Redes industriais

Definição

Estrutura de comunicação digital que permite a troca de informações entre diferentes componentes/equipamentos computadorizados,

dedicada ao contexto e ambiente industrial.

Padrões

• 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.

• Inmetro - Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial. Brasil.

Domínios

• Aberto. Domínio público. Estabelecido por órgãos oficiais de normatização, padronização.

• Proprietário. Estabelecido por algum fabricante e restrito aos seus equipamentos.

Meios físicos de transmissão

• Cabo de pares trançados UTP (unshielded twisted pair):

– Cabo tipo sistema telefônico.

– Padrão para 5 diferentes qualidades.

– Baixa imunidade a ruído

– Capacidade até 100Mbps, até 100m

• Cabos de pares trançados STP (shielded twisted pair)

– Feixe de pares trançados cobertos com blindagem metálica.

– Boa imunidade ao ruído

– Até 500Mbps, até 100m

Meios físicos de transmissão

• Fibra Ótica

– Vantagem. Imunidade ao ruído de ambiente industrial.

– Até 2Gbps, até 100km

• Transmissão sem fio

– Baixa imunidade a ruídos.

– Mais aplicado na supervisão de processos industriais geograficamente distantes.

Meios Wireless de transmissão

• Ondas de rádio (RF)

– Regulamentação por órgãos oficiais de bcomunicação (Anatel).

– Padrão IEEE 802.11 – Especifica transmissão na faixa de 2.4GHz; também por infravermelho

– 2 a 10Mbps

• Microondas

– Terrestre ou via satélite

– Até 10Mbps, distâncias grandes

Meios Wireless de transmissão

• Infravermelho

– Baixa imunidade a ruído

– Até 16Mbps, até 1km

• Sistema público de telefonia

– Modems analógicos/digitais via celular ou sistema de telefonia fixa

– Em geral até 56kbps ou maiores com outras tecnologias de modulação/cabeamento (ADSL, ISND)

Modelo de Referência OSI

• OSI – Open Systems Interconnection

• Modelo para padronização de sistemas de comunicação

• Estabelece estrutura em 7 camadas• Hierarquia

• Independência entre camadas

• Padrões de interface entre camadas

• Transparência quanto a implementação das funções de cada camada

Modelo de Referência OSI

Funcionamento

Caracterísiticas

• Interfaces entre camadas padronizadas

• Transparência quanto a implementação de cada camada (respeitada a interface)

• Camada superior usa serviços da camada inferior

• Camada inferior oferece serviços para a camada superior

Camada Física

• Estabelece:

•Tipos de conexão

•Topologia física da rede

•Transmissão de bits

•Uso da banda passante

•Multiplexação

• Responsável para que os bits sejam transmitidos de um nó para outro da rede

• Única camada que envolve conexões elétricas entre os nós darede

Conexões

•Ponto-a-ponto

–Somente 2 dispositivos.

–Exemplo. Comunicação entre computador e

modem.

•Multiponto

–Três ou mais dispositivos.

–Exemplo. Internet.

Topologias

Topologia

•Segurança. O que acontece se o cabo é interrompido?

•Interferência de falha de um dispositivo sobre a rede.

•Redundância física para aumentar disponibilidade da rede.

Barramentos industriais típicos

Camada de Enlace de Dados

• Especifica:

•Topologia lógica da rede

•Acesso ao meio de transmissão

•Endereçamento dos dispositivos

•Sincronização de transmissões

•Serviços de conexão

Funções

•Organiza os bits da camada física em grupos lógicos

chamados frames

•Detecta e corrige erros de transmissão

•Controla o acesso ao meio físico da rede

Modos de acesso

•Disputa. Acesso ao meio deve ser permitido ao primeiro que chegar.

–CSMA/CD – Carrier Sense, Multiple Access / Collision Detection. Detecta colisões e retransmite.

•Típico da rede Ethernet

–CSMA/CA – Carrier Sense, Multiple Access / Colision Avoidance. Evita colisões.

•Típico de redes sem fio

•Problema quando o tráfego é intenso.

Modos de acesso

•Token passing. O acesso ao meio só é permitido ao

dispositivo que possui o token.

•O token é passado de um dispositivo a outro da rede para

que todos possam ter acesso ao meio ao longo do tempo.

•Redes com tráfego muito intenso.

Modos de acesso

•Polling. Um dispositivo (mestre) administra o acesso ao meio de todos os demais dispositivos (escravos).

•Mestre consulta os escravos em alguma ordem estabelecida. Neste momento o escravo pode transmitir a informação que possui ao mestre.

•Muito usado no contexto de redes industriais.

Camada de Rede

• Especifica:

•Endereçamento

•Comutação

•Descoberta e seleção de rota

•Serviços de conexão (controle de fluxo; controle de erros; controle

de seqüência de pacotes)

•Serviços de gateway (pontes entre diferentes redes)

Funções

•Na camada de rede, uma unidade de informação transmitida

é em geral chamada de pacote.

•Definir a rota e o processo pelo qual os dados se movem na

rede.–Pode haver mais de um caminho para os dados entre o emissor e

receptor.

–O caminho pode envolver diferentes dispositivos (switchs,

roteadores, etc) e diferentes tipos de redes

•Regular o fluxo de pacotes na rede.

Demais camadas superiores

• Camada de Transporte: Divide os dados da camada de sessão em pacotes menores, liberando-os na ordem, estabelecendo conexões ponto-a-ponto.

• Camada de Sessão: Estabelece um login com sistema remoto, sincronizando o fluxo de dados.

• Camada de Apresentação: Estabelece a sintaxe (codificação e decodificação) dos dados.

• Camada de Aplicação: Contém os protocolos para exibição e interação do dados com um terminal virtual de rede por meio de tela.

Modelo de referência TCP/IP

• Vindo da ARPNET (Exército dos EUA)

• Camada Inter-redes (IP – Internet Protocol): semelhante a camada de rede do OSI, mas entrega pacotes mesmo fora de ordem.

• Camada de Transporte (TCP – Transmission Control Protocol): acima da camada inter-redes. Mesma função da camada de transporte OSI. Fragmenta o fluxo de bytes passando para a cada inter-redes. Impede sobrecarga de receptores lentos.

UDP (User Datagram Protocol): Menos confiável usado para necessidades deentrega mais imediata do que precisa (voz, vídeo).

• Camada de Aplicação: Aqui podem ser encontrados protocolos de alto nível: TELNET, SMTP, FPT, DNS e HTTP.

Redes Industriais

• Grande diversidade de redes, adaptadas para as diferentes necessidades de automação e controle

•Redes adequadas para cada nível:–Nível de sensores/atuadores: Sensor buses

–Nível de dispositivos: Device buses

–Nível de controle/instrumentação: Field buses

Fieldbus

•Sinônimos

–Fieldbus

–Barramento de chão de fábrica

–Barramento de campo

–Rede de chão de fábrica

•Refere-se a redes voltadas aos níveis de interligação de sensores, atuadores, controladores, em geral abaixo dos sistemas supervisórios.

Exemplos de Fielbus

•Profibus–Profibus DP–Profibus PA–Profibus FMS

•Canbus

•DeviceNet

•WorldFIP

•ControleNET

•Modbus•Bitbus

•Fieldbus Foundation

Profibus

•Define as 2 primeiras camadas do modelo OSI e alguns incluem nível de usuário

•Profibus DP. Mais difundido na indústria de manufatura para transmissão e controle de variáveis discretas.

•Profibus PA. Concebido para automação de processos com variáveis analógicas. Permite interligação de sensores, atuadores e controladores.

–Alimentação e comunicação pela mesma fiação–Separa controladores de transmissões

•Profibus FMS. Adequado para nível de supervisão e controle. Tarefas de comunicação extensas e complexas.

Ethernet Industrial

• Rede Ethernet em geral interligando os níveis acima do sistema supervisório

• Diversos CLPs já permitem interligação direta com rede Ethernet

• Existem “pontes” entre rede Ethernet e

• Alguns padrões de fieldbus utilizam Ethernet• Exemplos de padrões de interface: RS485, RS422, RS232.

Ethernet Industrial

• Implementa camadas física e enlace de dados do modelo OSI

• Norma: IEEE 802.3

• Acesso ao meio: CSMA/CD

• Velocidades de 10Mbps, 100Mbps, 1Gbps

• Arquitetura de barramento, estrela com segmentos (switchs, roteadores, etc)

• Conectores: RJ-45 ou DB-9 (mais adequado a uso industrial)

Ethernet Industrial

•Mesma estrutura de rede da Internet–Protocolo de rede: IP (Internet Protocol)

–Protocolo de transporte: TCP (Transmission Control

Protocol)

–Protocolos de mais alto nível que se utilizam do TCP/IP

–Facilidade de interfaceamento com a Internet

–Transferência de grande volume de dados