Redes e Protocolos Industriais. Prof. Me. Bruno Medina Pedroso

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1 Prof. Me. Bruno Medina Pedroso

2 INTRODUÇÃO Prof. Me. Bruno Medina Pedroso

3 Uso das redes de computadores Uma rede de computadores é formada por um conjundo de módulos processadores capazes de trocar informações e compartilhar recursos, interligados por um sistema de comunicação (meios de transmissão e protocolos)

4 Conceitos de redes Segundo Gallo (2003), uma rede de computadores é uma coleção de computadores e outros dispositivos que usam um protocolo comum para compartilhar recursos uns com os outros através do meio de rede.

5 Conceitos de redes Alguns componentes são essenciais para uma rede de computadores: Hosts / Entidades; Meios de Comunicação; Protocolos As entidades conectadas (nós de uma rede). Aqui encontram-se todos os dispositivos conectados na rede.

6 Conceitos de redes O meio de comunição (meio de rede) pelo qual os dispositivos se comunicam. Ex: cabo, Fibra Óptica, etc.

7 TOPOLOGIAS DE REDES Prof. Me. Bruno Medina Pedroso

8 Topologias de Redes Arquitetura Ponto a Ponto ou Cliente - Cliente Características 1. Implementadas em pequenas redes - Geralmente até 30 computadores; 2. Fácil implementação; 3. Baixa segurança; 4. Geralmente não existe padrão no cabeamento estruturado; 5. Não existe uma administrador de rede; 6. Não existem computadores servidores específicos.

9 Topologias de Redes Arquitetura Cliente Servidor Características 1. Rede de maior desempenho se comparado a rede ponto a ponto; 2. Mais segurança; 3. Necessidade de especialista para sua administração; 4. Utilização obrigatória em grandes redes; 5. Sua implementação exige conhecimentos específicos

10 Topologias de Redes BARRAMENTO ANEL ESTRELA HÍBRIDA

11 Topologias de Redes TOPOLOGIA BARRAMENTO Todas as estações compartilham um mesmo meio físico. Utiliza cabo coaxial que deverá possuir um terminador resistivo em cada ponta. O tamanho máximo do trecho da rede está limitada 185m no caso do cabo coaxial fino. Este limite entretanto pode ser aumentado através de um periférico chamado repetidor, que na verdade é um amplificador de sinais. Características: Está em desuso; Se desconectar um nó e não ter o cuidado de fechar o barramento, toda rede cai.

12 Topologias de Redes TOPOLOGIA ANEL Na topologia em anel os dispositivos são conectados em série formando um circuito fechado (anel). Os dados são transmitidos unidirecionalmente de nó em nó até atingir o seu destino. Uma mensagem enviada por uma estação passa por outras estações através das retransmissões até ser retirada pela estação destino.

13 Topologias de Redes TOPOLOGIA ESTRELA A topologia em estrela utiliza cabos de par trançado e um concentrador (Hub Switch) como ponto central da rede. O concentrador se encarrega de retransmitir todos os dados para todas as estações, mas com a vantagem de tornar mais fácil a localização dos problemas, já que se um dos cabos, uma das portas do concentrador ou uma das placas de rede estiver com problemas, apenas o nó ligado ao componente defeituoso ficará fora da rede. Características: A mais difundida entre as topologias Maior relação custo benefício Fácil implementação Escalabilidade sem perda de performance

14 Dispositivos de Rede Hubs e Repetidores; Pontes; Switches; Roteadores;

15 MODELO OSI Prof. Me. Bruno Medina Pedroso

16 Modelo de Referência OSI Esse modelo separa as etapas de transmissão, definindo como cada fase do processo deve proceder na transferência de dados. Isto torna flexível a implementação de software e hardwares ao longo da rede, pois define as funções de cada fase, facilitando a operacionalização para usuários e fabricantes.

17 Modelo de Referência OSI Cada nível oferece serviços ao nível seguinte.as conexões de um nível são gerenciadas pelo protocolo daquele nível. Os níveis definidos com suas funções são sete,assim numerados: Camada 7-Aplicação; Camada 6-Apresentação; Camada 5-Sessão; Camada 4-Transporte; Camada 3- Redes; Camada 2-Enlace; Camada 1-Física;

18 Modelo de Referência OSI Dados Aplicação 7 Aplicação Dados Apresentação 6 Apresentação Sessão 5 Sessão Transporte 4 Transporte Rede 3 Rede Enlace 2 Enlace Físico 1 Físico

19 Encapsulamento O encapsulamento empacota as informações de protocolo necessárias antes de passar pela rede. Assim, à medida que o pacote de dados desce ou sobe pelas camadas do modelo OSI, ele recebe cabeçalhos e outras informações.

20 PROTOCOLO ETHERNET Prof. Me. Bruno Medina Pedroso

21 Protocolo ETHERNET Necessidade de conectar mais equipamentos na rede; Estudos foram iniciados com o objetivo de identificar uma padrão que pudesse ser utilizado para interconectar esses dispositivos; IEEE criou um comitê 802, conhecido como IEEE 802; Estudos foram realizados por Xerox, Intel, DEC (Digital Equipament Corporation); Em 1974, surge o protocolo ETHERNET, nos laboratórios da Xerox, através do pesquisador Robert M. Metcalf; Em 1982 surge o ETHERNET 2.0 e a partir dele o IEEE 802.3;

22 Protocolo ETHERNET O protocolo ETHERNET define o cabeamento e sinais elétricos para a camada física, e formato de pacotes e protocolos para a subcamada de controle de acesso ao meio (Media Access Control) do modelo OSI;

23 Protocolo ETHERNET CABEAMENTO Originalmente desenvolvidos para utilização de cabo coaxial grosso; Desenvolvidos novos meios de transmissão: Cabo UTP e Fibra óptica; Criação de cabos STP ou S/UTP; Cabo UTP Patch Cord Cabo STP Fibra ópitca

24 Quadro ETHERNET Quadro Ethernet é um formato padronizado, contendo informações dos dados, dispositivo de origem, dispositivo de destino, com o objetivo de fazer com que dispositivos diferentes possam se comunicar.

25 Quadro ETHERNET Formato Quadro Ethernet:

26 PROTOCOLO RS-232 E RS-485 Prof. Me. Bruno Medina Pedroso

27 Tipos de Transmissão Existem vários modos de transmitir dados entre uma origem e um destino 1 Quanto ao sentido da transmissão: Simplex, Half-Duplex, Full-Duplex 2 Quanto ao número de vias de transmissão: Comunicação serial e paralela 3 Quanto ao tipo de ligação física: Ponto a ponto e multiponto 4 Quanto a cadência de transmissão: Síncrona e Assíncrona

28 Comunicação paralela Transmissão de sinais Ocorre entre sistemas digitais localizados próximos um do outro; São enviados vários bits de cada vez; O meio de transmissão é composto de vários canais, um para cada bit; Para grandes distâncias é muito caro; É mais complexa que a serial; Taxa de transferência de dados ( throughput ) é alta Apresenta baixa imunidade a ruídos;

29 Transmissão de sinais Comunicação serial Os dados são transmitidos em uma sequência serial de bits; É menos complexa que a paralela; Utiliza apenas um canal de comunicação; A taxa de transferência de dados ( trhoughput ) é baixa; O custo é menor; Maior imunidade a ruídos; Modos de comunicação: Síncrono Assíncrono

30 RS232, RS485 Em uma interface serial os bits de dados são enviados sequencialmente através de um canal de comunicação ou barramento. Diversas tecnologias utilizam comunicação serial para transferência de dados, incluindo interfaces RS232, RS485 e Modbus

31 RS 232 Níveis de Tensão:

32 DB 9 RS 232

33 Sinais da interface RS-232-C Nome do Sinal Abreviação Sentido DB-25 DB-9 Terra Chassi Transmit Data TX Saída 2 3 Receive Data RX Entrada 3 2 Request To Send RTS Saída 4 7 Clear To Send CTS Entrada 5 8 Data Set Ready DSR Entrada 6 6

34 Rede Industrial utilizando RS232

35 RS-485 Desenvolvido pela EIA Electronics Industry Association Somente um par de fio é compartilhado para transmissão e recepção Vantagem: pode-se interligar vários equipamentos no mesmo cabo Desvantagem: a comunicação deve ser half-duplex, deve existir algoritmo (ou gerenciador de rede) para gerenciar a transmissão (evitar/tratar colisões) Não especifica ou recomenda protocolos O alcance é de até 1200m Máximo de 32 terminais remotos em cada nó da rede que devem ser endereçáveis Único PC como mestre da rede Taxa de transmissão: 15m ~ 10Mbps e 1200m ~ 100Kbps

36 RS-485

37 RS-485

38 RS-485

39 CONVERSORES

40 Rede RS485

41 REDES INDUSTRIAIS Prof. Me. Bruno Medina Pedroso

42 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.

43 Redes Industriais

44 Redes Industriais Ideia original: economizar cabeamento!

45 Níveis Hierárquicos de Redes Industriais

46 Níveis Hierárquicos de Redes Industriais

47 Níveis Hierárquicos de Redes Industriais

48 Redes Industriais

49 Nível de Planta No nível de planta temos a supervisão e gerenciamento de todo o processo que normalmente ocorre através de um software supervisório. PRINCIPAIS AÇÕES Supervisão; Comando; Planejamento; Banco de Dados. Transferência maciça de dados entre equipamentos; Frequência de comunicação de segundos ou minutos; Grandes distâncias (LAN / WAN / INTERNET) PROTOCOLOS Profinet Ethernet Fieldbus Foundadion

50 Nível de Controle Este nível permite o controle sobre as ações do níel de campo em função da definições e comandos dados pelo nível de planta PRINCIPAIS AÇÕES Controle em tempo real; Segurança; Interface. Integração entre unidades inteligentes; Mensagem de dados em words ou blocos; Frequência de comunicação de centenas de milisegundos; Distância de centenas de metros. PROTOCOLOS Profibus FMS Modbus Controlnet

51 Nível de Campo Através deste nível torna-se possível a aquisição e atuação direta dos dados de chão de fábrica como valor de pressão, status de um motor, ligamento e desligamento de uma válvula, etc. PRINCIPAIS AÇÕES Aquisição das variáveis; Atuação sobre equipamentos; Sensores e atuadores; Mensagem de dados de alguns bits, bytes; Frequência de comunicação de dezenas de milisegundos; Distância de dezenas / centenas de metros; Concepção determinística. PROTOCOLOS Profibus DP e PA ASI Fieldbus Foundations DeviceNet

52 PROTOCOLO MODBUS Prof. Me. Bruno Medina Pedroso

53 MODBUS Desenvolvido e publicado pela Modicon Industrial Automation Systems em 1979 para uso do seu CLP, tornou-se um padrão de fato na indústria. É um dos mais antigos protocolos utilizados em redes de controladores lógicos programáveis para aquisição de sinais de instrumentos e comandar atuadores usando uma porta serial. Atualmente parte do grupo Schneider Electric, a Modicon colocou as especificações e normas que definem o Modbus em domínio público. O protocolo é utilizado em milhares de equipamentos existentes e é uma das soluções de rede mais baratas a serem utilizadas em automação industrial.

54 Para que se utiliza o MODBUS? MODBUS Tipicamente usado para transmitir sinais de instrumentação e dispositivos de controle para um sistema controlador. Na imagem ao lado, pode-se observar 3 transdutores de pressão conectados à rede ModBus

55 MODBUS OMNI Turbo Sensus Medidor de Água

56 Tipos de Protocolos MODBUS

57 Transações entre mestre e escravo MODBUS

58 Descrição do protocolo O protocolo MODBUS define uma única PDU, independente do protocolo de comunicação MODBUS O mapeamento (encapsulamento) do protocolo MODBUS em um barramento ou rede específica introduz alguns campos adicionais, criando a ADU

59 Equipamentos Modbus Gateway Modbus Ethernet para Modbus

60 Equipamentos Modbus PM180

61 PROTOCOLO PROFIBUS Prof. Me. Bruno Medina Pedroso

62 PROFIBUS Principal sistema aberto para fieldbus Baseado nos padrões: EN e EN IEC e IEC Independência de fabricantes (dispositivos devem comunicar-se) Utiliza protocolo de acesso ao barramento token passing para comunicação entre os mestres (estações ativas), usando anel lógico E o procedimento mestre escravo para comunicação entre o mestre e os escravos (estações passivas) Atende vários níveis em sistemas de automação O perfil de comunicação PROFIBUS estabelece como as informações serão transmitidas serialmente pelo meio de comunicação. 62

63 ARQUITETURAS PROFIBUS PROFIBUS PROFIBUS DP Periferia Descentralizada (Descentralized Periphery) PROFIBUS PA Automação de Processo (Process Automation) 63

64 Periferia Centralizada - Consiste em cabear todos os sinais de E/S em um módulo do CLP (Controlador Lógico Programável) Vantagens da Periferia Centralizada Simplifica a arquitetura de comunicação Simplifica a arquitetura de controle e configuração Centraliza a verificação de equipamentos em caso de falhas Mais segurança ao pessoal com falta de formação e experiência em automação 64

65 Periferia Centralizada Desvantagens da Periferia Centralizada Aumenta a dimensão dos armários de controle (aumento de calhas, blocos terminais e aparelhagem auxiliar) e o espaço físico para abrigá-los Aumenta o número de cabos e tubos A identificação das E/S é mais complicada, não ajudando na identificação de falhas Pouca flexibilidade para ampliações e modificações 65

66 Periferia Descentralizada - Consiste em cabear todos os sinais de E/S em um módulo próximo aos dispositivos de campo Vantagens da Periferia Descentralizada Redução do número de cabos e tubos Simplifica a identificação das E/S e facilita o diagnóstico e reparação de avarias. Reduz o tempo de paradas e indisponibilidade Grande flexibilidade para ampliações e modificações. Reduz o tamanho dos armários de controle 66

67 Periferia Descentralizada Desvantagens da Periferia Descentralizada Aumenta a arquitetura de comunicação, e dependendo do barramento ou rede de controle que escolher, também irá aumentar o número de equipamentos específicos para as comunicações A arquitetura de controle e configuração, requer conhecimentos de redes Dá mais insegurança ao pessoal com falta de formação e experiência em automação e sistemas Módulo E/S analógica / Profibus 67 Módulo E/S digital / Profibus

68 Operação da Rede Mestre realiza a operação cíclica com todos os escravos a ele associados; O mestre envia mensagem ao escravo 1 que a responde; Após receber a resposta, o mestre enviar mensagem ao próximo escravo; A operação continua até o término de todos os escravos e é reiniciada; 68

69 Operação da Rede A passagem de token é um procedimento usado para evitar que mais de um mestre se comunique ao mesmo tempo; 69 Um token é uma mensagem especial que só circula entre os mestres e que carrega a permissão de acesso à rede;

70 PROFIBUS DP - Camada Física Topologia básica aplicados à versão PROFIBUS DP 70

71 PROFIBUS DP - Camada Física 71

72 PROFIBUS Na figura ao lado é mostrada uma rede em que os terminadores utilizados estão nos equipamentos. Caso algum desses equipamentos seja desligado ou retirado, a rede fica sem terminador. Solução utilizando o AT303 Sense 72

73 PROFIBUS DP - Camada Física 73 Repetidor Siemes

74 PROFIBUS DP - Camada Física 74

75 PROFIBUS DP - Camada Física 75 Derivador de rede Sense

76 PROFIBUS Também é possível utilizar o conceito de fibra óptica para aumentar a distância da rede. Em algumas aplicações pode ultrapassar 100km. 76

77 PROFIBUS PROFIBUS PA É o perfil menos frequentemente utilizado; Velocidade fixa em 31,25 Kbp/s; Depende da versão DP para entrar em operação; Custo mais elevado em relação à DP; Utilizado para automação de processos analógicos; Configuração e parametrização integradas no instrumento de campo; Utiliza padrões de supervisão avançados do mercado: FDT (Field Device Tool) ou DTM (Device Type Manager). Ambas as tecnologias são conceitos de análise de falhas, diagnósticos, e parâmetros avançados de uma rede de campo para instrumentos analógicos 77

78 PROFIBUS PA - Camada Física É uma extensão da versão DP. Para realizar a conversão de DP em PA, há dois equipamentos: LINK: É um gateways de rede, ou seja, converte a versão DP em PA. É uma módulo de campo comum para a versão DP e um mestre para a versão PA 78

79 PROFIBUS PA - Camada Física É uma extensão da versão DP. Para realizar a conversão de DP em PA, há dois equipamentos: COUPLER: Acoplador de meio físico entre as redes DP e PA. Não influencia o endereçamento da rede 79

80 PROFIBUS PA - Camada Física A capacidade de endereçamento é significantemente aumentada com a presença dos links, uma vez que são escravos para o DP e mestres do PA. 80 Endereçamento com Couplers Endereçamento com Links

81 PROFIBUS PA - Estrela 81

82 PROFIBUS PA Ponto a Ponto 82

83 PROFIBUS PA - Barramento 83

84 PROFIBUS - Spurs Configuração típica de instalação 84

85 PROFIBUS 85

86 Equipamentos para PROFIBUS Multímetro para análise física da rede PROFIBUS DP: Mostra como está a parte físcia da rede, ou seja, cabos, terminadores de sinais e endereçamento de algum dispositivo. 86

87 Uma estrutura de rede uniformizada Continuidade até o chão de fábrica Redução de interfaces Engenharia em qualquer ponto da planta Por que usar Ethernet? Uso das vantagens da TI nas áreas de produção Acesso Remoto Serviços de Web Updates de Software 87 Melhorias em relação aos sistemas existentes Alta performance Quantidade ilimitadas Operação Simples

88 Topologias de automação convencionais: Por que usar Ethernet? Protocolos diferentes dificultam transparência de dados 88

89 Um único barramento para todas as tarefas Por que usar Ethernet? 89

90 PROFINET Há 3 formas distintas de operação: 2 em real time e uma para não tempo real A primeira baseia-se na arquitetura TCP/IP pura: Ethernet na camada 1 e 2; IP na camada 3; TCP e UDP na camada 4; Chamada de Non-RT (Non-real time); Tempo de processamento aproxima-se dos 100ms; Utiliza o PROFINET CBA; Utilizado na comunicação entre proxys de rede; 90

91 PROTOCOLO AS-i Prof. Me. Bruno Medina Pedroso

92 AS-Interface OBJETIVO: Tornar mais simples e rápidas as comunicações entre sensores e atuadores com os seus respectivos controladores; HISTÓRICO: Surgiu em 1990 na Alemanha, desenvolvida por um consórcio de 11 empresas; 1991 foi fundada a AS-International Association (suporte às informações, certificação de produtos, atividades, cursos, feiras e outros eventos) 1999 foi padronizada pela norma EN50295/ IEC ;

93 AS-Interface Actuator Sensor Interface (AS-Interface ou na sua forma abreviada AS-i) Alimentação e a comunicação são trafegadas no mesmo par de fios; Permite derivações a qualquer momento inclusive com a rede energizada; Permite montagem em várias topologias, como estrela, linear ou árvore; Opera com traxa de transmissão fixa (167,5 kbps); Possui três versões distintas: Versão 1 (AS-I 2.0 Descontinuada), Versão 2 (AS-I 2.1) e Versão 3 (AS-I 3.0)

94 AS-Interface Comparativos entre versões

95 AS-I

96 AS-I

97 AS-I

98 AS-I

99 AS-I

100 AS-I

101 AS-I

102 AS-I Comprimento máximo de 100 metros, por trecho de rede. Possibilidade de utilizar casadores de impedância e/ou repetidores, chegando a no máximo 600 metros. Corrente máxima em toda a rede 4A

103 AS-I Controlador de Rede HSE/AS-i (DF81) - SMAR Controlador de Rede AC1355 IFM

104 AS-I Sensor Fotoelétrico Série EP - Sense Módulo I/O Série D1 - Sense Sensor Indutivo - Sense

105 AS-I Cabo ASI; Cabo Flat Amarelo, possui uma forma geométrica padrão desenhada para evitar a inversão de polaridade, quando empregado com conectores do tipo vampiro - Sense Cabo Redondo - Sense

106 AS-I Fonte ASI Deve ser Regulada com valores de tensão entre 26,5 Vdc e 31,6 Vdc Pode ser instalada em qualquer parte da rede; Deve-se utilizar indutores para isolar a fonte do sinal de comunicação

107 AS-I Distribuição dos dispositivos para extensão da rede ASI

108 AS-I Exemplo de interligação de diversos componentes ASI

109 AS-I Fonte ASI; Alimentação 110/220 Vac Tensão de Saída 30,5 Vdc Capacidade de 4A SENSE DN IFM

110 Outros itens que podem ser inseridos; AS-I GATEWAY AS-Interface Adaptador de protocolos e serve para ligar a rede AS-I a redes de nível mais alto (DeviceNet ou Profibus DP) AC1376 IFM Gateway ASI Profibus DP AC1421 IFM Gateway ASI ETHERNET

111 DERIVADOR ASI; AS-I

112 Outros itens que podem ser inseridos; AS-I

113 AS-I

114 Resumo das Características AS-I

115 Sistemas Supervisórios Wonderware Indusoft 8.0 Prof. Me. Bruno Medina Pedroso

116 INTRODUÇÃO Prof. Me. Bruno Medina Pedroso

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120 LICENÇAS Prof. Me. Bruno Medina Pedroso

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