Introdução a Disciplina de Controle Supervisório. Prof. Leandro Castilho Brolin

Transcrição

1 AULA 11 - LTC36B Introdução a Disciplina de Controle Supervisório Prof. Leandro Castilho Brolin UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná DAELN Departamento de Eletrônica

2 RESUMO (1) Redes de Computadores (2) Protocolos de Comunicação (3) Sistema de Controle

3 OBJETIVO DA AULA Ao final da aula o aluno terá uma noção básica dos tipos de redes empregadas na indústria e suas aplicações.

4 REDES DE COMPUTADORES As redes surgiram devido a necessidade de integração de todo o conjunto de informações contido na indústria; A comunicação se faz necessária entre o grande número de dispositivos digitais processados encontrados na indústria em diferentes níveis; Uma rede de computadores é composta basicamente por: Unidade de Processamento Aplicativo gerador de dados; Sistema Especialista Sistema gerenciador (equipamento de rede, placa que contém interface elétrica de comunicação, circuitos digitais especiais, buffers de memória e software); Meio Físico Linha transmissora de dados (cabo coaxial, fibra ótica, radiofrequência, micro-ondas, satélites, entre outros).

5 REDES DE COMPUTADORES Um processo pode ser definido como sendo um conjunto de tarefas ou tomadas de decisões, executado pela unidade processadora para a realização de uma operação qualquer. Pode ser classificado em dois tipos: Centralizado Todos os processos encontram-se no mesmo computador ex. Caixa eletrônico; Distribuído Os processos encontram-se me lugares distintos;

6 REDES DE COMPUTADORES PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Para que uma mensagem trafegue na rede de dados, é preciso estabelecer um conjunto de regras que defina como, de que forma, essa mensagem vai chegar ao seu destino; Ao conjunto de regras, precedimentos e leis que governam a troca de informação entre dois ou mais processos, define-se como um Protocolo de Comunicação; O Protocolo tem como objetivo permitir a troca de informações entre dois processos quaisquer, dentro de um sistema distribuído; Confusão entre os vários Protocolos criados pelos diversos fabricantes;

7 REDES DE COMPUTADORES Todos os protocolos possuem funções tais como: Endereçamento; Estabelecimento de conexão; Confirmação de recebimento; Pedido de retransmissão; Conversão de código; Numeração e sequência; Controle de fluxo.

8 REDES DE COMPUTADORES Para o cumprimento das funções descritas anteriormente, os protocolos podem ser especificados segundo dois critérios: Especificação Lógica: é a parte do protocola que especifica o seu formato definindo o número de bits ou bytes da mensagem. Define se vai existir um bit no início e outro no final da mensagem, caracterizando o formato do tipo de controle. É responsável pela sintaxe do protocolo; Especificação procedural: é a parte do protocolo que especifica as ações tomadas por parte dos processos ao receberem a informação, ou seja, determina quando a comunicação deve ser estabelecida definindo quem inicia e quem termina a comunicação, quem valida a mensagem. É o responsável pela semântica do protocolo.

9 REDES DE COMPUTADORES MODELO DE REFERÊNCIA OSI A ISO (International Stardard Organization), estabeleceu em 1977 um padrão de comunicação para um protocolo de comunicação de um barramento de campo; Criou o modelo OSI (Open System Interconection) que define sete camadas para o modelo do protocolo de comunicação.

10 REDES DE COMPUTADORES MODELO DE REFERÊNCIA OSI

11 REDES DE COMPUTADORES TAREFA DE CASA ENTREGAR UM TRABALHO (ESCRITO À MÃO) NO DIA DA PROVA EXPLICANDO QUAL A FUNÇÃO DE CADA CAMADA ESTABELECIDA PELA ISO.

12 REDES DE COMPUTADORES Tipos de Protocolos de Enlace São classificados em dois grandes grupos: Assíncronos: orientados a bit (ex. protocolo start-stop-bit), é simples, econômico, baixo grau de segurança e velocidade que varia entre 1200 e 16 k bits; Síncronos: orientados a byte (ex. protocolo HDLC), alto grau de confiança, os mais rápidos, os mais eficientes, custo mais elevado; OBS. Existem outros protocolos mais antigos utilizados para redes de longa distância, baseados em caractere.

13 REDES DE COMPUTADORES ESTRUTURA DAS REDE DE COMUNICAÇÃO São encontradas duas formas básicas: Estrutura Hierárquica; Estrutura Distribuída; Estrutura Hierárquica com Computador Central: O computador central gerencia todo o conjunto de informações sobre a comunicação; O SDCD estabelece diferentes níveis dentro da rede.

14 REDES DE COMPUTADORES Estrutura Distribuída: Todos os integrantes da rede devem ser capazes de receber mensagens e reencaminhá-las;

15 REDES DE COMPUTADORES Topologia em Barramento Esse tipo de configuração é muito utilizado no meio industrial, uma vez que ele não necessita tomar decisões complexas em roteamento, pois as mensagens vão tramitar na rede sem a participação dos nós de comunicação intermediários, não havendo, portanto, a ocorrência de armazenamento de mensagens em subsistemas; A única responsabilidade de cada nó é a de identificar as mensagens que lhe são destinadas;

16 A Interconectividade Necessidade de conexão dos SDCDs ao níveis hierárquicos mais elevados; Os dados no campo integrados aos banco de dados de gestão; Exemplos de técnicas: MES (Manufacturing Execution System), ERP (Enterprise Resource Planning) e similares; Estas técnicas incluem gateways capazes de adaptar os sinais e protocolos entre os SDCDs e a comunicação como a Ethernet; A automação e controle vêm acompanhando a tendencia de utilizar a internet como um meio de integração de dados.

17 As vantagens da interconexão em equipamentos das industrias podem ser: rede dos diversos Visualização e supervisão do processo de produção; Aquisição de dados do processo mais eficiente e rápida; Melhora do rendimento do processo, em geral; Aumento do intercâmbio de dados de processo entre setores e departamentos distintos, com maior velocidade; Programação remota, sem necessidade de acesso físico a dispositivos de chão de fábrica.

18 A CLASSIFICAÇÃO DAS REDES É comum estabelecer 4 níveis para a implementação de uma rede industrial, respeitando a hierarquia dos equipamentos, assim tem-se: 1) Nível de administração: É o nível mais alto; Fazem ponte entre os processos produtivo e administrativo; Ex. Supervisão de vendas, controle de estoque; Tipos de rede empregados: Rede de Área Local (LAN Local Area Network) e Rede de Área Ampliada (WAN Wide Area Network)

19 2) Nível de controle: Encarrega-se de agrupar e dirigir as distintas áreas de produção; Neste nível ficam as estações de projeto, controle de qualidade, programação, etc; Usa-se a rede tipo LAN; 3) Nível de campo e processo: Integra pequenas automações, CLPs, multiplexadores de E/S, controladores PID, etc., dentro de sub-redes ou ilhas; No nível mais elevado geralmente encontram-se os CLPs agindo como mestres da rede ou mestres flutuantes; Neste nível empregam-se alguns dos barramentos de campo.

20 4) Nível de entradas / saídas: É o nível mais próximo do processo; Encontram-se sensores, transmissores e atuadores.

21 REDES LAN INDUSTRIAIS São as redes de nível hierárquico mais elevadas. Os padrões mais conhecidos: MAP (Manufacturers Automation Protocol): Nasceu dentro da GM destinado ao ambiente industrial. Foi normalizado pelo IEEE. Não chega ao nível de barramento de campo, mas permite pontes terminais para acessá-los; Ethernet: Projetada pela Xerox e registrada junta à Digital e Intel, e é compatível com o modelo OSI nos níveis 1, 2 e 3 (este através de ponte). As velocidades vão de 10 a 100Mbytes da Fast-Ethernet.

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23 BARRAMENTOS DE CAMPO Propiciam a interligação dos modernos instrumentos digitais de campo; Não utilizam sinais de 4 à 20mA, e sim enviam sinais digitais no mesmo cabo de alimentação utilizados nos equipamentos; Assim, é possível transferir dados entre vários instrumentos de campo e de sala de controle, simultaneamente, em tempo real, fazendo a aquisição de dados, o controle de malha, o diagnóstico dos instrumentos da rede, a configuração, os alarmes, alterar parâmetros de controle e etc; A ligação em série dos componentes é cada vez mais utilizada, devido ao menor custo de material e mão de obra, maiores velocidades nos tempos de comando, dentre outros; Interligação entre equipamentos de fabricantes distintos, o projetista fica livre para poder escolher; Constitui o nível mais simples e próximo do processo.

24 REDE AS-i (Actuator Sensor Interface) É uma rede simples para conexão direta a sensores e atuadores discretos; Formou-se em 1991 sendo aberta a qualquer fabricante ou usuário; Do nível mais baixo da automação (E/S) até a comunicação de redes de nível mais alto e dispositivos de controle; Reduz custo da instalação, transporta dados e alimentação no mesmo cabo; Pode ser ligado até 248 elementos na rede; Pode-se alcançar até 200m de rede utilizando repetidores; Alimentação do cabo em 24Vcc até 8A; Utiliza o código Manchester, que possibilita uma boa imunidade à interferências tanto na alimentação quanto nos dados; A configuração da ligação está na figura a seguir.

25 PLC é o mestre e podem ser conectados até 31 escravos na rede, sendo que cada escravo pode conectar-se a mais 4 equipamentos; Cada escravo tem um endereço atribuído pelo PLC mestre.

26 Modelo de comunicação do AS-i: Utiliza o princípio de um cabo comum, onde podem ligar todos os elementos periféricos. O elemento básico do AS-Interface é um chip escravo, através do qual os sensores e atuadores se ligam ao cabo AS-Interface; Em cada ciclo, 4 bits de informação são transferidos em série do mestre para todos os escravos. Outros 4 bits são devolvidos dos escravos para o mestre com entradas ou saídas; O chip e outros componentes associados podem estar num módulo de interface onde sensores ou atuadores tradicionais podem ser ligados ou estarem integrados nos próprios sensores ou atuadores. Assim o utilizador pode usar tanto equipamento já existente como equipamento específico ASInterface;

27 Comunicação Mestre-escravo do AS-i: O sistema AS-Interface utiliza apenas um mestre por rede para controlar a troca de dados. O mestre chama cada escravo, sequencialmente e aguarda pela sua resposta. Utilizando uma transmissão de formato fixo, o AS-Interface elimina a necessidade de processos complicados de controle de transmissão; O mestre consegue interrogar os 31 escravos e atualizar as E/S em menos de 5ms; Podem existir 2 tipos de escravos: o primeiro é um módulo que permite a ligação de atuadores e sensores standard 24 VDC. Podem ser módulos IP67 ou IP20 (4 entradas e 4 saídas), para um total de 248 E/S num sistema; O segundo tipo é o atuador ou sensor dedicado AS-Interface. Cada uma destas unidades gere 4 bits de entrada e 4 bits de saída; Cada um destes equipamentos tem um endereço único na rede.

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30 REDE BITBUS É uma rede de comunicação em série tipo barramento de campo; Baseia-se numa linha compartilhada tipo RS-485 com várias estações penduradas no mesmo cabo; Pode ser implementada também em fibra ótica; Utiliza estações mestre e estações escravas; A prática mostra que com a utilização de cabos blindados, aterrados adequadamente, esta rede mostra-se excelente para ambientes ruidosos; Cada par de fios contém uma impedância de 120 ohms e devem ser terminados com uma resistência de 120 ohms (evita reflexão de ondas estacionárias); Contém um ou dois pares de fios torcidos e blindados, um par para dados e outro para o clock quando aplicado em modo síncrono; Normalizado pela IEEE;

31 A rede Bitbus pode ser configurada de várias maneiras: Mestre-escravo; Em arvore com repetidoras para distâncias maiores, em auto-clock pois as repetidoras não retransmitem o sinal de clock; Árvore multinível, onde se usam acoplamentos mestre-escravo para formar sub-barramentos em vários níveis. Cada nível pode operar com velocidades diferentes e tem seus próprios endereços; Toda a rede Bitbus é composta por elementos básicos denominados de nós; Um nó é qualquer dispositivo que contenha ao menos uma interface com a rede.

32 Os nós podem ser: Mestre: Controla o acesso à uma rede de qualquer nível, mediante um protocolo de comunicação tipo pergunta-resposta; Escravo: É um nó controlado pelo mestre, que só transmite quando o mestre o chama. Pode ser conectado a um bloco de E/S; Repetidor: Se encarrega de regerar os sinais de dados da rede (mas não é relógio). Aumenta o comprimento físico da rede; Expansão de entradas e saídas: é qualquer dispositivo E/S que se conecta à rede ao a um escravo; Obs. A troca de mensagem entre escravos só se dá perante a solicitação do mestre.

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34 REDE PROFIBUS Inclui ao menos 3 tipos que são: Profibus-DP (Decentralized Peripherals): Foi a primeira versão criada; Alta velocidade de acesso econômico; Mais utilizado para transmissão e controle das variáveis discretas nos sistemas de manufatura, com entradas e saídas distribuídas em campo; Configuração tipo plug and play. Profibus-PA (Process Automation): É a versão mais moderna do Profbus; Interconecta sensores, atuadores e controladores em um barramento comum; Aplicado em áreas classificadas; Transmissão de dados e alimentação em um único par de fios DC.

35 REDE PROFIBUS Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification): Aplicado ao nível de controle e supervisão (onde encontram-se os CLPs); É adequado para tarefas de comunicação extensas e complexas. Implementado em chips ASIC produzidos por diversos fabricantes; Baseada em RS485 e na especificação europeia EN50170; Os tempos de resposta são bons, podendo chegar aos 5 ms para uma rede a 12 Mbps. Histórico: Origem em 1987, pelos fabricantes de automação e o governo Alemão; Definição do Profibus DP em 1993; Aceite como norma europeia, EN50170, em 1996; Incluída na norma IEC em 2000.

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38 REDE Fieldbus Foundation ISA SP-50 É um sistema de comunicação bidirecional, totalmente digital, serial, que interconecta equipamentos de medição e controle, tais como sensores, atuadores e controladores; É uma rede local LAN para automação e instrumentação de controle de processos; Tem a capacidade de distribuir a aplicação de controle ao longo da rede, pois possuem blocos funcionais o que permite que os mesmos desempenhem a função do controlador; É baseado no padrão Profibus-PA, e juntamente com os Blocos de Descrições de Dispositivos, permitem uma comunicação simples, harmônica, e padronizada; Compõem malhas abertas para a aquisição de dados, ou fechadas, para controle, que funcionam de maneira autônoma, independente da salas de controle (mesmo com a supervisão desligada); O novo equipamento plugado na rede já anuncia sua presença na rede, facilitando ao operador sua configuração on-line; Função mestre secundário;

39 REDE Fieldbus Foundation ISA SP-50 Redução no custo da instalação de até 60% nos cabos e infraestrutura; Economia nos desenhos e diagramas; Economia na mão de obra da instalação; Redução no tempo de partida da planta, já que as configurações dos Blocos Funcionais pode ser feito de forma off line; A vantagem da rede Fieldbus é que os dispositivos como atuadores e transmissores podem rodar os algoritmos de controle, descentralizando assim o sistema de controle; Outra grande vantagem é a calibração remota, diagnósticos avançados, alarmes, o TAG do instrumento, dentre outras associadas ao dispositivo; Não pertence à nenhuma empresa, ao contrário dos protocolos de redes proprietários. Não tem fins lucrativos;

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