Automação Industrial Barramento e Rede Industrial

1. Automação IndustrialBarramento e Rede Industrial Prof.ª Patricia Pedroso Estevam Ribeiro patriciapedrosoestevam@hotmail.com 25 e 26 /04/2014

2. Barramento Industrial • Os sistemas de automação industriais englobam uma variedade de tecnologias onde as áreas de computação, comunicação e controle co-existem entre si, elevando o grau de complexidade nas fases de concepção, projeto, implantação e manutenção. • Um sistema de controle e automação atual para a indústria de manufatura e processos engloba diferentes paradigmas, metodologias e tecnologias, onde não existe mais apenas um fornecedor completo de soluções e sim, diversos fornecedores que possuem conhecimento em determinado segmento tecnológico. • A escolhade maneira adequada qual tecnologia de comunicação pode trazer melhores resultados para sua indústria. Algumas características devem ser levadas em conta para distinguir os sistemas de redes industriais, tais como: • A qualidade do meio físico da transmissão de dados, o modo de codificação dos dados para transmissão e o método para compartilhar um canal físico por várias conexões (barramento). Nesse contexto, é importante salientar que para comparar sistemas de redes industriais deve-se entender a operação de diferentes aspectos da comunicação e seus efeitos sobre as aplicações do tipo mais adequado para qualquer aplicação.

3. Barramento Industrial • Os mecanismos de padronização visam facilitar a integração de componentes e subsistemas, a fim de beneficiar fornecedores, desenvolvedores e usuários finais dos sistemas de controle e automação industriais. • Entretanto, é possível existir etapas do processo da automação industrial em que os requisitos de padronização não sejam satisfeitos, onde deve se aplicar diferentes tecnologias de redes industriais. • Para o barramentos de comunicação são necessários para interligação de diferentes unidades de controle, deve-se considerar que um sistema de controle e automação industrial possui diferentes tecnologias de redes de comunicação com fio e sem fio (wired/wireless), denominados redes industriais, as quais são aplicadas em todos os níveis de uma instalação industrial. • Com o objetivo de definir as normas para padronização dos protocolos, a fim de realizar o desenvolvimento comum dos diversos padrões de redes de campo, possibilitando aos desenvolvedores a flexibilidade de desenvolvimento de linhas de produtos em função da demanda, e o clientenão ficando totalmente preso à apenas um fornecedor.

4. Barramento Industrial Figura 2: Rede Industrial conectada a Internet. Figura 1: Rede Industrial sem Fio (Wireless).

5. Barramento Industrial • O primeiro passo ao se conceber uma solução qualquer de automação é desenhar a arquitetura do sistema, organizando seus elementos vitais: módulos de campo para aquisição de dados, CLP's(Controladores Lógicos Programáveis), instrumentos e sistema de supervisão, em torno de redes de comunicação de dados apropriadas. A escolha da arquitetura irá determinar o sucesso de um sistema em termos de alcançar os seus objetivos de desempenho, modularidade, expansibilidade e funcionamento. • As soluções irão depender das limitações de cada projeto. Existem vários pontos que o projetista deve verificar ao iniciar o projeto. O melhor é estabelecer uma lista de pontos importantes a serem verificados.

6. Barramento Industrial • Quantas são as áreas de processo envolvidas? Quais as distâncias entre as áreas? Qual o layout da instalação industrial? • Haverá uma sala de controle centralizada ou apenas ilhas de comando locais? • Existe necessidade de um sistema de backup? A que nível? • Quais são as condições ambientais? Existe campo magnético intenso nas proximidades? Existe interferência eletromagnética externa? • O cliente está familiarizado com novas tecnologias de redes de campo para instrumentação, sensores e acionamentos?

7. Barramento Industrial • Existem sites fora da área industrial que devam ser conectados à planta? • Quais as necessidades dos dispositivos em termos da velocidade de transmissão de dados? • Qual a capacidade de expansão prevista para os próximos anos? • Existe preferência quanto ao atendimento aos padrões internacionais ou por alguma rede proprietária? • Existe um bom suporte técnico nacional? • Existe compatibilidade entre as famílias de produtos?

8. Topologias

9. Topologias • A topologiarefere-se à forma com queos enlaces físicos e osnós de comutaçãoestãoorganizados. • Há vários modos de se interligar os nós ou dispositivos de uma rede, tais como, aqueles com regras definidas, como: • Ponto a ponto • Estrela • Anel e Malha • Árvore • Barramento

10. Topologias • Ponto a Ponto • A comunicação mais simples consiste de ligação de dados ponto a ponto. Figura 3 - Comunicação ponto a ponto.

11. Topologias • Estrela • Nó central (mestre) se comunica com cada um dos demaisnós (escravos) • Nãoexistecomunicaçãodireta entre doisescravos • A gerência das comunicações é feitapelomestre • Os escravospodemterprotocolos e/ouvelocidades de transmissãodiferentes • Cadanó é interligado à redeatravés de uma interface de acessoaomeio • Falhasem um nóescravoafetamsomente o nódefeituoso • Falha no nó central comprometetoda a rede Figura 4 – Topologia estrela.

12. Topologias • Anel e Malha • Ligação seqüencial 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 Figura 5 – Topologia anel.

13. Topologias • Árvore • Na rede árvore, há exatamente um caminho entre quaisquer dois nós. Nesta topologia, há uma hierarquia de funções: • os de cima são mais genéricos e possuem funções corporativas e os de baixo são mais técnicos e possuem funções técnicas de regulação e controle. Figura 6 – Topologia árvore.

14. 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 Figura 7 – Topologia Barramento

15. Topologias • Dentre possíveis topologias para interconexão de dispositivos de automação em rede, a mais utilizada é a de barramento. A conexão utilizando a topologia em barramento traz uma série de vantagens, tais como: • Flexibilidade para estender a rede e adicionar módulos na mesma linha. • Permite atingir maiores distâncias do que com outros tipos de conexões. • Redução substancial de cabeamento. • Redução dos custos globais. • Simplificação da instalação e operação. • Disponibilidade de ferramentas para instalação e diagnóstico. • Possibilidade de conectar dispositivos de diferentes fornecedores. • Contudo, a substituição de um sistema existente ponto a ponto (com CLP) por um barramento industrial possui algumas desvantagens aparentes: • Elevado investimento inicial. • Interoperabilidade (funcionamento) nem sempre garantida.

16. Modelo OSI • A definição de diferentes aspectos da comunicação já tem sido realizada pelos corpos internacionais de padronização produzindo o modelo de sete camadas OSI. Em 1984, o Comitê Técnico TC97 na ISO (InternationalOrganization for Standardization) publicou um padrão especial, o modelo de referência para padrão internacional de Open Systems Interconnection (OSI). Essa padronização gerou o documento intitulado ISO 7498. Figura 8 – Modelo OSI.

17. Modelo OSI • As sete camadas específicas do modelo OSI são:Camada física: compreende os sinais elétricos e o cabeamento.Camada de enlace ou ligação de dados: é responsável pela transmissão de pacotes entre nós, baseada no endereçamento das estações.Camada de rede: conduz os dados para diferentes LANs e WANs baseada em endereçamento de redes.Camada de transporte: assegura a entrega do arquivo ou da mensagem inteira.Camada de sessão - indica o início e o fim de uma sessão, e é responsável por manter a ordem.Camada de apresentação: define o tipo de encriptação e/ou o código de conversão a ser utilizado: ASCII para EBCDIC, BCD para binário, entre outros.Camada de aplicação: define o tipo de comunicação: e-mail, transferência de arquivo, cliente/servidor, entre outros.

18. A Evolução das Redes Industriais • O termo fieldbus, mencionado anteriormente, é um termo genérico que descreve as redes digitais de comunicação com a finalidade de substituir os antigos padrões 4-20mA existentes. • Nos anos 40, a instrumentação de processo confiava em sinais de pressão físicos de 3–15psi para monitorar os dispositivos de controle no chão-de-fábrica. • Já nos anos 60, os sinais analógicos de 4-20mA foram introduzidos na indústria para monitorar dispositivos de campo. • Com o desenvolvimento de processadores nos anos 70, surgiu a idéia de se utilizar computadores para monitoração de processos e se fazer o controle de um ponto central. Com os computadores, várias etapas do controle poderiam ser feitas de forma diferentes de modo a se adaptar mais precisamente as necessidades de cada processo. • Nos anos 80, começou-se a desenvolver os primeiros sensores inteligentes, assim como os controles digitais associados a esses sensores. Com o desenvolvimento dos instrumentos digitais era necessário algo que pudesse interligá-los. Aqui, nasce a idéia de criação de uma rede que ligaria todos os dispositivos e disponibilizaria todos os sinais do processo num mesmo meio físico. A partir daí, a necessidade de uma rede fieldbusera clara, assim como um padrão que pudesse deixá-lo padronizado para o controle de instrumentos inteligentes.

19. Rede industrial • Uma rede industrial consiste numa variedade notável de domínios (uma fábrica de produção de produtos alimentares, supervisão de máquinas, etc). Tais domínios são potenciais utilizadores das redes de campo, sendo que para alguns, as redes de campo estão infiltradas na configuração da produção. • Os sistemas de automação industrial com redes de campo estão cada vez mais presentes. Essa superação em relação aos sistemas do tipo ponto a ponto deve-se principalmente aos fatores técnicos e econômicos que os tornam uma tecnologia extremamente vantajosa e atraente.

20. Rede industrial • Nas fábricas atuais, é importante saber o que se produz, quanto se produz e a disponibilidade dos recursos de produção. A velocidade de trânsito destas informações pode significar um elevado retorno proporcional. • A incrível evolução da informática em todas as áreas do conhecimento humano tem permitido a implementação do conceito de inteligência distribuída em ambientes industriais. • Assim, a abordagem às redes de campo deve considerar todas estas diferentes necessidades.

21. Rede industrial • A utilização de equipamentos inteligentes em máquinas ou processos para controle ou na aquisição pura e simples da informação é o primeiropasso para a automação industrial completa. • Interligar estes equipamentos é o passo seguinte; a construção de um sistema de aquisição de informações apto ao acompanhamento em tempo real da produção do maquinário envolvido ou do estado do processo em funcionamento é conseqüência quase obrigatória.

22. Rede industrial • Uma rede de comunicação para sistemas de automação industrial é um conjunto de sistemas independentes, autônomos e interconectados de forma a permitir a troca de informações entre si. • Uma rede oferece os meios físicos e lógicos que permitam a integração do sistema através da troca de informações. • As redes para sistemas de automação podem ser classificadas, conforme sua finalidade em: – Rede de Campo; – Rede de Controle; – Rede de Gerenciamento de Fábrica.

23. Rede industrial • Numa rede industrial coexistem equipamentos e dispositivos de todo o tipo, os quais podem ser agrupados hierarquicamente para estabelecer ligações mais adequadas para cada área. Figura 9 – níveis de uma rede industrial.

24. Rede industrial • Rede de Campo: este grupo engloba todas as redes de controle incluindo aquelas do tipo Fieldbus, responsáveis diretas pelo tráfego de informações reais de controle. Em geral, uma planta industrial poderá ter diversas sub-redes de controle que se interligam com o sistema supervisório através de interfaces apropriadas. Tais redes podem seguir o padrão internacional Fieldbus, ou esquemas próprios de determinados fabricantes como os sistemas Profibus e DeviceNet etc. • Rede de Controle: através desta rede ocorre o funcionamento do sistema de supervisão e de controle. Portanto, há uma interligação não só com computadores, mas com dispositivos tais como: placas de aquisição de dados, CLPs, interfaces de redes Fieldbus etc. • Rede de Gerenciamento de fábrica: Esta é a rede geral de informação da empresa. Ela se interliga com a rede de supervisão e de controle permitindo que informações tais como aquelas que caracterizam desempenho de produção possam ser analisadas pela gerência da empresa.

25. Rede industrial • Modelo de estruturaAs tecnologias de redes industriais podem ser divididas de acordo com suas características estruturais em três modelos: barramento de sensor (Sensorbus), barramento de dispositivo (Devicebus) e barramento de campo (Fieldbus). • SensorBusO barramento de sensor é uma subdivisão dos barramentos industriais, que é voltado para a utilização com controle digital direto. Entre suas características estão baixo custo, alta velocidade, comunicação em nível de bit (push-buttons, limit switches, etc.), instrumentos multiplexados em um único nó; e pequeno em tamanho (distância). Entre as tecnologias de barramentos industriais que disponibilizam esse modelo destacam-se Seriplex e Interbus.

26. Rede industrial • DeviceBusO barramento de dispositivo é o modelo aplicado em casos com sistema de controle distribuído. Suas principais características são: alta velocidade; comunicação em nível de byte; equipamentos discretos complexos; e pode suportar variáveis analógicas e comunicação ponto-a-ponto. Os principais protocolos de comunicação que adotam essa tecnologia são CAN, DeviceNet, Profibus DP & FMS, AS-i, LonWorkse Interbus-S. • FieldbusO barramento de campo é o modelo adotado pelos sistemas de controle de campo. Entre suas principais características está a substituição digital de sinais analógicos (4-20 mA); alimentação e sinais em dois fios; e suporte a segurança intrínseca. As principais tecnologias que adotam esse modelo são FoundationFieldbus e Profibus PA. Alguma literatura acrescenta mais um modelo estrutural: o barramento de controle. Nesse modelo, destacam-se os protocolos de comunicação HighSpeed Ethernet (HSE) e ControlNet. São protocolos que se diferenciam pela fácil integração entre dispositivos e instrumentos (Open Control System).

27. Rede de Campo

28. Rede de Campo • Categorias das redes para automação

29. Rede AS-i Figura 10 – Exemplo de rede AS-i

30. Rede AS-i • A rede AS-i ou Interface Atuador / Sensor (Actuador& Sensor Interface) é uma sub-rede para sistemas de automação do mais baixo, ou seja, automação de chão de fábrica. • Os tipos mais simples de sensores e atuadores são conectados nesta rede: – Sensores; – Botoeiras; – Módulos de Entrada e Saída; – Monitores de válvula; – Sinalizadores. • Uma das principais idéias do projeto AS-i era levar ao nível de sensores e atuadores os benefícios já alcançados nos níveis superiores da hierarquia de automação industrial. • Desta forma, a rede AS-i foi concebida para complementar os demais sistemas e tornar mais simples e rápida as conexões dos sensores e atuadores com os seus respectivos controladores.

31. Rede AS-i • A rede AS-i apresenta as seguintes características: – Cabo Paralelo com dois condutores – Até 31 escravos; – Cada escravo: 4 bits de I/Os; – Até 100 m ou 300 m com repetidores; – Sistema de comunicação mestre–escravo; – Garantido um máximo de 4,7 mscom configuração máxima da rede. • A rede AS-i é composta por: – um módulo master; – módulos AS-i; – cabo AS-i; – unidade de alimentação; – sensores com "chip" AS-i integrado; – dispositivo de programação AS-i; – softwares de monitoração.

32. Rede AS-i • Um exemplo que ilustra a aplicabilidade do AS-i: – É um processo envolvendo controles de posicionamento de válvulas através de botoeiras, além de sensores eletromagnéticos e sinalizadores luminosos. – O mestre tem a função de gateway, transmitindo e recebendo informações da redes de nível superior, tal como FoundationFieldbus, Profibus, DeviceNete outros. – Uma fonte de alimentação auxiliar pode ser utilizado de acordo com necessidades de alimentação extra para módulos de I/O ou devices específicos.

33. Rede AS-i Figura 10 – Exemplo de rede AS-i

34. Rede AS-i • Um fato importante que deve ser considerado, é que o AS-i foi desenvolvido com um foco específico de aplicação final, que é a comunicação entre dispositivos “discretos”. • Cobrindo uma área que os fieldbusesmais complexos não atingem com tal desempenho. • AS-i é uma tecnologia que nasceu com o objetivo de eliminar uso dos cartões de I/O em PLCs, com suas ligações ponto a ponto que demanda um auto custo de cabeamento, manutenção e instalação. • Não esquecendo do determinismo do protocolo, que traz vantagens para aplicações de tempo real.

35. Rede AS-i • Exemplo: Caso de instalaçãoPara entender melhor, apresentamos uma das etapas da produção de cimento de uma das fábricas daLafargeCement, Northfleet, Kent (Inglaterra) comparando um modelo tradicional e um modelo com AS-i. Essa solução foi apresentada na Feira Internacional MTEC 2006. • Montagem 1Na configuração tradicional é montada uma linha de produção com 12 esteiras de transporte. Cada esteira tem um sistema de potência para variação da velocidade. Os inversores de freqüência são instalados em uma cabine central, assim como as baias de E/S do CLP. Cabos paralelos vão da cabine até os motores. Os cabos de alimentação percorrem a área. • Montagem 2Na segunda forma de montar a mesma linha de produção, os inversores de freqüência estão descentralizados (colocados junto aos motores), utilizando comunicação via AS-Interface. Apenas a alimentação dos motores é mantida, sendo redistribuída, pois a alimentação e comunicação com os inversores são feita por uma rede a dois fios (transmissão dos sinais de controle e barramento de alimentação). A foto a baixo mostra um exemplo deste conceito aplicado pela indústria. O inversor (em destaque) é alimentado por uma rede digital a dois fi os. No exemplo da foto, a tecnologia pertence à SEW Eurodrive que acopla numa mesma solução: inversor, motor e redutor. Figura 11 – Inversor, motor e redutor

36. Rede AS-i • Exemplo: Caso de instalaçãoEntre os benefícios relatados pela indústria com a migração, é possível encontrar: • Redução do investimento em cabeamento; • Único barramento para alimentação dos motores; • Único barramento de dados para circulação dos sinais de controle; • AS-Interfacesimplifica e diminui os tempos de comissionamento e de teste das plantas; • Muito simples para ampliar uma planta; • A procura por falhas e erros pode ser reduzida ao mínimo; • Cabines de controle menores; • Diminuição de cartões de E/S para o CLP; • Otimização na alocação física do inversor de freqüência e motor; • Independência do fornecedor; • Torna possível a concepção de uma planta modular; • O tempo de parada da planta é reduzido; • Solução economicamente atraente, se comparada a outras tecnologias.

37. Rede DeviceNet Figura 12 – Exemplo de rede Devicenet

38. Rede DeviceNet • O Devicenet é um protocolo de comunicação para ligar dispositivos industriais a uma rede, eliminando vários cabos, tais como: – fim-decurso; – sensores fotoelétricos; – partidas de motor; – sensores de processo; – leitores de código de barra; – drivers de freqüência variável; – interfaces de usuário.

39. Rede DeviceNet • A conectividade direta proporciona comunicação melhorada entre dispositivos assim como diagnósticos importantes em nível de dispositivos não facilmente acessíveis nem disponível em dispositivos de I/O’s convencionais. • O Devicenet é uma rede aberta. A especificação e o protocolo podem ser obtidos na Associação Aberta de Vendedores de Devicenet, Inc. (ODVA).

40. Rede DeviceNet • Devicenet foi desenvolvida pela RockwellAutomatione é baseado num protocolo de comunicações chamado CAN (ControlArea Network). • O CAN originalmente foi desenvolvido pela BOSCH (década de 80) para o mercado de automóvel europeu para substituir os caros chicotes de cabo por um cabo em rede de baixo custo em automóveis. • Como resultado, o CAN tem resposta rápida e confiabilidade alta para aplicações como controle de freios ABS e Airbags.

41. Rede DeviceNet • A rede Devicenet apresenta as seguintes características: – Cabo par-trançado com 4 fios e uma blindagem (um par da alimentação e outro do sinal); – Até 64 dispositivos; – Velocidades ajustáveis em: 125, 250 e 500 Kbits/s; – Até 500 m em 125 Kbits/s; – Sistema de comunicação mestre-escravo.

42. Rede DeviceNet • A rede DeviceNet é composta por: – Módulos de I/O’s com capacidade para vários pontos digitais ou analógicos; – Drivers para motores; – I.H.M. (Interface Homem Máquina); – Relês de proteção.

43. Rede DeviceNet Figura 13 – Exemplo de rede Devicenet

44. Rede DeviceNet • Um exemplo prático de controle automático de nível, temos a figura a seguir uma tubulação bombeando um fluido a partir de um tanque de recalque (tanque 1) que recebe o fluido devendo manter o tanque 2 sempre cheio. • Note pela figura que o tanque 2 alimenta o processo mais adiante.

45. Rede Devicent • Neste controle de processo temos as seguintes considerações: – 1. Caso o tanque 1 atinja seu nível máximo, a chave de nível 2 atuará desligando a válvula solenóide interrompendo a sua alimentação. – 2. Caso o tanque 1 atinja o seu nível mínimo, a chave de nível 1 atuará desligando a bomba para que esta não funcione em vazio ao mesmo tempo que aciona um alarme para o operador. – 3. Caso baixe o nível de fluido do tanque 2, a chave de nível 2 atuará ligando a bomba para manter seu nível sempre cheio.

46. Rede DeviceNet Figura 14 – Exemplo de rede Devicenet

47. Rede Profibus Figura 15 – Exemplo de rede PROFIBUS

48. Rede Profibus • PROFIBUS é um protocolo aberto líder na Europa (Fonte: IndependentFieldbusStudybyConsultic) e goza aceitação mundial. • As áreas de aplicação incluem manufatura, processo e automação predial. • Hoje, todos os principais fabricantes da tecnologia de automação oferecem interfaces PROFIBUS para seus dispositivos.

49. Rede Profibus • A variedade de produtos inclui mais de 1.000 dispositivos diferentes e serviços, mais de 200 são dispositivos certificados. • PROFIBUS foi usado com êxito em mais de 100.000 aplicações reais ao redor do mundo. • A tecnologia PROFIBUS é desenvolvida e administrada pela PROFIBUS UserOrganization.

50. Rede Profibus • Rede PROFIBUS – DP – DP = DescentralizedPeripheria – É um protocolo de comunicação otimizado para alta velocidade e conexão de baixo custo. – Esta versão de PROFIBUS é projetada especialmente para comunicação entre sistemas de controle de automação e I/O’s distribuídos como dispositivos. – O PROFIBUS-DP pode ser usado para substituir a transmissão de sinal em 24 Vdcou 0 a 20 mA.