Universidade Estadual de Londrina. Redes Industriais de Comunicação - PDF
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João Victor Terra Brás
1 Universidade Estadual de Londrina Redes Industriais de Comunicação
2 Redes Industriais Classificação
3 Classificação Redes de controle Interligam o equipamentos e sistemas inteligentes de controle, como por exemplo: CLP s, SDCD s, etc. Entre os principais tipos tem-se: Profibus HSE, Microsoft (Ethernet, TCP/IP) Fazem troca de dados entre equipamentos e o sistema administrativo
4 Redes de dispositivos subordinadas a um equipamento inteligente de controle, como por exemplo SDCD, CLP ou computador com software adequado. Redes de processos para comunicação entre equipamentos de campo (sensores, atuadores, etc.) e sistemas inteligentes (SDCD, CLP). Exemplos: HART, Foudantion Field Bus, Profibus PA, etc.
5 Redes abertas são redes que suportam equipamentos e dispositivos de diferentes fabricantes. Vantagens: não gera dependências ou limitações, é mais versátil para controlar o processo. Desvantagens: possibilidade de falhas de comunicação, velocidades variáveis de comunicação, domínio do protocolo de cada fabricante Redes proprietárias são redes utilizadas pelos fabricantes para estabelecer a conectividade entre seus equipamentos. Vantagens: estabilidade de comunicação, facilidade de instalação de novos equipamentos Desvantagens: utiliza um único fabricante, dependência de upgrades dedicados
6 Meios Físicos de Transmissão Par trançado Possui dois tipos de construção: com blindagem (shielded) e sem blindagem (unshielded) Cabos par trançado sem blindagem (UTP Unshielded Twisted Pair) - aplicados em telefonia e em redes de alta velocidade - quanto mais apertado o enrolamento, maior a taxa de transmissão.
7 Cabos par trançado com blindagem (STP Shielded Twisted Pair) - Para ambientes sujeitos a interferências Cabos coaxial - Em algumas aplicações é mais eficiente que o par trançado Fibra ótica - Constituída por um núcleo de fibra de vidro, envolvido por várias camadas de material isolante - Ideal para grandes distâncias
8 Tipos de Controle Controle centralizado
9 Controle ponto a ponto
10 Controle produtor-consumidor
11 Sistema digital de controle distribuído (SDCD)
12 A escolha das tecnologias de redes de comunicação a serem utilizadas depende dos requisitos de cada aplicação.
13 IEC Fieldbus Standard A IEC Comunicação Digital para Medição e Controle Fieldbus para Uso em Sistemas de Controle Industrial, considerou um padrão multi-opção, que inclui oito protocolos de campo: (Type 1) - Fieldbus Foundation H1, (Type 2) - ControlNet; (Type 3) PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) (Type 4) - P-Net; (Type 5) - Fieldbus Foundation High-Speed Ethernet; (Type 6) - SwiftNet; (Type 7) - WorldFIP; e (Type 8) - Interbus-S.
14 Pirâmide da Automação
15 DataBus Modbus FieldBus DeviceBus SensorBus
16 Aplicações nas Plantas Industriais Dispositivos Redes Nível 4 Administração Corporativa Nível 3 Gerenciamento de Produção Nível 2 Sistemas de Supervisão Nível 1 Dispositivos de Controle Nível 2 - DataBus Computadores (Hosts) Nível 1 - FieldBus Dispositivos Inteligentes Nível DeviceBus E/S e Periféricos Nível 0 - SensorBus Dispositivos Nível 0 Sensores / Atuadores
17 Nível 0 - SensorBus Sensores e Atuadores tipicamente discretos Mensagens de dados de alguns bits Frequência de comunicação de dezenas de milisegundos Distância de dezenas de metros Concepção determinística
18 Nível DeviceBus Distribuição de periféricos de controle Mensagens de dados de bytes ou words Frequência de comunicação de dezenas de milisegundos Distância de centenas de metros Concepção determinística
19 Nível 1 - FieldBus Integração entre unidades inteligentes Mensagens de dados de words ou blocos Frequência de comunicação de centenas de milisegundos Distância de centenas de metros Modbus+
20 Nível 2 - DataBus Transferência maciça de dados entre equipamentos Mensagens de dados de blocos ou arquivos Frequência de comunicação de segundos ou minutos Grandes distâncias (LAN / WAN / Internet) ETHERNET FDDI MAP
21 Estrutura das Redes - Modelo OSI (Open System Interconnection) Exemplo Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Ligação Física Utilização da Rede (serviços) Formatação e codificação de dados Alocação de recursos para a aplicação e sincronização Transferência de informações Roteamento de informações Estruturação, acesso e checagem de erros Transmissão de dados binários através do meio de comunicação Assunto a ser tratado Linguagem comum Enquanto um fala o outro escuta Central telefônica Sistema de comunicação Conversão da voz em sinal modulado Sinal elétrico e linha telefônica
22 Estrutura da Rede Ethernet TCP/IP (DataBus) A Ethernet foi criada antes do modelo OSI Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Ligação Física Transmission Control Prot. Internet Protocol CSMA - CD Par Trançado / Coaxial / FO
23 Estrutura Típica Sensor/Device/FieldBus As camadas estão implementadas em componentes padronizados e intrínsecos aos dispositivos simplificando a estrutura a apenas três níveis. Aplicação Apresentação Sessão Drivers / Software Transporte Rede ASIC / Chip Set Ligação Física Multiplos Meios Físicos
24 Critérios para Dimensionamento Meio Físico de Comunicação Cobertura Geográfica (Topologia e Distância) Método de Acesso Desempenho (Velocidade x Throughput) Confiabilidade (Determinística x Probabilística) Protocolo de Comunicação
25 Meios Físicos de Comunicação Elemento físico utilizado para a propagação de dados Jacket of PVC or Teflon Jacket made of PVC or Teflon Cabo de Par Trançado Cabo Coaxial Fibra Óptica Radio Frequência
26 Cobertura Geográfica Topologia: forma de interligação dos elementos na Rede ANEL (RING) ÁRVORE (TREE) BARRAMENTO (BUS) ESTRELA (STAR) Distância: espaço máximo coberto pelo meio físico de comunicação utilizado pela Rede.
27 Método de Acesso Polled Access Pergunta-Resposta (Query - Response) Mestre-Escravo Token Access Equalização de Acesso à Rede Redes Peer-to-Peer Carrier Sense Multiple Access (CSMA) Acesso Aleatório Cliente-Servidor
28 Método de Acesso Mestre / Escravo Pergunta Resposta
29 Método de Acesso Token Ring
30 Método de Acesso
31 Desempenho da Rede Velocidade: Taxa de transferência total de dados por unidade de tempo. Considera informações (dados úteis) e o envelope de comunicação (dados de controle do protocolo). Throughput: Taxa de transferência de informações por unidade de tempo. Considera apenas os dados efetivamente úteis para os integrantes da rede. bps
32 Confiabilidade Redes Probabilísticas: Permite apenas calcular a probabilidade da transferência de informações ocorrer em um determinado intervalo de tempo. Redes Determinísticas: Permite determinar com precisão o tempo necessário para a transferência de informações entre os integrantes da rede.
33 Confiabilidade Checagem de erros: É feita por meio de algoritmo utilizado para garantir a integridade dos dados transferidos na rede. Exemplos: Paridade: Probabilidade de 50 % CRC-16 (Ciclical Redundant Check 16 bits): Probabilidade de %
34 Considerações Adicionais Compatibilidade Rede - Ambiente (Física / Elétrica) Baixo Custo (Projeto / Instalação / Produtos) Fácil Instalação / Configuração / Expansão Procedimento de Manutenção Simples Quantidade de Dispositivos Tecnologia Consolidada Disponibilidade de Produtos
35 Protocolos de Comunicação
36 AS-i (Actuator Sensor Interface) PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) Foudation Field Bus
37 Protocolo ASI (Actuator Sensor Interface) ASI surgiu em 1990, quando empresas se uniram em um consórcio para tornar seus equipamentos compatíveis Foi concebida como um sistema monomestre com comutação Cyclic polling (processo de varredura), neste sistema somente o mestre insere dados nos escravos em intervalos de tempo definidos. Foi desenvolvida para atender aos requisitos de comunicação a nível de chão-de-fábrica.
38 Características Classificação: SensorBus Ampla oferta de produtos Topologia:Barramento / Anel / Estrela / Arvore Tempo de Ciclo c/ 256 Discretas (16 Nós c/ 16 E/S): 4.7ms Max. número de nós 248 E/S (31 dispositivos) Distância Máxima: 100 metros / 300 c/ repetidor Mestre-Escravo c/ pooling cíclico
39 Níveis de Aplicação
40 Nível de gerenciamento: computadores são conectados uns com os outros, às vezes fábricas inteiras via Ethernet; o volume de dados é da ordem de megabyte e não precisa ser em tempo real; Nível de produção e processo: cada vez mais o PROFIBUS está se difundindo; o tipo DP com 12Mbit/s é perfeito para altas exigências; Nível de atuadores e sensores: a rede AS-i consagrou-se com mais de um milhão de pontos já instalados;
41 Arquitetura Típica Gateway Máquina Sensores Interfaces de Operação Interfaces Fonte Painel Sensores Inteligentes Partida de Motores
42 Processo com Rede ASi
43 Acessórios Cabo Derivador para dispositivo ASi Derivador para dispositivo convencional
44 Conectividade Cabo plano AS-i
45 Interoperabilidade
46 Interoperabilidade
47 Protocolo PROFIBUS PROFIBUS desenvolvido na Alemanha, inicialmente pela Siemens em conjunto com a Bosch e Klockner-Moeller em Em 1988 tornou-se um "Trial Use Standard" no contexto da norma DIN (DIN V 19245, parte 1), que define as camadas Física e Enlace. Posteriormente, grupo de 13 empresas e 5 centros de pesquisa propuseram alterações nas camadas Física e Enlace e definiram a camada de Aplicação (norma DIN V 19245, parte 2). Esta proposta é atualmente apoiada por mais de 300 empresas européias e internacionais.
48 Protocolo PROFIBUS É uma rede de campo aberta, independente dos fabricantes, ao alcance de uma larga variedade de aplicações de manufatura e processos de automação A sua independência e a garantia de ser uma rede aberta é assegurada pelas normas internacionais A comunicação entre dispositivos de diferentes fabricantes ocorre sem ajustes especiais Pode ser usado em tarefas que requerem comunicação em tempo real, alta velocidade e de comunicação complexa
49 Protocolo PROFIBUS Perfis de comunicação PROFIBUS DP (Distribuited Process) PROFIBUS PA (Process application) PROFIBUS FMS (Fieldbus Massage Especification)
50 Protocolo PROFIBUS PROFIBUS DP É o perfil de comunicação mais utilizado Otimizado para velocidade, eficiência, baixos custos de ligação e está projetado para comunicações entre sistemas de automação e periféricos distribuídos PROFIBUS PA Permite conectar sensores e atuadores até mesmo em um barramento comum em áreas intrinsicamente seguras Pode ser usado com tecnologia 2 fios de acordo com o padrão internacional IEC
51 Protocolo PROFIBUS PROFIBUS FMS Solução de propósito geral para comunicação de tarefa ao nível de célula Os recursos FMS poderosos abrem um amplo alcance de aplicações com grande flexibilidade Pode ser usado para tarefas de comunicação extensas e complexas
52 Profibus DP / PA Classificação: Devicebus Mais de 300 fornecedores de equipamentos Topologia:Linha / Estrela / Anel Velocidade de transmissão: DP - Máx: 12 Mbps ; PA - Max: kbps Tempo de Ciclo c/ 256 Discretas (16 Nós c/ 16 E/S): < 2.0 ms (dependente da configuração) Max. número de nós: 127 Distância Máxima: 100m entre segmentos (12Mbaud) ; 24Km (Dependente do meio e do Baudrate) Mestre-Escravo - peer to peer
54 Configuração Profibus DP/PA Inserindo Mestre Inserindo Escravos
55 Configuração Profibus DP/PA GSD - Identificador do dispositivo
56 Profibus DP / PA Configuração do sistema via software
57 Foundation Fieldbus - H1 Classificação: Fieldbus Crescente número de fornecedores de equipamentos Topologia: Barramento / Estrela Velocidade de transmissão: kbps Tempo de Ciclo c/ 256 Discretas (16 Nós c/ 16 E/S): < 100 ms Max. número de nós: 240 /segmento segmentos Distância Máxima: 1900m (31.25 K) Cliente / Servidor - Notificação de eventos
58 Arquitetura Típica Foundation Fieldbus H1
59 Arquitetura Típica Foundation Fieldbus HSE HSE high speed ethernet trabalha a 100 Mbits/s e fornece integração de controladores de alta velocidade (CLP s) e subsistemas
60 Principais Tecnologias Existentes Modbus ETHERNET Não existe uma solução única que atenda a todas as necessidades de comunicação de dados em automação industrial.
61 Conclusões As linguagens de programação de CLP s já seguem um padrão, sendo que as mais utilizadas são Ladder e Grafcet; As outras linguagens estão difundindo-se; Atualmente, as redes industriais são aplicadas, na maioria das vezes, em processos de grande porte; Os protocolos mais aplicados, ultimamente, são o Profibus e ASi; Em pequenos processos, o custo da instalação de redes é razoavelmente alto; A tendência é de que as redes sejam mais utilizadas, mesmo em processos de pequeno porte. Não existe uma solução única que atenda a todas as necessidades de um processo de comunicação de dados em automação industrial.