Slides Redes Ind Eng Prova1

Redes Industriais

Prof. Murilo

[email protected]

Aulas: Terça-feira: 13:00 – 15:30

Permanência COELE:

Terça: 15:50 – 16:30 / 20:20 – 21:10

Quinta: 13:50 – 15:30

Ementa:

Redes de chão de fábrica. Estrutura de redes

industriais. Características dos principais

modelos de redes industriais. Protocolos de

comunicação de redes industriais. Tipos de

redes existentes. Redes industriais de sensores.

Redes industriais de dispositivos. Redes

industriais de instrumentação. Gerenciamento e

manutenção de redes industriais.

Conteúdo

• Histórico de redes industriais

• - Histórico

• - Aplicações Ethernet em automação industrial

• - Protocolos Seriplex, Interbus-S, Interbus loop e CAN • - Protocolos Hart , Wirelles Hart e Modbus

• - Tecnologia AS-i

• - Aspectos de instalações AS-i

• - Aspectos de Dimensionamento de rede AS-i • - Tecnologia DeviceNet

• - Aspectos de instalações DeviceNet

Conteúdo

• Arquitetura PROFIBUS

• - Tecnologia Profibus

• - Níveis de comunicação (Profinet, PROFIBUS DP e PA)

• - Meio físico, cabeamento e instalações PROFIBUS DP e PA

• - Couplers, links, terminadores e repetidores

• - Número de dispositivos e limites de troncos e ramos

• - Fontes de alimentação e topologia de rede

• - Níveis de sinais e medições de redes H1

• - Aspectos de redundância em redes PROFIBUS

• - Aspectos de segurança em redes e aplicações PROFIBUS

• - Blocos funcionais PA

• - Mestres classe 1 e 2

• - Arquivos GSD

Conteúdo

Arquitetura Fundation Fieldbus

• - Tecnologia FF

• - Aspectos do protocolo FF • - Camada física: HSE e H1

• - Serviços da camada de enlace

• - Camada do usuário – blocos de funções

• - Aspectos de comunicação OPC – Supervisão • - Meio físico, cabeamento e instalações FF • - Fontes de alimentação e topologias de rede

• - Limitação de troncos, ramos e número de equipamentos H1 • - Segurança intrínsica em aplicações FF

• - Níveis de sinais e medições de redes H1 • - Blocos funcionais

• - Mecanismos de propagação de status e falha segura • - Aspectos de dimensionamento de redes FF

• Bibliografia

• ALDABÓ, Ricardo. Sistemas de redes para controle e automação. Rio de Janeiro: Book Express, c2000.

• www.fieldbus.org • www.profibus.org.br • www.as-interface.net • www.iebmedia.com • Fabricantes: • www.smar.com.br • www.sense.com.br • www.encoderonline.com • www.softing.com • www.procentec.com • www.siemens.com

Avaliação

2 Provas individuais – 60% da nota final.

Trabalhos individuais ou em grupo de até 3

alunos – 30% da nota final.

Exercícios ou atividades individuais ao final da

aula para entrega na aula seguinte – 10% da

nota final.

Informações importantes

• Horário

• Notebook

• Celular

Previsão de provas:

• 03/05 – Primeira prova

• 28/06 – Segunda prova

• 05/07 – Substitutiva

• Nota para aprovação: 6,0

• Não há exame final!

Redes Industriais: Introdução

• 1768 – James Watt – Máquina a vapor

• 1878 – James Maxwell – Teoria / Controlador de Watt

Neste período alguns artefatos mecânicos, sobretudo munidos de sistemas hidráulicos e pneumáticos

passaram a ser aplicados nas linhas de produção,

reduzindo os esforços dos operadores e aumentando a precisão no controle dos processos e equipamentos.

Horas de Trabalho - Fábricas:

1780 - 80 horas por semana;

1820 - 67 horas por semana;

Já no século XX, houve o início da produção em série, sobretudo das técnicas desenvolvidas e aplicadas por Henry Ford nos Estados Unidos;

Com a evolução do controle alguns processos passaram a ser realizados através de gigantescos e elaborados

circuitos lógicos controlados por dispositivos

eletromagnéticos, originando o que conhecemos como lógica de relés;

Os sistemas controlados por lógicas de relés trouxeram grande avanço na automação de processos produtivos dos automóveis

– O espaço ocupado era imenso;

– A capacidade de trabalho com variáveis analógicas era muito limitada;

– Na ocorrência de um defeito, o diagnóstico era muito demorado. O pessoal da manutenção poderia levar dias para encontrar uma bobina queimada ou um contato defeituoso dentro do circuito;

– Quando era necessário mudar o comportamento do sistema (devido à mudança no modelo de carro

produzido, por exemplo) era necessário sucatear todo o processo e começar a fazer tudo do zero o que custava meses de trabalho;

• A eletrônica e os processadores:

– Com o advento da eletrônica e o aperfeiçoamento das técnicas e sistemas de medição & controle durante a década de 50, a indústria começa a trabalhar com

equipamentos de controle e comando numérico; com isso, o conceito de distribuição de salas de controle começa a ser difundido;

– Em 1947, Willian Shockley, John Barden e Walter Brattain desenvolvem o transistor;

• A partir de 1961 surgem os primeiros computadores que começaram a ser utilizados na indústria dando origem aos primeiros robôs industriais;

• Os computadores podiam tomar decisões de controle de uma máquina como ligá-la, desligá-la, movimentá-la,

• Dentro deste conceito, surgiram microcomputadores desenvolvidos especialmente para efetuar operações e controles lógicos sobre os equipamentos com

possibilidade de reprogramação de suas funções; • Este equipamento especial foi chamado de PLC

(Programmable Logic Controller) ou em português, CLP Controlador Lógico Programável.

Processos Industriais – Controle Contínuo

• Uma planta pode ser imaginada como uma coleção de tanques em que os materiais são aquecidos, refrigerados e/ou reagidos, e também das tubulações em que esses materiais fluem.

IMPORTANTE:

As redes industriais são fundamentais

para processos contínuos ou em batelada,

pois o processo produtivo é diferente da

Uma Malha de controle é Composta por 8 módulos distintos:

1 – Elementos Primários;

2 – Indicadores Analógicos, Digitais e Vídeo;

3 – Transmissores, Transdutores, Conversores, Interfaces; 4 – Linha de Transmissão;

5 – Registradores, Memória; 6 – Controladores;

7 – Elementos Finais de Controle; 8 – Sistema de Alarme e Segurança

Transmissores Inteligentes

TRANSMISSOR A 2 FIOS

- Alimentação (24 Vdc) e comunicação (4 a 20 mA) no mesmo par de fios.

TRANSMISSOR A 4 FIOS

- Alimentação e comunicação independentes. Alimentação (110 vac)

Saída digital Saída 4 a 20 mA

IMPORTANTE:

Transmissores a 2 e 4 fios são mais

antigos e mais caros.

Seu princípio de funcionamento é

analógico e sofre interferência

DCS Tradicional Rede Local DCS

CAMPO

DPT101 PT101 FCV101 DPT102 PT102 FCV102

4 - 20 mA

E/S

IMPORTANTE:

DSC: Sistema de controle digital

distribuído

Os protocolos de E/S são proprietários

Centraliza-se as informações dos

controladores somente, ou seja,

telemetria.

Redes de Comunicação Digital REDE DE REDE DE CAMPO CAMPO REDE DE REDE DE CONTROLE CONTROLE A outros níveis A outros níveis REDE DE REDE DE GERENCIAMENTO GERENCIAMENTO Rede de Controle Rede de Controle Supervisão Supervisão Banco de Banco de Dados Dados Rede de Planta Rede de Planta Rede de Rede de Campo Campo

Rede em Fibra Ótica Redundante

Conceitos em Redes Industriais

• A automação industrial vem há vários anos tentando substituir o velho padrão de corrente 4-20mA, por um sistema de

comunicação serial (digital);

• As redes industriais apresentam como grande vantagem a redução significativa de cabos de controle e seus acessórios (bandejamento, leitos, eletrodutos, conectores, painéis, etc) que interligam os elementos de campo ao sistema controlador;

• A redução também é muito significativa no projeto e na

instalação, pois com menos cabos, diminui-se o tempo de projeto e dos detalhes de encaminhamento dos cabos.

Conceitos em Redes Industriais

• Na instalação inicial o tempo também é reduzido na mesma proporção, pois menos cabos serão lançados e painéis de rearranjo não serão mais necessários e menos conexões serão realizadas;

• Do ponto de vista da manutenção, ganha-se à medida que o sistema fornece mais informações de status e diagnósticos, mas por outro lado requer-se pessoal mais qualificado e

• Existe também uma tendência de todos os dispositivos serem inteligentes e poderem se comunicar com a rede,

principalmente devido a crescente redução dos custos dos componentes microcontrolados;

• Por outro lado nem sempre há distribuição total da

inteligência nos elementos básicos tais como: sensores, chaves, sinaleiros, relés, etc;

• Pode-se ainda optar por módulos E/S inteligentes que concentram as informações de vários elementos básicos principalmente de E/S digitais reduzindo o tráfico na rede.

Tradicional:

Cada dispositivo é conectado individualmente ao controlador

Tendência:

Dispositivos ligados em rede com o controlador

Conceitos em Redes Industriais

• Requisitos de comunicação fabril: - Compartilhamento de recursos;

- Gerenciamento da heterogeneidade;

- Gerenciamento de diferentes tipos de diálogo;

- Garantia de tempo de resposta médio ou máximo; - Confiabilidade dos equipamentos e da informação; - Conectividade e interoperabilidade;

• É necessário definir arquiteturas, topologias e protocolos apropriados para redes de comunicação industrial;

• Redes do tipo ponto-a-ponto: centralização das funções de comunicação;

• Redes de difusão: possibilidade de descentralização da comunicação;

Conceitos em Redes Industriais

• Idéia do final dos anos 70 e início 80: rede única para toda a fábrica;

• Idéia atual: não existe uma rede única que atende as necessidades de todas as atividades existentes em uma fábrica;

• Nas empresas modernas temos grande quantidade de computadores operando em diferentes setores;

• Operação do conjunto será mais eficiente se

estes computadores forem interconectados,

permitindo:

– Possibilidade de compartilhar recursos;

– Possibilidade de troca de dados entre máquinas de forma simples e confortável para o operador;

– Vantagens gerais de sistemas distribuídos e downsizing atendidos;

• Redes são muito importantes para a realização

da filosofia CIM (Computer Integrated

Os Níveis Hierárquicos de Integração Fabril

Administração Corporativa Planejamento (Factory) Área (Shop) Célula (Cell) Subsistema (Subsystem) Componente (Component) S A S A S A S A Enterprise Network Ethernet Fieldbus, Profibus, DeviceNet Sensorbus

Características da comunicação em CIM

Vida útil e tamanho médio dos dados Tráfego médio Pacotes / seg. Tempo ocioso entre transmissões Número de estações / segmento Administração Corporativa Planejamento Área Célula Unidade (subsistema) Componente Custo médio de uma estação Hostilidade do meio

Conceitos em Redes Industriais

• Maioria das redes de comunicação existentes foram concebidas

para automação de escritórios;

• Ambiente industrial tem características e necessidades que tornam

redes para automação de escritórios mal adaptadas:

- Ambiente hostil para operação dos equipamentos (perturbações

eletromagnéticas, elevadas temperaturas, sujeira, áreas de segurança intrínseca, etc.);

- Troca de informações se dá entre equipamentos e, às vezes, entre um operador e o equipamento;

- Tempos de resposta críticos;

- Segurança dos dados crítica;

- Grande quantidade de equipamentos podem estar conectados

Características e Requisitos Básicos

das Redes Industriais

1 - Comportamento Temporal - Sistemas em Tempo Real; 2 – Confiabilidade;

3 - Requisitos do Meio Ambiente: - Meios de Transmissão; - Segurança Instrínsica

4 - Tipo de Mensagens e Volume de Informações;

1- Comportamento Temporal

• Aplicações Industriais freqüentemente requerem sistemas de

controle e supervisão com características em Tempo-Real;

• Em aplicações em tempo real, é importante poder determinar o

comportamento temporal do sistema de comunicação;

• Mensagens em STR podem ter restrições temporais:

– Periódicas: tem que ser enviadas em intervalos conhecidos e fixos de tempo. Ex.: mensagens ligadas a malhas de controle. – Esporádicas: mensagens sem período fixo, mas que tem

intervalo de tempo mínimo entre duas emissões consecutivas. Ex.: pedidos de status, pedidos de emissão de relatórios.

– Aperiódicas: tem que ser enviadas a qualquer momento, sem período nem previsão. Ex.: alarmes em caso de falhas.

Sistemas em Tempo-Real

• Um STR é um sistema computacional que deve reagir a estímulos

(físicos ou lógicos), oriundos do ambiente dentro de intervalos de tempo impostos pelo próprio ambiente.;

• A correção não depende somente dos resultados lógicos obtidos, mas

também do instante no qual são produzidos;

• A aplicação de modelos e padrões se fará necessária para a garantia

do determinismo no controle de processos.

Sistema a Controlar (Ambiente) Sistema de Controle SENSOR ATUADOR INTERFACE estímulo resposta

M1 DL = 10 End. 01 M2 DL = 15 End. 02 M3 DL = 50 End. 03 M4 DL = 25 End. 04 M5 DL = 5 End. 05

• Mensagens pendentes em cada estação devem ser

entregues a seu destino antes de um prazo limite (deadline) associado;

• Problema de comunicação tempo real: como definir

concessão do direitos de acesso ao meio de forma a garantir que todas as mensagens sejam entregues antes de seu deadline ?

• O protocolo MAC precisa garantir rápido acesso ao barramento para mensagens esporádicas de alta prioridade. • O protocolo MAC deve atender mensagens periódicas com a

maior eficiência possível, respeitando seus deadlines.

• O MAC deve ter comportamento determinista e, idealmente, permitir escalonamento ótimo global de mensagens.

• O LLC (Controle Lógico de Enlace) deve escalonar mensagens locais pendentes por deadline ou prioridade associada.

Camada de Aplicação

Controle Lógico de enlace (LLC)

Controle de Acesso ao Meio (MAC)

Camada Física

AP AP

Software Aplicativo

Arquitetura do software de rede para

Comunicação em Tempo Real

Classificação dos Protocolos MAC

• Alocação fixa: alocam o meio às estações por determinados intervalos de tempo, independentemente de haver ou não necessidade de acesso (ex.: TDMA = Time Division Multiple Access);

• Alocação aleatória: permitem acesso aleatório das estações ao meio (ex.: CSMA = Carrier Sense Multiple Access). Em caso de envio simultâneo por mais de uma estação, ocorre uma colisão e as estações envolvidas tem que transmitir suas mensagens após a resolução do conflito resultante (protocolos de contenção);

Classificação dos Protocolos MAC

• Alocação controlada: cada estação tem direito de acesso apenas quando de posse de uma permissão, que é entregue às estações segundo alguma seqüência predefinida (ex.: Token-Passing, Master-Slaves);

• Alocação por reserva: para poder usar o meio, as estações tem que reservar banda com antecedência, enviando pedidos a uma estação controladora durante um intervalo de tempo pré-destinado e este fim (ex.: CRMA = Cyclic Reservation Multiple Access);

• Híbridos: consistem de 2 ou mais das categorias anteriores.

Classificação dos Protocolos MAC

• Classificação com relação ao comportamento temporal: – protocolos deterministas: caracterizados pela

possibilidade de definir um tempo limite para a entrega de uma dada mensagem (mesmo que somente em pior caso);

– protocolos não deterministas: tempo de entrega não determinável (aleatório ou probabilístico).

Protocolos MAC não deterministas

• CSMA 1-persistente, p-persistente e não persistente

- CSMA = Carrier Sense Multiple Access (Acesso Múltiplo por Detecção de portadora) : baseia-se no conceito de escuta do meio de transmissão para a seleção do direito de acesso a este;

- CSMA p-persistente: estação que quer enviar dados escuta meio. Se canal livre, envia quadro com probabilidade “p”. Senão, aguarda na escuta até que o meio esteja livre. Caso particular: p=1;

- CSMA não persistente: idem anterior, mas se canal ocupado, estação espera um período de tempo aleatório e escuta o canal novamente.

1 Sem. /2011 Redes Industriais

CSMA persistente e não persistente

• CSMA 1-persistente: faz melhor uso da banda, mas tem grande chance de gerar colisões

• CSMA não persistente: faz pior uso da banda, mas tem menor probabilidade de gerar colisões

• CSMA p-persistente (p<1): compromisso entre as soluções anteriores.

np P-p 1-p

1 Sem. /2011 Redes Industriais

O protocolo CSMA/CD

• CSMA/CD = Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection:

- Se mais de uma estação está pronta para emitir uma mensagem com o meio livre, gera-se uma colisão;

- A primeira estação que detectar a colisão interrompe a transmissão, reiniciando-a após um tempo aleatório => improvável ocorrência de nova colisão.

O protocolo CSMA/CD

• Métodos de acesso CSMA convencionais: tempo de reação não pode ser exatamente determinado (não determinismo);

• Não se sabe de antemão: – se haverá colisões;

– quantas colisões seguidas podem ocorrer;

– o tempo (aleatório) de espera em caso de colisão.

• Tempo de espera é randomizado segundo algoritmo BEB (Binary Exponential Backoff).

Probabilidade de colisão

Tráfego x número

Protocolos MAC Deterministas

- Métodos de acesso deterministas: tem tempo de resposta limitado e determinável (ao menos pior caso). - Podem ser classificados em:

- Métodos com comando centralizado (ex.: Mestre-Escravos, árbitro de barramento);

- Métodos com comando distribuído (ex.: Token-Passing, variantes deterministas do CSMA).

escravo escravo escravo escravo

receptor

emissor

ficha

Estação Interface p/ anel anel unidirecional TAP Token

Comando Distribuído: Forcing Headers

- Variante determinista de CSMA (CSMA/NBA = CSMA with Nondestructive Bitwise Arbitration);

- Estações enviam bit a bit um identificador da mensagem, que define prioridade da mesma;

- Cada mensagem tem que ter prioridade diferente das demais;

- Se todos os bits do identificador são 0, prioridade máxima;

Comando Distribuído: Forcing Headers

- Camada física executa AND sobre cada bit enviado ao barramento (Collision Detection ativada ao enviar um 1 e desativada ao enviar um 0);

- Transmissão interrompida quando um 1 é enviado e ocorrer colisão (0 é lido);

- Se o identificador é transmitido até o fim sem colisão, o restante da mensagem é enviado.

100 dados

000 dados 001 dados 010 dados 011 dados

Frame a enviar

Nó 4

Nó 0 Nó 1 Nó 2 Nó 3

Header do frame

Comando Distribuído: Forcing Headers

• Para evitar o monopólio do meio pelo nó gerador de mensagem de alta prioridade, espaços entre quadros são preenchidos por um campo de bits em 1 inserido no final de cada quadro;

• O barramento só é considerado livre para o mesmo nó enviar nova mensagem, após ter detectado que o espaço inter-frames não foi interrompido por um bit em 0;

• A estação possuidora da mensagem de alta prioridade terá que esperar ao menos o envio de uma mensagem de prioridade menor para tomar o barramento para si novamente.

Comando Distribuído: Comprimento De

Preâmbulo

• Variante determinista de CSMA/CD;

• A cada mensagem é associado um preâmbulo com comprimento diferente, que é transmitido com CD desativada;

• Após o término de envio do preâmbulo, o CD é reativado;

• Se há colisão, existe outra mensagem mais prioritária sendo enviada e a estação fica a espera de meio livre.

Frame a enviar

Nó 4

Nó 0 Nó 1 Nó 2 Nó 3

Preâmbulo do frame

Comando Distribuído: Comprimento De

Preâmbulo

Mensagem do nó 4 Mensagem do nó 3 Mensagem do nó 2 Mensagem do nó 1 Mensagem do nó 0

Instantes de inicio de detecção de colisão em cada estação

• Um dos requisitos de uma rede é a possibilidade de acesso múltiplo ao bus, ou seja, vários nós podem ler do bus ao

mesmo tempo mas, para evitar colisões (dois ou mais nós a

enviar ao mesmo tempo uma mensagem diferente, o que resultaria numa mensagem inválida), é preciso um

mecanismo de prioridades;

• O mecanismo utilizado é o Carrier Sense Multiple

Access/Deterministic Collision Resolution (CSMA/DCR);

Comando Distribuído: CSMA/DCR

• Cada mensagem leva consigo um identificador, uma identidade que é atribuída pelo nó. Quando o bus está

em estado de espera (idle), vários nós podem iniciar as suas transmissões ao mesmo tempo;

• Cada nó lê do bus os bits enviados e compara seus

valores. Caso o bit que o nó tenha tentado escrever seja recessivo (1), será lido do bus um bit recessivo, se e

somente se, todos os nós que estão transmitindo

Comando Distribuído: CSMA/DCR

• Durante a transmissão do identificador da mensagem, o algoritmo CSMA/DCR decide de forma unívoca, não

destrutiva e sem atrasos ou retransmissões quem transmite ou não a mensagem;

• No funcionamento do algoritmo CSMA/DCR em que n

nós tentam escrever no bus, e assumindo que todos

tentam enviar mensagens diferentes, n-1 nós vão

desistir de transmitir a mensagem para que o nó

Comando Distribuído: CSMA/DCR

• Depois da transmissão da mensagem do nó que “ganhou” o bus, os outros nós tentam novamente transmitir as suas mensagens;

• Com a utilização do algoritmo CSMA/DCR, é possível estabelecer ordens de prioridade nas mensagens,

porque estas têm identificadores programáveis;

• A figura a seguir mostra um exemplo de funcionamento do algoritmo CSMA/DCR;

Comando Distribuído: CSMA/DCR

• O caso descrito mostra três nós (1,k,n) que tentam

enviar uma mensagem em certo momento;

• No bit 7, o nó 1 percebe que enviou um bit recessivo

mas leu do bus um bit dominante e desiste de enviar a sua mensagem – fica em modo de escuta apenas;

• No bit 3, o nó n também entende que enviou um bit

recessivo mas leu um bit dominante. Também este nó

desiste de transmitir a mensagem. Desta forma, o nó k

2 - Confiabilidade

• Em aplicações industriais, erro de 1 bit pode ter conseqüências desastrosas;

• Para aumentar confiabilidade, enlace usa teste cíclico de redundância (CRC - Cyclic Redundancy Check) sobre quadros (técnica polinomial);

• Em sistemas que necessitem de uma operação contínua, pode ser utilizado um meio de transmissão e estações redundantes;

• Recomenda-se usar cabos blindados em ambientes com fortes campos magnéticos;

3 - Requisitos do Meio Ambiente

• Perturbações eletromagnéticas requerem escolha adequada do meio de transmissão;

– Fontes: acionamentos de motores elétricos de grande porte, fontes chaveadas, estações de solda, conversores estáticos, etc.

Par trançado (assíncrono)

Par trançado (síncrono)

Cabo coaxial

Fibra Ótica Custos

Sensibili-dade à pertur-Taxa de transmissão Distância bações

Meios De Transmissão

• Cabo coaxial:

- Boas características elétricas. - Requer resistências terminais. - Conectores BNC fáceis de abrir. • Par trançado:

- Usualmente usado com HUB/Switcher

- Atualmente solução mais usada para chão fábrica.

- UTP (Unshielded Twisted Pair) CAT-5 / STP (Shielded Twisted Pair).

Meios De Transmissão

• Fibra Óptica:

- Ótimo para rejeitar perturbações eletromagnéticas. - Dificuldade de realizar topologia em barramento

(bus): derivações ativas x passivas.

- Mais usado em topologias ponto a ponto: anel, estrela, árvore.

Meios De Transmissão

• Fibra Óptica:

- Ótimo para rejeitar perturbações eletromagnéticas. - Dificuldade de realizar topologia em barramento

(bus): derivações ativas x passivas.

- Mais usado em topologias ponto a ponto: anel, estrela, árvore.

Áreas de Risco (Segurança Intrínsica)

• Sujeitas a incêndio, explosão;

• Presença de líquidos ou gases inflamáveis/explosivos; • Não pode haver faiscamento;

• Freqüência de sinais elétricos limitada;

• Modelo de Entidade baseado em valores (cálculo) de Tensão, Corrente, Potência, Capacitância, Indutância e nas características e Resistência dos Cabos;

Áreas de Risco (Segurança Intrínsica)

• Modelo FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept): desenvolvido na Alemanha pelo PTB (Physikalisch Technische Bundesanstalt);

• Reconhecido mundialmente como modelo básico para operação de redes em áreas de risco de explosão ou incêndio.

Áreas de Risco (Segurança Intrínsica)

• Princípios de transmissão segundo modelo FISCO:

– Cada segmento possui uma única fonte de alimentação; – Não se alimenta o barramento enquanto uma estação está

enviando;

– Cada dispositivo de campo consome uma corrente constante de pelo menos 10 mA e que alimenta o dispositivo;

– Os dispositivos de campo funcionam como uma carga passiva de corrente;

– Existe uma terminação passiva em ambos os extremos da rede;

Áreas de Risco (Segurança Intrínsica)

• Norma IEC 1158-2 para camada física:

– Transmissão de dados: digital, bit - síncrona, Manchester; – Taxa de transmissão: 31,25 kbit/s, modo voltagem;

– Cabo: STP com 2 fios;

– Alimentação remota: opcional, via linhas de dados;

– Classes de proteção contra explosão: Intrinsically safe (EEx ia/ib) e encapsulation (EEx d/m/p/q);

– Topologias: linha e árvore ou uma combinação;

– Numero de estações: até 32 estações por segmento, máximo de 126 com 4 repetidores.

Tipo de Mensagens e Volume de Informações

• Níveis hierárquicos superiores:

- mensagens grandes (KByte);

- podem ter tempos de transmissão longos (seg. até min.); - longos intervalos entre transmissões.

• Aplicações mais próximas ao processo: mensagens curtas: - ligar ou desligar uma unidade = 1 bit ;

- fazer leitura de um sensor / medidor = 8 Bytes ; - alterar o estado de um atuador = 8 Bytes ;

- verificar o estado de uma chave ou relê = 1 bit .

• Requisitos: taxa de transmissão de dados não muito elevada; taxa de ocupação do barramento elevada (grande número de pequenos pacotes a serem transmitidos); tempo de entrega conhecido.

Conectividade / Interoperabilidade (Padronização)

• Verifica-se a necessidade de uma especificação de redes locais para aplicações industriais diferente daquela adotada em automação de escritório;

• Já existem diversas redes proprietárias para ambiente fabril, mas não permitem a interligação de equipamentos de outros fabricantes;

• Maior entrave à conectividade e interoperabilidade: não padronização das interfaces e protocolos de comunicação;

• Grandes esforços tem sido despendidos para solucionar estes problemas (padronização de projetos).

Redes Industriais

Protocolos Industriais

• Durante a década de 50 foram introduzidos os conceitos de transmissão de dados ou informações representadas por sinais analógicos de 4-20mA que passaram a

emular os sinais 3-15psi em uso;

• Nos anos 80 surgiu a transmissão digital de dados, e o uso de microprocessadores implementando os

Protocolos Industriais

• Atualmente, devido a seu grande avanço tecnológico, as redes de automação são largamente utilizadas, apresentando

vantagens em relação a sistema convencionais de cabeamento: diminuição da afiação, facilidade na manutenção, flexibilidade na configuração da rede e, principalmente, diagnóstico dos dispositivos;

• Alem disso, por usarem protocolos de comunicação digitais padronizados, essas redes possibilitam a integração de

equipamentos de vários fabricantes distintos. Tais sistemas dizem-se abertos, e são uma tendência em todas as áreas da tecnologia devido a sua flexibilidade e capacidade de expansão;

Categorias dos Protocolos de Campo

• Nível Baixo: conecta equipamentos simples e pequenos diretamente à rede;

• Os equipamentos deste tipo de rede necessitam de comunicação rápida em níveis discretos e são

tipicamente sensores e atuadores de baixo custo; • Estas redes não almejam cobrir grandes distâncias,

sendo sua principal preocupação manter os custos de conexão tão baixos quanto for possível;

• Exemplos típicos de rede sensorbus incluem Seriplex, AS-i e INTERBUS Loop.

Categorias dos Protocolos de Campo

• Nível Médio: Pode cobrir distâncias de até 500 m;

• Os equipamentos conectados a esta rede terão mais pontos discretos, alguns dados analógicos ou uma mistura de

ambos;

• Além disso, algumas destas redes permitem a transferência de seis blocos em uma menor prioridade comparados aos dados no formato de bytes;

• Esta rede tem os mesmos requisitos de transferência rápida de dados da rede de sensorbus, mas consegue gerenciar mais equipamentos e dados;

• Alguns exemplos de redes deste tipo são CAN, DeviceNet, PROFIBUS-DP, LONWorks, Modbus e INTERBUS-S.

Categorias dos Protocolos de Campo

• Nível Alto: dados no formato de pacotes de mensagens, a rede se interliga aos equipamentos de I/O mais inteligentes e pode cobrir distâncias maiores;

• Os equipamentos acoplados à rede possuem inteligência

para desempenhar funções específicas de controle tais como loops PID, controle de fluxo de informações e processos;

• Os tempos de transferência podem ser longos, mas a rede deve ser capaz de comunicar-se por vários tipos de dados (discreto, analógico, parâmetros, programas e informações do usuário);

• Exemplos: 4-20mA/HART, Wireless HART, Foundation Fieldbus e PROFIBUS-PA.

Sensorbus • Seriplex • AS-i • INTERBUS Loop Devicebus • CAN • DeviceNet • PROFIBUS-DP • LONWorks • Modbus • Interbus-S Fieldbus • 4-20mA/HART • Wireless HART • Foundation Fieldbus • PROFIBUS-PA Quantidade de Dados Tipos de Controle Controle Processos Controle Lógico Menor bit Médio byte Maior bloco

Equipamentos Simples Equipamentos Complexos

Controle Processos

Com Diagnóstico

Protocolo Ethernet Industrial

• A Ethernet é a tecnologia de rede local (LAN) mais utilizada no mundo em aplicações de rede de

comunicação comercial. Ela está presente nos mais variados segmentos (automação bancária, controle de processos, aplicações científicas, entre outras);

• Sua versão industrial é largamente aplicada no

gerenciamento de processos de fábrica. Nos últimos anos é grande o interesse da indústria pela rede

Ethernet como uma real alternativa no chão de fábrica e no controle de processos.

Protocolo Ethernet Industrial

• A rede Ethernet é uma especificação de cabos, conectores e níveis de sinais criados

originalmente pela empresa XEROX, no final de 1970. Em 1985 foi incrementada, passando a ser utilizada até hoje;

• A technologia Ethernet (padrão IEEE 802.3 utiliza a camada Física (1) e Enlace (2) do modelo OSI, conforme a figura ao lado;

Níveis não definidos TCP/IP IP Ethernet 1 3 5 4 6 7 2

Protocolo Ethernet Industrial

• As velocidades da rede evoluíram de 10 Mbps para 100 Mbps, e deverão alcançar em breve a taxa de 1 Gbps de acordo ao IEEE802.3z ou Gigabit Ethernet;

• Devido às dificuldades apresentadas no tratamento de colisões (determinismo), esta rede é indicada para

pacotes de informação de gerenciamento, deixando o nível de células para outros protocolos (FF, Profibus, DeviceNet, etc);

Protocolo Ethernet Industrial

• A Ethernet Industrial difere da Corporativa em alguns aspectos:

– Não definição das camadas mais altas; – Formato de frame diferenciado:

• TPID – tag protocol identifier; • TCI – tag control information;

• CFI – canonical format indication

Preâmbulo (7 Bytes) SFD (1 Bytes) MAC Dest (6 Bytes) MAC Orig (6 Bytes) TAG (4 Bytes) Dados / PAD (46 a 1500 Bytes) FCS (4 Bytes) COMP/TIPO (2 Bytes) TPID TCI

Protocolo Ethernet Industrial

– Temperatura de funcionamento, conectores, tipos de cabos, encapsulamento e tensão de alimentação,

conforme tabela abaixo:

Itens Produtos para

Ethernet Comercial

Produtos para Ethernet Industrial

Temp. Operação 5C a 40C 0C a 60C Placa multi layer e

imunidade a ruído

Não Sim

Conectores RJ-45 DB9, RJ45 e Fibra Ótica

Redundância Não Sim

Encapsul. Ind. Não Sim Alimentação 110 Vac 24 Vdc Compat. até 10 anos Não Sim

Protocolo Ethernet Industrial

• A Ethernet possui importantes característcas que são significativas para várias aplicações:

– Rápido startup graças a simplicidade de conexão;

– Alto grau de flexibilidade, expansão e performance, já (tecnologia de Switches);

– Integração em diferentes aplicações, desde a área de escritórios, até a produção;

– Comunicação integrada de toda a planta, já que pode ser conectada a uma WAN (Wide Area Network), tais como ISDN (Integrated Services Digital Network –

Serviços TCP/IP Disponíveis

• Entre os serviços disponíveis ao TCP/IP, destacam-se: – HTTP (Hypertext Transport Protocol): trata-se de um

grupo de regras que controla a troca de arquivos na internet. Em automação este serviço funciona nos dispositivos com servidores WEB que permite a

manutenção e o diagnostico dos produtos alocados na rede através de um navegador padrão;

Serviços TCP/IP Disponíveis

– DHCP ("Dynamic Host Configuration Protocol" ou

"protocolo de configuração dinâmica de endereços de rede") permite que todos os micros da rede recebam suas configurações de rede automaticamente a partir de um servidor central, sem que você precise

ficar configurando os endereços manualmente em cada um;

– SNMP (Simple Network Management Protocol): todos os equipamentos com esse serviço podem ser

monitorados por um software-padrão, permitindo seu diagnostico e analise de desempenho;

Serviços TCP/IP Disponíveis

• Virtual LAN: Permite suporte de segurança e isolação por segmentação virtual dos dados do chão de fábrica que são enviados de outros componentes e usuários; • Fast Spanning Tree: Este protocolo permite uma rápida

convergência da rede. Se ocorrer um defeito em algum nó da rede, o link redundante alternativo assumirá

automaticamente a comunicação. Assim, as redes são comutadas de forma muito veloz e os nós se tornam disponíveis em menos de um segundo.

Serviços TCP/IP Disponíveis

– OPC (OLE for Process Control): é uma especificação técnica não proprietária que define um conjunto de interfaces padrão baseadas na tecnologia

OLE/DCOM da Microsoft;

– O OPC cria um ambiente ininterrupto entre as aplicações de automação e controle, bem como

sistemas e componentes de campo e aplicações do nível administrativo.

Vantagens do Ethernet

• Enorme popularidade da tecnologia;

• Baixo custo de implementação, treinamento e manutenção;

• Alta velocidade e alta performance;

• Atualização tecnológica constante;

• Facilidade de interconectividade e acesso remoto;

Vantagens do Ethernet

• Os principais fabricantes de CLP ou SCD suportam sistemas de fieldbus específicos, mas todos suportam Ethernet;

• Capacidade de transportar elevado fluxo de informações entre o processo industrial e a corporação;

• Elevado número de pessoal técnico qualificado;

• Habilidade de prover diagnóstico e atuação remotamente;

• Aplicação como “BACKBONE” das arquiteruras de controle digital em aplicação;

Desvantagens para o padrão de campo:

• Ausência de interoperabilidade pela falta da camada de aplicação (por si só, apresenta definições apenas para as camadas 1 e 2 do modelo ISO);

• Falta de determinismo e tempo de resposta insuficiente para algumas aplicações industriais;

• Dificuldades de sincronismo no nível de ms; • Falta de solução para segurança intrínseca.

Desvantagens para o padrão de campo:

• Com objetivo de resolver o desempenho das redes

Ethernet Industrial é preciso combinar a solução de uso correto dos serviços e pacotes de dimensionamento e projeto físico das redes;

• A configuração de um sistema deve levar em consideração:

– Para baixar a probabilidade de atrasos, o tráfego deve ser mantido significativamente inferior aos limites teóricos, evitando as possíveis colisões;

Desvantagens para o padrão de campo:

– Redes Ethernet mais rápidas não eliminam as colisões, mas podem aumentar a probabilidade de entrega dos pacotes num instante predeterminado e quando acontece a colisão, esta afeta diretamente a largura de banda;

– Para atenuar os problemas relacionados ao determinismo pode-se empregar recursos de segmentação de rede,

através de Domínios (grupo de computadores e

componentes de rede que possuem um nome associado) e

Workgroups (grupo de computadores que regularmente

dividem os mesmos recursos de uma rede), conectados via switches e roteadores.

Desvantagens para o padrão de campo:

• Outros problemas associados:

– Geração de Runts – pacotes de dados muito pequenos, que violam as regras da Ethernet, originados na rede;

– Broadcast Storm – difusão de grande quantidade de pacotes do tipo broadcast em um curto espaço de tempo, que podem ser melhorados em sua maioria pelo seccionamento da rede em grupos menores.

Barramento de Campo SERIPLEX

• Difundido pela Schneider Electric durante os anos 90;

• Cerca de 2.500 instalações e 1 milhão de nós instalados; • Aplicado em configurações:

– Mestre - Escravo a 4 fios; – Ponto a ponto (sem mestre);

– Distâncias de 1650m (5000 pés);

– Tempo de varredura menores que 1 ms;

– Endereços definidos pelo mestre ou por programação; – 32 funções lógicas embutidas;

Aplicações SERIPLEX

• Apoio a módulos Mestres de Barramento: − (PLCs, Acopladores e Gateways);

• Botoeiras, Partida de Motores, Banco de Indicações; • Módulos de Interface para acionamento rápido;

Barramento de Campo SERIPLEX

• Topologia:

– Estrela, árvore, anel ou barramento; – Distâncias de até 1500m;

– Até 510 dispositivos;

• Comunicação e alimentação (24V) em um mesmo

cabo com 4 fios;

• Comunicação direta com PLC ou Gateway ou sem mestre.

Barramento de Campo SERIPLEX

• O Barramento Seriplex é um concorrente direto do AS-i e Interbus-Loop com possibilidade de manipular maiores quantidades de dados (até 64 bits por elemento);

• Na configuração mestre-escravo há um controlador na rede único capaz de determinar mudanças nas saídas dos dispositivos da rede;

• Na configuração ponto a ponto os nós enviam as suas informações a todos os outros elementos da rede;

Barramento de Campo SERIPLEX

• Cada dispositivo em uma rede Seriplex contém um

CHIP Seriplex onde é configurado um endereço de 3

dígitos entre 001 e 255 usando um terminal portátil de

configuração hand-held;

• O dispositivo é conectado ao cabo blindado com 4 condutores. O cabo fornece alimentação CC ao dispositivo e também fornece uma linha de clock (sincronização).

Barramento de Campo SERIPLEX

• Um CLP é geralmente usado e contém o módulo de sincronização assim como a fonte de alimentação CC, contudo estas funções são disponíveis

Protocolo INTERBUS - S

• O Interbus-S foi desenvolvido na Alemanha pela empresa Phoenix Contact em 1987;

• O Interbus-S foi concebido para integração de sensores e atuadores a um elemento de tomada de decisão (CLP, CNC, etc.), envolvendo controle determinístico e velocidade otimizada;

• O INTERBUS é utilizado em mais de 10 milhões de nós instalados e possui mais de 600 fabricantes em todo o mundo;

Protocolo INTERBUS - S

• O elemento de tomada de decisão (PLC) opera como estação mestre;

• Sensores e atuadores formam as estações escravas que executam operações de entrada/saída;

• Interbus-S adotou a comunicação EIA-485 e topologia em anel;

• O mestre monta um quadro único contendo campos reservados para cada um dos escravos;

Protocolo INTERBUS - S

• O mestre preenche o campo reservado àquele escravo com os dados de processo ou parâmetros a enviar;

• O quadro então é enviado ao primeiro escravo no anel; • O primeiro escravo reconhece no quadro o início de sua

janela de dados e verifica o conteúdo somente do campo reservado a ele;

• O escravo lê a informação contida no seu campo reservado e substitui o conteúdo do campo pelos dados de resposta;

Protocolo INTERBUS - S

• Em seguida, o primeiro escravo envia o quadro completo para o próximo escravo no anel;

• O processo se repete até que o quadro tenha percorrido todos os escravos do anel e retornado ao mestre;

• Este processo também é conhecido como shift register; • O tempo que o quadro somado leva para percorrer o

anel (ciclo de varredura), depende do número de escravos e é determinista;

Protocolo INTERBUS - S

• Analogia pode ser feita com um trem (quadro somado) que pára em diversas estações (escravos), deixando alguns passageiros e pegando outros.

Protocolo INTERBUS - S

• O número máximo de entradas e saídas suportadas pelo Interbus-S é de 4096, que podem ser varridas em 7.2 ms;

• As distância entre estações consecutivas no anel podem chegar a 400 metros, expansíveis até 13km com acopladores e sem repetidores;

• Número máximo de 256 estações por barramento remoto e 512 no total, conforme diagrama anexo;

Protocolo INTERBUS - S

• As informações que o mestre envia para os escravos podem ser:

– Dados de processo: comandos a executar ou valores a colocar em uma saída (sujeitos à restrições de tempo real);

– Parâmetros de configuração do escravo (sem restrições de tempo) enviados em time slots reservados no quadro somado.

Protocolo INTERBUS - S

• A camada de Aplicação define serviços PMS (Peripherals Message Services), que incluem:

– gerenciamento de conexões;

– identificação e verificação de status; – gerenciamento de objetos;

– acesso a variáveis (read, write, update, etc.);

– gerenciamento de programas (dowload, upload, start, stop, resume, etc.);

• Organizações de empresas (DRIVECOM e ENCON) ocupadas em definir padrões de utilização e configuração para INTERBUS-S;

Protocolo INTERBUS - S

• O protoco INTERBUS é baseado no modelo OSI por

razões de eficiência, utilizando as camadas de aplicação 1, 2, e 7. Certas funções das camadas de 3 a 6, foram também incluídas na camada de aplicação 7.

Configuração Rede INTERBUS-S

• O dado de processo é transmitido de forma acíclica em tempo real, enquanto dados de parametrização são

atualizados de forma acíclica em volumes maiores de dados como ou quando necessário.

Aplicações INTERBUS-S

• Seu campo tradicional de aplicação é a indústria automotiva indústria, mas o INTERBUS está cada vez mais sendo usado como uma solução de automação de outros processos como:

– Transporte de Materiais via esteira; – Indústria de papel e impressão;

– Alimentícia & Bebidas;

– Automação predial, Sistemas da segurança

– Indústria de transformação da madeira;

– Montagem Robótica, Sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado;

Aplicações INTERBUS-S

• Para aplicações em condições ambientais críticas ou

ambientes que estão sujeitos a interferência eletromagnética, o cabo serial INTERBUS pode ser substituído por fibras

ópticas;

• Dependendo dos requisitos, os usuários podem utilizar aplicações envolvendo cabo de cobre ou transmissão via fibra óptica, sem ter de fazer quaisquer mudanças na

topologia da rede ou sistema de estrutura; •

Ambos os meios de transmissão podem ser combinados, conforme desejado na rede e sem restrições;

Aplicações INTERBUS-S

Aplicações INTERBUS-S

Aplicações INTERBUS-S

• Mudança de Processo Alternativo em Centro de Usinagem...

Protocolo INTERBUS Loop

• Em 1995 houve o desenvolvimento de INTERBUS Loop, também conhecido como o loop de sensor – barramento de instalação local), como extensão lógica do INTERBUS para a conexão direta de sensores e atuadores, através de cabo a dois fios;

• A tecnologia, INTERBUS Loop (loop sensor, IP 65), oferece uma método físico de transmissão onde os

dispositivos individualmente serão conectados através de um cabo a 2 fios sem blindagem em forma de anel e onde a alimentação de 24 V para até 32 dispositivos também é fornecida através do cabo.

Protocolo INTERBUS Loop

• Os dados são transmitidos como sinais de corrente, que têm um maior nível de imunidade a interferências do que os sinais de tensão normalmente utilizados;

• Os dados a serem transmitidos são modulados utilizando o código Manchester na tensão de alimentação de 24 V;

• As características físicas do barramento são convertidas por um módulo terminal adequado, que pode ser

conectado ao anel INTERBUS em qualquer ponto do segmento remoto.

Protocolo CAN - Control Area Network

• Rede CAN (Controller Area Network) desenvolvida pela BOSCH em

1984 com colaboração da Intel para integrar elementos inteligentes em veículos autônomos (eletrônica embarcada);

• O CAN veio a ser posteriormente desenvolvido para a aquisição de

dados de sensores discretos;

• Automóvel pode possuir mais de 200 microprocessadores:

- Carburação eletrônica;

- Frenagem anti-bloqueante (ABS);

- Controle e supervisão da temperatura do óleo e do radiador, pressão de óleo de freio, etc;

- Ajuste automático de espelhos retrovisores, banco do motorista,

Protocolo CAN - Control Area Network

• Em 1987 lançado chip 82526 (INTEL);

• A partir de 1991 outros fabricantes licenciados:

– Phillips/Signetics (chips 82C200, 87C592, 82CE598 e 82C150).

– Motorola (chip 68HC05). – NEC (chip 72005).

– Siemens, Thompson, National, Hitachi.

• Cia CAN in Automation: entidade constituída de usuários e fabricantes de produtos para automação industrial baseados no protocolo. Até 1993, a Cia já tinha 64 associados fora da industria automobilística.

Protocolo CAN - Control Area Network

• Camada física (padrão ISO/DIS 11898):  Topologia: barramento ou estrela;

 Taxa de transmissão: 125 Kbps até 1 Mbps;

 Comprimento máximo do barramento 40m com taxa de 1 Mbps e até 1Km com taxa de 125 Kbps;

 Número máximo de nós: 64 dispositivos;

• A comunicação entre os dispositivos do barramento é realizada em modo “Multi-Cast”, que consiste em identificar a mensagem enviada para o barramento com um identificador único de rede (os dispositivos não têm identificadores próprios);

Protocolo CAN - Control Area Network

• Os outros dispositivos que estão à escuta, ao receberem a mensagem, verificam se a mensagem deve ser

processada ou não através de um teste de aceitabilidade; • O identificador (IDENTIFIER) é também responsável pela

definição da prioridade da mensagem, ou seja, quanto menor for o seu valor numérico, maior será a prioridade da mensagem no barramento. O método utilizado para transmissão de mensagens é o CSMA/CD.

Protocolo CAN - Control Area Network

• Subcamada MAC:

 Método de acesso ao meio (Forcing Headers) com prioridades para mensagens;

• Subcamada LLC:

 Comprimento máximo dos quadros de dados: 8 Bytes;

 Controle de erro por CRC de 16 bits.

Protocolo CAN - Control Area Network

• CSMA/NBA - Carrier Sense Multiple access with Non-destructive Bitwise Arbitration (Forcing Headers);

• Qualquer nó pode acessar o meio se estiver livre;

• NBA garante 100% de utilização do meio e priorização de mensagens baseada no identificador de 11 bits do frame; • Abaixo vemos um frame CAN:

SOF - Start of Frame EOF – End of Frame

CRC - Cyclic Redundancy Check (CRC 16)

ACK - Acknowledgment CRC A C K E O F S O F 11 bit

IDENTIFIER Length 0 to 8 bytes Data

Arbitration Field

Control Field

Protocolo CAN - Control Area Network

• Como na Ethernet, cada nó tenta transmitir se o meio encontra-se livre. Diferentemente de Ethernet, não há colisões;

• Se 2 ou mais nós iniciam transmissão simultânea, o conflito é resolvido por arbitragem bit a bit usando o campo IDENTIFIER:

– “0” é dominante no fio sobre “1” (operação AND binária); – Se um nó transmite “1”, mas escuta “0”, ele imediatamente

pára a transmissão;

– O nó vencedor envia o resto da mensagem;

– Mecanismo garante que não se perde informações nem tempo;

• O valor do campo IDENTIFIER define prioridade durante

arbitragem (IDENTIFIER mais baixo “vence”). Isto significa que dois frames não podem ter o mesmo IDENTIFIER.

CAN – Exemplo de Arbitragem

0 0 0 1 00000001 xxxx 11 E O F 10110110100 0 Nó 1 Transmite: No meio: 0 0 0 1 00000001 xxxx 01 E O F 10110110100 0 Nó 2 Transmite: 0 _10110111 Nó 2 perde arbitragem e pára transmissão!

Protocolo CAN - Control Area Network

• Modelos de comunicação:

– Frame não contém campos específicos para endereço destino/origem;

– Campo IDENTIFIER pode conter endereço de uma

estação, grupo de estações (multi-casting) ou mensagens a serem difundidas para todas as estações (broadcasting); – Campo IDENTIFIER pode identificar o conteúdo da

mensagem (dados), que é difundida para todas as estações;

• Gerador da mensagem: PRODUTOR;

• Estações interessadas no conteúdo da mensagem: CONSUMIDORES.

Protocolo CAN - Control Area Network

• A norma CAN não define especificação para a camada de Aplicação;

• Especificação para aplicações em automação:

 CMS (CAN Message Services): serviços de leitura e escrita de variáveis remotas e tratamento de eventos, baseados no MMS;

 NMT (Network Menagement): serviços de inicialização e gerenciamento da rede;

 DBT (Distributor): provê uma distribuição dinâmica de nomes definidos pelo usuário para identificar as mensagens.

• O sistema suporta até 2032 objetos, aos quais é associado um número de identificação único na aplicação.

Protocolo LonWorks

• Lonworks faz parte de um conjunto grande de protocolos e sistemas que são chamados de Fieldbus. Eles

nasceram da necessidade de redução de custos e do

aumento da qualidade em substituição ao modelo 4-20mA em uso desde os anos 60;

• A plataforma é construída em um protocolo de baixa

largura de banda criado pela Echelon (USA) na década de 90 para dispositivos de controle para funcionar sobre par trançado, transmissão de dados sobre a rede elétrica, cabo par trançado, fibras óticas e rádio frquência

Protocolo LonWorks

• É muito popular para automação de varias funções prediais como a iluminação, ar condicionado e

climatização (HVAC);

• Em 1999 o protocolo de comunicações (conhecido então como LonTalk) foi submetido ao ANSI (American National

Standards Intitute) e este aceitou-o como um padrão para

Sistema de controle HVAC surge do termo em inglês "Heating, Ventilation and Air Conditioning", o termo é relacionado a sistemas que utilizam estas técnicas. "calefação, ventilação e ar condicionado".

Protocolo LonWorks

• O protocolo é também uma derivação do padrão BACnet para a automatização de edifícios;

• De acordo com estatísticas da Echelon Corporation, já existem aproximadamente 60 milhões de dispositivos instalados com a tecnologia Lonworks;

• Os fabricantes de uma variedade de áreas, incluindo construção civil, transportes, utilidades, automação industrial, adotaram o Lonworks como padrão;

Protocolo LonWorks

• A tecnologia LonWorks possui um protocolo chamado LonTalk que implementa as sete camadas do modelo OSI - Modelo de Referência para Interconexão de

Sistemas Abertos e possui mecanismos que impedem a modificação acidental ou intencional;

• Inclui ainda, outras características tais como: funções de reconhecimento, comunicação, prioridade na

transmissão, detecção de mensagens duplicadas,

evitam colisões, retransmissão automática, detecção e correcção de erros, padronização e identificação do tipo de dados;

Protocolo LonWorks

• O protocolo prevê dois tipos de camadas físicas, as redes dedicadas por par trançado ou mesmo fibra ótica e a

comunicação por linha de energia;

• Quando baseada em rede dedicada, opera em 78kbit/s usando codificação Manchester enquanto a versão

utilizando a linha de energia, opera em 5.4kbit/s ou 3.6kbit/s;

• A plataforma Lonworks é aberta permitindo sua integração com redes TCP/IP, internet e implementação em

Protocolo LonWorks

• Isto significa que aplicações que requerem

processadores de 16 ou 32 bits não necessitam mais de programa de interface para o microprocessador.

Protocolo LonWorks

• Camada de enlace:

– subcamada MAC: CSMA preditivo p-persistente com detecção de colisão e atribuição de prioridades às mensagens (comportamento preditivo quando é usado serviço com reconhecimento)

– subcamada LLC: serviços sem conexão (com ou sem reconhecimento) e oferece funções de montagem de quadros e checagem de erros com CRC.

• Elementos para interconexão de subredes LON: – roteadores

Aplicações usando o Lonworks

• Linhas de montagem

• Fabricação de semicondutores • Controle de iluminação

• Controle e gerencia de Energia

• Sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado • Sistemas da segurança

• Automação residencial

• Controles de dispositivos genéricos • Iluminação de rua e controles públicos • Controle da estação de Petróleo

Aplicações usando Lonworks

• Existem mais de 1 milhão de nós instalados nos USA em aplicações tais como:

– Controle de iluminação e controle de eletrodomésticos, Termostatos e sistemas HVAC

– Sensores de presença, luminosidade e segurança em geral;

– Equipamentos de áudio e vídeo (por exemplo, Home Theaters);

– Gerenciamento de energia;

– Controle otimizado de elevadores;

– Subsistemas de água e gás (válvulas, sensores de nível e outros componentes), etc.

HART - Histórico

1. Sistema 4 a 20mA

4 a 20mA

Se Resistor = 250Ω, a tensão variará de 1 a 5V para corrente entre 4 a 20mA

Comporta-se como uma Fonte de corrente. Programador Portátil (Handheld) 2. Sistema 4 a 20mA e digital proprietário 4 a 20mA 3. Sistema HART Programador Portátil (Handheld) 4 a 20mA