Redes Industriais

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Redes Industriais 
Prof. Fernando Sermenho do Nascimento 
 
 
Apostila 4 
 
Redes Industriais – Principais Conceitos 
Durante a década de 50 foram introduzidos os conceitos de transmissão de 
dados ou informações representadas por sinais analógicos de 4-20mA. Nos anos 80 
surgiu a transmissão digital de dados e o uso de microprocessadores, implementando 
os chamados protocolos de comunicação de redes. Atualmente, devido ao seu grande 
avanço tecnológico, as redes de automação são largamente utilizadas, apresentando 
vantagens em relação a sistema convencionais de cabeamento: diminuição da fiação, 
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. (Fonte: 
SMAR). 
Redes Industriais são utilizadas nas indústrias com o intuito de permitir a 
comunicação entre controladores (ex: IPC, SDCD, PAC), entre controladores, sensores 
e atuadores, entre controladores e sistema de supervisão (ex: SCADA, IHM) e entre 
controladores e níveis superiores da gestão da fábrica. 
- PAC Programmable Automation Controller; 
- IPC: Industrial Process Controller; 
- SDCD: Sistema digital de controle distribuído; 
- SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition; 
- IHM: Interface Homem Máquina. 
- ERP – Enterprise Resourse Plannig (Planejamento de Recursos Empresariais), 
são softwares complexos para controle de vários departamentos. 
- MES – Manufacturing Execution Systems (Sistemas Integrados de Controle da 
Produção). 
 
➢ Características das redes industriais: 
- Alta confiabilidade; 
- Alta imunidade a interferências; 
- Baixa latência; 
- Dispositivos específicos para automação (ex: CLP, sensor, atuador) 
- Requisitos diferenciados para aplicações diversas 
 
➢ Vantagens de uma rede industrial de automação: 
- Redução da quantidade de cabos; 
- Aumento da quantidade de informações; 
- Configuração e diagnóstico da rede; 
- Conectividade e integração dos dispositivos; 
- Interoperabilidade entre dispositivos de fabricantes diferentes, por usar padrões 
abertos. 
 
➢ Pirâmide de Automação 
Com a aplicação de tecnologias de software, de hardware e de equipamentos 
específicos nos processos produtivos, a automação industrial nos dá a possibilidade de 
controlar os processos por meio de maquinário capaz de se autorregular, aumentando 
a autonomia dos processos de fabricação e reduzindo ao máximo o esforço humano na 
cadeia de valor. 
Para isso, a automação industrial deve ser regida por uma lógica, a chamada 
"pirâmide de automação industrial" (figura abaixo). Trata-se de uma representação 
visual que visa organizar os cinco níveis de controle e de trabalho existentes no setor 
industrial e como tudo se relaciona na prática. Por meio dessa estrutura, é possível ter 
um panorama dos diferentes níveis de controle e monitoramento do ciclo produtivo. 
Atualmente, além da integração entre os níveis operacionais e administrativos, já é 
possível integrar diversas pirâmides entre as indústrias de um mesmo grupo, para que 
possam "se comunicar". 
 
Fonte: https://www.logiquesistemas.com.br/blog/piramide-de-automacao-industrial/ 
Arquitetura de automação conforme ISA-95 
(ISA: International Society of Automation) 
 
✓ NÍVEL 1 (Base da Pirâmide) – Aquisição de Dados 
O nível mais baixo da pirâmide é o "chão de fábrica", etapa de aquisição de 
dados e controle manual, onde se encontram máquinas e componentes da planta e 
equipamentos que executam controle automático distribuído - dispositivos de campo, 
sensores digitais e analógicos, transmissores, atuadores, inversores de frequência, 
conversores, sistemas de partida e Centro de Controle de Motores. 
• Sensor 
É um dispositivo que “sente” algo, ou seja, ele é capaz de detectar mudanças 
nas propriedades físicas, elétricas ou químicas, produzindo uma saída elétrica em 
respostas a essas mudanças. 
https://en.wikipedia.org/wiki/International_Society_of_Automation
 Exemplos de sensores: Nível, Temperatura, Fluxo, Pressão, VelocIdade e 
Posição.
 
Fonte: RealPars 
 
Os sensores se classificam em Ativos e Passivos. 
Sensores ativos são aqueles que não precisam serem energizados 
eletricamente (eles próprios geram uma tensão), enquanto os passivos, precisam. 
 
Vídeo: Sensores Conceitos Básicos 
 
• Atuador 
Em linhas gerais, um atuador é um dispositivo que faz algo se mover ou operar. 
O atuador recebe uma fonte de energia e a usa para mover algo. Em outras 
palavras, ele converte essa energia em movimentos físicos. 
Os três tipos de fontes de energia são: Elétrica, Hidráulica e Pneumática. 
Atuadores típicos usados na indústria são: Motores Elétricos, Motores Hidráulicos e 
Válvula de Controle Pneumática. 
 
Fonte: RealPars 
Vídeo: Atuadores Conceitos Básicos 
 
https://www.youtube.com/hashtag/realpars
https://www.youtube.com/hashtag/realpars
 
 
✓ NÍVEL 2 – Controle do Processo 
No segundo nível se encontram os equipamentos que executam o controle 
automático centralizado ou não das atividades de planta (como o Controlador Lógico 
Programável - CLP, Sistema Digital de Controle Distribuído - SDCD, relés). Neste nível 
há uma troca grande de informações entre os dispositivos com considerável 
inteligência, onde podem ser indicadas as diretrizes de automação do sistema de 
controle. 
• Controlador Lógico Programável (CLP) 
Conforme a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) o Controlador 
Lógico Programável é um equipamento eletrônico digital, com hardware e software 
compatíveis com aplicações industriais. Segundo a National Electrical Manufacturers 
Association (NEMA), é um aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória 
programável para armazenar internamente instruções e para implementar funções 
específicas, tais como lógica, sequenciamento, temporização, contagem e aritmética, 
controlando, por meio de módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas ou 
processos. 
O controlador possui um sistema operacional de tempo real, para controle de 
processos de alto risco, comum em indústrias, e um hardware que deve suportar 
condições extremas de trocas temperatura, umidade, pressão, entre outras situações 
as quais um computador padrão não suportaria. 
o Composição básica do Controlador Lógico Programável (CLP): 
- Fonte de Alimentação 
- Processador 
- Módulos de Entrada e Saída 
 
https://pt.wikipedia.org/wiki/ABNT
https://pt.wikipedia.org/wiki/NEMA
 
Fonte: RealPars 
Vídeo: CLP Conceitos Básicos 
 
✓ NÍVEL 3 – Supervisão e Monitoramento 
No terceiro nível ocorre a supervisão dos processos produtivos e é onde podem 
ser encontrados os bancos de dados com informações sobre qualidade da produção, 
relatórios e estatísticas. 
Trata-se da integração da pirâmide por meio de sistemas supervisórios que 
concentram as informações (bancos de dados, local onde é realizado o 
armazenamento de informação de toda a produção) passadas pelos equipamentos dos 
níveis 1 e 2 e as repassam para os níveis 4 e 5, que são administrativos. Para isso, 
utiliza informações relativas ao processo, como por exemplo, índices de produtividade 
e algoritmos de otimização. 
 
• Interface Homem-Máquina (IHM) 
É uma máquina utilizada para permitir a operação ou monitoramento de 
dispositivos usados nas redes de automação industrial, baseada em programas de 
computador (softwares) que podem realizar diversas funções ou também obter 
informações oriundas do CLP. IHM e CLP normalmente trabalham em conjunto. 
Muitas vezes a IHM se apresentará como uma tela de um computador, sendo 
em alguns casos touch screen. Informações como temperatura ou pressão podem ser 
obtidas através da IHM. 
 
Fonte: RealParsVídeo: IHM Conceitos Básicos 
 
https://www.youtube.com/hashtag/realpars
https://www.youtube.com/hashtag/realpars
• Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA) - Sistema de Supervisão e Aquisição 
de Dados 
 Sistema que utiliza software para monitorar e supervisionar as variáveis e 
os dispositivos de processos industriais, não industriais e equipamentos 
conectados através de servidores/drivers de comunicação específicos. 
Vídeo: O que é o sistema supervisório SCADA 
 
✓ NÍVEL 4 – Gerenciamento da Planta 
O nível 4 é responsável pelo planejamento e programação da planta, 
repassando as tarefas que devem ser realizadas para o nível 3, além de realizar o 
controle e logística de suprimentos. Com tecnologia avançada, neste nível ocorre o 
compartilhamento de informações com foco corporativo, em especial para a área de 
vendas e gestão financeira. 
 
✓ NÍVEL 5 (Topo da Pirâmide) – Administração de Recursos 
O topo da pirâmide tem foco na parte administrativa de todo o ciclo produtivo. 
Neste nível é realizado o gerenciamento dos recursos financeiros da empresa por meio 
da utilização de softwares especializados que focam na gestão de venda, gestão 
financeira e Business Intelligence. 
As tecnologias e os computadores utilizados nos níveis 4 e 5 devem ser 
altamente confiáveis e ter uma grande memória para o armazenamento de dados e 
grande capacidade de processamento. Além disso, precisam contar com redundância 
de máquina e de disco rígido, além de restrito acesso para garantir a segurança de 
todo o sistema de automação. 
 Vídeo: Seis passos para entender automação industrial 
 
➢ Redes industriais 
 
https://pt.wikipedia.org/wiki/Software
➢ Sensorbus 
Como o próprio nome indica, a sua principal é função é conectar as redes de sensores digitais e 
atuadores. O protocolo transmite dados de pequeno tamanho à rede, exigindo um processamento 
mínimo por parte do sensor. Eles não buscam cobrir longas distâncias: a preocupação aqui é manter os 
custos de conexão os mais baixos possíveis. Por isso, os equipamentos necessários são mais simples. 
Na prática, o sensorbus leva a informação dos sensores conectados aos cartões de entradas e 
saídas até o Controlador Lógico Programável (CLP), que é um computador industrial projetado para 
comandar e monitorar processos industriais. As redes mais utilizadas no ambiente industrial são as 
chamadas ASI e Interbus. 
• Categorias dos Protocolos de Campo: 
• 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. 
 
➢ Devicebus 
A função desse protocolo é intermediar a transferência de dados entre o Sensorbus e o Fieldbus. 
Seu objetivo é fazer com que os sinais analógicos – como transmissores – e os digitais levem dados do 
chão de fábrica ao CLP. 
Seu controle de malhas é sobre variáveis de processo, como pressão, nível, vazão, temperatura 
etc. É capaz de cobrir distâncias de até 500m e faz rápidas transferências de dados. Para indústrias, são 
recomendáveis as Modbus, Profibus DP e Devicenet. 
Estes protocolos já são mais familiares, não só porque já estão mais difundidos, mas também 
porque encontramos um número maior de aplicações como, por exemplo, em controles de CCM (Centro 
de Comando de Motores). 
• Categorias dos Protocolos de Campo: 
• 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. 
 
➢ Fieldbus 
Se caracterizam pela possibilidade dos dispositivos se comunicarem em rede e suportarem 
aplicações de diferentes processos. As principais características das redes industriais fieldbus são as 
seguintes: 
I. Comunicação serial - As redes industriais fieldbus podem apresentar um sistema de 
comunicação serial do tipo two-way digital, capazes de interconectarem equipamentos de 
campo (field, em inglês) como sensores, atuadores e controladores. 
II. Versatilidade - Sistemas com redes industriais fieldbus devem ser configuradas através 
de Local Area Network - LAN caso seja utilizada para instrumentos utilizados em automação de 
processos ou m automação de manufaturas. 
III. Controle do processo produtivo - Várias funções de sistemas de controle são possíveis 
graças as possibilidades das redes industriais fieldbus. A instalação pode contar com entrada 
analógica, saída analógica e controle proporcional, integral ou derivativo. 
IV. Economia de sistema de infra-estrutura - As redes fieldbus de uso industrial permite que 
vários dispositivos sejam conectados em um único par de fio, facilitando assim a infra-estrutura 
demandada. Essa característica das redes industriais fieldbus se converte também em menor 
possibilidade de falhas no sistema de comunicação. 
 
➢ Terminologias 
• Industrial Comunication Network ICN (Redes industriais) 
• Fieldbus: FB (Rede de campo) 
• Industrial Ethernet: IE 
• Industrial Wireless: IW 
 
 
Fonte: https://revista-automacao.com/news/17595-hms-networks-apresenta-an%C3%A1lise-anual-do-mercado-de-redes-
industriais 
O estudo inclui a estimativa da HMS para 2019 baseada no número de novos nodos instalados em 2018 
no âmbito da Automação de Fábricas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
https://revista-automacao.com/news/17595-hms-networks-apresenta-an%C3%A1lise-anual-do-mercado-de-redes-industriais
https://revista-automacao.com/news/17595-hms-networks-apresenta-an%C3%A1lise-anual-do-mercado-de-redes-industriais
Normas 
Redes industrias são normalizadas via padrões abertos internacionais 
- IEC 61158 Industrial Communication Networks Fieldbus Especification 
- IEC 61784 Industrial Communication Networks Profiles 
Fonte: exsto 
 
Tecnologia Variações Tipos 
Organização 
Regulamentadora Norma 
 
Foudantion Fieldbus (FF) 
H1 FB 
Foudantion Fieldbus IEC 61158 HSF IE 
H2 FB 
CIP (Common Industrial 
Protocol) 
ControleNet FB 
ODVA (Open Device 
Vendor Association) 
IEC 61158 
Ethernet/IP IE 
Ethernet IP 
TSN IE 
DeviceNet FB 
PROFINET / PROFIBUS 
Profibus DP FB 
PI (Profibus 
International) 
IEC 61158 
Profibus PA FB 
PROFINET 
CBA IE 
PROFINET IO IE 
EtherCAT IE 
IAONA (Industrial 
Automation Open 
Networking 
Association) 
IEC 61158 
ETHERNET Powerlink IE IAONA IEC 61158 
Modbus 
MODBUS TCP IE 
Modbus Organization IEC 61158 MODBUS 
RTPS FB 
ISA100 WL 
ISA ( International 
Society of 
Automation) 
IEC 62734 
HART (Highway 
Addressable Remote 
Transducer) 
HART FB 
FieldComm Group IEC 62591 WirelessHART WL 
HART IP IE 
Asi (Atuador Sensor 
Interface) FB 
AS-Interface 
organization IEC 62026-2 
IO Link FB 
PI (PROFIBUS 
International) IEC 61131-9 
CANOpen FB 
CiA (CAN in 
Automation) 
 
 
 
➢ Comparação Redes de Computadores x Redes de Automação 
 
• Redes de computadores 
• Um conjunto de computadores autônomos interconectados 
• Concebidas para troca de informação entre pessoas 
• Elementos da rede ( tem recursos e funções similares) 
 
• Redes industriais 
• Redes utilizadas na indústria para permitir a comunicação entre controlador ( SDCD, PAC) e 
dispositivos sensores e atuadores, entre controlador e controlador e entre controladores e 
níveis superiores da gestão da fábrica ( sistemas MES e ERP, etc• Sempre pensado para troca de informações entre dispositivos 
• Espera-se elementos da rede com recursos e funções diferenciados 
 
 
➢ Algumas características das redes de computadores e de automação 
 
 
Fonte: exsto 
 
➢ Principais características das redes industriais 
• Baixa latência 
• Perda de dados é aceitável se for mantida a cadência 
• Redução de overhead 
• Endereçamento local 
• Dispositivos com recursos computacionais limitados 
 
 
 
 
 
➢ Redes industriais e a camada física 
• Fio metálico 
• Ar 
• Fibra óptica 
• Cabo STP (Shielded Twisted Pair) - PROFINET 
 
• Cabo UTP (Unshielded Twisted Pair) - ETHERNET 
 
• ASi 
 
 
• Conector M12 -IO Link 
 
 
• Multivias blindado – MODBUS, CAN 
 
• Fibra óptica 
 
• RS-232 
Esse padrão usa transmissão serial, onde os bits são enviados um a um sobre um fio que interliga 
o transmissor do receptor. A transmissão é assíncrona, ou seja, não há transmissão de um sinal de clock. 
Os sistemas devem ter as velocidades de recepção e transmissão configuradas igualmente. Cada fio só 
carrega sinais numa direção. Para a comunicação bidirecional são necessários dois fios, normalmente 
chamados de Rx e Tx. O sinal é desbalanceado, ou seja, temos um terra comum ao Rx e Tx. 
O RS232 utiliza o sistema binário (1 e 0) para transmitir dados em formato ASCII (American 
Standard Code for Information Interchange) e este código é capaz de traduzir um código legível pelos 
humanos (letras e números) em códigos legível pelos computadores (1 e 0). A maioria dos CLPs de 
mercado possuem porta serial que são utilizadas para transmitir/receber dados em forma 
de tensão (+/-15 volts), onde a tensão positiva é chamada de MARK e a tensão negativa é chamada de 
SPACE. 
Existem 2 tipos de dispositivos RS232. O primeiro é chamado de dispositivo DTE (Data Terminal 
Equipment) e um exemplo típico deste dispositivo é o computador. O outro tipo é o DCE (Data 
Communications Equipment) e um exemplo típico é o antigo modem. O CLP pode tanto ser tratado 
como DTE, quanto DCE, dependendo do fabricante. 
A porta serial opera ligando alguns pinos enquanto desliga outros e cada um destes pinos 
possuem uma finalidade específica. A porta serial por sua vez possui 2 tipos (9 pinos ou 25 pinos). 
Abaixo podemos ver uma figura com os 2 tipos de pinagem. 
 
Na tabela abaixo, podemos ver a finalidade de cada pino nos 2 diferentes conectores na comunicação 
RS232: 
 
Na comunicação RS232, quando os dispositivos são do mesmo tipo e o cabo a ser 
ligado for comum, eles simplesmente não conseguem comunicar entre si. A solução então 
para este caso é inverter os cabos de forma com que o pino 2 do primeiro dispositivo seja 
ligado no pino 3 do segundo e o pino 3 do primeiro no pino 2 do segundo, conforme 
imagem abaixo. 
 
• RS-485 
O padrão RS-485 (Recommendad Standart-485) ou EIA-485 (Electronic Industries Alliance-485) foi 
aprovado em 1983 pela EIA (Electronics Industries Association) como um novo meio de transmissão de 
dados por cabeamento, sendo largamente aceito em praticamente todo tipo de indústria como: 
equipamentos médicos, automação industrial, embarcações, laboratórios, robótica, sistemas de ar 
condicionado e muitas outras aplicações. As caraterísticas mecânicas dos conectores elétricos não são 
abordadas pelo padrão, sendo possível adotar diversos tipos diferentes conforme a necessidade da 
aplicação. A utilização estratégica do sinal diferencial permite uma filtragem eficiente dos ruídos 
captados pelo cabo ao longo de seu comprimento, tornando o padrão RS-485 robusto a interferências. 
Outra vantagem do sinal diferencial é sua imunidade a variação do potencial de terra dos diferentes 
dispositivos da rede. Pequenas variações no potencial de terra não prejudicam a comunicação. 
 
A topologia utilizada pelo padrão RS-485 é a de barramento ou sua variante daisy chain e permite 
a adição e remoção de dispositivos sem influenciar outros dispositivos que já estejam em operação. 
Sendo um padrão multiponto, é possível adicionar vários dispositivos na mesma rede, diferente do 
padrão RS-232, onde apenas é admitida a comunicação entre dois dispositivos. RS485 é a única interface 
capaz de interconectar múltiplos transmissores e receptores na mesma rede. Quando utilizados 
receptores no padrão RS485 com a resistência de entrada de 12kΩ, é possível conectar até 32 
dispositivos diferentes na rede sendo que resistores com alta resistência disponíveis atualmente no 
mercado permitem a RS485 expandir para 256 dispositivos. Ainda nesta comunicação, repetidores 
também estão disponíveis que fazem este número crescer para milhares de dispositivos por milhares de 
quilômetros. Outro ponto importante é que esta interface não requer um hardware inteligente na rede 
e a implementação pelo lado do software não é muito complexa se comparada à RS232. Esta é uma 
razão pela qual a RS485 é tão popular nos computadores industriais, CLPs, micro controladores e 
sensores inteligentes. 
 
• Comunicação Serial Assíncrona 
 
 
Fonte: exsto 
 
Fonte: exsto 
 
Quanto maior for a distância, maior será a distorção do sinal e menor será a taxa de transmissão. 
 
 
Taxa de transmissão=1/tb 
 
➢ Propriedades das Redes Industriais 
• Redes Determinísticas: sabe-se o tempo de chegada de uma mensagem ou consegue-se fazer 
leituras dos dados em períodos conhecidos ou ainda, sabe-se o tempo de resposta da rede. Uso 
de técnicas de acesso ao meio que evite colisões, são normalmente determinísticas. 
• Redes Probabilísticas: não se sabe com certeza o tempo de chegada de uma mensagem ou não 
se consegue fazer leituras dos dados em períodos definidos ou ainda, não se sabe-se com 
certeza o tempo de resposta da rede. CSMA-CD é um tipo de acesso ao meio usado em redes 
probabilísticas. A Internet é um exemplo de rede probabilística. 
 
 
➢ Overhead 
• Carga adicional de dados a ser transportada na mensagem. Em geral, são adicionados pelos 
protocolos. 
 
Fonte: exsto 
 
 
Fonte: exsto 
 
• Overhead com o uso do HTTP e do MODBUS 
 
Fonte: exsto 
 
➢ Throughput ou vazão de dados 
o No exemplo do protocolo MODBUS acima, numa rede de 10 Mbps teríamos 7,1% sendo 
usados para transmitir os dados ou informações do MODBUS (710 Kbps) e 92,9% sendo 
usados para transmistir o overhead (9,29 Mbps). 
o Gráfico Utlização do canal Ethernet x Número de estações 
 
 
 Overhead diminui 
 
 Overhead aumenta 
▪ Quanto maior for a quantidade de bytes de informação a ser transmitida, maior 
será o throughput e a eficiência de utilização do canal Ethernet. 
 
➢ Latência 
o Tempo da transmissão dos dados entre dois pontos. 
o Tempo de propagação no meio (ex: velocIdade da luz = 300.000 Km/s) 
o Tempo de transmissão (associado a velocidade de transmissão do canal) (ex: link de 100 
Mbps) 
o Tempo de processamento nos elementos da rede (ex: roteador, switch) 
▪ Exemplo: calcular a latência de um pacote de dados entre dois elemntos de uma 
rede LAN, com as seguintes características: 
• Meio físico: cabo de par trançado UTP 
• Distância dos componentes da rede até o switch= 20m 
• Velocidade de transmissão da rede = 100 Mbps 
• Tempo de processamento do switch = 50 μS 
Solução: 
• Tempo de propagação no meio = considerando a velocidade da luz 
teremos 0,066 μS para o sinal ir do elemento 1 até o switch (20 m de 
distância) e esse mesmo tempo para o sinal ir do switch até o elemento 
2 (20 m de distância). Templ total de propagação no cabo UTP=0,132 μS 
. 
• Geralmente, as redes industriais trabalham em ambiente de rede local devido a baixa 
latência (switch tem menorlatência do que o roteador).