110709_Automacao Instrumentacao Redes de Campo
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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS
INFORMÁTICA AVANÇADA I – “SUPERVISÓRIOS”
Engenharia de Controle e Automação
Prof. Júlio Cesar Braz de [email protected]
SISTEMAS DE SISTEMAS DE SISTEMAS DE SISTEMAS DE AUTOMAÇÃOAUTOMAÇÃO
Arquitetura centralizada
Re d e Co r p o r a t iv aCamada de Clientes
Su p e rCo m p u ta d o r e s Ca m a d a Co r p o r a t iv aServidor Main-Frame
Processamento de Dados
T e r m in a i sCamada de Controle
Funções: Controle, Seqüenciamento, IntertravamentoCo n t ro l a d o r e s Lo ca i sE l e t r ôn i co s o uE l e t ro m e c ân i co s (R e l é s )
Camada de Clientes
Funções: Acesso ao Servidor
Camada de Instrumentação
Funções:Medição, AtuaçãoA tu a d o r e s S en s o r e s“ b u r ro s ”
Arquitetura distribuída
Re d e Co r p o r a t iv aE s ta ç õ e sd eO p e ra ç ã o S i s t e m a s d eO t i m iz a ç ã o S e r v i d o r d eD a d o s Lo ca l Camada de Supervisão
Funções: Supervisão, Otimização, Armazenamento de Dados
S e r v i d o r d eD a d o s G l o b a l E s ta ç õ e sG e r en c i a i s Ca m a d a Co r p o r a t iv aEstação SERVIDOR
Funções: Planejamento e Programação, da Produção
Camada de Controle
Funções: Controle, Seqüenciamento, Intertravamento
Re d e d e Co n t ro l eCo n t ro l a d o r e sP ro g ra m á v e i s Eq u i p a m en to sin t e l i g en t e s Re d e d e C a m p o
Camada de Instrumentação
Funções: Controle, Medição, AtuaçãoA tu a d o r e s S en s o r e s D i s p o s i t i vo sin t e l i g en t e s
CAMADACAMADADEDEDEDE
INSTRUMENTAÇÃOINSTRUMENTAÇÃO
Camadas de uma arquitetura distribuída
Camada de Instrumentação
Connvell, 1988:"Todo controle começa com a medição e a Qualidade do Controle não será maior que a Qualidade da Medição"
Sensores que realizam as medidas do processo com base em fenômenos físicos;
Transdutores que traduzem estas medidas em sinais elétricos ou conjunto de bits para que possam ser transmitidas aos dispositivos de controle;
Atuadores que agem sobre o processo sob o comando dos controladores.
Camada de Instrumentação
Tecnologia analógica convencional
Utilização de grande quantidade de cabos (2, 3 ou 4 cabos por instrumento)
Necessita de cartões de entrada e saída para realizar a interface com o controlador
Maior vulnerabilidade a desgaste, interferência eletromagnética e mau contato
Demanda maior tempo de instalação
Requer mais manutenção
Possibilidade de conversão do sinal para digital
Camada de Instrumentação
S is t e m a d e Su p e r v is ão
Interligação dos instrumentos em rede
Redução drástica da necessidade de cabos e cartões de controladores
Menor tempo de instalação
Programação e configuração de instrumentos através de rede
Tecnologia digital(micro-processada)
C o n t ro l a do rR e d e d e C a m po instrumentos através de rede
Realização de diagnósticos dos instrumentos e emissão de alarmes e mensagens
Desenvolvimento de estratégias de controle no próprio instrumento
Implementação e execução de tarefas via software
Camada de Instrumentação
Tecnologia digital
Implementação de estratégias de controle
Facilidades de programação e configuração através de computadores da rede
REDES DE CAMPOREDES DE CAMPOREDES DE CAMPOREDES DE CAMPO
Redes de Campo
Redes de Campo
Redes de Campo
Os primeiros passos...
Redes de Campo
Redes de Campo
Criado pela FIELDBUS FONDATION visando uma integração dos
níveis de camadas de controle e gestão
Pode ser usado em aplicações de componentes com
características digitais ou analógicascaracterísticas digitais ou analógicas
É dividido em três classes distintas: H1, H2 e HSE
Possui blocos de função para controle de dispositivos de campo
Meio físico e enlace baseado na norma IEC 61158-2 com
segurança intrínseca
Redes de Campo
Rede HSE (Ethernet Alta Velocidade)
Rede H2 (Alta Velocidade)Rede H1 (Baixa Velocidade)
Bridge
Rede H1 (Baixa Velocidade)
Redes de Campo
Redes de Campo
Redes de Campo
Criado por iniciativa da Siemens, Bosch, e Klockner-Moeller em 1987
Profibus = Process Field Bus
É dividido em três classes distintas: DP, PA e FMS
Possui blocos de função para controle de dispositivos de campo
Meio físico e enlace baseado na norma EN 50170/50254
Redes de Campo
Rede FMS (Ethernet Alta Velocidade)
Rede PA (Automação de Processos)Rede DP (Periféricos Descentralizados)
Redes de Campo
Redes de Campo
Protocolo desenvolvido pela Modicon Industrial AutomationSystems, hoje denominada Schneider
Protocolo SERIAL, antecessor dos protocolos FIELD
Capaz de comunicar um dispositivo mestre com outros
dispositivos escravos, independentemente do tipo de rede
utilizada
É talvez o protocolo serial mais utilizado
Meio físico baseado na norma IEA/TIA 232 e 485
Redes de Campo
Redes de Campo
Redes de Campo
Protocolo padrão (LONTalk)
Rede de controle cujos nós possuem “inteligência
descentralizada“
Capacidade computacional localizada
Possui “transceivers” para vários meios físicosPossui “transceivers” para vários meios físicos
Adequada para aplicações de pequeno porte
Redes de Campo
Redes de Campo
Redes de Campo
Protocolo padronizado
Rede de alta velocidade
Topologia em anel por hardware
Redes de Campo
CAN CAN CAN CAN ---- ControllerControllerControllerController AreaAreaAreaArea NetworkNetworkNetworkNetworkCAN CAN CAN CAN ---- ControllerControllerControllerController AreaAreaAreaArea NetworkNetworkNetworkNetwork
Redes de Campo
Desenvolvida pelos fabricantes de chips Intel, Motorola, Philips/Signetics, NEC, Hitachi e Siemens
Tecnologia aberta com protocolos padronizados: CANOpen,
DeviceNet, SDSDeviceNet, SDS
Rede de controle cujos nós possuem “inteligência
descentralizada“
Capacidade computacional localizada
Resposta rápida
Redes de Campo
Redes de Campo
Redes de Campo
Desenvolvidas pela Rockwell Automation
Utiliza o modelo OSI com apenas algumas camadas
A rede CONTROLNET é dedicada ao nível de controle
A rede DEVICENET é dedicada ao nível de dispositivosA rede DEVICENET é dedicada ao nível de dispositivos
Padrão amplamente adotado por fabricantes de dispositivos
Redes de Campo
Rede ControlNet
Rede DeviceNet
Redes de Campo
ETHERNET ETHERNET ETHERNET ETHERNET INDUSTRIALINDUSTRIAL
Padrão criado pela Xerox
Concebida para ser uma rede de barramento multidrop (100Base-5)
com conectores do tipo vampiro (baixa praticidade)
Evoluiu para a topologia estrela utilizando cabo do tipo par trançado
Redes de Campo
Evoluiu em velocidade: 10 Mbps para 100 Mbps e agora alcançam 1
Gbps (IEEE802.3z ou gigabit Ethernet)
2,94 Mbps > 10 Mbps >> 100 Mbps >>> 1 Gbps >...> 10 Gbps
Disputa com a tecnologia ATM o direito de ser a espinha dorsal
(backbone) das redes nas empresas
Rede não determinística
Definida em 1985 pelo comitê IEEE 802.3, que publicou a norma
IEEE802.3 Carrier Sense Multiple access with Collision Detection
(CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications
Os protocolos são definidos com base no modelo OSI
Diferentes protocolos como IPX, TCP/IP, MODBUS e Net BEUI
Redes de Campo
Diferentes protocolos como IPX, TCP/IP, MODBUS e Net BEUI
podem ser utilizados com o mesmo hardware
Padrão
Lançamento
do
primeiro
padrão
Taxa de
dados
(Mbps)
Topologia Mídia
Tamanho máximo de
segmentos de cabos
(m).
Half Full
10Base5DIX (1980)
802.3 (1983)10 Barramento
Cabo coaxial 50-ohm
(Thick Ethernet) (10mm thick)500 n/a
10Base2 802.3a (1985) 10 BarramentoCabo coaxial 50-ohm RG 58
(Thin Ethernet) (5mm thick)185 n/a
10Broad36 802.3b (1985) 10 Barramento Cabo broadband 75-ohm CATV 1800 n/a
Redes de Campo
FOIRL 802.3d (1987) 10 Estrela Duas fibras ópticas 1000 >1000
1Base5 802.3e (1987) 1 Estrela Dois pares de cabo telefônico trançado 250 n/a
10Base-T 802.3i (1990) 10 EstrelaDois pares de 100-ohm Categoria 3
ou cabo UTP melhorado.100 100
10Base-FL 802.3j (1993) 10 Estrela Duas fibras ópticas 2000 >2000
10Base-FB 802.3j (1993) 10 Estrela Duas fibras ópticas 2000 n/a
10Base-FP 802.3j (1993) 10 Estrela Duas fibras ópticas 1000 n/a
100Base-TX 802.3u (1995) 100 EstrelaDois pares de cabo 100-ohm
Categoria 5 UTP.100 100
CATEGORIA DE CABLING SUPORTE A APLICAÇÃO ANO DA PADRONIZAÇÃOCategoria 3 Voz, 10 Base-T 1991
Categoria 4 Token Ring 16 Mbps 1993
Categoria 5 100 Base-TX ( Fast Ethernet ) 1994
Categoria 5E 1000 Base-T * ( Gigabit Ethernet ) 1998 - adendo 4 da TIA 568-A
Categoria 6,7 Sem referência até então Sem definição até antes de 2000
Redes de Campo
Limitações da Ethernet
O problema fundamental em se aplicar a Ethernet no chão de
fábrica está no mecanismo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple
Access with Collision Detection), através do qual a rede Ethernet
Redes de Campo
Access with Collision Detection), através do qual a rede Ethernet
define o compartilhamento do meio físico e corrige erros de
colisão dos dados. Este mecanismo é não determinístico
Limitações da Ethernet
Largura de banda é compartilhada e não dedicada
Compartilhamento necessita de arbitragem do barramento sem o
conceito de prioridade
Compartilhamento resulta em colisões quando 2 ou mais dispositivos
Redes de Campo
Compartilhamento resulta em colisões quando 2 ou mais dispositivos
desejam transmitir simultaneamente.
Colisões bloqueiam a rede e impedem outros dispositivos de transmitir
Mais dispositivos em um segmento aumenta a probabilidade de colisão
Não existe como diferenciar o tráfego de alta e de baixa prioridade
Não existe como assegurar um caminho de baixo atraso para o tráfego
de tempo real
Carga X Performance
Degradação da
Redes de Campo
Aumento da carga
Degradação da performance de redes CSMA
Melhoramentos da rede Ethernet
Aumento da banda passante 10 Mbps > 100 Mbps > 1Gbps
Inclusão de um campo definindo prioridade na estrutura da mensagem
Uso de switches em vez de hubs
Redes de Campo
Ligação full duplex em vez de half duplex
Possibilidade de implementar estratégias de redundância
LAN isoladaBarramento colapsado
Redes de Campo
Servidor / Cliente
Topologias tradicionais
Barra
Estrela
Redes de Campo
Topologias redundantes
Anel
Duplo anel
Redes de Campo
Aplicações na indústria
Rede corporativa (intranet) – interliga a camada de supervisão às
estações gerencias do sistema corporativo e sistemas de informação
Rede internet – interliga a corporação ao ambiente externo
Redes de Campo
Rede de controle – interliga os controladores programáveis às
estações de operação, aos sistemas coletores de dados e às estações
de otimização
Rede de campo – interliga os sensores, atuadores e equipamentos
microprocessados aos controladores programáveis
Redes de Campo
Integração X Segmentação
Internet
Re d e Co r p o r a t iv a
A B N...
Dispositivos de rede industriais
HUBFunção: Repetidor, Derivador
Redes de Campo
RoteadorFunção: Conectar redes locais a WANConexão entre meios físicos diferentes => BridgeConexão entre redes com protocolos diferentes => Gateway
Dispositivos de rede industriais
Redes de Campo
Switch para sala de controleFunção: Chaveamento proporciona conexões independentes
Switch para nós remotos
Dispositivos industriais
Redes de Campo
Tomada simples em ambiente industrial
Conectores industriais
Softwares gerenciadores
Redes de Campo
Instrumentos padrão Ethernet
Controlador de porta IP para sensores
Redes de Campo
Wireless?
Roteador sem fio Coletores, Palms,Celulares
Redes de Campo
Switch sem fio
Palms,Celulares