Palestra “Redes Industriais”

Carlos Mandolesi

Jundiaí/SP – 16/10/2014

Sobre mim: CARLOS MANDOLESI

Engenheiro eletricista, formado na UNIFEI (Universidade Federal de Itajubá) em 1992

Pós-graduado em Gestão de Negócios, USF, 2005

Trabalhei por 10 anos na General Electric em diversas áreas

Moro em Itatiba/SP

Minha empresa a Sigmma, atua na área de representação comercial, treinamentos, consultoria e marketing digital e irá completar 10 anos neste ano

Sou diretor de um entidade profissional sem fins lucrativos, onde promovemos eventos e troca de conhecimento (www.isacampinas.org.br)

Sobre minha empresa: SIGMMA

Sigmma, atua na área de representação comercial, treinamentos, consultoria e marketing digital e irá completar 10 anos neste ano

Redes de Comunicação

Uma rede de computadores é basicamente um

conjunto de dispositivos micro processados ligados

entre si de forma a possibilitar o armazenamento,

recuperação, e compartilhamento de informação

pelos seus usuários.

Redes de Comunicação

Os dispositivos envolvidos numa rede

podem ser:

Computadores,

Servidores,

Impressoras,

Dispositivos de armazenamento de

dados e

Controladores Lógicos Programáveis

entre outros.

O que é uma Rede Industrial

Rede industrial é uma Rede de

comunicação dedicada à troca de dados

e informações entre equipamentos no

ambiente industrial.

Equipamentos de uma rede industrial:

Computadores

CLP’s

Robôs

Terminais de válvulas

Balanças

Sensores

Atuadores

Inversores

Centros de Comando de motores

(CCMs)

Padrões de Redes

É fundamental existirem padrões para a

comunicação entre equipamentos.

Padrões de Redes

Órgãos e associações atuam na padronização

de redes:

ISA – International Society of Automation

IEEE – Institute of Electrial and Electronic

Engineering

ISO – International Organization for

Standarization

EIA – Electronic Industries Association

ANSI – American National Standards

Institute. EUA. Ligado a ISO.

Tipos de Padrões de Redes

Aberto ou de Domínio público:

Estabelecido por órgãos oficiais de

normatização, padronização

Proprietário:

Estabelecido por algum fabricante e restrito

aos seus equipamentos.

Curiosidade

Modelo de Camadas OSI

Protocolos de Comunicação

Protocolos de comunicação são convenções ou regras

utilizadas por um programa ou sistema operacional para a

comunicação entre dois ou mais equipamentos.

Para integrar em rede a diversidade de computadores ou

outros dispositivos microprocessados gerados pela filosofia

de sistemas abertos, foram criados padrões de camadas para

os protocolos.

Existem protocolos proprietários e abertos.

Exemplos de protocolos do dia-a-dia: HTTP, TCP/IP, POP,

SMTP

Redes Determinísticas

O determinismo está relacionado à

capacidade em se estimar com precisão

exata quanto tempo levará para transmitir

uma mensagem de uma estação até o

recebimento por outra estação, ou seja,

existe previsibilidade nos tempos de

transmissão.

Topologia de Redes - Barramento

Topologia de Redes - Anel

Topologia de Redes - Estrela

Meios Físicos – Par Trançado

Meios Físicos – Fibra Ótica

Meios Físicos – Fibra Ótica

Tipos de Conexão

Conexão Multiponto

Redes sem Fio (Wireless)

Curiosidade – Cabos Submarinos

Redes Industriais Seriais

O setor de comunicação industrial conta atualmente com uma quantidade

muito grande de produtos e protocolos usados nas comunicações entre as

plataformas de computadores e os dispositivos usados nas aplicações de

automação industrial.

Muitos destes dispositivos utilizam os padrões EIA RS 232, RS 422 e RS

485 entre os computadores e dispositivos microprocessados. Erroneamente

tem-se o conceito de que estes padrões definem protocolos de comunicação

específicos.

Redes Industriais Seriais

Redes Ethernet

A rede Ethernet foi o primeiro grande sistema de rede a ser

oferecido sem o uso de protocolos proprietários. A rede Ethernet foi

criada em conjunto pelas empresas Xerox, DEC e Intel. Trata-se de

uma rede usada mundialmente tanto para a área industrial como

para escritórios.

Outra grande vantagem desta rede é o grande número de

fabricantes que colocam no mercado produtos compatíveis com a

rede Ethernet.

Redes Ethernet - Padrões

Switches Industriais

Switches Industriais x Escritório

INDUSTRIAIS PADRÃO ESCRITÓRIO Projetados para ambiente industrial, suportando altas temperaturas, poeira, vibração, imunidade a ruídos e EMC

Projetados para ambientes de escritório

Alta disponibilidade Disponibilidade padrão

Alimentação redundante em 24Vcc Alimentação 110/220 Vca

Permite topologia em anel com tempo de recuperação inferiores a 300ms

Tempo na ordem de segundos

Usados em aplicações em tempo real (determinístico)

Aplicações de e-mail, web, rede (não determinístico)

Compatibilidade com padrões de comunicação industriais OPC

Não disponível

Integração com sistemas de supervisão Não disponível

Homologados pelos principais fornecedores de automação

Não disponível

Participação ativa em associações ligadas às redes industriais: ODVA, IAONA, PROFIBUS, FIELDBUS FOUNDATION, IEEE, United Networx

Não tem participação e conhecimento dos protocolos industriais

Instalação Tradicional (via cabos)

Uso de Redes Industriais

X Tradicional

Rede

Benefícios das Redes Industriais

A utilização de redes e protocolos digitais prevê um significativo

avanço nas seguintes áreas:

Custos de instalação, operação e manutenção

Procedimentos de manutenção com gerenciamento de ativos

Fácil expansão e upgrades

Informação de controle e qualidade

Determinismo

Baixos tempos de ciclos

Várias topologias

Padrões abertos

Redundância em diversos níveis

Menor variabilidade nas medições

Medições multivariáveis

Qualidade da Instalação de Redes

Estes são alguns dos aspectos que devem

ser observados durante a instalação de uma

rede industrial:

Tipos de cabos

Interligação dos cabos

Encaminhamento dos cabos

Conectores e prensa-cabos

Aterramento

Configuração dos dispositivos de rede

Documentação da rede

Certificação de Redes

Softwares para Gerenciamento de Redes

Evolução das Redes Industriais

Principais Redes Industriais

Modbus

Modbus TCP

Hart

ASI

Profibus-DP

Profibus-PA

Profinet

Devicenet

Ethernet/IP

Fieldbus Foundation

O protocolo MODBUS desenvolvida pela

Modicon em 1979

Dispositivos mestre-escravo / cliente-

servidor

Ele é um padrão de fato

Poder ser RS232, RS-485

Velocidade até 115K

Rede Modbus Serial (ou Modbus RTU)

Modbus - Funcionamento

Modbus - Exemplo

Modbus TCP

Tipo de Rede: Rede Ethernet-TCP/IP, do tipo cliente/servidor, protocolos

TCP/UDP/IP, Layer 3-4

Topologia:

Muito flexível: estrela, árvore ou linha

Todas as topologias que podem ser implementadas com o padrão Ethernet incluindo redes com switches.

Instalação : Padrões 10, 100 or 1000 Mbit/s Ethernet baseados em cabos de cobre, fibra ótica ou wireless podem ser usadas.

Velocidade : 10, 100, 1000 Mbit/s/s

Máx. Estações

: Praticamente ilimitada

Dados: Até 1.500 Byte por Telegrama

Total: praticamente ilimitada

Hart

“HART” é a sigla em inglês para “Highway Addressable

Remote Transducer” (Via de Dados Endereçável por

Transdutor Remoto). O protocolo HART utiliza o padrão Bell

202 de Chaveamento por Deslocamento de Frequência

(FSK) para sobrepor os sinais de comunicação digital sobre

o sinal de 4-20 mA.

Hart - Funcionamento

Hart Exemplo

Rede Asi

O protocolo AS-Interface, comumente referenciado somente como

AS-i (proveniente de Interface Sensor Atuador) foi criado por conjunto

de onze empresas ligadas a setores de automação, através de um

consórcio fundado em 1990, denominado “ASI consortium”.

Uma das principais ideias 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.

Rede Asi Transferência de dados Mestre escravo com polling cíclico.

Endereçamento Os escravos recebem um endereço enviado pelo mestre ou um

terminal de configuração.

Estrutura da rede Barramento, anel, estrela, ou árvore.

Meio físico Dois cabos não trançados e nem blindados para dados e

energia (24V DC), tipicamente até 200mA por escravo e 8A por

rede.

Comprimento de cabo Máximo 100m. Maiores distâncias podem ser obtidas com

repetidores. Não é necessário nenhum tipo de terminador.

Número de escravos 31 escravos.

Número de sensores e atuadores 4 sensores e 4 atuadores por escravos. Máximo de 248

participantes binários por rede.

Tempo de ciclo 5ms para uma rede completa, com 31 escravos. Cada escravo

pode utilizar até 150μs do tempo da rede por ciclo. Os dados

transmitidos são limitado a 4 bits por escravos que podem ser

trocados a cada ciclo. Mensagens longas podem ser

transmitidas dividindo-as em vários ciclos.

Taxa de transferência A taxa de transferência no AS-i é de 167kbit/s, resultando em

6μs como o tempo gasto de transmissão de um bit (tempo de

bit).

Asi - Cabo

Asi - Exemplo

Profibus DP A transmissão RS 485 é a tecnologia de transmissão mais utilizada no

PROFIBUS, embora a fibra ótica possa ser usada em casos de longas

distâncias (maior do que 80Km). Seguem as principais características:

Transmissão Assíncrona NRZ.

Baud rates de 9.6 kBit/s a 12 Mbit/s, selecionável.

Par trançado com blindagem.

32 estações por segmento, máx. 127 estações.

Distância dependente da taxa de transmissão (tabela 1).

12 MBit/s = 100 m; 1.5 MBit/s = 400m; < 187.5 kBit/s = 1000 m.

Distância expansível até 10Km com o uso de repetidores.

9 PIN, D-Sub conector.

Profibus – Cabo e Distâncias

Baud rate (kbit/s) 9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 2000

Comprimento / Segmento (m) 1200 1200 1200 1000 400 200 100

Profibus – PA

O protocolo digital Profibus-PA é uma variação do protocolo Profibus que foi

desenvolvido para atender as necessidades da automação e controle de

processos.

O PROFIBUS PA tem as seguintes características:

É um protocolo de comunicação dedicado para equipamentos de campo, tais

como transmissores, posicionadores de válvulas, atuadores, conversores, etc.

Possibilidades de uso em áreas classificadas (Intrinsecamente Seguro).

A camada física está de acordo com o padrão IEC 61158- 2, variante H1.

Baud rate: 31.25 kbit/s;

Topologia: Barramento, árvore/estrela, ponto a ponto.

Permite no máximo 32 equipamentos(non-”Ex”) por segmento, num total de

126 equipamentos.

Aproximadamente 9 equipamentos(Explosion Group IIC).

Aproximadamente 23 equipamentos(Explosion Group IIB).

Cabeamento máximo de 1900m, sem repetidores.

Permite 4 repetidores: distâncias de até 10Km

Profibus-PA Cabos e Equipamentos

Profinet

O Profinet é uma rede padronizada pela Associação Profibus

Internacional como uma das quatorze redes de Ethernet

industrial.

A norma que regulamenta o Profinet é a IEC61158-5 e

IEC61158-6, sendo o décimo protocolo incluso nessa norma.

Basicamente, há dois tipos de redes Profinet: Profinet IO e

Profinet CBA. O Profinet IO é utilizado em aplicações em tempo

real (rápidas) e o Profinet CBA é utilizado em aplicações onde o

tempo não é crítico, por exemplo, na conversão para rede

Profibus DP.

Crescimento do uso do Profinet

Devicenet

A rede DeviceNet é uma rede de baixo nível que proporciona

comunicações utilizando o mesmo meio físico entre

equipamentos, desde os mais simples (como sensores e

atuadores), até os mais complexos, como Controladores Lógicos

Programáveis (CLP) e microcomputadores.

A rede DeviceNet possui o protocolo aberto, tendo um número

expressivo de fornecedores de equipamentos que adotaram o

protocolo.

A ODVA (Open DeviceNet Vendor Association), é uma

organização independente com objetivo de divulgar, padronizar e

difundir a rede DeviceNet visando seu crescimento mundial.

Características

Ethernet I/P O protocolo EtherNet/IP (Industrial Protocol) é um rede industrial

Ethernet TCP/IP aberta com recursos de controle em tempo real,

que foi introduzida no mercado em 2001.

O EtherNet/IP estende o protocolo Ethernet padrão de mercado até

o Common Industrial Protocol (CIP) - o mesmo protocolo de

camada superior e modelo de objeto encontrado no DeviceNet.

O CIP permite ao aos desenvolvedores de produtos EtherNet/IP e

produtos DeviceNet, integradores de sistemas e usuários a aplicar

os mesmos objetos e perfis de interoperabilidade plug- and-play

entre os dispositivos de vários fornecedores e em várias sub-redes.

Exemplo

Comparação entre Redes

Uso de Redes Industriais

Uso Ethernet Industrial (2009)

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