Evolução das Redes Industriais Redes Industriais Semestre 01/2015

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1 Evolução das Redes Industriais Redes Industriais Semestre 01/2015 Engenharia de Controle e Automação

2 Introdução A comunicac ão de dados em ambiente industrial apresenta, caracteriśticas e necessidades que tornam a maioria das redes para automac ão de escritoŕio inadequadas. Algumas destas caracteriśticas saõ: ambiente hostil para operac ão dos equipamentos (perturbac ões eletromagne ticas, elevadas temperaturas, sujeira, etc.); a troca de informac ões se da, na maioria das vezes, entre equipamentos e naõ entre um operador humano e o equipamento; os tempos de resposta e a seguranc a dos dados saõ cri ticos em diversas situac ões; uma grande quantidade de equipamentos pode estar conectada na rede, o que torna a questão de custos muito importante.

3 Principais Caracteristicas Necessárias COMPORTAMENTO TEMPORAL Aplicações Industriais frequëntemente requerem sistemas de controle e supervisaõ com caracteriśticas de Tempo Real Um Sistema Tempo-Real é um sistema computacional para o qual é requerida uma reac ão a estiḿulos (fiśicos ou loǵicos) oriundos do ambiente dentro de intervalos de tempo impostos pelo proṕrio ambiente

4 Métodos MAC não-deterministicos Para muitas aplicações fabris, especialmente aquelas com requisitos de tempo real, é importante utilizar redes com protocolos de acesso ao meio que garantam estes requisitos CSMA/CD nem sempre características pois não se sabe se haverão colisões, e nem quantas colisões seguidas podem ocorrer e não se conhece de antemão o tempo (aleatório) de espera em caso de colisão. Já para aplicações de escritório os métodos não determinísticos, como CSMA/CD, são em geral satisfatórios.

5 Métodos MAC Deterministicos Métodos com comando centralizado Mestre-Escravos; Métodos com comando distribuído: Token-bus Token-Ring Variantes determiniśticas do CSMA

6 Principais Caracteristicas Necessárias CONFIABILIDADE Em aplicações industriais onde são transmitidos muitos códigos de comando, leitura de medidores e comando de atuadores, um erro de um Bit qualquer pode ter consequências desastrosas. A transferência de programas para maquinas de Comando Numérico, por exemplo, exige um sistema altamente confiável, pois são transmitidos códigos de comando cuja mínima alteração pode produzir danos de elevado custo. Para aumentar esta confiabilidade nas mensagens transmitidas, normalmente é usado um teste cíclico de redundância (CRC - Cyclical Redundance Check).

7 Principais Características Necessárias REQUISITOS DO MEIO AMBIENTE A presença de perturbações eletromagnéticas, provocadas principalmente pelos acionamentos de motores elétricos de grande porte ou outras fontes chaveadas (estac ões de solda, conversores estáticos, etc.), não pode ser desprezada na escolha do meio de transmissão de uma rede de comunicação Para a definição do meio físico de transmissão e do protocolo de comunicação, estas características devem ser consideradas.

8 Principais Características Necessárias TIPO DE MENSAGENS E VOLUME DE INFORMAC ÕES Nos níveis hieraŕquicos superiores de são frequëntemente trocados pacotes de vaŕios KByte, que requerem tempos de transmissaõ variando de alguns segundos ate vaŕios minutos. Nas aplicac ões mais pro ximas ao processo, normalmente saõ enviadas mensagens curtas, tais como: Comando para ligar ou desligar uma unidade (basta um bit); Comando para fazer a leitura de um sensor / medidor (bastam 8, 12 ou 16 bits, conforme a resoluc ão do conversor A/D utilizado); Comando para alterar o estado de um atuador (idem acima); Comando para verificar o estado de uma chave ou rele (basta um bit).

9 Principais Características Necessárias Estas operações podem ser feitas normalmente com um único quadro de comando acrescido dos respectivos dados, quando existirem. Como consequência, uma taxa de transmissão de dados relativamente baixa a nível da camada física atende as necessidades de comunicação na maioria dos casos (1 Mbps é quase sempre suficiente). Por outro lado, tem-se uma elevada taxa de ocupação do barramento, com um grande número de mensagens sendo trocadas constantemente. Deve-se portanto evitar mensagens grandes, que podem monopolizar o meio de transmissão por um tempo muito longo.

10 Comparação de necessidades

11 Evolução das Redes Industriais

12 Evolução das Redes Industriais

13 Diversidade de Redes Locais

14 PROJETO IEEE 802 E ISO/IEC 8802 O IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) iniciou em 1980 o projeto conhecido pelo nuḿero 802, que definiu originalmente uma seŕie de normas para as camadas Fiśica e Enlace do modelo de referência OSI. Na proposta do IEEE, a camada de Enlace é subdividida em duas subcamadas: LLC (Logical Link Control) e MAC (Medium Access Control). Estas definic ões foram aceitas pelos demais organismos de padronizac ão. A norma resultante é hoje reconhecida internacionalmente sob a designac ão ISO/IEC 8802.

15 PROJETO IEEE 802 E ISO/IEC 8802 O projeto definiu uma norma com 12 partes, designadas por IEEE a IEEE

16 PROJETO IEEE 802 E ISO/IEC 8802 IEEE : definic ão de servic os de gerenciamento de redes e generalidades; IEEE : descric ão da sub-camada LLC da camada de Enlace. Aqui a norma prevê três tipos de servic os: LLC tipo 1: a troca de dados se da sem o estabelecimento pre vio de uma conexaõ. Não é feito controle de erros nem de fluxo e o receptor das mensagens naõ envia um quadro de reconhecimento ao emissor; LLC tipo 2: antes de realizar qualquer troca de dados, as estac ões envolvidas na comunicação devem estabelecer uma conexaõ entre si. Neste caso, é feito controle de erros e de fluxo e a entidade receptora envia um quadro de reconhecimento para cada mensagem recebida; LLC tipo 3: a comunicac ão é feita sem o estabelecimento pre vio de uma conexaõ, mas é realizado controle de fluxo e de erros e o receptor envia um quadro de reconhecimento ao emissor para cada mensagem recebida.

17 PROJETO IEEE 802 E ISO/IEC 8802 IEEE : descric ão da sub-camada MAC e camada Física para redes com topologia em barramento e me todo de acesso ao meio baseado em CSMA/CD; IEEE : descric ão da sub-camada MAC e camada Física para as redes com topologia em barramento e me todo de acesso ao meio baseado em "token-passing" (Token-Bus); IEEE : descric ão da sub-camada MAC e camada Física para as redes com topologia em anel e me todo de acesso ao meio baseado em "token-passing" (Token- Ring);

18 PROJETO IEEE 802 E ISO/IEC 8802 IEEE : descric ão da sub-camada MAC e camada Física para as redes metropolitanas com DQDB (Distributed Queue Dual Bus ou barramento dual com filas distribui das); IEEE : conteḿ recomendac ões do IEEE para LANs usando Broadband. Na versaõ da ISO/IEC, define uma subcamada MAC com slotted ring e a camada fiśica correspondente; IEEE : IS (Integrated Services) para integrar LANs com RDSI (Rede Digital de Servic os Integrados, ISDN em ingleŝ) e FDDI (Fiber Distributed Data Intarface);

19 PROJETO IEEE 802 E ISO/IEC 8802 IEEE : aborda questoẽs de seguranc a na interoperac ão de Redes (atualmente define o padraõ SDE, Secure Data Exchange); IEEE : padroniza LANs com MAC sem fio (Wireless) e a camada fiśica correspondente (transceivers de ra dio); IEEE : me todo de acesso com demanda priorizada (DPA, Demand Priority Access) e camada fiśica correspondente.

20 Limitações Existentes no Passado As exige ncias de comunicac ão entre unidades para a integrac ão flexi vel dos sistemas de automação evidenciaram a necessidade de uma especificac ão de redes locais para aplicac ões industriais diferente daquela adotada em automac ão de escritoŕio. Existem diversas redes proprietaŕias para ambiente fabril, desenvolvidas por grandes empresas e que normalmente utilizam um protocolo especi fico desenvolvido pelo proṕrio fabricante. Estas redes naõ permitem a interligac ão de equipamentos de outros fabricantes. Desta forma o usuaŕio fica na total depende ncia de um único fornecedor.

21 Limitações Existentes no Passado A arquitetura das redes de comunicação industrial deve integrar sistemas heterogêneos de diferentes fabricantes, suportando tanto a operação de chão de fabrica quanto as funções de apoio à produção. A definição de padrões de protocolos de comunicação e a sua adoção por diferentes fabricantes devera permitir a interconexão (interoperabilidade) e ate mesmo a intercambiabilidade das varias unidades de processamento

22 Projeto MAP A primeira aplicação do modelo OSI para a área de automação industrial foi definido como MAP Manufacturing Automation Protocol, no inicio da ideia de CIM Computer Integrated Manufacturing. O projeto MAP ("Manufacturing Automation Protocol") foi uma iniciativa da General Motors, iniciada em 1980, com a finalidade de definir dentro do modelo OSI um ambiente de comunicação voltado para a automação da manufatura. Considerando que, na época, estava previsto que a quantidade de equipamentos programáveis deveria sofrer uma expansão de 400 a 500% num prazo de 5 anos, o problema de comunicação tornou-se, efetivamente, uma prioridade a nível da empresa.

23 Projeto MAP Um ano mais tarde, em 1981, a GM uniu-se a outras empresas -Digital Equipment Corporation (DEC), Hewlett-Packard (HP) e IBM -definindo a soluc ão do problema baseada na utilizac ão de uma arquitetura de comunicac ão para rede local baseada no modelo a sete camadas do OSI. Uma primeira preocupac ão deste grupo de trabalho foi a selec ão de alguns dos padroẽs de protocolo definidos para o modelo OSI que pudessem ser adotados na arquitetura MAP. A partir dai o projeto foi ganhando corpo e adesoẽs por parte de outras empresas, tornando-se uma realidade nos anos 90 e dando origem a outras propostas de arquiteturas de comunicac ão orientadas a outros ni veis das atividades da empresa.

24 A arquitetura MAP-EPA (Enhanced Performance Architecture) Apesar da excelente qualidade dos serviços oferecidos pela arquitetura MAP, as sete camadas oferecem um overhead que passa a ser indesejável nos níveis mais baixos das atividades de uma empresa. Esta proposta foi baseada na definição de duas pilhas de protocolos, a pilha normal Full-MAP e a pilha MAP-EPA, desprovida das camadas de Rede, Transporte, Sessão e Apresentação. Do ponto de vista das camadas baixas, o protocolo IEEE continuava sendo adotado, porém sobre um suporte de transmissão em banda de base (baseband) a 5 Mbit/s.

25 Projeto MAP / EPA Para aplicações voltadas ao controle da manufatura com tempos críticos foi definida a versão MAP/EPA (Enhanced Performance Architecture) para conseguir tempo de resposta menores. A Versão MAP/EPA apresenta para algumas estações da rede a arquitetura MAP completa (7 camadas) e uma arquitetura simplificada com as camadas 1,2 e 7 do modelo OSI como caminho alternativo para satisfazer os requisitos de tempo. A versão mais simplificada é conhecida como MINI-MAP e implementa somente as camadas 1, 2 e 7 do modelo OSI.

26 Arquitetura MAP-EPA

27 Arquitetura Mini-MAP Uma terceira opção relacionada com a norma MAP foi a arquitetura Mini- MAP, baseada igualmente na supressão das camadas 3 a 6 para eliminar o overhead dos protocolos daquelas camadas. A arquitetura Mini-MAP é composta unicamente do segmento simplificado de MAP-EPA, e foi assim definida para evitar o alto custo das pilhas de protocolos paralelas de MAP-EPA (figura 3.3). Esta nova proposta era dedicada aos níveis mais baixos, permitindo a comunicação em aplicações mais simples como, por exemplo, entre sensores inteligentes. O fato de não possuir a camada de Transporte fez introduzir um protocolo de Enlace mais sofisticado que o da proposta MAP, o LLC tipo 3.

28 Mini-Map Stack

29 Descrição da Arquitetura MAP Uma vez adotado o modelo OSI como referencia para a arquitetura de comunicação, o problema era selecionar as propostas a serem implementadas a nível de cada camada. Para as camadas 1 e 2, foram selecionados, respectivamente, as normas IEEE (barramento com ficha) e IEEE (LLC).

30 Descrição da Arquitetura MAP CAMADA FÍSICA Foi escolhido o suporte de comunicac ão em banda larga (broadband). A escolha foi baseada nas razoẽs seguintes: possibilidade de definic ão de vaŕios canais de comunicac ão sobre um mesmo suporte de comunicac ão, o que permitiria a coexiste ncia de vaŕias redes, minimizando as modificac ões de cabeamento durante a transic ão para MAP; permitiria a troca de outros sinais, como voz e imagem para determinadas aplicac ões, tais como a supervisaõ, o circuito fechado de TV, a teleconfere ncia, etc; broadband é parte da norma IEEE e estava sob estudos suportar o padraõ IEEE (CSMA/CD); a GM ja possuiá muitas instalac ões operando em broadband.

31 Descrição da Arquitetura MAP CAMADA DE ENLACE (MAC) As razões que conduziram à escolha do barramento com ficha foram as seguintes: inicialmente, era o único protocolo suportado em broadband; muitos equipamentos programáveis já eram providos com o protocolo de enlace suportado por broadband e IEEE 802; a possibilidade de implementar um esquema de prioridades de mensagens; em caso de falhas físicas, mensagens de alta prioridade poderiam ser enviadas num tempo limitado.

32 Descrição da Arquitetura MAP CAMADA DE ENLACE (LOGIC LINK) A nível da camada de Enlace, embora as funções associadas sejam principalmente a detecção e recuperação de erros, optou-se por um protocolo que não implementasse estes serviços, o LLC tipo 1, deixando estas funções a cargo dos níveis superiores CAMADA DE REDE O serviço de Rede é sem conexão, cada mensagem sendo roteada individualmente através da rede. A norma ISO 8348, adotada ao nível de rede, permite definir um conjunto de regras de endereçamento através da rede. O protocolo de roteamento utilizado aqui foi definido pelo projeto MAP e é atualmente normalizado na ISO sob o número 9542.

33 Descrição da Arquitetura MAP CAMADA DE TRANSPORTE A nível do Transporte, foi adotada a classe 4 do protocolo de Transporte da ISO (TP4, ISO 8072/73), orientado à conexão, com controle de erros. O serviço de Transporte oferece, então, um canal de comunicação confiável, sem perdas, erros, nem duplicação de mensagens. TP4 assegura ainda as funções de fragmentação e montagem de mensagens, o que permite que as mensagens trocadas a este nível sejam de qualquer dimensão. CAMADA DE SESSÃO A norma ISO 8326/27 foi adotada para a camada de Sessão, assegurando as funções de comunicação full-duplex e de ressincronizac ão.

34 Descrição da Arquitetura MAP CAMADA DE APRESENTAÇÃO Na camada de Apresentação, os problemas de representação de dados foram resolvidos com a adoção da sintaxe abstrata ASN.1, que serve de linguagem comum às diferentes formas de representação dos dados, características de cada equipamento. CAMADA DE APLICAÇÃO MMS, para a troca de mensagens entre equipamentos de produção (que será visto em detalhes mais a frente); FTAM, para o acesso e a transferência de arquivos; ROS, para a gestão de nomes (diretório); funções de gerenciamento de rede, para a gestão dos recursos, medição de desempenho e modificação dos parâmetros da rede.

35 MMS (Manufacturing Message Services) O MMS foi normalizado na ISO como sendo o conjunto de servic os de comunicac ão oferecido às aplicac ões industriais, particularmente para viabilizar, dentro do ambiente OSI, as interac ões entre equipamentos de produc ão programa veis. MMS é o resultado dos trabalhos realizados no contexto do projeto MAP, para a definic ão de um conjunto de servic os de comunicac ão orientados às aplicac ões industriais. O objetivo de MMS é oferecer servic os de comunicac ão que permitam a um sistema aberto (no sentido OSI) acessar os recursos existentes em outros sistemas abertos conectados à rede de comunicac ão.

36 OBJETOS MMS Os programas escritos pelos programadores de aplicac ão vaõ acessar (direta ou indiretamente) as primitivas de servic o MMS, que vaõ manipular objetos virtuais representando os recursos reais disponi veis num equipamento de produc ão distante. s usuaŕios dos servic os MMS saõ os processos de Aplicac ão (APs - Application Processes) executando num equipamento de produc ão ou num computador de supervisaõ. A comunicac ão entre dois APs atraveś dos servic os MMS é realizada segundo um modelo Cliente-Servidor, onde o usuaŕio Cliente é aquele que requisita operac ão sobre os recursos disponi veis num equipamento de produc ão distante, este sendo modelizado por um usuaŕio Servidor.

37 VMD (Virtual Manufacturing Device) O objeto de base definido em MMS é o Dispositivo Virtual de Produc ão ou VMD (Virtual Manufacturing Device), que representa, no contexto dos servic os MMS, um equipamento real de produc ão. Todo processo de aplicac ão modelizado por um Servidor MMS possui, no mińimo, um objeto VMD O principal componente do VMD é a Func ão Executiva, responsa vel pela gestaõ de acesso aos diferentes recursos do equipamento considerado, tais como memoŕia, processadores, portas de E/S, etc.

38 Conclusão Nesta histíria, o que teve sucesso foi o MMS, que definiu um método de cooperação de vários componentes autônomos, pela definição de objetos e serviços abstratos. O que serviu como um ponto inicial para a definição de outras arquiteturas FieldBuses. A falta de aceitação do MiniMAP, e a incapacidade do padrão original do MAP/MMS em atuar em sistemas de tempo real críticos, foram a razão principal para a IEC lançar o desenvolvimento de um FieldBus baseados no MiniMAP, mas focado para as necessidades dos niveis de campo

39 Evolução das Redes Industriais Os Velhos Tempos: Níveis de Funcionalidades Enterprise bus: Ethernet Control bus: HSE Fieldbus, ControlNet, and Profibus DP Device bus: DeviceNet, Interbus, Profibus PA and H1 Fieldbus Sensor bus: CAN, Seriplex, LonWorks & ASI Tempos Atuais: Ethernet supports all four bus levels

40 Perguntas? Ethernet/IP