Referências Introdução às Redes Industriais Parte 01 Barramentos Industriais Referência principal 2 Seções Seções 1. Introdução 2. Redes Industriais A. Redes comerciais x industriais 1) Implementação 2) Arquitetura 3) Severidade em falhas 4) Requisitos de tempo real 5) Determinismo 6) Tamanho dos dados 7) Tráfego periódico e aperiódico 8) Consistência temporal e Ordem de Eventos 9) Robustez B. Tipos de informação C. Componentes de redes industriais 1) CLP 2) SCADA 3) DCS 3 3. Origens e desenvolvimento A. Fieldbus B. Ethernet Fieldbus 4. Protocolos de redes industriais A. Operação Fieldbus 1) Pilha de rede 2) Acesso ao barramento 3) Distribuição das informações 4
Seções Seções Parte 02 4. Protocolos de redes industriais B. Visão geral dos protocolos 1) CANOpen 2) ControlNet e DeviceNET 3) PROFIBUS 4) PROFINET 5) INTERBUS 6) WorldFIP 7) Foundation Fieldbus 8) Ethernet/IP 9) Foudation Fieldbus HSE 10) P-Net 11) HART 12) OPC 13) Outros 5 Parte 03 5. Áreas de pesquisa A. Wireless B. Segurança 6. Considerações 7. Conclusões 6 1. Introdução Controle de processos Hidráulico, pneumático, mecânico 1. INTRODUÇÃO 7 Controle mecânico 8 1700 1950
1. Introdução Controle de processos REFAP Refinaria Alberto Pasqualini 1. Introdução Controle de processos 9 Controle mecânico Controle eletrônico analógico Grande consumo de espaço Longa fiação Circuitos analógicos Comunicação analógica 4-20 ma, 0 10 V 10 1700 1950 1980 2020 1. Introdução Controle de processos 1. Introdução Protocolos Fieldbus Protocolos de comunicação para controle de processos Integração dos diversos níveis de fábrica através de redes Controle mecânico Controle eletrônico analógico Controle eletrônico digital Circuitos Integrados Microprocessadores Comunicação digital Smart sensors IoT 11 12 1700 1950 1980 2020
1. Introdução Pirâmide da Automação 13 2.A. REDES INDUSTRIAIS X COMERCIAIS 14 2.A.1 Implementação Domínios de uso de redes industriais Manufatura discreta Linhas de montagem, células Produtos discretos (unidades) 2.A.1 Implementação Domínios de uso de redes industriais Controle de processos Sistemas dinâmicos e interconectados Controle de variáveis de processo 15 16
2.A.1 Implementação 2.A.1 Implementação Domínios de uso de redes industriais Automação residencial/predial (domótica) Segurança, controle de acesso, vigilância, aquecimento e refrigeração Domínios de uso de redes industriais Distribuição Sistema Digital de Controle Distribuído - SDCD 17 18 2.A.1 Implementação Domínios de uso de redes industriais Transporte Altas distâncias, trens, controladores de tráfego automáticos 2.A.1 Implementação Domínios de uso de redes industriais Sistemas embarcados Dispositivos simples, redes veiculares 19 20
2.A.2 Arquitetura 2.A.2 Arquitetura Profundidade da rede Níveis diferentes, com diferentes protocolos Hierarquia Gateways intermediários Profundidade da rede Gestão Fábrica Supervisão Controle Chão de fábrica Ethernet, Wi-fi Ethernet, Wi-fi Ethernet, Wi-fi Foundation Fieldbus, Profibus FMS, Modbus, Profinet, Ethernet/IP CANOpen, DeviceNET, Profibus DP, Profibus PA, Modbus 21 22 2.A.2 Arquitetura 2.A.2 Arquitetura Profundidade da rede 23 24
2.A.3 Severidade de Falhas 2.A.4 Requisitos tempo real Falhas em redes industriais Danos a equipamentos Perda de produtos Danos ambientais Acidentes Falhas em redes comerciais Perda de tempo Atrasos Indisponibilidade de informações 25 Tempo real Um sistema que é capaz de executar uma tarefa dentro de um tempo limite pré-definido Deadline (tempo limite) para a tarefa Mestre Tempo de resposta - Tempo entre uma requisição do mestre e a resposta do escravo, por exemplo Requisição Resposta Escravo 26 2.A.4 Requisitos tempo real 2.A.4 Requisitos tempo real Ciclo Tempo real O tempo para executar todas as tarefas precisa ser menor que o período Respeitar os deadlines Exemplo Ciclo de execução em um CLP Leitura Entradas Execução código Escrita saídas Ciclo 1 Deadline Leitura Entradas Exec cód Tempo real Atrasos nas comunicações Impactam os sistemas de controle Principalmente os de controle em malha fechada Afetam a performance do controlador Informações atrasadas Controladores PID e outros PRECISAM rodar com um período fixo para garantir o desempenho Leitura Entradas Execução código Escrita saídas Período 27 Ciclo de execução Deadline perdido 28
2.A.5 Determinismo 2.A.6 Tamanho de dados Determinismo temporal Transmissão de dados de uma forma previsível Deve ser possível predizer quando uma resposta será recebida Tempo de resposta conhecido e previsível A latência ( ) deve ter pouca variância A variância é conhecida como jitter Jitter tem efeito negativo nos laços de controle Termos integrativo e derivativo do PID são afetados Leitura Entradas Execução código Escrita saídas 29 Quadros pequenos Poucos dados Uma entrada analógica 10 bits, 12, 16, 24 bits... Uma entrada digital 1 bit 8 entradas digitais 8 bits CAN Quadro pode ter 8 bytes de dados no máximo Modbus Registradores de 2 bytes cada Ethernet Quadro de 1.500 bytes 30 Ciclo de execução 2.A.7 Tráfego Periódico e Aperiódico 2.A.8 Consistência Temporal e Ordem de Eventos Tráfego periódico Leituras de sensores Escrita de atuadores Loops de controle Troca de dados entre CLPs Tráfego aperiódico (eventos) Configurações Alarmes Eventos (mudança de estado de entradas) Necessidade de determinar quando algum evento ou transmissão ocorreu Sincronismo de clocks, timestamps Garantir a ordem de envio dos pacotes Protocolo TCP Não garante ordem Estratégias Escalonamento das transmissões Reordenamento por prioridade 31 32
2.A.9 Robustez 2.A. Redes Comerciais x Industriais Suportar condições adversas Sujeira, vibração, poeira, calor... Conectores e caixas de passagem de cabos Graus de proteção altos IP67 ou outros, atmosfera explosiva... Característica Industrial Convencional Função principal Controle de equipamentos físicos Transferência e processamento de dados Domínios de uso Aplicação Hierarquia Manufatura, processos Profunda Vários protocolos e padrões de meio físico Severidade de falhas Alta Baixa Confiabilidade Alta Moderada Tempos de resposta 250 us 10 ms +50 ms Determinismo Alto Baixo Ambientes corporativos e residenciais Rasa Protocolo e padrão de meio físico padrão 33 Composição dos dados Pacotes pequenos, periódicos e aperiódicos Pacotes grandes, aperiódicos Consistência Temporal Necessária Não necessária Ambiente Condições hostis, poeira, vibração e calor Ambientes limpos 34 2.B Tipos de informação Informações transmitidas em redes industriais Tipo de Dados Descrição Características Controle Entradas e saídas dos loops de controle Tempo Real Determinístico Diagnóstico Status dos equipamentos na planta (configurações e diagnóstico) Não é tempo real Não crítico Segurança Detecção de riscos, falhas críticas, NR-12 Tempo real Alta confiabilidade Rede separada Dados históricos Coleta de dados históricos Não é tempo real 2.B TIPOS DE DADOS 2.C COMPONENTES PRINCIPAIS 35 36
2.C.1 Componentes de Redes Industriais - CLP 2.C.2 Componentes de Redes Industriais - SCADA CLPs Programação / Reprogramação Fácil manutenção Dimensões pequenas Comunicação com sensores, atuadores Comunicação com sistemas supervisórios Modularidade Módulos de comunicação Expansão conforme necessidade Linguagens de programação IEC 61131 (5 linguagens) IEC 61499 (blocos de função) 37 38 2.C.2 Componentes de Redes Industriais - SCADA 2.C.3 Componentes de Redes Industriais - SDCD Supervisory Control And Data Acquisition Supervisão dos processos HMI Human Machine Interface Comandos de alto nível para os sistemas de controle Orientada a eventos Alarmes, mudanças de estado Menos demanda de comunicação Sistemas Digitais de Controle Distribuído Compostos por vários CLPs que trocam e compartilham informações Refinarias, geração de energia e outros Velocidade de comunicação Conectada aos dispositivos através da rede Geralmente CLPs usam uma porta de comunicação secundária 39 40
3 Origens e desenvolvimento das redes industriais Protocolos Fieldbus IEC 61158 Barramento de dados digital, serial, multiponto, com dispositivos de controle e instrumentação industrial 3. ORIGENS E DESENVOLVIMENTO 41 Objetivos Substituir 4 20 ma e 0 10 V nas comunicações 3 Gerações de protocolos Fieldbus seriais tradicionais Baseados em Ethernet Tecnologias wireless 42 3 Origens e desenvolvimento das redes industriais 3.A Fieldbus Protocolos Fieldbus 3 Gerações de protocolos Fieldbus seriais tradicionais Baseados em Ethernet Tecnologias wireless 1980 Protocolos Fieldbus Seriais 2000 Protocolos Fieldbus Wireless Protocolos Fieldbus Ethernet 2010 43 Contextualização 1970 Primeiros CLPs e microcontroladores Criação do modelo ISO/OSI Auxiliou a criação de protocolos e serviços CIM Computer Integrated Manufacturing Integração dos níveis de fábrica MAP Manufacturing Automation Protocol Padronização de comunicação entre controladores e células fabris Redução da fiação 1985 Surge o termo Fieldbus 44
3.A Fieldbus 3.A Fieldbus Fieldbus = redes de campo = barramentos industriais = redes fieldbus = redes industriais Desenvolvimento inicial Universidades Indústrias Interesse dos usuários em protocolos abertos Facilitar a compatibilidade / interoperabilidade Redução de custos Facilitar a compra / concorrência Suporte / manutenção 45 IEC Criação de comitê para definir um padrão fieldbus internacional IEC definiu dois níveis de tecnologias Fieldbus H1 e H2 H2 Alta taxa de dados, para conexão de controladores e interconexão de várias redes H1 H1 Baixa taxa de dados, para conexão de sensores e atuadores 46 3.A Fieldbus 3.A Fieldbus Vários protocolos Permitem a escolha da solução mais adequada e barata IEC não chegaram a consenso Discussão sobre as propostas Profibus e WorldFIP A Fieldbus Foundation divulga o Foundation Fieldbus (FF) O Comitê Europeu de Padrões Eletrônicos CENELEC publicou diversos padrões, inclusive o CAN e o FF Os padrões já vinham sendo usados antes da padronização Criou-se a norma IEC 61158 4000 páginas 7 padrões abertos 47 Dificuldade de distinguir as diferenças e vantagens de um em relação ao outro Dificuldade de criar um padrão único Muitas aplicações diferentes Geralmente se utilizam vários equipamentos do mesmo fabricante Reduzir custos de treinamento e aprendizado OPC Interface padronizada para acesso aos dados no SCADA Padroniza o software para acesso às informações 48
3.A Fieldbus OPC Dificuldade de acesso aos dados do processo 3.A Fieldbus OPC Cada desenvolvedor de software SCADA precisava desenvolver drivers para acessar os dados dos controladores Diferentes barramentos de comunicação Diferentes protocolos Diferentes interfaces de dados OPC Data Access specification (1995) OLE for Process Control OPC Foundation Padrão para acesso aos dados Suportado pelos sistemas de supervisão e controle 49 50 3.A Fieldbus OPC 3.B Ethernet Fieldbus Ethernet e TCP/IP Padrão de uso comercial Pouca aceitação em aplicações industriais Uso de Ethernet no nível H2 51 10Base-Tx CSMA/CD Coaxial Half-Duplex HUB 100Base-Tx CSMA/CD Par trançado Full-Duplex SWITCH 52
3.B Ethernet Fieldbus 3.B Ethernet Fieldbus 100Base-TX Switch com Buffers Atrasos de processamento Atrasos por causa da fila Ruim em redes congestionadas Determinismo temporal não tem Ethernet tempo real Área de pesquisa Engatinhando Porém Facilita interconexão dos níveis de automação Simplifica a configuração de equipamentos Segurança nas redes 53 Diversas abordagens e protocolos Foundation Fieldbus HSE Modbus/TCP Ethernet/IP P-Net Profinet Ethernet ainda não é um padrão consolidado para fieldbus Switches especiais X bloco de terminais Sensores e atuadores com portas Ethernet X saídas analógicas Distância metros X quilômetros Válido para H2 54 3.B Ethernet Fieldbus Vantagens da Ethernet e do TCP/IP Redução da profundidade da rede (hierarquia) Melhor interconexão das redes Protocolos e linguagens para a troca de dados XML Extended Markup Language Arquivos de dados com tags (mark-ups) HTTP Hypertext Transfer Protocol FTP File Transfer Protocol 55 4.A OPERAÇÃO DAS REDES INDUSTRIAIS 56
4.A.1 Pilha de rede 4.A.1 Pilha de rede Modelo reduzido MAP/EPA Reduzir os atrasos da passagem de informação entre camadas Camada de rede desnecessária (sem roteamento) Camada de transporte desnecessária (pacotes pequenos) Cada protocolo fieldbus implementa a EPA com variações Real-time Ethernet Baseado no TCP/IP 3 abordagens 57 58 4.A.2 Acesso ao barramento 4.A.3 Distribuição da Informação Acesso ao meio físico Grande responsável pelo determinismo Acesso controlado Controle centralizado (mestre-escravo) Não permite redundância Controle descentralizado (passagem de token) Entre mestres Melhor determinismo Acesso não controlado CSMA/CA (CAN) Prioridade 59 Modelo cliente-servidor Cliente solicita dados para o servidor Geralmente combinado com uma passagem de Token entre os clientes Cada cliente acessa dados do cliente e depois passa o Token Modelo produtor-consumidor Modelo push empurra Tradicional. Um publica periodicamente a informação e quem quer consome Modelo pull puxa Um gerenciador pede para um dispositivo publique sua informação Os interessados usam a informação 60
Referências GALLOWAY, B.; HANCKE, G. P. Introduction to Industrial Control Networks. IEEE COMMUNICATIONS SURVEYS & TUTORIALS, VOL. 15, NO. 2, 2013. 61