Redes Industriais

1. Redes Industriais • DEVICENET • Desenvolvido pela Allen-Bradley em 1994. • Rede para o nível operacional baseada protocolo CAN (Controler Area Network). • Boa velocidade de resposta e elevada confiabilidade. • Tornou-se um protocolo aberto com a criação da Open DeviceNet Vendors Association (ODVA). • Permite conectar dispositivos industriais (sensores de posição, sensores fotoelétricos, interfaces homem-máquina etc.) diretamente a uma rede.

2. Redes Industriais • DEVICENET • Permite a comunicação entre dispositivos e o diagnóstico de falhas. • Permite a remoção e substituição de equipamentos em redes energizadas e sem a necessidade de um aparelho de programação. • Pode fornecer a alimentação aos equipamentos através do próprio cabo de rede.

3. Redes Industriais • DEVICENET • Baixo custo, grande aceitação no mercado, alta confiabilidade, uso eficiente da rede e energia elétrica disponível na rede. • Desvantagens: • comprimento máximo • limite do tamanho da mensagem • limite de largura de banda

4. Redes Industriais • DEVICENET

5. Redes Industriais • CONTROLNET • Também desenvolvida pela Allen-Bradley (1995). • Tornou-se protocolo aberto em 1996 e controlado pela ControlNet International, que mantém e distribui a especificação ControlNet. • Características são compatíveis com as aplicações que necessitam de determinismo, repetibilidade, alta taxa de transmissão (throughput),distribuição de dados através de grandes distâncias (chegando a 30 km) e sincronismo.

6. Redes Industriais • CONTROLNET • Rede para o nível de controle, com transferência de dados em tempo real, provendo transportes de dados críticos de E/S e mensagens, incluindo o upload e download de programação e configuração de dispositivos. • Meios físicos mais comuns são: cabo coaxial RG 6/U 75  com conector BNC e fibra ótica. • Utiliza protocolo de acesso ao meio denominado de Concurrent Time Domain Multiple Access (CTDMA). • A largura do intervalo de acesso a rede é selecionado pelo usuário através da seleção de um parâmetro chamado NUT (Network Update Time). O valor mínimo é de 2ms.

7. Redes Industriais • CONTROLNET • Modos de envio de dados: • Não agendadas (Unscheduled): dados enviados pelo usuário do programa ou pela interface homem/máquina por solicitação em demanda. Essa conexão é fechada quando não utilizada por um determinado intervalo de tempo; • Agendada (Scheduled): dados são enviados repetidamente em taxas configuradas e predeterminadas. Essa conexão permanece aberta enquanto o gerador da conexão estiver ativo.

8. Redes Industriais • CONTROLNET

9. Redes Industriais • INDUSTRIAL ETHERNET • Rede Ethernet foi desenvolvida pela Xerox nos anos 70. • Foi grande o desafio de levar a Ethernet para a indústria e torná-la uma das redes de maior crescimento no setor. • Ao contrário dos protocolos industriais como MODBUS e PROFIBUS, que são determinísticos, no padrão Ethernet ocorrem colisões de dados na rede, tornando o tempo de resposta não determinístico. • Padrões não determinísticos não são recomendáveis do ponto de vista da automação, porque a falta de definição do tempo de resposta de uma informação pode comprometer o desempenho do sistema que está sendo controlado.

10. Redes Industriais • INDUSTRIAL ETHERNET • O protocolo Ethernet não foi concebido para aplicações em automação industrial. • Não apresenta algumas características desejáveis em ambientes de controle em tempo real, como determinismo e segurança na transmissão dos dados. • É provavelmente a tecnologia de rede mais difundida, que permite uma grande escala de produção, disponibilidade, baixo custo. Assim, é uma alternativa bastante atrativa para interconexão de dispositivos de automação.

11. Redes Industriais • INDUSTRIAL ETHERNET • A Ethernet foi inicialmente concebida para ser uma rede de barramento multidrop (10Base5), mas este sistema mostrou-se de baixa praticidade. • Avanços: • Topologia estrela com par trançado. • As velocidades da rede cresceram de 10 Mbpspara 100 Mbpse agora alcançam 1 Gbps. • Hubs inteligentes com capacidade de comutação de mensagens e uso de cabos full duplex (em substituição aos cabos half duplex). A rede se torna determinística e isso reduz a probabilidade de colisão de dados.

12. Redes Industriais • INDUSTRIAL ETHERNET • Fatores que contribuíram para o desenvolvimento da rede Ethernet industrial: • Uso de switches (dispositivos utilizados em redes para reencaminhar frames entre os diversos nós) para evitar a arbitragem de barramento; • Uso de canais dedicados de 10 Mbps a 10000 Mbps; • Padrão IEEE802.1p/Q – acrescenta campos de prioridade e de Quality of Service (QoS) ao frame Ethernet tradicional; • Canal full duplex para eliminar colisões; • Rede Fast Ethernet no backbone levando a velocidade a até 200 Mbps.

13. Redes Industriais • INDUSTRIAL ETHERNET • Algumas organizações desenvolveram a partir dos seus protocolos níveis de aplicação para Ethernet TCP/IP: • Modbus/TCP (Modbus sobre TCP/IP); • EtherNet/IP (ControlNet/DeviceNet sobre TCP/IP); • Foundation Fieldbus High Speed Ethernet; • Profinet (Profibus sobre Ethernet). • Apesar de utilizarem Ethernet TCP/IP, não há interoperabilidade entre as diferentes redes, ou seja, não há possibilidade comunicação direta entre estas.

14. Redes Industriais • INDUSTRIAL ETHERNET • Vantagens: • Plataforma aberta e realmente global; • Tecnologia acessível e de fácil compreensão; • Segurança, velocidade e confiabilidade garantida pela evolução da própria informática; • Dados disponíveis em qualquer sistema operacional; • Acesso às informações da planta via redes públicas e redes privadas; • Diversidade de serviços disponíveis para melhor desempenho; • Inúmeros equipamentos disponíveis de diversos fabricantes.

15. Redes Industriais • INDUSTRIAL ETHERNET • O padrão Ethernet Industrial terá uma grande fatia do mercado, mas não deverá substituir os barramentos de campo tradicionais. • Não existem razões técnicas para esta substituição e sob o ponto de vista de custo, a Ethernet é cara para aplicações onde é exigido determinismo.

16. Redes Industriais • INDUSTRIAL ETHERNET

17. Redes Industriais • PADRÃO OPC (OLE for Process Control) • OPC significa OLE para Controle de Processos. • Baseado nas tecnologias Microsoft OLE COM (Component Objetc Model) e DCOM (Distributed Component Object Model). • OPC é um conjunto comum de interfaces, métodos e propriedades de comunicação, agregados dentro de uma especificação padronizada e aberta para acesso público. • Teoricamente, qualquer pessoa com conhecimentos de programação pode desenvolver seus aplicativos OPC, basta acessar as especificações contidas no web site da OPC Foundation e desenvolver uma interface compatível.

18. Redes Industriais • PADRÃO OPC (OLE for Process Control) • Estabelece as regras para que sejam desenvolvidos sistemas com interfaces padrões para comunicação dos dispositivos de campo (CLPs, sensores, etc.) com sistemas de monitoração, supervisão e gerenciamento (SCADA, MES, ERP, etc.). • Sendo um padrão aberto, o OPC separa os sistemas das dificuldades de comunicação, criando uma camada única e padronizada que permite a fácil integração de diversos sistemas. • OPC surgiu como uma simples resposta aos drivers de comunicação proprietários e acabou por se tornar um padrão altamente difundido na indústria. • É possível criar uma camada de comunicação padronizada, que integra facilmente todas as informações industriais.

19. Redes Industriais • PADRÃO OPC (OLE for Process Control) • É uma aplicação da tecnologia OLE tendo em vista as necessidades da indústria de controle de processos. • O objetivo é prover uma infraestrutura única, na qual a informação possa ser universalmente compartilhada. • Diretivas básicas: • Simplicidade de implementação: o padrão é simples e pouco restritivo; • Flexibilidade: focado para as necessidades dos vários segmentos da indústria; • Alta funcionalidade: procura-se incluir o máximo de funcionalidades na especificação, sem conflito com os demais objetivos; • Operação eficiente.

20. Redes Industriais • PADRÃO OPC (OLE for Process Control) • Vantagens: • Padronização das interfaces de comunicação entre os servidores e clientes de dados de tempo real, facilitando a integração e manutenção dos sistemas; • Eliminação da necessidade de drivers de comunicação específicos; • Melhoria do desempenho e otimização da comunicação entre dispositivos de automação; • Interoperabilidade entre sistemas de diversos fabricantes;

21. Redes Industriais • PADRÃO OPC (OLE for Process Control) • Vantagens: • Integração com sistemas MES, ERP e aplicações Windows (Excel, etc.); • Redução dos custos e tempo para desenvolvimento de interfaces e drivers de comunicação, com consequente redução dos custos de integração de sistemas; • Facilidade de desenvolvimento e manutenção de sistemas e produtos para comunicação em tempo real; • Facilidade de treinamento.

22. Redes Industriais • REDES WIRELESS • Alternativa para redes cabeadas; • Baseadas no padrão 802.11 (IEEE) – define como estações devem trocar informações utilizando ondas eletromagnéticas (RF – radiofrequência): • IEEE 802.11b (1999) – frequência de 2,4 GHz – 11 Mbps • IEEE 802.11a (1999) – frequência de 5 GHz – 54 Mbps • IEEE 802.11g (2003) – frequência de 2,4 GHz – 54 Mbps (compatível com 802.11b) • Não há a necessidade de obras de infraestrutura; • Facilidade de alteração do layout; • Alta taxa de transferência;

23. Redes Industriais • REDES WIRELESS • Vantagens em relação às redes convencionais utilizados em ambientes industriais: • Mobilidade e liberdade de movimento; • Sem desgaste mecânico do meio de transmissão; • Instalação e colocação em funcionamento rápida e fácil; • Alta flexibilidade com poucas alterações na instalação; • Integração simples de dispositivos na rede; • Necessidade de ultrapassar “áreas problemáticas”.

24. Redes Industriais • REDES WIRELESS • Itens a serem avaliados: • Distância a ser coberta pela rede; • Quantidade de dados trafegando por unidade de tempo (largura de banda); • Taxa de atualização de informação requerida pelo processo (tempo de ciclo); • Atraso máximo aceito do momento em que uma informação está disponível em um ponto da rede até que ela esteja presente no seu destino (latência).

25. Redes Industriais • HART WIRELESS • Motivação do uso do protocolo HART: • É amplamente utilizado na automação industrial para o controle de processos; • O sinal digital modulado em FSK seja sobreposto ao sinal convencional de 4-20 mA, (modo half-duplex - taxa de 1200 bps); • Fácil integração aos sistemas de controle e facilidade de uso;

26. Redes Industriais • HART WIRELESS • HART Communication Foundation (HCF) – 2004, criou um padrão sem fio para comunicação HART; • Tecnologia confiável; • Interoperabilidade entre os produtos; • Novas alternativas de conectividade; • Não exige altas taxas de comunicação e nem um controle tão preciso das latências na camada física.

27. Redes Industriais • Outras tecnologias wireless • IEEE 802.11b Wi-Fi: • Redes locais sem fio (Wireless LAN); • Frequência de 2,4 GHz; • Taxas maiores do que 10 Mbps; • Padrão foi desenvolvido para as redes comerciais, domésticas e corporativas, não adequado para os ambientes industriais pela sua susceptibilidade às interferências eletromagnéticas e pela distância limitada (< 50 m).

28. Redes Industriais • Outras tecnologias wireless • IEEE 802.15.1 Bluetooth: • Padrão desenvolvido especificamente para conectar computadores pessoais, telefones celulares e outros periféricos tais como câmeras e fones de ouvido; • Utiliza a faixa de 2,4 GHz; • Velocidades inferiores ao Wi-Fi; • Menos vulnerável às interferências; • Pequena distância alcançada (<30 m para classe 2 e <100 m para classe 1).

29. Redes Industriais • Outras tecnologias wireless • IEEE 802.15.4 ZigBee: • Desenvolvido originalmente para aplicações em aquecimento, ventilação e condicionadores de ar (HVAC) como uma alternativa ao uso do Bluetooth; • Baixo consumo, o que confere maior autonomia para equipamentos alimentados por baterias; • Desenvolvido para ser instalado diretamente nos sensores e atuadores; • Sua camada física possui também melhores características para operação em temperaturas extremas; • Opera em taxas mais baixas, sendo bem mais robusto contra interferências no sinal que o Wi-Fi e o Bluetooth; • Devido à baixa potência, a distância também é limitada pouco mais de 100m.

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31. Redes Industriais • SISTEMA DE CONTROLE VIA REDE • Tipo de sistema de controle distribuído onde sensores, atuadores e controladores são interconectados através de uma rede de comunicação. • A utilização em sistemas de manufatura automatizados tem se mostrado uma nova área de pesquisa multidisciplinar, relacionando conhecimentos de sistemas de controle, sistemas de tempo real e redes de comunicação. • São necessárias, para garantir o desempenho e a estabilidade, ferramentas de análise e projeto baseados em conceitos e parâmetros de redes de comunicação e técnicas de controle.

32. Redes Industriais • SISTEMA DE CONTROLE VIA REDE • Consiste em malhas de controle realimentado sob um sistema de comunicação. • É necessário que o sistema de controle via rede ofereça um serviço de comunicação de tempo real. • Deve ser capaz de suportar fluxos de mensagens periódicas, de forma a transferir dados periódicos relacionados com o controle.

33. Redes Industriais • SISTEMA DE CONTROLE VIA REDE • Deve garantir um tempo de resposta limitado para transferência de mensagens entre os nós computacionais. • Deve garantir um comportamento temporal previsível na presença de carga de rede variável por causa do tráfego não relacionado à aplicação de controle.

34. Redes Industriais • SISTEMA DE CONTROLE VIA REDE

35. Redes Industriais • Supervisórios (SCADA) • SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition • Objetivos: • Qualidade: controle de qualidade eficiente, compensação automática de deficiências do processo, processos de fabricação sofisticados; • Flexibilidade: inovações frequentes no produto, atendimento a especificidades do cliente, produção de pequenos lotes; • Produtividade: produção de refugo zero, redução dos estoques; • Viabilidade Técnica: processamento imediato de grande volume de informações e/ou complexidade, limitações do homem, condições desumanas de trabalho;

36. Redes Industriais • Supervisórios (SCADA) • Permitem a visualização de forma gráfica das informações do processo por cores e animações; • Interface amigável (eficiente e ergonômica), cujo objetivo é permitir a supervisão e muitas vezes o comando de determinados pontos de uma planta automatizada; • São Interfaces Homem-Máquina (IHM) mais sofisticadas; • Permitem a supervisão e o controle das variáveis no processo.

37. Redes Industriais • Supervisórios (SCADA) • As principais informações do processo industrial ou da instalação física apresentadas são: • Ocorrências na planta; • Visualização das grandezas monitoradas; • Configuração de receitas; • Falhas; • Alarmes; • Relatórios e gráficos de produção.

38. Redes Industriais • Supervisórios (SCADA) • Variáveis: • TAG: nome que identifica a variável; • Endereço: endereço da variável na Unidade Inteligente, necessário para a troca de dados; • Discreta: os atributos podem ser zero ("0") ou um ("1"), ligado ou desligado, aberto ou fechado; • Analógica: os atributos podem ser grandezas físicas: metros, l/h, m3/h, oC, psi, bar, etc.

39. Redes Industriais • Supervisórios (SCADA) • Programação: • Desenvolvimento de programas no software de supervisão; • As programações estão associadas a algum tipo de evento; • Alguns softwares possuem funções prontas em bibliotecas. • Relatórios: • Os software geram relatórios; • Podem ser arquivados ou impressos; • Registram os valores das variáveis de processo; • Auxiliam na análise da capacidade de produção da planta.

40. Redes Industriais • Supervisórios (SCADA) • Comunicação com Aplicativos: • Pode fazer uso de variáveis que permite troca de dados com outros programas (padrões ODBC); • Compartilha dados com banco de dados. • Comunicação com Equipamentos: • Oferece diversos drivers de comunicação para as mais variadas unidades inteligentes; • Cada driver possui uma configuração específica.

41. Redes Industriais • Supervisórios (SCADA) • Tipos de Telas: • Telas de Visão Geral: • Pode ser observado um número elevado de malhas de controle; • Deve permitir o acesso a subníveis de telas para que se possa analisar cada sistema de controle. • Telas de Malhas Individuais • Mostra a malha de controle em detalhes; • Neste tipo de tela se isola a malha para alterar parâmetros.

42. Redes Industriais • Supervisórios (SCADA) • Tipos de Telas: • Telas de Registro: • Registra uma variável (pode ser de processo ou de controle); • A informação gráfica pode ser salva em arquivo ou impressa. • Telas de Alarme: • Registra a data e hora da ocorrência de algum evento de alarme; • Apresenta a variável alarmada ou o motivo do alarme.

43. Redes Industriais • Supervisórios (SCADA) • Configuração de Telas de Operação: • Diagramas de processo e instrumentos; • Instrumentos virtuais; • Botões virtuais para atuar no processo em modo manual; • Lista de alarmes; • Gráficos de tendência real e histórica; • Login de operadores com senhas.

44. Redes Industriais • Supervisórios (SCADA) • Passos para o planejamento do sistema: • Entendimento do processo a ser automatizado; • Tomada de dados; • Planejamento do banco de dados; • Planejamento dos alarmes; • Planejamento da hierarquia de navegação entre telas; • Desenho das telas; • Gráficos de tendência dentro das telas; • Planejamento de um sistema de segurança;

45. Redes Industriais • Supervisórios (SCADA) • Programas que permitem a configuração de um Sistema de Supervisão de Processo: • Labview; • Elipse.

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