Redes de Campo em Automação

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1 IST MEEC - API Redes de Campo em Automação Filipe Barata 5120/M API Monografia FBarata 1

2 Origens das Redes de Comunicação Digital Evolução a par com a dos computadores pessoais RS232, 422, da EIA (Electronic Industries Association) Redes Ethernet e Arcnet meados anos ª tentativa de uniformização Modelo OSI (open systems interconnect) da ISO (International Standards Organization) Redes industriais de comunicação digital série a partir de 75 desenvolveram-se a par com autómatos programáveis API Monografia FBarata 2

3 Exemplos e aplicações de redes de comunicação digital LAN Local Area Network Rede Local Taxionomia Aplicação: Escritórios ou entre edifícios próximos WAN Wide Area Network Aplicação: Ligações a nível regional, nacional ou internacional Na automação industrial as redes de comunicação digital são aplicadas a vários níveis: Entre fábricas Entre autómatos Entre unidades de controlo local Entre sensores e actuadores API Monografia FBarata 3

4 Redes de Campo O que são? Classificação generalista utilizada para praticamente todas as redes industriais de dados Redes locais utilizadas ao nível mais próximo dos processos automatizados Visam a interligação de sensores, actuadores, placas de entrada/saída e sistemas de controlo local em instalações industriais A sua morfologia mais comum é a de um barramento ou tronco, passando pelos diversos nós. API Monografia FBarata 4

5 Redes de Campo de. Nível mais alto (fieldbus) Interligação de dispositivos mais sofisticados (autómatos, PC, etc) Grandes quantidades de informação Transacções de dados na ordem das centenas de ms Nível intermédio (devicebus) Equipamento de nível intermédio (variadores de velocidade, etc) Transacções de dados na ordem das dezenas de ms Nível de sensor (sensorbus) Equipamento baixo nível (detectores, sensores e actuadores) Transacções de dados abaixo de 5 ms API Monografia FBarata 5

6 Alguns domínios e tipos de aplicação Automação Industrial Nível superior Nível intermédio Nível de sensor Profibus FMS (Siemens) Ethernet (Xerox, Intel, Digital) Profibus DP/DA (Siemens) Modbus plus (Modicon) CAN (Bosch), ASI (Siemens) Fieldbus (ISA) Edifícios e domótica Veículos automóveis Aeronaves Instrumentação Laboratorial Instrumentação médica EIB (Siemens), CEbus (EIA) CAN (Bosch) ARINC 629 IEC Fieldbus, CAN (Bosch) MIB (IEEE) API Monografia FBarata 6

7 Interesse das redes de campo na automação Algumas vantagens Flexibilidade para se ampliar e interligar diferentes módulos Instalação e operação simples Transmissão digital binária Natureza económica, redução substancial de cablagem Disponibilidade de ferramentas para a instalação e diagnóstico Possibilita a interligação de produtos de diferentes fabricantes API Monografia FBarata 7

8 Interesse das redes de campo na automação Algumas desvantagens Raramente pode abranger todos os equipamentos e dispositivos de uma instalação industrial Pode não assegurar o envio de informação com a cadência necessária Possibilidade de corrupção da informação transmitida Diminuição de fiabilidade, apenas 1 suporte partilhado API Monografia FBarata 8

9 Quem se interessa pelas redes de campo? Consumidores finais Estão interessados em baixos custos e funcionamento correcto Integradores de sistemas Implementam sistemas Relação custo/performance dos equipamentos Facilidade de instalação, configuração e monitorização da rede Empresas de fabrico Interessam-se pela sua complexidade e desenvolvimento de novos produtos API Monografia FBarata 9

10 A que nível as R.C. estão numa rede industrial? API Monografia FBarata 10

11 Características das Redes de Campo Modelo OSI Informação formatada Conversão dos dados Gestão do diálogo Transmissão entre entidades Interligação entre redes Comunicação de dados Interligação de equipamento Modelo de referência MR-OSI da ISO APLICAÇÃO APRESENTAÇÃO SESSÃO TRANSPORTE REDE LIGAÇÃO DADOS FÍSICA Modelo utilizado de 3 camadas APLICAÇÃO LIGAÇÃO DADOS FÍSICA As arquitecturas de 3 camadas foram concebidas como sendo mais compactas e mais baratas capazes de fornecer tempos de resposta rápidos API Monografia FBarata 11

12 Características das Redes de Campo Topologias Bus Ponto-a-ponto Anel Estrela API Monografia FBarata 12

13 Características das Redes de Campo Dispositivos especiais utilizados nas redes Amplificadores asseguram nível suficiente de sinal Repetidores detectam os níveis de sinal e estabelecem os sinais reconstituídos Nó bridge ( ponte ) - interliga duas ou mais redes idênticas, copia mensagem. Nó router ( encaminhador ) - semelhante a ponte a um nível superior Nó gateway ( passagem ) intercala duas redes diferentes API Monografia FBarata 13

14 Características das Redes de Campo Suportes físicos Cabo com par torçado Cabo com par torçado e blindagem Cabo coaxial 1 Mbit/s a poucas centenas de metros 10 Mbit/s a poucas centenas de metros Fibra óptica 2000 Gbit/s com 1 km Redes telefónicas sistemas muito afastados dezenas de kbit/s Via rádio ou infra-vermelhos Pela instalação de energia API Monografia FBarata 14

15 Características das Redes de Campo Regras de acesso à rede Os nós funcionam conjuntamente, na maior parte dos casos um nó coordena e distribui tarefas Master/Slave um participante detém, em exclusividade, o direito de acesso espontâneo à rede Passagem de testemunho (token passing) cada participante detém ciclicamente a prerrogativa de aceder à rede durante 1 intervalo de tempo Acesso espontâneo cada participante verifica se a rede está em repouso e só depois inicia o envio CSMA/CD (carrier-sense multiple-access with colision detection) CSMA/BA (carrier-sense multiple-access with bitwise arbitration) API Monografia FBarata 15

16 Características das Redes de Campo Protocolos Modo de formar mensagens em conjunto com as regras de acesso, tem uma sintaxe e semântica própria Transmissão de mensagens entre 12 a 256 bytes, e respostas temporais na ordem dos mili ou décimos de segundo Ex: Fim dos dados Início End. variador Início dos dados Cód. comando Resposta Pergunta EOT STX S P ETX Carácter de controlo de erros EOT STX S P ETX BCC Exemplos de protocolos : Modbus da Modicon Inc. USS da Siemens API Monografia FBarata 16

17 Características das Redes de Campo Detecção e correcção de erros Bit de paridade detecta erros de 1 bit Palavra de teste longitudinal detecta erros de transmissão em um conjunto consecutivo de bits Testes de redundância cíclica CRC (cyclic redundancy check), são baseados nos chamados códigos polinomiais Códigos de Hamming controlo antecipado de erros, detecta erros de vários bits API Monografia FBarata 17

18 Redes utilizadas em automação industrial RS485 Solução mais simples e barata Interligação por dois fios Modo de acesso master/slave Máx. 32 nós Transmissão de 9,6 ou 19,2 kbit/s CAN (Contoller Area Networks) Utilização e configuração simples (JPI Just Plug In) Uso de par trançado (blindado ou não) ou fibra óptica Máx. 20 (versão lenta) a 125 kbit/s e 30 nós (versão rápida) a 1Mbit/s Detecção de erros extremamente eficaz Confiável e robusta em situações adversas API Monografia FBarata 18

19 Redes utilizadas em automação industrial Profibus (Process Field Bus) Profibus-FMS Profibus- DP Profibus-PA Máx. 127 elementos Ritmos de transmissão de 9600 bit/s e 12 Mbit/s API Monografia FBarata 19

20 Redes utilizadas em automação industrial Fieldbus Capacidade de transporte de grandezas digitais e analógicas Par trançado com blindagem Arquitectura das redes FIELDBUS SISTEMA DE SUPERVISÃO Máx. de 32 nós, ritmos de transmissão de 31,25 kbit/s Outras AS-i (Actuator Sensor Interface), LonWorks, InterBus, DeviceNet, WorldFip API Monografia FBarata 20

21 Interligação com as Redes Locais de nível superior Características das Redes Locais Ambientes de supervisão, de gestão de projecto e planeamento Operam a ritmos entre a dezena e uma centena de Mbit/s com grandes pacotes de informação Menos determinismo que nas redes de campo Utilizam cabo coaxial ou fibra óptica Actualmente utiliza predominantemente Redes Ethernet API Monografia FBarata 21

22 Interligação com as Redes Locais de nível superior Ethernet Industrial Algumas vantagens Baixo custo de hardware para LAN s e WAN s Grande disponibilidade no mercado Compatibilidade entre fabricantes diferentes Cabo coaxial e fibra óptica Ritmos de transmissão 1Mbit/s a 1 Gbit/s Algumas desvantagens Determinismo tempo de resposta insuficiente para algumas aplicações Não há solução para segurança intrínseca Dificuldade de sincronismo a nível de microsegundos API Monografia FBarata 22

23 Interligação com as Redes Locais de nível superior Rede de Gestão Ethernet Industrial Rede de Controlo NÍVEL DE GESTÃO NÍVEL DE CONTROLO NÍVEL DE CAMPO Rede de Gestão Supervisão Comando Planeamento Banco de dados Rede Controlo Controlo em tempo real Segurança Interface Rede Campo Aquisição das variáveis Actuação sobre equipamentos API Monografia FBarata 23

24 Conclusões e perspectivas futuras Existe grande diversidade de soluções nas redes de campo actuais A decisão com base em custos, performance, segurança e fiabilidade A arquitectura de futuro tende a ser, uma combinação da rede Ethernet com redes de campo já existentes As redes de campo actuais continuarão a ter grande importância A estratégia é aproveitar o que existe em: Redes de campo Protocolos Ethernet e Internet Protocolos e padronizações existentes na área industrial OBJECTIVO - alcançar Determinismo, Velocidade, Volume de dados Flexibilidade e Compatibilidade numa única rede API Monografia FBarata 24

25 Bibliografia Eduardo TOVAR - INTRODUÇÃO À INFORMÁTICA INDUSTRIAL - IPP-ISEP, CESE em Engenharia Informática Industrial, Janeiro de 1996, Marques, Filipe Bruno - Sebenta de Redes Locais Para Aplicações Industriais - Escola Superior de Tecnologia de Viseu, DEE, Licenciatura Bietápica em Engenharia Electrotécnica Marques, Bruno Filipe - Redes Locais Para Aplicações Industriais - Redes Industriais Ethernet - Escola Superior de Tecnologia de Viseu, DEE, Licenciatura Bietápica em Engenharia Electrotécnica Hermini, Helder Anibal Redes de Comunicação em Automação Industrial Faculdade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Palma, J Introdução à Redes de Campo de Automação texto de apoio, ISEL, 2000 Palma, J Interfaces e Instalações de Automação Industrial texto didáctico, ISEL, it_valvulas_on-off.pdf API Monografia FBarata 25

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