REDES INDUSTRIAIS

1. Wilmar Oliveira de Queiroz UCG 2008 REDES INDUSTRIAIS

2. Redes Industriais • Tecnologias de automação • Conceitos de redes industriais e corporativas • Gerenciamento da informação em um processo industrial • Sistemas de automação Industrial • Requisitos dos Sistemas Industriais • Arquitetura de Controle Industrial • Nível de Campo • Nível de Controle • Nível de Planta • Principais Componentes de Sistemas Industrias • Computadores industriais • Sensores e atuadores • Fundamentos de Redes Industriais- Meios Físicos e Classificação de Protocolos- Modelos ISO/OSI- Acesso ao processo (dados, CRC, etc.).  • Sistemas Industriais de Comunicação- Fieldbus Foundation - Profibus- Devicenet- Interbus- AS-I- Modbus- DPN 3.00

3. Tendências Tecnológicas- A Integração Processo e Administração- Aplicações Especiais (medicina, robótica, etc.).- Ethernet Industrial (HSE)- Redes Wireless e Wire Wap (conceituação e aplicações)- Tendências de Integração de Camadas • Implantação de Redes Industriais- Análise de processo- Especificação- Projeto- Desenvolvimento- Implantação • Novos Conceitos de Controle e Gestão de Processos- OPC Server – Conceitos, Estrutura e Aplicações.- A Internet como Ferramenta na Gestão de Processos • Gestão Técnica de Processos Automatizados- Gestores Envolvidos e suas Relações- A importância das redes no Supply Chain Management • Exemplos de Utilização de Redes Industriais • Estudos de casos

4. Sistemas de Automação Industrial • Requisitos dos Sistemas Industriais • Arquitetura de Controle Industrial • Nível de Campo • Nível de Controle • Nível de Planta • Principais Componentes de Sistemas Industriais • Computadores Industriais • Sensores e Atuadores • Considerações Finais • Redes Industriais de Comunicação • Requisitos de Tempo-Real • Classificação de Sistemas e Tempos de Entrega • Escalonamento de Mensagens • Arquitetura do Sistema de Comunicação Industrial • Camadas OSI • Camadas OSI Aplicadas à Indústria

5. Topologias de Redes Industriais • Topologias de Rede • Topologia Estrela • Topologia de Barramento • Topologia em Anel • Interconectores de Rede • Hub • Switch • Funcionamento • Métodos de encaminhamento • Store-and-forward • Cut-through • Adaptative Cut-through • Vantagens do Uso de Switches em Redes Industriais • Ethernet Industrial • A Rede Ethernet • Algoritmo CSMA/CD • Componentes Principais de Sistemas Ethernet • Ethernet e as Restrições de Tempo Real • Determinismo em Redes Ethernet • Velocidade de Comunicação • Domínios de Colisão com Switches • Redundância de Links com Switches • Exemplos de Aplicações Industriais Baseadas em Redes Ethernet • Linha de Produção Automotiva • Ethernet no Controle de Navios

6. Suíte de Protocolos TCP/IP • Camadas • Arquiteturas de Comunicação • Ponto-a-Ponto • Mestre-Escravo • Cliente-Servidor • Produtor/Consumidor • Implementação • Arquitetura da Solução Proposta • RTnet • Serviços Básicos • Gerenciamento de Pacotes • Implementação UDP/IP • Camada de Driver • Media Access Control em Tempo Real • Camada MAC • Disciplina TDMA • Serviço de Configuração Tempo Real • O Protocolo RTPS / ORTE • Arquitetura • Mecanismos de Comunicação • ORTE • Implementação da Base de Dados • Arquitetura Proposta • Implementação • Resultados Obtidos e Análise • Conclusões • Referências Bibliográficas

7. 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?

8. Histórico • Ambiente industrial • Mudanças conceituais e nos projetos • Automação industrial • Automação predial • Integração de sistemas: CI’s e módulos dedicados • Padronização desses módulos: • Intercambiabilidade • Interoperabildade • Expansividade • Redução de custos • Novos modos de gestão/manutenção

9. 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

10. 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

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

12. 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

13. CIM

14. CIM

15. CIM

16. 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)

17. 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

18. 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

19. Data highway Duplicação Unidade de Controle Unidade de Controle Unidade de Controle Unidade de Controle Unidade de Controle Sensores/ Atuadores Sensores/ Atuadores Sensores/ Atuadores Sensores/ Atuadores Sensores/ Atuadores Arquiteturas • Estrutura de um SDCD com barramento duplo

20. 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

21. Topologias - Estrela

22. 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

23. Topologias - Anel

24. 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

25. Topologias - Barramento

26. 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 R E A A S T ENLACE E R T S A A FÍSICA R E A A S T F F E R T S A A

27. Modelo OSI

28. 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

29. 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

30. 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

31. 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

32. 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)

33. 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

34. 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

35. Modelo OSI x TCP/IP

36. FTP TELNET SMTP DNS RPC SNMP TFTP TCP UDP ICMP IP IGMP ARP INTERFACE DE HARDWARE RARP MEIO FÍSICO Arquitetura TCP/IP

37. 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

38. 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

39. 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

40. 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

41. 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

42. 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

43. 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 nos fios de dados) • Balanceada • A referência do “terra” é desconectada entre os sistemas • Alta imunidade a ruídos (interferência afeta igualmente o sinal e a referência)

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

45. 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

46. RS-232

47. RS-232

48. 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

49. 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

50. 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)