REDES INDUSTRIAIS

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REDES INDUSTRIAIS

• Wilmar Oliveira de Queiroz
• PUCGo 2012

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Histórico

• Comunicação é uma necessidade primordial
• Local fala, gestos
• Longa distância sinais de fumaça, pombo correio,
  maratonistas
• Telégrafo em 1938 por Samuel Morse
• Telefone, Rádio, TV, TV a cabo, Internet
• Fusão do processamento da informação com a
  comunicação
• Sistemas computacionais
• Revolução da Comunicação pode ser comparada à
  Revolução Industrial?

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Histórico

• Ambiente industrial
• Mudanças conceituais e nos projetos
• Automação industrial
• Automação predial
• Integração de sistemas CIs e módulos dedicados
• Padronização desses módulos
• Intercambiabilidade
• Interoperabildade
• Expansividade
• Redução de custos
• Novos modos de gestão/manutenção

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Histórico

• SDCD Sistema Digital de Controle Distribuído
• Computadores específicos
• S.O.
• Programas aplicativos de controle e supervisão
• Hardware
• Configuração de dispositivos de I/O
• Capacidade de processamento
• Memória de programação
• Quantidade de I/O
• Interface com o usuário/operador

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Histórico

• SDCD Sistema Digital de Controle Distribuído
• Arquitetura
• Estações locais de interface com o processo
• Controle contínuo e sequêncial
• Monitoração
• Comunicação com controladores de malha simples
• Interface H-M interativa para supervisão e
  monitoração do processo (monitor e teclado)
• Redes de comunicação redundante (cabo coaxial ou
  fibra óptica)
• São usados em processos não industriais
• Sistemas de água e esgoto
• Energia elétrica
• Telecomunicações
• Automação predial
• Controle de utilidades
• Detecção e alarme de incêndio
• Controle de acesso

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Histórico

• Desenvolvimento dos CLPs (Controladores Lógicos
  Programáveis), das IHM (Interface Homem Máquina),
  dos sensores, atuadores e sistemas de comunicação
  levaram a
• SDCDs com arquiteturas mais flexíveis
• Custo menor com mais eficiência e confiabilidade
• Implementações atuais são Redes de CLPs
  gerenciadas por SCADA (Supervisory Control and
  Data Acquisition)

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CIM

• CIM (Computer Integrated Manufacturing)
• Sistemas que gerenciam processos de forma
  integrada (Manufatura Integrada por Computador)
• Características
• Vários níveis (hierarquia)
• Protocolos diferentes para cada nível
• Controle distribuído
• Centralização das macro-decisões
• Integração das gerência técnico e administrativa

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CIM
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CIM
10
CIM
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CIM

• Atualmente a base de um CIM é formada por
• SDCD, que atua nos níveis
• Controle
• Processo (execução, campo)
• SCADA, que atua em todos os níveis
• Redes de comunicação, que utilizam protocolos
  industriais (fieldbus)

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CIM

• Níveis hierárquicos de um CIM

Contabilidade de custos, lucros e investimentos
5º
Administração Gerenciamento
4º
Planejamento Operacional
Desenvolvimento, projeto e planejamento
(qualidade e capacidade). Supervisiona o sistema
para otimização
3º
Coordenação Engenharia
Definição, resolução e restrição das atividades
e planos de trabalho detalhados
2º
Controle
Controle e monitoramento em tempo real
1º
Execução
Processo. Chão de fábrica
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Arquiteturas

• Início baseavam-se em Controladores de Malha
  Única de Realimentação (SLC Single-Loop
  Controllers)
• Nos anos 60 Controles Digitais Diretos (DDC
  Direct Digital Controller)
• Grande número de malhas em um único computador
• Cada computador centraliza todas as informações e
  funções de controle
• Nos anos 70/80 Sistemas de Controle Distribuído
  (DCS Distributed Controller Sistem)
• Nos anos 90 SDCD Sistemas Digitais de Controle
  Distribuído, que é um misto de SLC e o DDC
• Malhas de controle em pequenos grupos
• Cada grupo tem seu próprio processamento
  (controlador)
• Controladores são conectados através de um
  barramento de comunicação de dados (Data Highway
  Bus)
• O barramento normalmente é duplicado
• Razões para se usar o processamento distribuído e
  paralelo
• Tempos de resposta necessários em alguns
  processamentos podem não ser alcançados com um
  único processador
• Múltiplas cópias dos componentes dos sistemas
  levam a uma maior flexibilidade e redundância
• Algumas aplicações são, por natureza,
  geograficamente distribuídas

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Arquiteturas

• Estrutura de um SDCD com barramento duplo

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Topologias

• A topologia refere-se à forma com que os enlaces
  físicos e os nós de comutação estão organizados
• Estrela
• Nó central (mestre) se comunica com cada um dos
  demais nós (escravos)
• Não existe comunicação direta entre dois escravos
• A gerência das comunicações é feita pelo mestre
• Os escravos podem ter protocolos e/ou velocidades
  de transmissão diferentes
• Cada nó é interligado à rede através de uma
  interface de acesso ao meio
• Falhas em um nó escravo afetam somente o nó
  defeituoso
• Falha no nó central compromete toda a rede

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Topologias - Estrela
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Topologias - Anel

• Ligação sequencial fechada entre todas as
  estações de trabalho da rede
• Ligações são unidirecionais e os dados circulam
  no anel
• As estações são conectadas através de repetidores
• Uma estação coloca seus dados no anel enviando
  sua mensagem para a estação seguinte
• A mensagem passa de estação em estação até o seu
  destino
• A mensagem é retirada do anel ou pela estação de
  origem, ou de destino ou pela estação
  controladora
• Falhas em uma estação afeta somente essa estação
• Falhas no anel ou nos repetidores comprometem
  toda a rede

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Topologias - Anel
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Topologias - Barramento

• As estações estão conectadas a um barramento
• Todos os dados enviados são recebidos por todas
  as estações
• O controle de acesso ao meio, normalmente, é
  distribuído
• Falha em uma estação afeta somente essa estação
• Falha no barramento compromete toda a rede

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Topologias - Barramento
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Modelo OSI

• Modelo OSI

APLICAÇÃO
A
A
APRESENTAÇÃO
A
A
A
A
SESSÃO
A
A
S
S
A
A
A
A
S
T
TRANSPORTE
T
S
A
A
REDE
R
A
A
S
T
R
T
S
A
A
ENLACE
A
A
S
T
R
E
E
R
T
S
A
A
FÍSICA
R
E
A
A
S
T
F
F
E
R
T
S
A
A
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Modelo OSI
23
Modelo OSI

• Camada Física
• Responsável pela ativação, desativação e
  manutenção do sinal no meio físico
• Define a interface elétrica e mecânica com a
  rede RS-232, RS-422, RS-485, V.35, G.703, RJ-45,
  etc.
• Define o tipo do sinal digital/broadband ou
  analógico/baseband
• Define o tipo de conexão ponto-a-ponto ou
  multiponto
• Define o sentido de transmissão simplex,
  halfduplex e fullduplex
• Define a forma de multiplexação do sinal FDM,
  TDM
• Equipamentos repetidores, hubs, modens e
  multiplexadores
• Unidade de dados bit

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Modelo OSI

• Camada de Enlace
• Gerenciamento do enlace
• Detecção e correção de erros causados pelo meio
  físico
• Controle de fluxo dos dados
• Enquadramento da mensagem
• Endereçamento físico na rede
• Controla o acesso ao meio
• Protocolos IEEE 802.2 (LLC), Frame Relay, SDLC,
  HDLC, SLIP, PPP
• Equipamentos bridges e switches
• Subcamadas LLC e MAC Ethernet, Token Ring, FDDI
• Unidade de dados quadro

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Modelo OSI

• Camada de Rede
• Realiza o roteamento dos pacotes
• Compatibilização entre redes de tecnologias
  diferentes
• Controle de fluxo dos dados
• Serviços datagrama (correio eletrônico,
  transferência de arquivos, etc.) e circuito
  virtual (aplicações em tempo real, etc.)
• Pode fragmentar/remontar os pacotes
• Endereçamento lógico
• Protocolos IP, IPX, XNS, CLNP
• Unidade de dados datagrama ou pacote

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Modelo OSI

• Camada de Transporte
• Comunicação fim-a-fim
• Controle de erros fim-a-fim
• Segmentação e blocagem
• Controle de fluxo fim-a-fim (buffers,
  janelamento)
• Gerenciamento da conexão
• Multiplexação de aplicações
• Oferece os serviços confiável ou não
• Endereçamento da aplicação port
• Protocolos TCP, SPX (Sequenced Packet eXchange),
  TP4 (Transport Protocol Class 4), etc

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Modelo OSI

• Camada de Sessão
• Sincronização das tarefas entre máquinas
• Gerenciamento de diálogos e de atividades
• Controla o intercâmbio de dados
• Estabelece, gerencia e finaliza sessões entre
  aplicações
• Protocolos NetBIOS (Network Basic Input Output
  System - IBM/Microsoft), Netware RPC (Novell),
  VINES NetRPC (Banyan), ASP (AppleTalk Session
  Protocol - Apple), DNASCP (Digital Network
  Architecture Session Control Protocol - DEC)

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Modelo OSI

• Camada de Apresentação
• Interpretação e representação/sintaxe dos dados
  (codificação)
• Uniformiza o formato de dados
• Compressão de dados, criptografia
• Segurança e privacidade da rede
• Codificação de textos e dados EBCDIC, ASCII
• Codificação de gráficos e imagens CGM, PICT,
  TIFF, JPEG
• Codificação de sons e animações WAV, MPEG

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Modelo OSI

• Camada de Aplicação
• Serviços transparentes para o usuário
• Aplicações para estações Processador de textos,
  Banco de dados, Planilha de cálculo
• Aplicações para rede Correio eletrônico,
  Transferência de arquivos, Emulação de terminal,
  gerenciamento
• Elementos de serviço genérico ACSE, ROSE, RTSE
• Elementos de serviço específico FTAM, VT, X.400,
  MHS

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Modelo OSI x TCP/IP
31
Arquitetura TCP/IP
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Controle Centralizado

• Os dispositivos ficam em um mesmo ambiente
• Vários computadores compartilham um barramento
  comum
• Soluções comerciais mais utilizadas
• UME
• FUTUREBUS
• S100
• MULTIBUS II
• GPIB (General Purpose Interface Bus) 488 da IEEE
  (substituiu o S100)
• O controlador mestre executa tarefas de controle
  global
• Comunicação com os níveis de controle superior
• Operações de sincronização
• Coordenação de movimentos
• Cálculos
• O escravo opera em nível de atuador
• Tarefas de controle ou malha fechada
• Processamento de sinais
• Medidas

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Controle Distribuído

• Os controladores, atuadores e transdutores são
  distribuídos espacialmente
• São conectados por uma rede de comunicação
  chamada FIELDBUS, ou barramento de campo
• O cabeamento é bastante reduzido
• O controlador coleta informações de vários
  transdutores, e baseado nos algoritmos dos
  programas aplicativos, controla vários atuadores
• As tarefas de controle são centralizadas

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Transmissão de sinais

• Comunicação paralela
• 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
• As velocidades são maiores
• Apresenta baixa imunidade a ruídos

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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
• As velocidades são menores
• O custo é menor
• Maior imunidade a ruídos
• Modos de comunicação
• Síncrono
• Assíncrono

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Transmissão serial síncrona

• Necessita de um sincronismo entre os sistemas de
  comunicação
• Um dos sistemas deve gerar o clock (largura do
  pulso)
• Os sistemas transmitem e recebem os dados como
  registradores de deslocamento (shift-registers)
  entrada paralela e saída serial
• O tempo é dividido em intervalos de tamanho fixo
  (corresponde a um bit)
• Não necessita de sinais adicionais de início e
  fim da mensagem

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Transmissão serial assíncrona

• Não é necessário gerar clock
• O clock é interno em cada sistema mas devem ter a
  mesma taxa de transmissão de dados (baud rate)
• O controle de tempo de uma sequência de bits
  (byte) é muito importante
• A transmissão é feita caracter a caracter (byte a
  byte)
• Cada caractere é encapsulado por um sinal de
  start e um de stop
• Os dados podem então serem transmitidos
  aleatoriamente no tempo
• Erros podem ocorrer e devem ser tratados
• Paridade (par ou ímpar)
• Checksum
• CRC
• É o mais utilizado pois o hardware é mais simples

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Transmissão serial de sinais

• Tipos de comunicação
• Simplex
• Half-duplex
• Duplex
• Classificação quanto à referência
• Desbalanceada
• O sinal de dados tem como referência o terra
  dos sistemas conectados
• Baixa imunidade a ruídos (interferência somente
  no fio de dados)
• Balanceada
• A referência do terra é desconectada entre os
  sistemas
• Alta imunidade a ruídos (interferência afeta
  igualmente o sinal e a referência)

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Transmissão serial de sinais

• Principais padrões de interface serial
• RS-232
• RS-422
• RS-485
• V.35
• USB

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RS-232

• Desenvolvido originalmente para as conexões entre
  DTE (Data Terminal Equipment microcomputadores,
  terminais, controladores) e DCE (Data
  Comunication Equipment modens)
• Usa a transmissão desbalanceada com três fios
  (tx, rx e terra)
• Pinos utilizados
• 1 DCD (Data Carrier Detect)
• 2 - Rxd (Receive data)
• 3 - Txd (Transmit data)
• 4 - DTR (Data Terminal Ready)
• 5 - SG (Signal Ground)
• 6 - DSR (Data Set Ready)
• 7 - RTS (Request To Send)
• 8 - CTS (Clear To Send)
• 9 RI (Ring Indicator)
• Usa-se normalmente o conector de 9 pinos (DB-9)
• Alcance máximo de 15m
• Bit 0 5V a 15V na saída e 3V a 15V na
  entrada
• Bit 1 -5V a -15V na saída e -3V e -15V na
  entrada

41
RS-232
42
RS-232
43
RS-422

• Usa a transmissão balanceada
• Utiliza conectores existentes
• DB-9 ou DB-25 com pinagem não padronizada
• DB-25 com padrão RS-530
• DB-37 com padrão RS-449
• É usado comumente em comunicações ponto a ponto
  realizadas por um drive dual-state
• É usado em transmissões de longa distância
  (1200m), altas velocidades (dois pares de fio
  para transmissão duplex)
• A versão desbalanceada é a RS-423

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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 (compatível com RS-422)
• 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
• Características elétricas
• Comunicação em modo diferencial com tensão de 5V
  em relação ao terra
• Grande imunidade a IEM Interferência
  Elétrico-Magnética devido ao modo diferencial
• Obrigatório o uso de resistores pull-up e
  pull-down na linha principal e resistores de
  terminação da rede para o casamento de impedância

45
RS-485

• Par diferencial quando a tensão no condutor
  for maior que no condutor -, é caracterizado um
  nível lógico 1 quando, ao contrario, a tensão
  no condutor - for maior que no condutor , é
  caracterizado um nível lógico 0

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Aterramento / Interligação do comum

• Linhas de transmissão diferenciais utilizam como
  informação apenas a diferença de potencial
  existente entre os 2 condutores do par trancado,
  independente da diferença de potencial que eles
  apresentam em relação ao referencial de tensão
  (comum ou terra)
• Isto permite que múltiplos sistemas se comuniquem
  mesmo que uma referencia de potencial comum entre
  eles não seja estabelecida.
• No entanto, os circuitos eletrônicos de
  transmissão e recepção podem ser danificados se o
  par trancado apresentar um potencial
  excessivamente elevado em relação ao referencial
  (comum ou terra).

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Aterramento / Interligação do comum

• A norma TIA/EIA-485 especifica que a máxima
  diferença de potencial entre os equipamentos da
  rede deve estar entre 7 V e 12 V, enquanto a
  norma TIA/EIA-422 especifica estes limites entre
  7 V e 7 V. Diferenças de potencial acima
  destes limites são usuais quando múltiplos
  dispositivos isolados eletricamente entre si são
  interligados apenas pelos pares diferenciais de
  comunicação.
• A utilização de aterramento nos dispositivos,
  apesar de ajudar, não soluciona o problema em
  todas as situações, pois em uma instalação
  industrial típica a diferença de potencial entre
  aterramentos de locais afastados pode ser de
  muitos volts, podendo chegar a centenas de volts
  na ocorrência de descargas atmosféricas.
• A melhor solução para evitar a queima dos
  circuitos de comunicação e adotar um condutor
  adicional que interligue o comum (ou terra) de
  todos os dispositivos da rede.
• A utilização de cabo blindado e recomendada
  sempre que o custo mais elevado deste tipo de
  cabo não for um problema. A utilização de cabo
  blindado com a malha adequadamente aterrada torna
  a rede mais imune a interferências externas mesmo
  quando o cabo e instalado próximo a fontes de
  ruído elétrico, como inversores de frequência,
  maquinas de solda, chaves eletromagnéticas e
  condutores de alimentação CA.
• Para reduzir custos, pode ser utilizado cabo
  trancado sem malha de blindagem, mas este deve
  ser instalado separado de condutores de
  alimentação CA e distante de fontes de ruído
  elétrico.

48
RS-485

• Transceptor MAX-485
• RO entrada para recepção
• RE habilitação da recepção
• DE habilitação da transmissão
• DI entrada para transmissão
• GND e Vcc alimentação do CI
• A entrada não inversora
• B entrada inversora
• Normalmente os pinos DE e RE são jumpeados
• Para transmitir habilita o pino DE e desabilita o
  pino RE
• Normalmente o transceptor fica no modo recepção
  (pino RE ativado)

49
RS-485

• Exemplo de um sistema RS-485

50
RS-485

• Exemplo de um sistema RS-485

51
RS-485 HALF-DUPLEX (2 FIOS)
52
RS-485 FULL-DUPLEX (4 FIOS)
53
RS-232 para RS-485

• RS232 para RS485

54
RS-232 para RS-485
55
RS-232 para RS-485
56
RS-485

• Aplicação típica mestre-escravo
• Os escravos recebem um endereço e apenas
  respondem ao mestre (evita-se colisões)
• O computador central controla várias máquinas de
  Controle Numérico

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RS-485

• Aplicação típica half-duplex com todos se
  comunicando
• O funcionamento depende do protocolo de
  comunicação adotado
• Exemplo sistema de robô da Mecajun/LCVC
• A câmera transmite informações para a placa
  central, (Vortex86) que envia a s decisões para a
  placa de controle dos motores. Quando um evento
  ocorre com os sensores de toque e/ou de luz a
  informação deve ser enviada tanto para os motores
  como para a placa de controle central

58
RS-485
59
RS-485

• Montagem da rede

60
RS232, RS423, RS422 e RS485
61
Conectores industriais
62
Conversores
63
Meios físicos de transmissão

• Par tançado
• Cabo coaxial
• Fibra ótica
• Multimodo com índice degrau
• Multimodo com índice gradual
• Monomodo
• Transmissão sem fio
• Spread spectrum
• Modulação FHSS
• Modulação DSSS
• Modem
• Transmissão de dados sem fio de uso industrial
• Rádio de dados (Data Radios)
• Rádio MODEM transparente
• Rádio MODEM inteligente
• Rádio-telemetria
• Rádio-telemetria com integração de CLP e sistemas
  SCADA
• Transmissão de dados via sistema de telefonia
  móvel celular
• SMS x GPRS

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Par trançado

• UTP (Par Trançado Não Blindado), originalmente
  projetado para voz, é o tipo de cabo mais
  utilizado em razão
• Do seu baixo custo, facilidade de instalação,
  flexibilidade em mudanças e alterações
• Da capacidade de suportar a completa largura de
  banda
• Boa resistência ao crosstalk (as tranças evitam a
  interferência entre os pares do cabo
• O padrão Categoria 5 (CAT5) estabelece os
  requisitos mínimos para o cabeamento de
  telecomunicações dentro dos prédios ou entre os
  prédios do campus e é o cabeamento UTP mais
  popular instalado em comunicação de dados. O CAT5
  deve ser capaz de suportar voz ou dados a 100 MHz
  sobre fios 22 ou 24 AWG
• A Categoria 5 enhanced (CAT5e) é um padrão com
  requisitos ligeiramente superiores ao CAT5.
• A Categoria 6 Classe E (CAT6) é o padrão em
  estudo pela TIA/EIA. Tanto a CAT6 como a
  Categoria 7 Classe F (CAT7) são apenas propostos
  não existindo padronização oficial.

65
Par trançado

• Cabos UTP Blindados vs. Não Blindados
• O ambiente em que será instalado é que determina
  se o cabo a ser utilizado deverá ser blindado ou
  não blindado
• A blindagem é a capa que envolve os fios de um
  cabo e protegem contra a interferência e descarga
  eletromagnética (EMI). Essa atividade
  eletromagnética é conhecida por ruído
• As fontes de EMI em um ambiente de trabalho podem
  ser motores de elevadores, lâmpadas
  fluorescentes, geradores, compressores,
  condicionadores de ar e fotocopiadoras
• Para proteger os dados em um ambiente ruidoso
  (nível elevado de EMI), utiliza-se cabos
  blindados. O tipo de blindagem mais comum é a
  folha metalizada, porém a malha de cobre oferece
  maior proteção
• Em ambientes de escritório sem fontes de
  interferência pode-se utilizar cabos não
  blindados, em escritórios ou lojas movimentadas
  sujeitas a alguma interferência recomenda-se o
  uso de cabos com blindagem de folha metalizada e
  em ambientes industriais o mais recomendado é o
  cabo com blindagem de malha de cobre.

66
Par trançado

• Crosstalk
• Uma das mais importantes diferenças entre os
  padrões CAT5 e os mais novos está nas
  especificações NEXT
• O NEXT (Near-End Crosstalk) é a interferência no
  sinal de um par sobre um outro na mesma
  extremidade do cabo. O Crosstalk não ocorre
  apenas no par adjacente (pair to pair NEXT), mas
  todos os outros pares de um cabo UTP podem
  interferir com seus próprios níveis em ambas as
  extremidades do cabo, multiplicando o efeito
  dessa interferência sobre o par transmissor ou
  receptor
• Em razão destes níveis de interferência poder
  debilitar redes de alta velocidade, alguns
  fabricantes de cabos começaram a apresentar as
  taxas de NEXT, FEXT, PS-NEXT, ELFEXT e PS-ELFEXT
  para seus cabos CAT5e e Categoria 6 (proposto)
• O PS-NEXT inclui a soma total de todas as
  interferências que podem ocorrer entre um par e
  todos os pares adjacentes de um cabo
• O FEXT mede a interferência de um par em uma
  extremidade do cabo em outro par na outra
  extremidade do cabo
• O ELFEXT (Equal-Level Far-End Crosstalk) mede o
  FEXT em relação ao nível do sinal recebido medido
  no mesmo par. Ele mede basicamente a
  interferência sem os efeitos da atenuação - o
  nível equalizado.
• O PS-ELFEXT mede a soma total de todas as
  interferências dos pares de uma extremidade em um
  par da outra extremidade sem os efeitos da
  atenuação.

67
Par trançado

• Crosstalk

68
Par trançado

• Decibel (dB)
• É um termo muito utilizado em diversas áreas,
  como áudio, eletrônica, telecomunicações, entre
  outras
• Representa o ganho ou a atenuação de um sinal, de
  um som, etc
• O decibel é uma unidade logarítmica que
  representa uma relação entre um valor de entrada
  e um de saída (som, alimentação, voltagem,
  corrente, campo magnético etc)
• O resultado desta relação pode ser ganho, quando
  a saída é maior que a entrada (número positivo),
  ou atenuação, quando a saída é menor que a
  entrada (número negativo)
• O ganho ou atenuação, podem ser calculadas pela
  fórmula 10log(out/in), com log na base 10 e
  resultado em dB
• Além do decibel apresentado, onde os valores de
  entrada e saída são variáveis, existem algumas
  derivações utilizando um valor de entrada padrão
  fixo
• O dBm que utiliza um sinal padrão de 1 miliwatt
  resultando na fórmula 10log(saída(mw)/1mw)
• O dBu que utiliza 0,775volts como sinal padrão e
  tem como fórmula 20log(tensão de
  saída(volts)/0,775volts)
• O dBVU de sinal padrão 250 nano webers/m (medida
  de campo magnético) e fórmula 10log(saída (em
  nw/m)/(250nw/m)).
• Como ilustração, cabos de par trançado CAT5e de
  boa qualidade apresentam atenuação em torno de
  26,4 dB/100m a 100 MHz e de 53,8 dB/100m a
  350MHz. Os Cabos de Fibra Óptica multimodo
  apresentam atenuação menor que 3,75 dB/Km em 850
  nm e menor que 1,5 dB/Km em 1300 nm. E os cabos
  de Fibra monomodo em torno de 1 dB/Km em 1300 nm.

69
Fibra ótica
70
Protocolos industriais e prediais

• Avanço das tecnologias
• Queda nos preços dos dispositivos
• Aumento no uso de sistemas informatizados
• Redes locais em ambientes administrativos
• Redes corporativas
• Redes locais em ambientes industriais
• Redes fieldbus (industriais)
• Maior confiabilidade
• Tempo real

71
Protocolos industriais e prediais

• Sistemas de comunicação de dados utilizados para
  troca de informações dentro de processos
  industriais e entre processos industriais.
• Possuem como requisitos
• Boa resistência mecânica
• Resistência a chama, umidade e corrosão
• Alta imunidade a ruídos
• Taxa de erros baixa ou quase nula
• Tempo de acesso e de propagação limitados
• Tempo entre falhas e tempo de reparo baixos
• Boa modularidade e possibilidade de interconexão

72
Protocolos industriais e prediais

• Os protocolos de campo podem ser separados em
  três categorias
• Nível mais baixo (sensorbus) redes de
  dispositivos simples (sensores/atuadores em nível
  de bit I/O) ASI (Actuator Sensor Interface),
  SERIPLEX, Interbus-S, Profibus-PA, HART
• Nível médio (devicebus) redes de controladores
  de campo (comunicação serial entre CLP) CAN
  (Controller Area Network), Lonworks, DeviceNET,
  Profibus-DP
• Nível alto (fieldbus) redes de controladores
  (mestres) para controles e instrumentação mais
  sofisticada SP50-H2, Ethernet Industrial,
  Profibus-FMS

73
Protocolos industriais e prediais
74
Common Industrial Protocol - CIP
75
Domínios e aplicações
76
MODBUS

• O Protocolo Modbus
• Desenvolvido pela Modcon em 1979
• É um protocolo de mensagens, localizado na Camada
  de Aplicação do Modelo OSI, que provê comunicação
  cliente/servidor entre dispositivos conectados
  por diferentes tipos de barramentos ou redes
• Baseado no modelo mestre/escravo
• Os escravos não podem dialogar entre si
• O mestre trabalha em dois modos
• modo requisição/resposta pode enviar mensagem
  para um escravo (sensor, válvula, driver de rede,
  ..) em particular
• modo difusãopode enviar uma mensagem comum a
  todos os escravos
• Como o mestre e os escravos estão ligados a um
  barramento bidirecional é necessário designar um
  endereço (de 1 a 247) para cada escravo
  (unicast). O endereço 0 é usado para broadcast
• Atribuições do mestre
• Assegurar a troca de informações entre as ECL
  (Estações de Controle Local) ou ETD (Equipamento
  Terminal de Dados)
• Assegurar o diálogo com o operador do sistema
  (homem/máquina)
• Assegurar um diálogo com outros mestres ou com um
  computador (gestão centralizada do conjunto do
  processo)
• Assegurar a programação ou passagem de parâmetros
  para os escravos

77
MODBUS

• Atualmente é implementado usando
• TCP/IP sobre Ethernet (MODBUS TCP/IP)
• Usado para comunicação entre sistemas de
  supervisão e CLPs
• Os dados, em formato binário, são encapsulados em
  quadros Ethernet e pacotes TCP/IP
• Utiliza a porta 502 da pilha TCP/IP
• MODBUS PADRÃO
• Usado para comunicação dos CLPs com os módulos
  de E/S, atuadores de válvulas, transdutores de
  energia, etc
• O Protocolo é o Mestre-Escravo
• Transmissão serial assíncrona sobre vários meios
• EIA/TIA-232-E, EIA/TIA-422, EIA/TIA-485-A, Fibra
  ótica, Rádio
• MODBUS PLUS
• Rede de passagem de token de alta velocidade
• Usado para comunicação entre si de CLPs, módulos
  de E/S, IHM, etc
• O meio físico é o RS485, taxa de transmissão de 1
  Mbps
• Controle de acesso ao meio através do Protocolo
  HDLC

78
MODBUS

• Tipos de Protocolos MODBUS

79
Referência MODBUS Application Protocol
Specification V1.1b
MODBUS
80
Referência MODBUS Application Protocol
Specification V1.1b
81
MODBUS

• Abreviaturas
• ADU Application Data Unit
• HDLC High level Data Link Control
• HMI Humam Machine Interface
• IETF Internet Engineering Task Force
• I/O Input/Output
• IP Internet Protocol
• MAC Medium Access Control
• MB MODBUS Protocol
• MBAP MODBUS Application Protocol
• PDU Protocol Data Unit
• PLC Progammable Logic Controller
• TCP Transmission Control Protocol
• TIA Telecommunication Industry Association
• EIA - Electonic Industries Alliance

82
MODBUS

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

83
MODBUS

• Codificação de mensagens
• As mensagens são constituídas por um conjunto de
  caracteres hexadecimais ou ASCII
• O tamanho máximo da PDU é de 253 bytes, então
• RS232/RS485 ADU 253 (dados) 1 (endereço) 2
  (CRC)
• TCP/IP MODBUS ADU 253 (dados) 7 (MBAP)
• Os serviços são especificados por códigos de
  função
• Cada serviço possui um formato de mensagem para a
  requisição e outro para a resposta
• Códigos válidos vão de 1 a 255, sendo que de 128
  a 255 são reservados para respostas de exceção. O
  bit mais significativo é o que decide o tipo do
  código
• Códigos de sub-função podem ser adicionados aos
  códigos de função para definir múltiplas ações

84
MODBUS

• Transações entre mestre e escravo

85
MODBUS

• O campo dados da mensagem enviada de um mestre
  para um escravo (dispositivo servidor) contém
  informações adicionais que auxiliam o escravo a
  executar a ação requerida no campo código da
  função, como
• Endereços dos registradores (registro inicial)
• Quantidade de registros a serem lidos
• Contador da quantidade de bytes no campo de dados
• O campo de dados pode não existir. Neste caso o
  próprio código da função sozinho especifica a
  ação requerida
• Se não ocorrer nenhum erro na função especificada
  na requisição, a resposta do escravo conterá o
  dado requisitado, caso contrário o campo dados
  conterá um código de exceção

86
MODBUS

• Formato da requisição
• Nº do endereço do escravo (1 byte)
• Código da função a realizar (1 byte)
• Comandos de escrita ou leitura
• Dados
• Endereço da posição de memória (2 bytes)
• Quantidade de operandos (2 bytes)
• Para múltiplos operandos o 1º byte especifica o
  operando e o 2º especifica o número de operandos
• Dados a serem escritos no escravo (até 250 bytes)
• Controle de erros (2 bytes) CRC-16

87
MODBUS

• Formato da resposta
• Nº do endereço do escravo (1 byte)
• Código da função realizada (1 byte)
• Comando solicitado de escrita ou leitura
• Dados
• Quantidade de dados da resposta (1 bytes)
• Dados solicitados para o escravo (até 250 bytes)
• Controle de erros (2 bytes) CRC-16

88
MODBUS

• Funções para troca de mensagens
• Leitura de dados
• Escrita de dados
• Difusão de dados (broadcast)
• Tipos de dados
• Dados de 1 bit
• Bobinas (coils) podem ser lidos ou escritos no
  escravo
• Entradas (inputs) leitura do escravo
• Dados de 16 bits (registros)
• Retentivos (holding) podem ser lidos ou escritos
  no escravo
• Entradas (inputs) leitura do escravo

89
MODBUS

• Alguns códigos de requisição de serviços
  (comandos)
• 01 - Read coil status leitura de múltiplos
  operandos do tipo coil (leitura do estado das
  saídas discretas)
• 02 - Read input status leitura de múltiplos
  operandos do tipo input (leitura do estado das
  entradas discretas)
• 03 - Read holding register leitura de múltiplos
  operandos do tipo holding register (leitura dos
  valores dos registradores de memória)
• 04 -Read input register leitura de múltiplos
  operandos do tipo input register (leitura dos
  valores das entradas analógicas)
• 05 - Force single coil escrita de um único
  operando do tipo coil (escrita de uma única saída
  discreta)
• 06 - Preset single register escrita de um único
  operando do tipo holding register (escrita de um
  valor em um registrador de memória)
• 0F - Force multiple coils escrita de múltiplos
  operandos do tipo coil (escrita de múltiplas
  saídas discretas)
• 10 - Preset multiple registers escrita de
  múltiplos operandos do tipo holding register
  (escrita de múltiplos valores em registradores de
  memória)

90
MODBUS

• Endereços lógicos dos dados (memória é dividida
  em registradores de 16 bits)
• 00001 a 09999 coils (solenóides, saídas
  discretas para os atuadores ON-OFF utilizam um
  bit. Cada registrador comporta 16 saídas)
• 10001 a 19999 inputs (entradas discretas para
  os sensores ON-OFF utilizam um bit. Cada
  registrador comporta 16 saídas)
• 30001 a 39999 inputs registers (entradas
  analógicas utilizam registradores de 16 bits para
  os valores obtidos dos conversores A/D a partir
  do sinais dos sensores analógicos)
• 40001 a 49999 holding registers (registradores
  de memórias com 16 bits para os valores
  utilizados internamente nos CLPs)
• Na prática todos os endereços lógicos variam de 0
  a 9998 e a identificação está associada ao tipo
  do serviço (código da função)
• Endereços dos dispositivos
• 0 para difusão
• De 1 a 247 para os escravos (dispositivos)

91
MODBUS

• Detecção de erros
• Checagem de paridade do caracter do frame
• Par
• Ímpar
• Sem paridade
• Checagem de quadro na mensagem
• ASCII LRC (2 bytes)
• RTU CRC (2 bytes) complemento a 2 da soma de
  todos os bytes da mensagem, exceto os
  delimitadores
• Temporizações
• O tempo de linha inativa entre bytes de uma mesma
  mensagem deve ser menor que 1,5 tempos de byte
• Entre duas mensagens consecutivas deve existir um
  tempo mínimo de inatividade na linha de 3,5
  tempos de byte
• Existe um atraso máximo (timeout) para receber
  uma resposta do escravo. Se o timeout estourar, o
  mestre faz nova tentativa

92
MODBUS

• Formatos dos pacotes de comunicação (modo de
  transmissão)
• MODBUS ASCII
• Os dados são codificados em caracteres ASCII de 7
  bits (0 a 9 e A a F)
• Intervalos lt 1 seg são permitidos durante a
  transmissão da mensagem
• Usa delimitador de início e fim de mensagem
  (inicia com e termina com CR e LF)
• 10 bits por byte (caractere)
• 1 start bit (caracter 3Ah)
• 7 bits de dados
• 1 bit de paridade
• 1 stop bit (caracter CR e LF 0Dh e 0Ah)
• Sem bit de paridade, então
• 2 stop bit

93
MODBUS

• MODBUS RTU (Remote Terminal Unit)
• Os dados são transmitidos em formato binário de 8
  bits (0 a 252 bytes)
• Os delimitadores de início e fim são um intervalo
  (silêncio) de 3,5 caracteres
• 11 bits por byte (caractere)
• 1 start bit
• 8 bits de dados
• 1 bit de paridade
• 1 stop bit
• Sem paridade, então
• 2 stop bit
• Silêncio 3,5 caracter

94
MODBUS

• Transmissão de quadros no modo RTU ao longo do
  tempo com os intervalos mínimos de tempo entre
  quadros e máximos entre caracteres

95

• Diagrama de tempo em um cenário mestre/escravo

96
MODBUS

• RTU CRC (Cyclical Redundancy Checking)
• O CRC é aplicado na mensagem inteira
• É indiferente ao tipo de paridade usado nos
  caracteres individuais da mensagem
• Os bits de start, stop e paridade não entram no
  cálculo
• Os dois bytes são adicionados ao final da
  mensagem (byte de baixa ordem byte de alta
  ordem)
• O CRC é calculado pelo transmissor. O receptor
  calcula o CRC e compara com o valor recebido. Se
  não são iguais existe um erro e a mensagem é
  descartada
• O cálculo do CRC é feito da seguinte forma
• Carregue o registrador CRC de 16 bits com FFFF
  (tudo 1)
• Faça a operação XOR do primeiro byte da mensagem
  com o byte de mais baixa ordem do registrador,
  colocando o resultado no registrador
• Desloque o registrador de um bit para a direita,
  em direção ao bit LSB, colocando o valor 0 na
  posição do bit MSB
• Extraia e examine o LSB
• Se LSB0, volte ao passo 3 e faça novo
  deslocamento
• Se LSB1 faça um XOR do valor do registrador com
  o valor do polinômio 0xA001 (x15 x13 1)
• Repita os passos 3 e 4 até que 8 deslocamentos
  tenham sido realizados para que um byte seja
  completamente processado
• Repita os passos 2 até 5 para o próximo byte da
  mensagem. Continue repetindo até que todos os
  bytes da mensagem tenham sido processados
• O conteúdo final do registrador é o valor do CRC
• Na mensagem o byte menos significativo é colocado
  primeiro

97
MODBUS

• ASCII LRC (Longitudinal Redundancy Checking)
• O LRC é aplicado na mensagem inteira
• É indiferente ao tipo de paridade usado nos
  caracteres individuais da mensagem
• Os caracteres e CRLF não entram no cálculo
• O cálculo é feito antes de codificar cada byte
  hexadecimal em dois bytes ASCII
• Os bytes de LRC são adicionados ao final da
  mensagem
• O LRC é calculado pelo transmissor. O receptor
  calcula o LRC e compara com o valor recebido. Se
  não são iguais existe um erro e a mensagem é
  descartada
• O cálculo do LRC é feito da seguinte forma
• Adiciona-se, sucessivamente, cada byte da
  mensagem
• Os bits de carry são descartados
• Ao resultado aplica-se o complemento a dois
• O resultado é codificado em dois bytes ASCII
• O byte mais significativo é transmitido primeiro

98
(No Transcript)
99
(No Transcript)
100
MODBUS

• Cálculo do LRC
• Endereço (12) 0001 0010
• Função [phone]
• End. Inicial Hi [phone]
• End. Inicial Lo (10) 0001 0000
• Quantidade Hi [phone]
• Quantidade Lo [phone]
• Checksum 0010 0110
• Complemento a 1 1101 1001
• Complemento a 2 1101 1010
• LRC (hexadecimal) D A
• LRC (ASCII-binário) 0100 0100 0100 0001

101
MODBUS

• Características fixas
• Formato da mensagem
• Funções disponíveis
• Tratamento de erros
• Características selecionáveis
• Meio de transmissão
• Velocidade
• Timeout
• Bits de parada e de paridade
• Modo de transmissão (RTU ou ASCII)
• Define como os bits serão codificados
• Endereço 3Bh no RTU 0011 1011
• Endereço 3Bh no ASCII 333h 0011 0011 e B42h
  0100 0010
• Nos Protocolos MODBUS Plus e MODBUS TCP/IP as
  mensagens são colocadas em frames e usa-se o modo
  de transmissão RTU
• O tamanho da mensagem ASCII é duas vezes maior
  que a RTU
• No modo RTU todos os caracteres devem ser
  enviados em uma sequência contínua
• O modo RTU também é conhecido como MODBUS-B ou
  MODBUS Binário

102
MODBUS

• Exemplos de perguntas e respostas
• O mestre solicita uma leitura dos registradores
  40108 a 40110 ao escravo 06
• O dispositivo 06 responde com o conteúdo das três
  palavras
• O 1º registrador é o 40001 que é endereçado como
  0, portanto o endereço do 40108 é 107d006Bh
• Registrador 40108 02 2Bh 555
• Registrador 40109 00 00h 0
• Registrador 40110 00 63h 99

103
MODBUS

• Exemplos de perguntas e respostas
• O mestre solicita a leitura de algumas entradas
  digitais, no intervalo de endereço 10197 a 10218
  ao dispositivo 17
• O dispositivo cujo endereço é 17 responde ao
  mestre

104
MODBUS

• Exemplos de perguntas e respostas
• Requisição para ler os registros 108 a 110

105
MODBUS

• Exemplos de perguntas e respostas
• Requisição para ler a entrada do registro 9
• Requisição para escrever o valor 00 03 no
  registro 2

106
MODBUS

• Exemplos de perguntas e respostas
• O mestre solicita a escrita de um bit, valor 1,
  no endereço lógico 173 do escravo cujo endereço é
  17
• O dispositivo cujo endereço é 17 responde ao
  mestre

107
MODBUS TCP/IP

• Não há distinção entre mestre e escravo, então
  qualquer nó pode acessar qualquer nó
• A mensagem é encapsulada em um pacote TCP/IP
• Permite assim o acesso remoto via WEB
• Os comandos são enviados por um cliente para a
  porta 502 de um servidor
• O encapsulamento não alterou a estrutura básica
  da mensagem original Modbus
• O endereço agora tem 1 byte e chama-se
  Identificador Único
• O campo CRC não é usado
• Usa o TCP na camada de transporte e o CSMA/CD
  como controle de acesso ao meio

108
MODBUS TCP/IP

• O protocolo MODBUS define uma única PDU,
  independente do protocolo de comunicação
• MBAP Modbus Application Protocol

109
MODBUS TCP/IP

• O formato e o conteúdo dos dados contidos em uma
  mensagem ModbusTCP/IP é identificado pelo campo
  código de função e seu valor é 91d (5Bh)
• As transações entre nodos são associadas a
  request (código par) e response (código ímpar) ou
  notify para exceções
• Estrutura do cabeçalho MBAP

110
MODBUS TCP/IP

• Estrutura do campo de dados

111
MODBUS TCP/IP

• Um esquema de endereçamento deve ser usado dentro
  do protocolo para providenciar a comunicação
  entre cliente/servidores
• O endereço deve ser IPUnit ID
• Unit ID válidos faixa entre 0 e 247 (255 é usado
  para comunicação com um gateway)
• Cada mensagem é constituída de um ou mais
  fragmentos de mensagem. O tamanho máximo de dados
  de cada fragmento é de 195 bytes
• Cada fragmento contém 7 campos
• Byte 0 Fragment Byte Count (8 bits)
• contém o comprimento em bytes da mensagem
  Modbus. O máximo é 197 bytes, excluindo ele
  próprio e o Stuff

112
MODBUS TCP/IP

• Byte 1 Fragment In Process Indicator (1 bit)
• Se 1 indica que o campo de dados é um fragmento
  de uma mensagem com multi-fragmentos
• Byte 1 Last Fragment Indicator (1 bit)
• Se 1 indica que é o último fragmento da mensagem
• Byte 1 Reserved (3 bits)
• Não usado e deve ser 0
• Byte 1 Fragment Sequence Number (3 bits)
• Contador que indica o número sequencial do
  fragmento
• Bytes 2 e 3 Class ID (16 bits)
• A classe do objeto é associada com o serviço. Em
  uma requisição de serviço a Class ID especifica o
  serviço a ser executado em uma determinado objeto

113
MODBUS TCP/IP

• Bytes 4 e 5 Instance ID (16 bits)
• A instância do objeto é associada ao serviço
• Bytes 6 e 7 Service Code (16 bits)
• O código especifica o serviço requisitado
• Bytes 8 ... Data (n16 bits)
• Dados associados aos serviço requisitado, isto é,
  parâmetros do serviço
• Stuff Byte Condicional (8 bits)
• Se o comprimento do campo de dados não é múltiplo
  de 16, é necessário acrescentar esse byte ao
  final da mensagem

114
MODBUS TCP/IP

• Protocolo de Endereçamento a Objeto do Modbus
• O Modelo do Objeto especifica o agrupamento, a
  estrutura e o comportamento dos dispositivos
• Objetos são considerados entidades que agrupam
  estruturas e comportamentos de uma maneira lógica
• Em um dispositivo, os objetos tem uma estrutura
  física ou conceitual análogas
• Um objeto pode ser associado a um sensor em um
  dispositivo, ou pode ser o conjunto de estrutura
  e comportamento que compreende o gerenciamento do
  dispositivo
• A hierarquia Classe/Instância é utilizada para
  suportar a herança, permitindo assim a definição
  do tipo do objeto (classe) e especificar as
  implementações desses objetos (instância)
• Exemplo em um banco de dispositivos
  fotodetectores a classe pode ser definida como
  fotodetector e a instância cada fotodetector
  individualmente

115
PROFIBUS

• Principal sistema aberto para fieldbus
• Baseado nos padrões
• EN 50170 e EN 50254
• IEC 61158 e IEC 61784
• Independência de fabricantes (dispositivos devem
  comunicar-se)
• Utiliza o protocolo de acesso ao barramento token
  passing para comunicação entre os mestres
  (estações ativas), usando um anel lógico
• E o procedimento mestre-escravo para comunicação
  entre o mestre e os escravos (estações passivas)
• Atende vários níveis em sistemas de automação

116
PROFIBUS

• Protocolos de acesso

117
PROFIBUS
118
PROFIBUS

• No nível de sensores e atuadores permite
  interoperabilidade com
• RS-485, IEC 61158 (ambientes classificados),
  fibra ótica e protocolo As-i
• No nível de campo os protocolos Profibus-DP
  (Decentralized Periphery) e Profibus-PA (Process
  Automation) transmitem dados a partir de módulos
  de E/S, transdutores, acionamentos, etc
• No nível de célula estão os CLPs, PCs, IHM.
  Podem comunicar-se entre si e entre os níveis
  acima e abaixo utilizando os protocolos
  Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification) ou
  ProfiNet
• O nível de célula troca informações com o nível
  de fábrica utilizando o Ethernet/TCP-IP

119
PROFIBUS
120
PROFIBUS
121
PROFIBUS
122
PROFIBUS
123
PROFIBUS

• Perfil de comunicação

124
PROFIBUS

• Tecnologias de transmissão
• RS-485 (Profibus-DP/FMS)
• Cabo de par trançado, blindado ou não como
  barramento linear
• Taxa de transmissão 9,6 Kbps até 12 Mbps
• Comunicação bilateral
• 32 estações por segmento sem repetidores e até
  127 estações com repetirodres
• Conectores DB9
• IEC 1158-2 (Profibus-PA)
• Usado na indústria petroquímica/produtos químicos
• Corrente de modulação de no mínimo 10 mA
• Transmissão digital, com sincronismo bit a bit
• Taxa de transmissão 31,25 Kbps
• Cabo de par trançado, blindado ou não como
  barramento linear
• 32 estações por segmento (pode usar repetidores)

125
PROFIBUS

• Tecnologias de transmissão
• Fibra ótica
• Usado em ambientes ruidosos e com interferência
  eletromagnética muito elevada, aumentar a
  distância máxima e elevadas taxa de transmissão
• Fibra multimodo 2 a 3 km
• Fibra monomodo até 15 km
• Existem conversosres RS-485/Fibra

126
PROFIBUS

• Detalhamento da Arquitetura Básica de uma
  Instalação

127
PROFIBUS

• Arquiteturas

128
PROFIBUS

• Arquiteturas
• Profibus-DP
• Automação de chão de fábrica (nível de
  dispositivo CLP com drivers, válvulas, I/O, etc)
• Usa as camadas 1 e 2 (FDL Field Data Link) do
  MR-OSI e a interface com o usuário
• O acesso à camada 2 é feito pelo protocolo DDLM
  Direct Data Link Mapper
• Funções básicas
• Tecnologia de transmissão
• RS-485 ou fibra ótica
• Taxa de transmissão de 9,6 Kbps a 12 Mbps
• Acesso ao barramento
• Procedimento mestre-mestre e mestre-escravo
• Possibilidade de sistemas mono-mestre ou
  multi-mestre
• Máximo de 126 estações por barramento

129
PROFIBUS

• Arquiteturas
• Profibus-DP
• Funções básicas
• Comunicações
• Ponto-a-ponto ou multicast (comandos de controle)
• Mestre-escravo cíclica e mestre-mestre acíclica
• Modos de operação
• Operate