Transcript Aula 5 - Redes Industriais

Redes Industriais
• DEVICENET
– Desenvolvido pela Allen-Bradley em 1994.
– Rede para o nível operacional baseada protocolo CAN (Controler
Area Network).
– Boa velocidade de resposta e elevada confiabilidade.
– Tornou-se um protocolo aberto com a criação da Open DeviceNet
Vendors Association (ODVA).
– Permite conectar dispositivos industriais (sensores de posição,
sensores fotoelétricos, interfaces homem-máquina etc.)
diretamente a uma rede.
Redes Industriais
• DEVICENET
– Permite a comunicação entre dispositivos e o
diagnóstico de falhas.
– Permite a remoção e substituição de
equipamentos em redes energizadas e sem a
necessidade de um aparelho de programação.
– Pode fornecer a alimentação aos equipamentos
através do próprio cabo de rede.
Redes Industriais
• DEVICENET
– Baixo custo, grande aceitação no mercado, alta
confiabilidade, uso eficiente da rede e energia
elétrica disponível na rede.
– Desvantagens:
• comprimento máximo
• limite do tamanho da mensagem
• limite de largura de banda
Redes Industriais
• DEVICENET
Número de Nós
No máximo 64
Taxa de Comunicação
Distância Máxima
125 kbps
500m
250 kbps
250m
500 kbps
100m
Comprimento da Rede
Tamanho do pacote de dados
0 a 8 bytes
Topologia
Linha tronco com derivações, mas somente com configurações lineares
Método de Acesso
Ponto a ponto com multicast; mestre(s) e escravo
Algoritmos de Acesso
Polling, Cíclico e Mudança de Estado
Meio Físico
Barramentos separados de par trançado para a distribuição de sinal e de
alimentação (24 V), ambos no mesmo cabo
Redes Industriais
• CONTROLNET
– Também desenvolvida pela Allen-Bradley (1995).
– Tornou-se protocolo aberto em 1996 e controlado pela
ControlNet International, que mantém e distribui a
especificação ControlNet.
– Características são compatíveis com as aplicações que
necessitam de determinismo, repetibilidade, alta taxa
de transmissão (throughput),distribuição de dados
através de grandes distâncias (chegando a 30 km) e
sincronismo.
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• CONTROLNET
– Rede para o nível de controle, com transferência de dados em
tempo real, provendo transportes de dados críticos de E/S e
mensagens, incluindo o upload e download de programação e
configuração de dispositivos.
– Meios físicos mais comuns são: cabo coaxial RG 6/U 75  com
conector BNC e fibra ótica.
– Utiliza protocolo de acesso ao meio denominado de Concurrent
Time Domain Multiple Access (CTDMA).
– A largura do intervalo de acesso a rede é selecionado pelo usuário
através da seleção de um parâmetro chamado NUT (Network
Update Time). O valor mínimo é de 2ms.
Redes Industriais
• CONTROLNET
– Modos de envio de dados:
• Não agendadas (Unscheduled): dados enviados
pelo usuário do programa ou pela interface
homem/máquina por solicitação em demanda. Essa
conexão é fechada quando não utilizada por um
determinado intervalo de tempo;
• Agendada (Scheduled): dados são enviados
repetidamente em taxas configuradas e
predeterminadas. Essa conexão permanece aberta
enquanto o gerador da conexão estiver ativo.
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• CONTROLNET
Número de Nós
99
Taxa de Transmissão
5 Mbit/s
Comprimento da Rede
1000 m com cabo coaxial para dois nós
500 m para 32 nós
250 m para 48 nós
30 km com repetidor e fibra óptica
Tamanho do Pacote de Dados
0 a 510 bytes
Topologia
Barramento, árvore, estrela ou combinações
Configuração de Comunicação
Mestre e escravo, múltiplos mestres e peer-to-peer
Modelo de Comunicação
Produtor/Consumidor
Alimentação dos Dispositivos
Alimentação externa
Outras Características
Pode-se remover ou adicionar dispositivos com a rede energizada,
detecção de duplicidade de nós
Redes Industriais
• INDUSTRIAL ETHERNET
– Rede Ethernet foi desenvolvida pela Xerox nos anos 70.
– Foi grande o desafio de levar a Ethernet para a indústria e torná-la
uma das redes de maior crescimento no setor.
– Ao contrário dos protocolos industriais como MODBUS e
PROFIBUS, que são determinísticos, no padrão Ethernet ocorrem
colisões de dados na rede, tornando o tempo de resposta não
determinístico.
– Padrões não determinísticos não são recomendáveis do ponto de
vista da automação, porque a falta de definição do tempo de
resposta de uma informação pode comprometer o desempenho do
sistema que está sendo controlado.
Redes Industriais
• INDUSTRIAL ETHERNET
– O protocolo Ethernet não foi concebido para aplicações
em automação industrial.
– Não apresenta algumas características desejáveis em
ambientes de controle em tempo real, como
determinismo e segurança na transmissão dos dados.
– É provavelmente a tecnologia de rede mais difundida,
que permite uma grande escala de produção,
disponibilidade, baixo custo. Assim, é uma alternativa
bastante atrativa para interconexão de dispositivos de
automação.
Redes Industriais
• INDUSTRIAL ETHERNET
– A Ethernet foi inicialmente concebida para ser uma rede de
barramento multidrop (10Base5), mas este sistema mostrou-se de
baixa praticidade.
– Avanços:
• Topologia estrela com par trançado.
• As velocidades da rede cresceram de 10 Mbps para 100 Mbps e
agora alcançam 1 Gbps.
• Hubs inteligentes com capacidade de comutação de mensagens e uso
de cabos full duplex (em substituição aos cabos half duplex). A rede
se torna determinística e isso reduz a probabilidade de colisão de
dados.
Redes Industriais
• INDUSTRIAL ETHERNET
– Fatores que contribuíram para o desenvolvimento da
rede Ethernet industrial:
• Uso de switches (dispositivos utilizados em redes para
reencaminhar frames entre os diversos nós) para evitar a
arbitragem de barramento;
• Uso de canais dedicados de 10 Mbps a 10000 Mbps;
• Padrão IEEE802.1p/Q – acrescenta campos de prioridade e de
Quality of Service (QoS) ao frame Ethernet tradicional;
• Canal full duplex para eliminar colisões;
• Rede Fast Ethernet no backbone levando a velocidade a até
200 Mbps.
Redes Industriais
• INDUSTRIAL ETHERNET
– Algumas organizações desenvolveram a partir dos
seus protocolos níveis de aplicação para Ethernet
TCP/IP:
•
•
•
•
Modbus/TCP (Modbus sobre TCP/IP);
EtherNet/IP (ControlNet/DeviceNet sobre TCP/IP);
Foundation Fieldbus High Speed Ethernet;
Profinet (Profibus sobre Ethernet).
– Apesar de utilizarem Ethernet TCP/IP, não há
interoperabilidade entre as diferentes redes, ou seja,
não há possibilidade comunicação direta entre estas.
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• INDUSTRIAL ETHERNET
– Vantagens:
• Plataforma aberta e realmente global;
• Tecnologia acessível e de fácil compreensão;
• Segurança, velocidade e confiabilidade garantida pela
evolução da própria informática;
• Dados disponíveis em qualquer sistema operacional;
• Acesso às informações da planta via redes públicas e redes
privadas;
• Diversidade de serviços disponíveis para melhor desempenho;
• Inúmeros equipamentos disponíveis de diversos fabricantes.
Redes Industriais
• INDUSTRIAL ETHERNET
– O padrão Ethernet Industrial terá uma grande
fatia do mercado, mas não deverá substituir os
barramentos de campo tradicionais.
– Não existem razões técnicas para esta
substituição e sob o ponto de vista de custo, a
Ethernet é cara para aplicações onde é exigido
determinismo.
Redes Industriais
• INDUSTRIAL ETHERNET
Número de Nós
211 ou 229 em modos estendidos
Taxa de Transmissão
10 Mbit/s , 100 Mbit/s e 1 Gbit/s
Variável
Comprimento da rede
Tipo
Comprimento
10Base5
500m
10Base2
200m
10BaseT, 100BaseTx
100m
Fibra Óptica mono modo com switches
Até 50 km
Conectores
RJ45 ou coaxiais
Tamanho do Pacote de Dados
Até 1500 bytes
Topologia
Barramento ou estrela
Tecnologia de Comunicação
Ponto-a-Ponto
Alimentação dos dispositivos
Alimentação dos dispositivos é externa
Algoritmo de acesso ao meio
CSMA/CD
Redes Industriais
• PADRÃO OPC (OLE for Process Control)
– OPC significa OLE para Controle de Processos.
– Baseado nas tecnologias Microsoft OLE COM (Component Objetc
Model) e DCOM (Distributed Component Object Model).
– OPC é um conjunto comum de interfaces, métodos e propriedades
de comunicação, agregados dentro de uma especificação
padronizada e aberta para acesso público.
– Teoricamente, qualquer pessoa com conhecimentos de
programação pode desenvolver seus aplicativos OPC, basta
acessar as especificações contidas no web site da OPC
Foundation e desenvolver uma interface compatível.
Redes Industriais
• PADRÃO OPC (OLE for Process Control)
– Estabelece as regras para que sejam desenvolvidos sistemas com
interfaces padrões para comunicação dos dispositivos de campo
(CLPs, sensores, etc.) com sistemas de monitoração, supervisão e
gerenciamento (SCADA, MES, ERP, etc.).
– Sendo um padrão aberto, o OPC separa os sistemas das
dificuldades de comunicação, criando uma camada única e
padronizada que permite a fácil integração de diversos sistemas.
– OPC surgiu como uma simples resposta aos drivers de
comunicação proprietários e acabou por se tornar um padrão
altamente difundido na indústria.
– É possível criar uma camada de comunicação padronizada, que
integra facilmente todas as informações industriais.
Redes Industriais
• PADRÃO OPC (OLE for Process Control)
– É uma aplicação da tecnologia OLE tendo em vista as
necessidades da indústria de controle de processos.
– O objetivo é prover uma infraestrutura única, na qual a informação
possa ser universalmente compartilhada.
– Diretivas básicas:
• Simplicidade de implementação: o padrão é simples e pouco restritivo;
• Flexibilidade: focado para as necessidades dos vários segmentos da
indústria;
• Alta funcionalidade: procura-se incluir o máximo de funcionalidades na
especificação, sem conflito com os demais objetivos;
• Operação eficiente.
Redes Industriais
• PADRÃO OPC (OLE for Process Control)
– Vantagens:
• Padronização das interfaces de comunicação entre
os servidores e clientes de dados de tempo real,
facilitando a integração e manutenção dos sistemas;
• Eliminação da necessidade de drivers de
comunicação específicos;
• Melhoria do desempenho e otimização da
comunicação entre dispositivos de automação;
• Interoperabilidade entre sistemas de diversos
fabricantes;
Redes Industriais
• PADRÃO OPC (OLE for Process Control)
– Vantagens:
• Integração com sistemas MES, ERP e aplicações Windows
(Excel, etc.);
• Redução dos custos e tempo para desenvolvimento de
interfaces e drivers de comunicação, com consequente
redução dos custos de integração de sistemas;
• Facilidade de desenvolvimento e manutenção de sistemas e
produtos para comunicação em tempo real;
• Facilidade de treinamento.
Redes Industriais
• REDES WIRELESS
– Alternativa para redes cabeadas;
– Baseadas no padrão 802.11 (IEEE) – define como
estações devem trocar informações utilizando ondas
eletromagnéticas (RF – radiofrequência):
• IEEE 802.11b (1999) – frequência de 2,4 GHz – 11 Mbps
• IEEE 802.11a (1999) – frequência de 5 GHz – 54 Mbps
• IEEE 802.11g (2003) – frequência de 2,4 GHz – 54 Mbps
(compatível com 802.11b)
– Não há a necessidade de obras de infraestrutura;
– Facilidade de alteração do layout;
– Alta taxa de transferência;
Redes Industriais
• REDES WIRELESS
– Vantagens em relação às redes convencionais
utilizados em ambientes industriais:
• Mobilidade e liberdade de movimento;
• Sem desgaste mecânico do meio de transmissão;
• Instalação e colocação em funcionamento rápida e
fácil;
• Alta flexibilidade com poucas alterações na
instalação;
• Integração simples de dispositivos na rede;
• Necessidade de ultrapassar “áreas problemáticas”.
Redes Industriais
• REDES WIRELESS
– Itens a serem avaliados:
• Distância a ser coberta pela rede;
• Quantidade de dados trafegando por unidade de
tempo (largura de banda);
• Taxa de atualização de informação requerida pelo
processo (tempo de ciclo);
• Atraso máximo aceito do momento em que uma
informação está disponível em um ponto da rede até
que ela esteja presente no seu destino (latência).
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• HART WIRELESS
– Motivação do uso do protocolo HART:
• É amplamente utilizado na automação industrial
para o controle de processos;
• O sinal digital modulado em FSK seja sobreposto ao
sinal convencional de 4-20 mA, (modo half-duplex taxa de 1200 bps);
• Fácil integração aos sistemas de controle e
facilidade de uso;
Redes Industriais
• HART WIRELESS
– HART Communication Foundation (HCF) –
2004, criou um padrão sem fio para
comunicação HART;
– Tecnologia confiável;
– Interoperabilidade entre os produtos;
– Novas alternativas de conectividade;
– Não exige altas taxas de comunicação e nem
um controle tão preciso das latências na
camada física.
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• Outras tecnologias wireless
– IEEE 802.11b Wi-Fi:
•
•
•
•
Redes locais sem fio (Wireless LAN);
Frequência de 2,4 GHz;
Taxas maiores do que 10 Mbps;
Padrão foi desenvolvido para as redes comerciais,
domésticas e corporativas, não adequado para os
ambientes industriais pela sua susceptibilidade às
interferências eletromagnéticas e pela distância
limitada (< 50 m).
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• Outras tecnologias wireless
– IEEE 802.15.1 Bluetooth:
• Padrão desenvolvido especificamente para conectar
computadores pessoais, telefones celulares e outros
periféricos tais como câmeras e fones de ouvido;
• Utiliza a faixa de 2,4 GHz;
• Velocidades inferiores ao Wi-Fi;
• Menos vulnerável às interferências;
• Pequena distância alcançada (<30 m para classe 2
e <100 m para classe 1).
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• Outras tecnologias wireless
– IEEE 802.15.4 ZigBee:
• Desenvolvido originalmente para aplicações em aquecimento,
ventilação e condicionadores de ar (HVAC) como uma
alternativa ao uso do Bluetooth;
• Baixo consumo, o que confere maior autonomia para
equipamentos alimentados por baterias;
• Desenvolvido para ser instalado diretamente nos sensores e
atuadores;
• Sua camada física possui também melhores características
para operação em temperaturas extremas;
• Opera em taxas mais baixas, sendo bem mais robusto contra
interferências no sinal que o Wi-Fi e o Bluetooth;
• Devido à baixa potência, a distância também é limitada pouco
mais de 100m.
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• SISTEMA DE CONTROLE VIA REDE
– Tipo de sistema de controle distribuído onde sensores,
atuadores e controladores são interconectados através
de uma rede de comunicação.
– A utilização em sistemas de manufatura automatizados
tem se mostrado uma nova área de pesquisa
multidisciplinar, relacionando conhecimentos de
sistemas de controle, sistemas de tempo real e redes
de comunicação.
– São necessárias, para garantir o desempenho e a
estabilidade, ferramentas de análise e projeto
baseados em conceitos e parâmetros de redes de
comunicação e técnicas de controle.
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• SISTEMA DE CONTROLE VIA REDE
– Consiste em malhas de controle realimentado sob um
sistema de comunicação.
– É necessário que o sistema de controle via rede
ofereça um serviço de comunicação de tempo real.
– Deve ser capaz de suportar fluxos de mensagens
periódicas, de forma a transferir dados periódicos
relacionados com o controle.
Redes Industriais
• SISTEMA DE CONTROLE VIA REDE
– Deve garantir um tempo de resposta limitado
para transferência de mensagens entre os nós
computacionais.
– Deve garantir um comportamento temporal
previsível na presença de carga de rede
variável por causa do tráfego não relacionado à
aplicação de controle.
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• SISTEMA DE CONTROLE VIA REDE
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• Supervisórios (SCADA)
– SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition
– Objetivos:
• Qualidade: controle de qualidade eficiente, compensação
automática de deficiências do processo, processos de
fabricação sofisticados;
• Flexibilidade: inovações frequentes no produto, atendimento a
especificidades do cliente, produção de pequenos lotes;
• Produtividade: produção de refugo zero, redução dos
estoques;
• Viabilidade Técnica: processamento imediato de grande
volume de informações e/ou complexidade, limitações do
homem, condições desumanas de trabalho;
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• Supervisórios (SCADA)
– Permitem a visualização de forma gráfica das
informações do processo por cores e
animações;
– Interface amigável (eficiente e ergonômica),
cujo objetivo é permitir a supervisão e muitas
vezes o comando de determinados pontos de
uma planta automatizada;
– São Interfaces Homem-Máquina (IHM) mais
sofisticadas;
– Permitem a supervisão e o controle das
variáveis no processo.
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• Supervisórios (SCADA)
– As principais informações do processo
industrial ou da instalação física apresentadas
são:
•
•
•
•
•
•
Ocorrências na planta;
Visualização das grandezas monitoradas;
Configuração de receitas;
Falhas;
Alarmes;
Relatórios e gráficos de produção.
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• Supervisórios (SCADA)
– Variáveis:
• TAG: nome que identifica a variável;
• Endereço: endereço da variável na Unidade
Inteligente, necessário para a troca de dados;
• Discreta: os atributos podem ser zero ("0") ou um
("1"), ligado ou desligado, aberto ou fechado;
• Analógica: os atributos podem ser grandezas
físicas: metros, l/h, m3/h, oC, psi, bar, etc.
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• Supervisórios (SCADA)
– Programação:
• Desenvolvimento de programas no software de supervisão;
• As programações estão associadas a algum tipo de evento;
• Alguns softwares possuem funções prontas em bibliotecas.
– Relatórios:
•
•
•
•
Os software geram relatórios;
Podem ser arquivados ou impressos;
Registram os valores das variáveis de processo;
Auxiliam na análise da capacidade de produção da planta.
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• Supervisórios (SCADA)
– Comunicação com Aplicativos:
• Pode fazer uso de variáveis que permite troca de
dados com outros programas (padrões ODBC);
• Compartilha dados com banco de dados.
– Comunicação com Equipamentos:
• Oferece diversos drivers de comunicação para as
mais variadas unidades inteligentes;
• Cada driver possui uma configuração específica.
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• Supervisórios (SCADA)
– Tipos de Telas:
• Telas de Visão Geral:
– Pode ser observado um número elevado de malhas de
controle;
– Deve permitir o acesso a subníveis de telas para que se
possa analisar cada sistema de controle.
• Telas de Malhas Individuais
– Mostra a malha de controle em detalhes;
– Neste tipo de tela se isola a malha para alterar parâmetros.
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• Supervisórios (SCADA)
– Tipos de Telas:
• Telas de Registro:
– Registra uma variável (pode ser de processo ou de
controle);
– A informação gráfica pode ser salva em arquivo ou
impressa.
• Telas de Alarme:
– Registra a data e hora da ocorrência de algum evento de
alarme;
– Apresenta a variável alarmada ou o motivo do alarme.
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• Supervisórios (SCADA)
– Configuração de Telas de Operação:
• Diagramas de processo e instrumentos;
• Instrumentos virtuais;
• Botões virtuais para atuar no processo em modo
manual;
• Lista de alarmes;
• Gráficos de tendência real e histórica;
• Login de operadores com senhas.
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• Supervisórios (SCADA)
– Passos para o planejamento do sistema:
•
•
•
•
•
Entendimento do processo a ser automatizado;
Tomada de dados;
Planejamento do banco de dados;
Planejamento dos alarmes;
Planejamento da hierarquia de navegação entre
telas;
• Desenho das telas;
• Gráficos de tendência dentro das telas;
• Planejamento de um sistema de segurança;
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• Supervisórios (SCADA)
– Programas que permitem a configuração de um
Sistema de Supervisão de Processo:
• Labview;
• Elipse.
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