barramento de campo para uma largafaixa de aplicações em automação de fabricação eprocessos. Pode atuar nos diversos níveis do processo industrial:ambiente de fábrica, processo e gerência.

PROFIBUS   – PROcess FIeld BUS    Protocolos comunicações: • PROFIBUS DP ( Descentralized Peripherical  ): é o mais usadodentre os protocolos. Caracterizado pela velocidade, eficiênciae baixo custo de conexão. Foi projetado especialmente para comunicação entre sistemas de automação e periféricos distribuídos; PROFIBUS FMS ( Field Message Specification ): é um protocolode comunicação geral para as tarefas de comunicações solicitadas. Oferece muitas funções sofisticadas de aplicações para comunicação entre dispositivos inteligentes; PROFIBUS PA ( Process Automation ): Define os parâmetros eblocos de funções dos dispositivos de automação de processo,tais como transdutores de medidas, válvulas e IHM ( InterfaceHuman Machine );

PROFIBUS   – PROcess FIeld BUS    • PROFINet ( Profibus for Ethernet  ): Comunicaçãoentre CLPs e PCs usando Ethernet/TCP-IP; PROFISafe: para sistemas relacionados asegurança; PROFIDrive: para sistemas relacionados a controlede movimento.

PROFIBUS   – PROcess FIeld BUS    Os meios de transmissão:RS485, RS485-IS, MBP e aFibra Óptica. • O RS485 é o mais empregado. Utilizando um cabo de par  trançado, possibilita transmissões até 12 Mbits/s. Usadoquando grandes velocidades são necessárias. O RS485-IS éum meio de transmissão a 4 fios para uso em áreas explosivas. O MBP ( Manchester code bus powered  ) é um meio detransmissão usado em aplicações na automação de processoque necessitem de alimentação através do barramento esegurança intrínseca dos dispositivos.

FOUNDATION Fieldbus  – Padrão aberto que engloba diversas tecnologias aplicadas nocontrole de processos e automação industrial, tais como:processamento distribuído, diagnóstico avançado e redundância. Sistema heterogêneo distribuído, composto por softwares deconfiguração e supervisão, equipamentos de campo, interfaces decomunicação e supervisão, fontes de alimentação pela própriarede que os interconecta. Uma das funções dos equipamentos de campo é executar aaplicação de controle e supervisão do usuário que foi distribuídapela rede. Essa é a grande diferença entre FF e outras tecnologiascomo Hart ou Profibus, que dependem de um controlador centralpara executar os algoritmos Foundation Fieldbus.

FOUNDATION Fieldbus  – O Foundation Fieldbus mantém muitas dascaracterísticas operacionais do sistema analógico 4-20mA, tais como uma interface física padronizada dafiação, os dispositivos alimentados por um único par defios e as opções de segurança intrínseca, mas ofereceuma série de benefícios adicionais aos usuários. Este protocolo, que segue o padrão IEC 61158,apresenta dois tipos de aplicação: H1 e HSE.

FOUNDATION Fieldbus  – O FF H1 é uma rede de transmissão de dados em tempo real paracomunicação com equipamentos de instrumentação e controle deplantas industriais, tais como transmissores atuadores e controladores, podendo, inclusive, ser utilizado em aplicações que requeiram especificações quanto aos requisitos de segurançaintrínseca. Possui taxa de transmissão de 31,25 Kbits/s e interconectadispositivos de campo.  A rede FF HSE (High Speed Ethernet) é uma rede de transmissãoque trabalha a 100 Mbits/s e fornece integração de controladoresde alta velocidade (CLPs), servidores, subsistemas FF HI (viadispositivos de acoplamento) e estações de trabalho.

FOUNDATION Fieldbus  – Características: • Segurança intrínseca para uso em áreas perigosas, comalimentação e comunicação pelo mesmo par de fios; Topologia em barramento ou em árvore, com suporte a múltiplos mestres no barramento de comunicação; Comportamento previsível (determinístico), mesmo comredundância em vários níveis; Interfaces padronizadas entre os equipamentos; Modelamento de aplicações usando linguagem de blocos funcionais; Recomendado o uso de cabos STP desenvolvidosespecialmente para o protocolo.