O que é uma rede industrial? Redes Industriais: Princípios de Funcionamento. Padrões. Padrões. Meios físicos de transmissão

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1 O que é uma rede industrial? Redes Industriais: Princípios de Funcionamento Romeu Reginato Julho de 2007 Rede. Estrutura de comunicação digital que permite a troca de informações entre diferentes componentes/equipamentos computadorizados. Rede industrial. Rede de comunicação dedicada ao contexto e ambiente industrial. Padrões 1. Fundamental existirem padrões para a comunicação entre equipamentos. 2. Diversos órgãos atuam na padronização: IEEE Institute of Electrial and Electronic Engineering ISO International Organization for Standarization EIA Electronic Industries Association ANSI American National Standards Institute. EUA. Ligado a ISO. Inmetro - Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial. Brasil. Padrões Aberto. Domínio público. Estabelecido por órgãos oficiais de normatização, padronização. Proprietário. Estabelecido por algum fabricante e restrito aos seus equipamentos. Meios físicos de transmissão Cabo de pares trançados UTP Cabo tipo sistema telefônico. Padrão para 5 diferentes qualidades. Baixa imunidade a ruído Capacidade até 100Mbps, até 100m Cabos de pares trançados STP Feixe de pares trançados cobertos com blindagem metálica. Boa imunidade ao ruído Até 500Mbps, até 100m Meios físicos de transmissão Fibra Ótica Vantagem. Imunidade ao ruído de ambiente industrial. Até 2Gbps, até 100km Transmissão sem fio Baixa imunidade a ruídos. Mais aplicado na supervisão de processos industriais geograficamente distantes. 1

2 Transmissão sem Fio Ondas de rádio (RF) Regulamentação por órgãos oficiais de comunicação (Anatel). Padrão IEEE Especifica transmissão na faixa de 2.4GHz; também por infravermelho 2 a 10Mbps Microondas Terrestre ou via satélite Até 10Mbps, distâncias grandes Transmissão sem Fio Infravermelho Baixa imunidade a ruído Até 16Mbps, até 1km Sistema público de telefonia Modems analógicos/digitais via celular ou sistema de telefonia fixa Em geral até 56kbps ou maiores com outras tecnologias de modulação/cabeamento (ADSL, ISND) Modelo de Referência OSI Modelo de Referência OSI OSI Open Systems Interconnection Modelo para padronização de sistemas de comunicação Estabelece estrutura em 7 camadas Hierarquia Independência entre camadas Padrões de interface entre camadas Transparência quanto a implementação das funções de cada camada Camada 7 Aplicação Camada 6 Apresentação Camada 5 Sessão Camada 4 Transporte Camada 3 Rede Camada 2 Enlace de Dados Camada 1 - Física Camadas realizadas por diferentes módulos de software ou hardware em uma mesma máquina Lógica de Funcionamento Modelo OSI - Características Máquina A Aplicação Apresentação Fluxo lógico dos dados Máquina B Aplicação Apresentação Interfaces entre camadas padronizadas Transparência quanto a implementação de cada camada (respeitada a interface) Sessão Transporte Rede Enlace de Dados Fluxo real dos dados Sessão Transporte Rede Enlace de Dados Camada superior usa serviços da camada inferior Camada inferior oferece serviços para a camada superior Física Conexão física Física 2

3 Padrões e Modelo OSI Protocolos de comunicação são relativos às camadas do modelo OSI Protocolo de camada de transporte Protocolo de rede Protocolo de acesso ao meio Camada Física Padrões podem especificar aspectos de uma, uma inteira ou mais que uma camadas do modelo de referência OSI Estabelece Tipos de conexão Topologia física da rede Transmissão de bits Uso da banda passante Multiplexação Responsável para que os bits sejam transmitidos de um nó para outro da rede Única camada que envolve conexões elétricas entre os nós da rede Tipos de conexão Ponto-a-ponto Somente 2 dispositivos. Exemplo. Comunicação entre computador e modem. Multiponto Três ou mais dispositivos. Exemplo. Internet. Topologias de Redes Aspectos associados a topologia da rede Segurança. O que acontece se o cabo é interrompido? Interferência de falha de um dispositivo sobre a rede. Redundância física para aumentar disponibilidade da rede. Fonte. Lopez, R. A.; Sistemas de Redes para Controle e Automação; Book Express; Rio de Janeiro, RJ;

4 Arquitetura típica Barramentos Industriais Comunicação wireless Estação de Monitoramento Ethernet TCP/IP Camada de Enlace de Dados CLP RTU RTU Fieldbus Profibus Canbus etc Sensores e Atuadores Especifica Topologia lógica da rede Acesso ao meio de transmissão Endereçamento dos dispositivos Sincronização de transmissões Serviços de conexão Funções principais Organiza os bits da camada física em grupos lógicos chamados frames Detecta e corrige erros de transmissão Controla o acesso ao meio físico da rede Políticas de Acesso ao Meio Disputa. Acesso ao meio deve ser permitido ao primeiro que chegar. CSMA/CD Carrier Sense, Multiple Access / Collision Detection. Detecta colisões e retransmite. Típico da rede Ethernet CSMA/CA Carrier Sense, Multiple Access / Colision Avoidance. Evita colisões. Típico de redes sem fio Problema quando o tráfego é intenso. Políticas de Acesso ao Meio Token passing. O acesso ao meio só é permitido ao dispositivo que possui o token. O token é passado de um dispositivo a outro da rede para que todos possam ter acesso ao meio ao longo do tempo. Redes com tráfego muito intenso. 4

5 Políticas de Acesso ao Meio Polling. Um dispositivo (mestre) administra o acesso ao meio de todos os demais dispositivos (escravos). Mestre consulta os escravos em alguma ordem estabelecida. Neste momento o escravo pode transmitir a informação que possui ao mestre. Camada de Rede Muito usado no contexto de redes industriais. Especifica Endereçamento Comutação Descoberta e seleção de rota Serviços de conexão (controle de fluxo; controle de erros; controle de seqüência de pacotes) Serviços de gateway (pontes entre diferentes redes) Principais funções Na camada de rede, uma unidade de informação transmitida é em geral chamada de pacote. Definir a rota e o processo pelo qual os dados se movem na rede. Pode haver mais de um caminho para os dados entre o emissor e receptor. O caminho pode envolver diferentes dispositivos (switchs, roteadores, etc) e diferentes tipos de redes Regular o fluxo de pacotes na rede. Características Gerais Redes Industriais Grande diversidade de redes, adaptadas para as diferentes necessidades de automação e controle Redes adequadas para cada nível: Nível de sensores/atuadores: Sensor buses Nível de dispositivos: Device buses Nível de controle/instrumentação: Field buses 5

6 Fieldbus Sinônimos Fieldbus Barramento de chão de fábrica Barramento de campo Rede de chão de fábrica Refere-se a redes voltadas aos níveis de interligação de sensores, atuadores, controladores, em geral abaixo dos sistemas supervisórios. Ethernet Industrial Rede Ethernet em geral interligando os níveis acima do sistema supervisório, incluindo MES, ERP, etc. Diversos CLPs já permitem interligação direta com rede Ethernet Existem pontes entre rede Ethernet e Fieldbus Alguns padrões de fieldbus utilizam Ethernet Ethernet Industrial Implementa camadas física e enlace de dados do modelo OSI Norma: IEEE Acesso ao meio: CSMA/CD Velocidades de 10Mbps, 100Mbps, 1Gbps Arquitetura de barramento, estrela com segmentos (switchs, roteadores, etc) Conectores: RJ-45 ou DB-9 (mais adequado a uso industrial) Ethernet Industrial Mesma estrutura de rede da Internet Protocolo de rede: IP (Internet Protocol) Protocolo de transporte: TCP (Transmission Control Protocol) Protocolos de mais alto nível que se utilizam do TCP/IP Facilidade de interfaceamento com a Internet Transferência de grande volume de dados Alguns Fieldbusses Profibus Profibus DP Profibus PA Profibus FMS Canbus DeviceNet WorldFIP ControleNET Modbus Bitbus Fieldbus Foundation Profibus Define as 2 primeiras camadas do modelo OSI e alguns incluem nível de usuário Profibus DP. Mais difundido na indústria de manufatura para transmissão e controle de variáveis discretas. Profibus PA. Concebido para automação de processos. Permite interligação de sensores, atuadores e controladores. Alimentação e comunicação pela mesma fiação Separa controladores de transmissoes Profibus FMS. Adequado para nível de supervisão e controle. Tarefas de comunicação extensas e complexas. 6

7 Padrões de Interface Típicos RS-485 RS-422 RS-232 7

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