Redes Industriais: Profibus DP e PA

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REDES INDUSTRIAIS 
AULA 4 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof. Juliano de Mello Pedroso 
 
 
 
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CONVERSA INICIAL 
 Quando o assunto é automação industrial, pode-se lembrar da pirâmide 
da automação industrial. Nessa pirâmide, vista em aulas anteriores, temos vários 
níveis hierárquicos que atuam de modos diferentes e com focos distintos. 
Precisamos entender que existem vários tipos diferentes de redes industrias 
para todos os níveis dessa pirâmide. Quando conhecemos o que acontece em 
cada nível, conhecemos também quais são as características da rede que 
precisamos para cada nível. 
Com esse foco nesta aula serão tratados os seguintes assuntos: Profibus 
DP e PA, Profibus FMS, DeviceNet, Ethernet industrial e normas e 
recomendações de redes industriais. 
TEMA 1 – PROFIBUS DP E PA 
 O protocolo Profibus faz parte de uma série do tipo fieldbus aberto e 
independente de fabricantes e que permite a interconexão de dispositivos de 
fabricantes variados em uma mesma rede. Essas características são conhecidas 
como interoperabilidade e intercambiabilidade. 
 A primeira significa que, em uma rede industrial Profibus, podem estar 
interconectados dispositivos de fabricantes variados e que todos eles 
conseguirão se comunicar, porque esse protocolo é padronizado. Já a segunda 
significa que, se, por exemplo, um transmissor de pressão ou um medidor de 
temperatura precisar de manutenção, pode-se optar por um mesmo dispositivo 
de outro fabricante que ele será capaz de desempenhar a mesma função. 
 O Profibus é um protocolo multimestre que pode operar conjuntamente 
com dispositivos ou controladores e supervisores de rede. Os equipamentos 
chamados de mestre têm a função de iniciar a comunicação no barramento. Tal 
comunicação é feita somente quando o mestre tem o direito de acessar o 
barramento (token), que é um mecanismo utilizado quando se quer que não haja 
colisões em sua rede. Os equipamentos chamados de escravos só podem 
transmitir quando forem solicitados por um mestre, ou seja, são dispositivos 
periféricos. Exemplos de tais equipamentos são: válvulas, transmissores, 
sensores, atuadores, entre outros. 
 Conforme o fabricante de dispositivos SMAR, o Profibus tem como meios 
físicos: RS-485 para uso geral, inclusive em sistemas de automação da 
 
 
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manufatura. O Profibus DP utiliza esse padrão de acesso ao meio físico. O IEC 
61158-2 é utilizado para aplicações em sistemas de automação e controle de 
processo. O Profibus PA utiliza esse padrão de acesso ao meio físico. E também 
pode ser utilizada fibra ótica para sistemas que precisam de grande imunidade 
à interferência e grandes distâncias. 
1.1 Profibus DP 
Conforme a PI Brasil, o Profibus DP (Decentralized Peripherals) é a solução 
de alta velocidade do Profibus. Esse tipo de protocolo atua no chão de fábrica e 
foi desenvolvido para comunicações entre os sistemas de automação e 
dispositivos descentralizados. O Profibus DP é preparado para transmissões 
entre os sistemas de automações e equipamentos descentralizados. Esse tipo 
de rede tem o papel de substituir os sistemas convencionais de comunicação de 
4 a 20mA, HART ou em transmissão com 24V. Pode ser usado como meio físico 
RS-485 ou fibra ótica. 
Esse protocolo tem três versões atualmente: 
 DP – V0 (1993) 
 DP – V1 (1997) 
 DP – V2 (2002) 
 As principais mudanças estão resumidas na Figura 1. 
Figura 1 - Versões do Profibus DP 
 
Fonte: O que... [s.d.]. 
 
 
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 Na Figura 2 temos um sistema Profibus DP, que é monitorado por um 
computador que usa o protocolo ethernet. 
Figura 2 – Exemplo de sistema Profibus DP 
 
Fonte: Profibus... [s.d.]. 
1.2 Profibus PA 
Segundo o manual de descrição técnica da PI Brasil, 
o PROFIBUS-PA é a solução PROFIBUS que atende os requisitos da 
automação de processos, onde se tem a conexão de sistemas de 
automação e sistemas de controle de processo com equipamentos de 
campo, tais como: transmissores de pressão, temperatura, 
conversores, posicionadores, etc. Pode ser usada em substituição ao 
padrão 4 a 20 mA. (O que... [s.d.]). 
O manual diz que 
existem vantagens potenciais da utilização dessa tecnologia, onde 
resumidamente destacam-se as vantagens funcionais (transmissão de 
informações confiáveis, tratamento de status das variáveis, sistema de 
segurança em caso de falha, equipamentos com capacidades de 
autodiagnose, rangeabilidade dos equipamentos, alta resolução nas 
medições, integração com controle discreto em alta velocidade, 
aplicações em qualquer segmento, etc.). Além dos benefícios 
econômicos pertinentes às instalações (redução de até 40% em alguns 
casos em relação aos sistemas convencionais), custos de manutenção 
(redução de até 25% em alguns casos em relação aos sistemas 
convencionais), menor tempo de startup, oferece um aumento 
significativo em funcionalidade e segurança. 
Segundo o manual da descrição técnica o PROFIBUS-PA permite a 
medição e controle por uma linha a dois fios simples. Também permite 
alimentar os equipamentos de campo em áreas intrinsecamente 
seguras. O PROFIBUS-PA permite a manutenção e a 
conexão/desconexão de equipamentos até mesmo durante a operação 
sem interferir em outras estações em áreas potencialmente explosivas. 
O PROFIBUS-PA foi desenvolvido em cooperação com os usuários da 
Indústria de Controle e Processo (NAMUR), satisfazendo as exigências 
especiais dessa área de aplicação: 
• O perfil original da aplicação para a automação do processo e 
interoperabilidade dos equipamentos de campo dos diferentes 
fabricantes. 
• Adição e remoção de estações de barramentos mesmo em áreas 
intrinsecamente seguras sem influência para outras estações. 
 
 
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• Uma comunicação transparente através dos acopladores do 
segmento entre o barramento de automação do processo PROFIBUS-
PA e do barramento de automação industrial PROFIBUS-DP. 
• Alimentação e transmissão de dados sobre o mesmo par de fios 
baseado na tecnologia IEC 61158-2. 
• Uso em áreas potencialmente explosivas com blindagem explosiva 
tipo “intrinsecamente segura” ou “sem segurança intrínseca”. (O que... 
[s.d.]). 
Na Figura 3 temos uma ligação entre dispositivos Profibus PA, DP e uma 
conexão com o protocolo ethernet. 
Figura 3 – Profibus DP e PA na mesma rede 
 
Fonte: Profibus... [s.d.]. 
TEMA 2 – PROFIBUS FMS 
A rede Profibus FMS (Fieldbus Message Specification) atua numa 
camada superior que a das Redes Profibus DP e PA. Esse protocolo foi 
planejado para se comunicar no nível de célula. Nesse nível temos a 
comunicação entre CLPs e computadores Industriais ou entre duas IHMs 
(interfaces homem-máquina). Entretanto esse protocolo está perdendo espaço 
para a ethernet industrial. Caracteriza-se pelo tempo de resposta rápido e por 
ser um sistema com grande diversidade de funções disponíveis. 
Alguns autores acham que esse é um protocolo pouco flexível e não 
apropriado para redes com comunicações mais amplas. 
Na Figura 4 temos um descritivo mostrando em qual nível o Profibus FMS 
atua. 
 
 
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Figura 4 – Profibus FMS 
 
Fonte: Mackay, 2014. 
Como o Profibus FMS foi primeiramente planejado para atuar no nível de 
célula e atualmente já foi quase substituído pelo padrão ethernet, outros padrões 
e ferramentas foram surgindo. 
O padrão ethernet também está descendo para níveis mais baixos na 
pirâmide da automação, por esse motivo criou-se também o Padrão PROFINET 
que fornece as funcionalidades necessárias para realizar essas funções via 
ethernet. 
Na Figura 5 temos um exemplo de uso do protocolo Profibus FMS 
 
 
 
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Figura 5 – Hierarquia dos sistemas de controle e uso do Profibus FMS 
 
Fonte: Arcanjo, 2016. 
 Já na Figura 6, temos a substituição do Profibus FMS pelo PROFINET, 
atuando no mesmo nível por atuar em cima do protocolo ethernet. Muitos 
dispositivos que têm a disponibilidade para Profibus DP também têm 
disponibilidade com a interface PROFINET. 
Figura 6 – Substituiçãodo Profibus FMS pelo PROFINET 
 
Fonte: Arcanjo, 2016. 
 
 
 
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TEMA 3 – DEVICENET 
 A rede industrial DeviceNet é uma rede de nível inferior na pirâmide da 
automação que autoriza dispositivos desde os mais simples como sensores e 
atuadores até os mais complexos como CLPs e computadores. 
 É mais uma rede de protocolo aberto e bem difundida entre os fabricantes 
de dispositivos de rede. Uma organização independente chamada ODVA (Open 
Devicenet Vendor Association) atua na atualização, padronização e modos de 
difundir esse tipo de rede, que é baseada no CAN (Controller Area Network), o 
que implica que a rede DeviceNet utiliza os quadros de dados CAN. O protocolo 
CAN foi desenvolvido pela empresa Bosch nos anos 80, porém nessa data com 
o foco automobilístico. 
 O protocolo CAN também é serial e descreve os serviços da camada 2 do 
modelo OSI. Tal camada define os tipos de frames, como são detectados os 
erros que porventura aconteçam, validação e arbitragem das mensagens. 
 A rede DeviceNet é polivalente e tem sido utilizada em vários produtos 
disponibilizados por diversos fornecedores, desde atuadores inteligentes até 
mesmo IHMs (interfaces homem-máquina). Como é uma rede que suporta vários 
tipos de mensagens, trabalha de forma otimizada. A Figura 7 mostra a área de 
atuação do DeviceNet. 
Figura 7 – Faixa de aplicação de uma rede DeviceNet 
 
Fonte: Azevedo; Souza, 2017. 
 
 
 
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 Como já foi visto, o DeviceNet tem muitas características usadas no 
Protocolo CAN, então a relação entre o DeviceNet e o Modelo OSI está 
demonstrada na Figura 8. 
Figura 8 – Rede Can e DeviceNet segundo o modelo Osi 
 
Fonte: Sistema... [s.d.]. 
 A rede DeviceNet possui um barramento central onde se provem as drop 
lines, permitindo até 64 dispositivos nodais. Pode haver a retida e inserção de 
equipamentos sem desligar a alimentação da rede. Conforme o fabricante Smar 
tem uso de opto acopladores para permitir que dispositivos 
alimentados externamente possam compartilhar o cabo do barramento 
com os dispositivos alimentados pelo barramento, usa terminadores de 
121 ohms em cada fim de linha, permite conexão de múltiplas fontes 
de alimentação e as conexões podem ser abertas ou seladas. Na figura 
10 temos uma rede Devicenet exemplificando as drop lines. (Redes..., 
2014). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Figura 10 – Aplicações da rede DeviceNet 
 
Fonte: Silva Jr., 2011. 
 As topologias que podem ser usadas no DeviceNet são: 
 Branch line (conforme Figura 11) 
 Linha 
 Árvore, conforme a figura 12 
Obs: Não é usado a topologia estrela nem anel na rede Devicenet 
Figura 11 – DeviceNet em topologia Branch Line 
 
Fonte: Integra... (2010). 
 
 
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Figura 12 – DeviceNet em topologia 
 
Fonte: Integra... (2010). 
TEMA 4 – ETHERNET INDUSTRIAL 
 As empresas que usam automação atualmente fazem uso de vários 
protocolos industriais, por exemplo, no nível mais baixo Asi e entre CLPs 
Profibus. A mudança dos Fieldbuses por ethernet industrial segue um modelo de 
se unificar a tecnologia que vá desde o chão de fábrica até o nível de supervisão 
e gestão. 
 Quando a ethernet foi projetada, não tinha relação com a automatização 
na indústria, porém está sendo alterada com muito sucesso para atender aos 
pré-requisitos da comunicação de informações dentro do processo produtivo 
industrial. Esse tipo de padrão tecnológico é usado em mais de 90% das redes 
locais e é muito popular no mundo, e agora está sendo muito bem aceito no chão 
de fábrica. 
 Esse padrão foi desenvolvido pela Xerox nos anos 70, com a ajuda da 
DEC (Digital Equipment Corporation) e a Intel. Em 1985 foi aceito como padrão 
802.3 do IEEE. 
 O padrão ethernet começou com velocidades de 3Mbps, mas hoje em dia 
passam de 10Gbps, o que traz uma série de possíveis aplicações dentro do 
ambiente industrial, pois normalmente as redes industriais têm velocidades 
baixas se comparadas com o padrão ethernet. 
 Quanto ao meio físico, pode ser de três tipos: 
 
 
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 Par trançado (com blindagem) 
 Cabo coaxial 
 Fibra ótica 
Conforme a fabricante de dispositivos HP (Hewlett Packard), atualmente 
está crescendo o interesse da indústria de que o padrão ethernet seja um tipo 
de rede que possa atuar no chão de fábrica, por isso o padrão IEEE 1451, que 
promove as características de como os atuadores e sensores podem ser ligados 
diretamente a uma rede de controle. O padrão IEEE 1451 também define 
sensores e atuadores com o uso do WI-FI (Protocolo de rede sem fio de rede 
local). Esse padrão também está relacionado com a internet das coisas. 
A ethernet entrando no mundo industrial traz todas as características dos 
protocolos TCP/IP utilizados na rede mundial de computadores. Essa proposta 
está revolucionando o chão de fábrica. Essa revolução traz todos os protocolos 
usados na internet (HTTP, SNMP, etc.) para todos os níveis da pirâmide da 
automação. Toda essa avalanche de conteúdos pode mudar sensivelmente o 
modo como são trocadas as informações no chão da fábrica. 
Mas então é só colocar os equipamentos que compro na loja de 
informática num processo produtivo e estarei economizando dinheiro? A 
resposta é não. Os equipamentos que são dessa tecnologia têm vários atributos 
que devem ser levados em conta antes de colocá-los no chão da fábrica. 
 Na figura 13, temos um exemplo de um equipamento ethernet industrial, 
que é diferente do equipamento usado em redes locais comerciais. 
Figura 13 - Switch industrial 
 
Fonte: Scalance... [s.d]. 
 
 
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 Primeiramente deve-se salientar que o equipamento irá trabalhar em 
ambientes hostis e severos, por exemplo, uma fundição ou uma metalúrgica, por 
esse motivo o hardware deve ser preparado para enfrentar esse ambiente. A 
temperatura de trabalho tem outras faixas de valores. Esse equipamento 
normalmente aguenta mais calor e mais frio também. Um exemplo dessa faixa é 
um equipamento industrial que aguenta de +80°C a -40°C. Com proteção 
mecânica especial, a caixa onde se acondiciona o equipamento é diferenciada, 
tem um nível superior de proteção, pois no ambiente fabril a chance de haver 
choques mecânicos é muito maior. 
 Índice IPalto. É importante lembrar que o índice IP é o índice sobre poeira 
e água (sujeira e líquidos em geral) que possam cair no equipamento. Esse 
índice deve ser alto porque no ambiente chão de fábrica, a chance de cair poeira 
ou aspergir água também é muito maior. 
 Agora um atributo extremamente importante é a imunidade a ruídos e 
interferências eletromagnéticas. Imagine uma empresa que recicla ferro e usa 
eletricidade no processo de fundição dos materiais. O ruído eletromagnético é 
muito grande. Nesse sentido, o equipamento de rede industrial tem que estar 
bem preparado. 
 E finalmente arranjos com alta disponibilidade, ou seja, um processo 
industrial tem que ter maneiras de se prevenir em casos de problemas de 
comunicação, então a rede ethernet deve ter maneiras de prover redundância 
para situações assim. 
 Por esses motivos anteriormente citados, o protocolo ethernet deve ser 
alterado e cada vez mais pesquisado para se tornar cada vez mais atrativo para 
o chão de fábrica. 
 Todavia o cabeamento também sofre alterações por serem instalados em 
um ambiente agressivo. Algumas opções que se tem são: 
Tabela 1 – Tipos de cabos ethernet industrial 
Tipo de Cabo Velocidade da 
Rede 
Distância máxima 
sem repetidor 
Número máximo 
de elementos 
Par trançado Blindado 
10BASE-T 
10Mbps 100 metros 1024 
Par trançado Blindado 
100BASE-T 
100Mbps 100 metros 1024 
 
 
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Par trançado Blindado 
1000BASE-T 
1000Mbps 100 metros 1024 
Fibra óptica 10BASE-FL 10Mbps 2000 metros 1024 
Fibra óptica 
100BASE-FL 
100Mbps 2000 metros 1024 
Fonte: IEEE 802.3 (2018). 
 A distância máxima pode aumentar se colocarmos repetidores em todas 
as tecnologias. As redes sem fio poderiam ser citadas, porémpela imunidade a 
ruído baixa, ainda tem suas restrições para serem usadas no núcleo das 
automações. 
 Os conectores (conforme a Figura 14) também são diferenciados para ter 
proteção contra umidade, proteções mecânicas e poeira, enfim, todas situações 
corriqueiras no chão de fábrica. 
Figura 14 – conectores ethernet industrial 
 
Fonte: Conector... (2010). 
TEMA 5 – NORMAS E RECOMENDAÇÕES DE REDES INDUSTRIAIS 
 Uma troca de informações em um ambiente fabril tem várias 
particularidades e necessidades que tornam os protocolos comerciais, usados 
em escritório ou até mesmo usados em residências, inadequados. 
 Mas, para que fique otimizado, é necessário saber as características a 
que devemos nos ater quando devemos planejar uma estrutura de comunicação 
de dados industrial, por isso precisamos conhecer algumas boas práticas e as 
normas envolvidas nessa área. 
 
 
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5.1 Recomendações de redes industriais 
 O ambiente fabril é severo por causa do uso dos equipamentos que 
causam interferência eletromagnética, alteram a temperatura do ambiente, 
provocam sujeira e ruído mecânico. Além disso, a troca de dados acontece na 
maioria das vezes entre dispositivos, ou seja, o usuário participa de forma 
externa inserindo parâmetros ou supervisionando. Nesse ambiente, os tempos 
de resposta e a segurança dos dados são fatores primordiais para várias 
situações, e a grande quantidade de dispositivos conectados à rede aumenta o 
valor da rede industrial severamente. 
 Tarefas industriais na maioria das vezes precisam de sistema de controle 
e supervisão em tempo real. Um sistema de tempo real é um sistema para o qual 
é requisitada uma resposta a estímulos provenientes do ambiente dentro de 
intervalos de tempo impostos pelo próprio processo. 
 No ambiente industrial, é de extrema importância usar protocolos que 
atendam a esses requisitos, principalmente os processos que requerem tempo 
real. 
 O protocolo de acesso CSMA/CD não tem como prever se haverá colisão 
ou quantas colisões haverá, por isso tem problemas para ser implementado 
diretamente em aplicações fabris, mas para aplicações gerais em residências, 
por exemplo, é bem satisfatório. 
 Para atingir esses requisitos no ambiente industrial, podem ser usados 
métodos de acesso ao meio determinísticos. Pode-se usar métodos com a 
coordenação centralizada, por exemplo, mestre/escravo, ou podem-se usar 
métodos com a coordenação distribuída como token bus, token ring ou até 
mesmo variantes determinísticas do CSMA. 
 Quando temos aplicações industriais, um erro na comunicação de dados 
pode ser terrível e ter consequências danosas. Por isso temos que ter 
características de confiabilidade no protocolo industrial, por exemplo, um teste 
cíclico de redundância (CRC – Cyclical Redundance Check). 
 Existem várias características que devemos levar em conta quando 
vamos implementar um protocolo de redes industriais. Na Figura 15, temos 
algumas dessas características. 
 
 
 
 
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Figura 15 – Comparação de necessidades 
 
Fonte: Evolução... (2015). 
 A Figura 15 é derivada da pirâmide da automação. Por exemplo, em 
relação ao número de estações, analisemos que, no nível componente, temos 
um número grande: quanto mais sobe o nível, diminui o número de estações. 
Assim acontece com as outras características; algumas, porém, invertidas. 
5.2 Normas 
 O IEEE iniciou nos anos 80 a concepção de um projeto chamado 802, que 
determinou um conjunto de normas para os níveis físico e de enlace no modelo 
OSI. 
 Nessa proposição, a camada de enlace é dividida em duas subcamadas: 
 LLC – (Logical Link Control), camada responsável por fazer a interface 
com camada superiores; 
 MAC – (Medium Access Control), subcamada responsável por fazer 
interface com a camada física. 
Essas definições foram aceitas pelos demais organismos de 
padronização. A norma resultante é hoje reconhecida internacionalmente sob a 
designação ISO/IEC 8802. 
Esse processo definiu uma norma com 12 pedaços, chamados por IEEE 
802.1 ao 802.12. 
Exemplos dessas definições estão na figura 16. 
 
 
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Figura 16 – projeto 802 da IEEE 
 
Fonte: Evolução... (2015). 
A descrição das 12 partes está na Tabela 2 a seguir, compilados na IEEE: 
 
Parte 802 Especificidade 
802.1 Aspectos gerais e gerenciamento de rede 
802.2 Descrição da subcamada LLC da camada de enlace 
802.3 Descrição da subcamada MAC e camada Física para redes com 
topologia em barramento e método de acesso ao meio baseado 
emCSMA/CD; 
802.4 Descrição da subcamada MAC e camada Física para as redes com 
topologia em barramento e método de acesso ao meio baseado em 
token-passing (Token-Bus) 
802.5 descrição da subcamada MAC e camada Física para asredes com 
topologia em anel e método de acesso ao meio baseado em"token-
passing" (Token- Ring) 
802.6 Descrição da subcamada MAC e camada Física para asredes 
metropolitanas com DQDB (Distributed Queue Dual Bus ou 
barramento dual com filas distribuídas) 
802.7 Contém recomendações do IEEE para LANs usando Broadband. Na 
versão da ISO/IEC, define uma subcamada MAC com slotted ring e a 
camada física correspondente 
802.8 Sistemas relacionados com fibra ótica 
 
 
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802.9 IS (Integrated Services) para integrar LANs com RDSI (Rede Digital 
de Serviços Integrados, ISDN em inglês) e FDDI (Fiber Distributed 
Data Intarface) 
802.10 Aborda questões de segurança na interoperação de Redes 
(atualmente define o padrão SDE, Secure Data Exchange) 
802.11 Padroniza LANs com MAC sem fio (wireless) e a camada física 
correspondente (transceivers de rádio) 
802.12 Método de acesso com demanda priorizada (DPA, Demand Priority 
Access) e camada física correspondente 
Fonte: Evolução... (2015). 
FINALIZANDO 
 As redes industriais não param de crescer. Até um tempo atrás eram 
isoladas dentro de pequenos processos. Essas redes eram, na maioria das 
vezes, constituídas de padrões fechados. Entretanto atualmente novas 
demandas agiram para que novas soluções de padrão aberto e com maior 
flexibilidade crescessem. 
 Por isso devemos conhecer diversas soluções para implementá-las no 
chão de fábrica. 
 Nesse sentido, foram estudas os seguintes padrões: Profibus DP e PA, 
Profibus FMS, DeviceNet, Ethernet industrial e Normas e recomendações de 
redes industriais. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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REFERÊNCIAS 
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<https://brainly.com.br/tarefa/12276688>. Acesso em: 10 mar. 2018. 
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