Redes industriais. Douglas Wildgrube Bertol DEE - Engenharia Elétrica CCT

Transcrição

1 Redes industriais Douglas Wildgrube Bertol DEE - Engenharia Elétrica CCT AS1RAI1 Redes para Automação Industrial JOINVILLE 20/03/2017

2 contextualização Pirâmide da Automação; Modelo CIM (Computer Integrated Manufacturing); Redes dentro da pirâmide; Protocolos e a organização em camadas (ISO/OSI); Implementação TCP/IP; Como se caracterizam as redes? 2

3 sumário Caracterização de redes comportamento temporal; volume de informações; confiabilidade; requisitos do ambiente; topologias de rede; conectividade/interoperabilidade (padronização). Redes de campo (fieldbus) 3

4 Redes industriais comportamento temporal Aplicações Industriais frequentemente requerem sistemas de controle e supervisão com características de tempo real; Mensagens em sistemas de tempo real podem ter restrições temporais: Periódicas: tem que ser enviadas em intervalos conhecidos e fixos de tempo. Ex.: mensagens ligadas a malhas de controle. Esporádicas: mensagens sem período fixo, mas que tem intervalo de tempo mínimo entre duas emissões consecutivas. Ex.: pedidos de status, pedidos de emissão de relatórios. Aperiódicas: tem que ser enviadas a qualquer momento, sem período nem previsão. Ex.: alarmes em caso de falhas. 4

5 volume de informações Níveis hierárquicos superiores: mensagens grandes (KByte); podem ter tempos de transmissão longos (seg. até min.); longos intervalos entre transmissões. Aplicações mais próximas ao processo: mensagens curtas, tais como: ligar ou desligar uma unidade -> 1 bit ; fazer leitura de um sensor / medidor -> 8 Bytes ; alterar o estado de um atuador -> 8 Bytes ; verificar o estado de uma chave ou relê - > 1 bit. Requisitos taxa de transmissão de dados não muito elevada; taxa de ocupação do barramento elevada (grande número de quadros pequenos transmitidos); tempo de entrega conhecido. 5

6 confiabilidade Dá-se pela confiança na exatidão do dado transmitido; Em aplicações industriais, erro de 1 bit pode ter consequências desastrosas; Em sistemas que necessitem de uma operação contínua, pode ser utilizado um meio de transmissão e estações redundantes; Recomenda-se usar cabos blindados em ambientes com fortes campos magnéticos; Uso crescente de fibra ótica. 6 6

7 ambiente Perturbações eletromagnéticas requerem escolha adequada do meio de transmissão; Fonte: acionamentos de motores elétricos de grande porte, fontes chaveadas, estações de solda, conversores estáticos, etc. Par trançado (assíncrono) Par trançado (síncrono) Sensibilidade à perturbações Cabo coaxial Fibra Ótica Custos Distância Taxa de transmissão 7

8 ambiente espectro do sinal 8

9 ambiente - cabo coaxial Distribuição de Televisão TV a Cabo Transmissões telefônicas de longas distâncias Está sendo substituído por fibra Enlaces de redes locais de curta distância dielétrico condutor interno condutor externo (blindagem) encapsulamento de proteção 9

10 ambiente cabeamento 10Base2 Cabo fino (Thinnet) Taxa de 10Mbps com sinalização em banda-base e codificação Manchester. Topologia em barramento. Máximo de 5 segmentos de 185 m (total de 925m). Máximo de 30 nós por segmento (existem placas que permitem até 100 nós, por segmento). Cada ligação com a placa de rede utiliza um conector tipo T, ligando dois trechos de cabo e a placa. Cada trecho de cabo deve ter o mínimo de 45 cm. Thinnet 10

11 ambiente conector T Terminador Barramento Terminador Conector RJ 58 T Conector RJ 58 Transceptor Conector RJ 58 Interface de rede Conector AUI Conector AUI Interface de rede 11

12 ambiente cabeamento 10Base5 Cabo grosso (Ticknet); Taxa de 10Mbps com sinalização em banda-base e codificação Manchester; Topologia em barramento (máximo de 5 segmentos de 500 m). Conexão da placa de rede ao cabo por uma unidade ativa: o conectorvampiro. A conexão só deve ser feita nas marcas do cabo. Distância mínima entre transceptores de 2,5 m. Um segmento de cabo é contínuo, sem conexões que possam interromper o barramento Ticknet 12

13 ambiente par trançado Topologia barramento-estrela; Cabo par trançado UTP categoria 3,4 ou 5; Taxa de 10Mbps com sinalização em banda-base; Conexão por RJ-45; Seguimentos de no máximo 100 m (sem restrição de distância máxima da rede); Um host por seguimento sendo máximo de 12 por hub e 1024 por rede. 13

14 ambiente par trançado Duas categorias: UTP (Unshielded Twisted Pair) STP (Shielded Twisted Pair) Esquema de fiação com concentradores de fiação (HUBs) Topologia em estrela. Distância máxima de 100 m entre HUB e estação, no caso de redes Ethernet e Fast Ethernet Não existem terminadores Aplicações: Sistema Telefônico Redes de Computadores 14

15 Redes industriais ambiente RJ-45 Interface de Rede Conector RJ-45 RJ-45 15

16 ambiente - cabeamento EIA/TIA 568 Especifica somente cabos de pares, trançados ou não, sem blindagem; Descreve especificações de desempenho do cabo e sua instalação; É um padrão aberto, não contendo marca de nenhum fabricante. Categoria 1 Especificações técnicas pouco precisas. Cabos não trançado AWF 22 ou 24. Grande variação de impedância e atenuação. Não recomendado para taxas de sinalização superiores a 1 Mbps. Categoria 2 Pares trançados AWG 22 ou 24. Largura de banda máxima de 1 MHz. Não é testado com relação à paradiafonia. Derivado da especificação de cabo Tipo 3 da IBM. 16

17 ambiente - cabeamento EIA/TIA 568 Categoria 3 Pares trançados sólidos AWG 24. Impedância de 100 ohms. Testado a 16 MHz para atenuação e paradiafonia. Utilizável até 16 Mbps. Padrão mínimo para 10Base-T. Bom p/ token ring a 4 Mbps. Categoria 4 Pares trançados sólidos AWG 22 ou 24. Impedância de 100 ohms. Testado para largura de banda de 20Mhz. Categoria 5 Pares trançados AWG 22 ou 24. Impedância de 100 ohms. Testado para largura de banda de 100 MHz. Pode ser usado para taxas de 100 Mbps. É recomendado para as novas instalações, de modo a ser aproveitado em futuros aumentos de taxa de transmissão. 17

18 ambiente cabo fibra ótica Banda larga Leve e pequena (fina) Baixa perda de sinal Livre de interferências eletromagnéticas Segura Confinamento do sinal 18

19 ambiente redes sem fio Principal vantagem: sem necessidade de cabeamento Inserem mobilidade e flexibilidade a arquitetura de rede Frequências divididas em livres e restritas (concessões governamentais) Baixa eficiência em ambientes ruidosos Baixo determinismo, o que a torna ineficiente em problemas críticos e com requisitos de tempo real. abrangência WAN (grande abrangência) exemplo CDMA, HSPA, LTE, UMB MAN (abrangência metropolitana) WI-MAX (IEEE ) LAN (abrangência local) WI-FI (IEEE ), Bluethooth (IEEE ), Zigbee (ieee ) 19

20 ambiente redes sem fio - utilização 2GHz a 40GHz Micro-ondas Altamente direcional Ponto a Ponto Satélite 30MHz a 1GHz Onidirecional Rádio em broadcast 3 x Hz a 2 x Hz Infravermelho Aplicação local 20

21 topologia - nó Cada equipamento que participa de uma rede é chamado nó Processadores Equipamento ativo Roteadores, switchs, hubs, repetidores,... Podem diferir no tamanho e na capacidade de processamento, mas todos podem receber e enviar mensagens Cada nó está ligado ao nó adjacente através de um link 21

22 topologia - nó Nó final Recebe ou envia mensagens, mas não pode executar o roteamento Nó roteador Além de poder receber e enviar mensagens próprias, ele pode rotear mensagens de outros nós Checa erros de dados e, se necessário, requisita retransmissão nó final nó roteador nó roteador ROTEADOR nó final nó final 22

23 topologia - nó Nó local: Nó usado pelo usuário (A) Nó remoto: Nó que está conectado ao nó local do usuário e ao qual ele está fazendo requisição (F) Nó adjacente: Dois ou mais nós que compartilham o mesmo circuito (B,C,D,E) A B E C D F 23

24 topologia Topologia física Ponto a ponto Estrela (star) Anel (ring) Barramento (bus) Malha Topologia lógica Como os dados trafegam no arranjo físico. 24

25 topologia ponto-a-ponto Ponto-a-ponto é um link entre 2 pontos distintos Esta conexão fica dedicada aos dois dispositivos conectados Uma rede poderá ter enlaces ponto a ponto (radiodifusão, fibra ótica, etc.) em determinados nós enquanto os demais seguem alguma outra topologia Usada em redes de 2 ou 3 máquinas sem servidor Desvantagem: a abertura de um nó afeta toda a rede A D B C 25

26 topologia - estrela Tem-se um link ponto a ponto com o nó central (concentrador) que contém um hub de fiação, um roteador ou um servidor A conexão entre as estações pode ser feita via nó central Desvantagens Custos maiores por gastar mais cabos e mais conectores Vulnerabilidade do nó central Vantagens Caso ocorra alguma interrupção no cabo ele afetará apenas o elemento conectado Reconfiguração mais fácil 26

27 topologia anel Estrutura circular com um loop de cabo Cada nó é conectado ponto a ponto com 2 nós adjacentes Geralmente unidirecional Dados trafegam em uma única direção, parando em cada nó Se o endereço do dado não estiver no nó de parada, o dado é retransmitido para o nó seguinte Cada retransmissão do sinal amplifica e renova o mesmo A rede anel é menos susceptível a perda de sinal Não oferece um ponto de controle central Os anéis são implementados em grandes áreas geográficas em backbones tolerantes a falha A maioria das redes em anel deve oferecer um caminho de sinalização de backup, se um ponto sofrer interrupção, usa-se o caminho alternativo 27

28 topologia - anel 28

29 topologia - barramento É a forma mais simples de uma rede de vários nós Neste tipo de rede todos os nós estabelecem simultaneamente uma conexão direta com o meio físico Cada nó tem um endereço, o que permite ao equipamento identificar as mensagens endereçadas a ele Os segmentos extremos usam cabos com terminadores (no caso de cabos coaxiais) O tráfego no barramento é bidirecional A mensagem percorre todos os nós até encontrar seu destino Principal vantagem: simplicidade 29

30 topologia - barramento 30

31 topologia - barramento Devido às características elétricas da topologia em barramento, cada e qualquer componente pode influenciar em toda a rede; A quantidade de nós também influencia a rede pois cada nó atenua o sinal; Um segmento Ethernet pode aceitar até 30 nós, acima disto devem ser colocados repetidores para restaurar o sinal; Outra vantagem é a utilização de menor quantidade de cabos. 31

32 topologia barramento - hubs A utilização de hubs pode ser visto como uma topologia física em estrela; No entanto, isto não exige que as interfaces das estações percebam a rede como uma topologia em estrela; Do ponto de vista da interface das estações com a rede, a topologia lógica pode ser um barramento ou um anel, com os seus respectivos métodos de acesso; A implementação física, interna nos hubs, pode ser qualquer uma desde que essa interface seja preservada. 32

33 topologia - malha Cada nó da rede é ligado a um número variável de outros nós, através de conexões ponto-a-ponto Normalmente utilizadas em WAN Vantagens Arranjo com base no tráfego de informações Maior tolerância a falhas de mídia Desvantagens Dificuldade de instalação Necessidade de decisões sobre roteamento 33

34 padronização Verifica-se necessidade de uma especificação de redes locais para aplicações industriais diferente daquela adotada em automação de escritório; Já existem diversas redes proprietárias para ambiente fabril, mas não permitem a interligação de equipamentos de outros fabricantes; Maior entrave à conectividade e interoperabilidade: não padronização das interfaces e protocolos de comunicação; Grandes esforços tem sido despendidos para solucionar estes problemas => Projetos de Padronização. 34

35 classificação geral Topologia física Modelo de redes Troca de dados Tipo de conexão Modo de transmissão Sincronização de bits Modo de operação Comutação Barramento Anel Estrela Árvore Origem-destino Produtor-consumidor Pooling Cíclica Mudança de estado Ponto a ponto Múltiplos pontos Serial Paralela Síncrona Assíncrona Simplex Half duplex Full duplex Circuito Pacotes 35

36 Redes de Campo características Anteriormente, quando uma empresa era automatizada, existiam várias operações automatizadas separadamente e a intervenção humana era essencial para sincronizar etapas; Com o desenvolvimento dos CLPs e PCs tornou-se possível a implementação de redes para integração de informações; As redes industriais passaram a ter uma divisão em três camadas. Redes essencialmente locais: Não há necessidade de comunicação com áreas externas à empresa; São determinísticas; Têm estrutura física simples (redução de custos); São menos flexíveis a grandes mudanças. 36

37 Redes de Campo características rede de planta ou gerenciamento banco de dados supervisão nível de planta rede de controle nível de controle redes de sensores nível de dispositivos 37

38 Redes de Campo características Existem muitos tipos de redes industriais e tecnologias de fieldbus no mercado atualmente; A ideia principal atrás de todo este desenvolvimento é oferecer um método standard industrial para que se possa trocar informação entre um dispositivo da rede, tanto sobre as funções a realizar como sobre as informações de diagnóstico, com um controlador ou uma aplicação; Existem muitos tipos de tecnologias diferentes num mercado muito fragmentado onde varias empresas batalham pelo titulo de melhor solução para redes industriais. 38

39 tipos Sensorbus A rede de nível mais baixo, geralmente usadas para ligar pequenos sensores, como interruptores; Transmite dados de tamanho pequeno e precisa de processamento mínimo por parte do sensor. Devicebus Rede para uso geral que oferece serviços de comunicação para dispositivos que conseguem realizar múltiplas funções e comunicar informações sobre diagnósticos e tarefas a realizar e já realizadas. Controlbus Rede mais avançada dentro do chão de fábrica; Comunicação de alto nível, permitindo comunicação entre CLPs e IHMs; Alguns instrumentos (smart instruments), podem se comunicar diretamente com esta rede para executar tarefas de maior complexidade. Databus ou Enterprise É tradicionalmente a espinha dorsal (backbone) da rede da companhia, onde são partilhados os dados relativos aos negócios; É predominantemente TCP/IP sobre Ethernet. 39

40 Redes de Campo exemplos de padrões Redes industriais AS-I WorldFIP CANOpen ControlNet DeviceNet Ethernet Interbus-S LonWorks PROFIBUS DP PROFIBUS PA Tipo Sensorbus Controlbus Devicebus Control Devicebus Databus Sensorbus Devicebus Devicebus Controlbus 40

41 Redes de Campo tipos de redes 41