2 - Sala de Aula _ Estacio

Prévia do material em texto

Redes Industriais e Sistemas Supervisórios
Aula 2: Características, meios de transmissão, algoritmos de
redes
Apresentação
Uma rede de comunicação possui características referentes aos métodos de�nidos para realizar o envio e/ou recepção de
informações. Essas características determinam a maneira como os bits de uma mensagem serão enviados e recebidos
na rede. Outro fator importante a se analisar é que, durante o processo de comunicação, erros podem ocorrer, e por isso
se faz necessário o uso de métodos de detecção e correção de erros.
Além disso, para que seja possível interligar dois nós em uma rede de comunicação é preciso um meio de transmissão.
Diversos meios de transmissão foram desenvolvidos ao longo da história, alguns fazendo uso de meios guiados, como
�os de cobre, e outros usando formas não guiadas, como ondas eletromagnéticas. A escolha do meio de transmissão
costuma levar em consideração uma série de fatores, desde o custo até características como velocidade de transmissão
de dados e imunidade a interferências eletromagnéticas.
Outra questão importante para a estruturação de uma rede de automação industrial é a escolha da topologia de rede a ser
aplicada. A topologia de rede escolhida determinará, entre outras coisas, o modo como os dados serão passados para os
nós (a partir de um nó central ou através de um barramento, por exemplo) e até mesmo a suscetibilidade da rede no caso
de um problema (como a possibilidade de toda a rede parar caso o nó central de uma rede em estrela apresente
problemas).
Nesta aula, apresentaremos os principais meios de transmissão utilizados e as principais topologias aplicadas no
momento de interligar os nós de uma rede.
Objetivos
Determinar as características da comunicação em rede;
Analisar os diferentes meios de transmissão guiada e não guiada;
Identi�car as principais topologias utilizadas nas redes industriais.
Características da transmissão na rede
A comunicação entre os diferentes dispositivos de uma rede é realizada a partir do envio e recebimento de mensagens,
compostas por conjuntos de bits, que devem ser enviados de maneira ordenada e padronizada. A transmissão de bits pode ser
paralela, que ocorre através de várias vias ao mesmo tempo, ou serial, em sequência através de uma mesma via. O método
mais utilizado para a transmissão é o serial.
 Fonte: Shutterstock
Quando utilizada a transmissão serial, a comunicação (envio e/ou recebimento de mensagens) pode ser feita de três formas:
simplex, half-duplex e full-duplex. No simplex a comunicação é sempre unidirecional. Quando aplicado o método half-duplex, há
tanto o envio quanto o recebimento de informações, porém isso deve acontecer em momentos distintos por existir apenas uma
via de comunicação. Já o método full-duplex permite o envio e o recebimento de informações de maneira simultânea, devido
ao uso de mais de uma via de comunicação (uma para o envio e outra para o recebimento).
Outro aspecto a ser analisado é o sincronismo da transmissão, que pode ocorrer de maneira assíncrona ou
síncrona. A transmissão assíncrona acontece caractere a caractere, sem a necessidade da sincronização entre o
transmissor e o receptor. Nesse tipo, o canal de comunicação �ca em “repouso” até que seja necessário o envio de
uma mensagem. Já na transmissão síncrona, a informação é enviada de modo contínuo, sem intervalos. Para esse
tipo de transmissão se faz necessário um sincronismo entre transmissor e receptor.
Em uma rede outro fator importante é o enquadramento das mensagens a serem enviadas na rede, que consiste em delimitar o
início e o �nal do quadro de mensagens e também incluir caracteres de controle necessários. As principais funções do
enquadramento são: delimitar o início e o �nal do quadro; realizar a contagem de caracteres; preencher caracteres ou bits; e
analisar violações de enquadramento.
Durante esse processo de comunicação também podem ocorrer erros. Logo, para que ocorra uma comunicação sem erros se
faz necessário o uso de métodos de detecção e correção de possíveis falhas.
A correção de erros pode ser feita por dois métodos: no primeiro, indicado com a sigla FEC, o próprio código de
detecção carrega informações para corrigir o erro; já no segundo, indicado com a sigla ARQ, quando detectado um
erro dispara-se uma solicitação para que a mensagem seja enviada novamente e assim se recupere a informação
sem erro.
Meios de transmissão
Para que seja possível interligar dois nós em uma rede de comunicação, utiliza-se um meio de transmissão, que é o caminho
pelo qual os dados trafegam entre os nós de uma rede.
 Fonte: Shutterstock
Quando formado um enlace, este utiliza um meio de transmissão, o qual pode ser:
1
Par trançado
2
Cabo de par trançado
3
Cabo coaxial
4
Fibra ótica
5
O espaço (comunicações sem �o — wireless)
Par trançado
O par trançado é um dos principais meios guiados de transmissão e pode ser apresentado também como o de menor custo,
dependendo da categoria do cabo utilizado. Porém, assim como qualquer meio de transmissão, ele apresenta suas limitações.
O par trançado consiste em um par de condutores de cobre cobertos
com camada isolante (encapados) e trançados (torcidos). Esses �os
são trançados com o objetivo de reduzir a interferência
eletromagnética induzida no par, proveniente de motores, lâmpadas
�uorescentes, descargas atmosféricas ou qualquer outra fonte de
ruído.
Devemos observar que estamos nos referindo apenas ao par trançado formado por somente um par de �os. Ainda não nos
referimos aos cabos de pares trançados, compostos por quatro pares trançados.
Onde o par trançado é geralmente utilizado?
O par trançado é amplamente utilizado, seja nas redes telefônicas, nas redes industriais e na comunicação serial de diversos
equipamentos eletrônicos, quando a distância é relativamente grande (dezenas de metros).
Quando nos referimos a transmissões de dados digitais, os pares trançados podem chegar a alcançar taxas acima de 1 Gbps
em distâncias de dezenas de metros. Eles também podem chegar a distâncias maiores, acima de 1000 metros, porém nesses
casos as taxas de transmissão se limitarão a valores menores, como 100 kbps.
Cabo de par trançado
O cabo de par trançado, ou cabo TP (twisted pair), é formado por quatro pares trançados, envoltos com isolamento plástico.
Esses cabos podem ser do tipo blindado ou não blindado, e com relação ao uso da blindagem eles se dividem da seguinte
forma:
01 UTP (unshielded twisted pair): Cabo sem blindagem.
02
FTP (foiled twisted pair): Este é o tipo mais simples de blindagem. Nele uma �na folha de aço ou de liga de alumínio
envolve todos os pares do cabo, protegendo-os contra interferências externas, mas sem fazer nada em relação à
interferência entre os pares de cabos.
03
STP (shielded twisted pair): Usa uma blindagem individual para cada par de cabos. Isso reduz a interferência entre os
pares de cabos e melhora a tolerância do cabo quanto à distância. Pode ser usado em situações em que for
necessário crimpar cabos fora do padrão, com mais de 100 metros.
04
SSTP (screened shielded twisted pair): Combinam a blindagem individual para cada par de cabos com uma segunda
blindagem externa, envolvendo todos os pares, o que torna os cabos especialmente resistentes a interferências
externas.
Em um cabo de par trançado, a blindagem é utilizada apenas para proteger contra interferências eletromagnéticas.
Atenção
Essas interferências podem afetar de maneira signi�cativa o sinal transmitido, e por isso o uso da blindagem é altamente indicado
em locais sujeitos a campos eletromagnéticos (motores elétricos, compressores de ar-condicionado, subestações, linhas de
energia).
Os cabos de par trançado podem ser classi�cados em categorias que determinam alguns parâmetros, como frequência
máxima suportada e taxa máxima de transmissão.
Essas categorias são independentes da classi�cação de blindagem, podendo um cabo ser blindado ou não
independente da categoria.
Elas são:
01Categorias 1 e 2: Eram recomendadas para a comunicação de voz e dados até 9,6 Kbps. Atualmente estão fora de uso
e não são mais reconhecidas pela TIA (Telecommunications Industry Association). Eram utilizadas em instalações
telefônicas e de dados antigas.
02 Categoria 3: Características de desempenho para cabeamento e conexões em transmissões de dados e voz navelocidade de até 10 Mbps. Agora é usada somente em cabos telefônicos.
03 Categoria 4: Características de desempenho para cabeamento e conexões em transmissões de dados e voz navelocidade de até 16 Mbps. Raramente é utilizada.
04 Categoria 5: Suporta frequências de até 100 MHz. Utilizada em aplicações de redes locais de 100 Mbps e até mesmode 1000 Gbps (1 Gbps). Instalações novas devem usar Cat5e ou superior.
05
Categoria 5e: Nesta categoria a letra “e” signi�ca enhanced (melhorada). Trata-se de uma versão melhorada quanto às
características dos materiais utilizados na categoria 5, permitindo melhor desempenho. É especi�cada para redes de
entre 100 Mbps e 1000 Mbps.
06
Categoria 6: Características para desempenho especi�cadas até 250 Mhz. Foi originalmente desenvolvida para ser
usada em redes de 1000 Mbps, mas, com o desenvolvimento do padrão para cabos categoria 5e, sua adoção acabou
sendo retardada. Embora os cabos categoria 6 ofereçam uma qualidade superior, o alcance continua sendo de apenas
100 metros. Podem ser usados em redes 10 Gbps, mas nesse caso o alcance é de apenas 55 metros.
Conectores e código de cores (padrões T568A, T568B):
Os conectores RJ45 são os utilizados para cabos TP nas redes locais e em diversas outras aplicações que utilizam esse tipo de
cabeamento. Os códigos de cores, de�nidos nos padrões T568A e T568B, indicam como deve ser feita uma interligação correta
entre equipamentos diferentes. Em uma ligação entre equipamentos diferentes (por exemplo, um PC e um switch), é utilizado
um cabeamento simples. Já para a ligação entre dois equipamentos do mesmo tipo (por exemplo, dois PCs), deve ser utilizado
um cabeamento crossover.
Cabo coaxial
O cabo coaxial consiste em um �o de cobre rígido formando o núcleo, envolto por um material isolante que, por sua vez, é
envolto em um condutor cilíndrico, frequentemente na forma de uma malha cilíndrica entrelaçada. Além disso, o condutor
externo é coberto por uma capa plástica protetora.
O cabo coaxial consiste em um �o de cobre rígido formando o núcleo, envolto por um material isolante que, por sua vez, é
envolto em um condutor cilíndrico, frequentemente na forma de uma malha cilíndrica entrelaçada. Além disso, o condutor
externo é coberto por uma capa plástica protetora.
Existem dois principais tipos de cabos coaxiais.
O primeiro é conhecido como cabo coaxial �no (10base2) e tem uma impedância de 50 ohms, sendo também chamado de
cabo coaxial em banda base. Ele possui uma taxa de transmissão em torno de 10 Mbps e é recomendado para distâncias de
até 185 metros.
O segundo é conhecido como cabo coaxial grosso (10base5), com impedância de 75 ohms, e também é chamado de cabo
coaxial em banda larga. Esse tipo de cabo possui maior resistência a interferências eletromagnéticas e sofre menos
atenuações. O cabo coaxial grosso pode ser utilizado em distâncias acima de 500 metros, e sua taxa de dados a 1 quilômetro
pode chegar a 2 Gbps, porém ele apresenta maior di�culdade de instalação devido à sua baixa maleabilidade.
O isolamento contra interferências eletromagnéticas é dado pela malha metálica. A malha metálica circular cria uma gaiola de
Faraday, isolando desse modo o condutor interior de interferências. O inverso também é verdadeiro, ou seja, frequências e
dados que circulam pelo condutor não conseguem atingir o exterior graças ao isolamento da malha, e assim não interferem em
outros equipamentos.
Fibra ótica
Os sistemas de transmissão por �bra ótica se baseiam na transmissão de feixes de luz através de �os de vidro oticamente
puros. Um sistema de transmissão ótico possui três componentes: o emissor de luz, o meio de transmissão e o detector.
Geralmente a codi�cação é baseada no fato de um pulso de luz indicar um bit 1, e a ausência de luz representa um bit zero.
O emissor tem o papel de transformar um sinal elétrico em um sinal
de luz, o qual é enviado pelo meio de transmissão, a �bra ótica. Já o
detector tem a função de receber o sinal luminoso e transformá-lo em
um sinal elétrico.
Quando instalamos uma fonte de luz em uma extremidade de uma �bra ótica e um detector na outra, temos um sistema de
transmissão de dados unidirecional (simplex) que aceita um sinal elétrico e o converte, transmitindo pulsos de luz. Na
extremidade de recepção, a saída é reconvertida em um sinal elétrico.
Transmissor ótico 
 
Este utiliza um diodo laser (LD) ou diodo emissor de luz (LED) para converter os sinais elétricos em sinal luminoso.
Receptor ótico 
 
O receptor ótico compõe-se de um dispositivo fotoelétrico e de um estágio eletrônico de ampli�cação e �ltragem.
O dispositivo fotoelétrico é responsável pela detecção e conversão do sinal luminoso em sinal elétrico.
Mas a�nal, o que é �bra ótica?
A �bra ótica é um �lamento de vidro de sílica ou de materiais polímeros oticamente puros, projetado para transmitir luz.
 Fonte: shutterstock
O volume de refração depende das propriedades dos dois meios
físicos (em particular, de seus índices de refração).
Nos ângulos cuja incidência ultrapasse determinado valor crítico, a luz é re�etida de volta para a sílica, e nada escapa para o ar.
Dessa forma, um feixe de luz que incide em um ângulo crítico, ou acima dele, é “aprisionado” na �bra. Esse feixe pode se
propagar por muitos quilômetros sofrendo poucas perdas.
Além disso, esse tipo de transmissão é imune a interferências eletromagnéticas, visto que a �bra transmite luz e não corrente
elétrica.
Outra vantagem da transmissão por �bra ótica é a taxa de transmissão, podendo passar de 50 Tbps.
Porém, durante o uso para transmissão de dados fora de laboratórios, a taxa é limitada a alguns Gbps, pois ainda não se
consegue converter os impulsos elétricos em óticos (e vice-versa) a uma velocidade maior.
Existem dois principais tipos de �bras óticas utilizadas para a transmissão de dados:
Fibra multimodo —
multimode fiber (MMF):
Os raios incidentes
refletem nas bordas da
fibra. Nesse tipo de fibra
é recomendado que as
distâncias não
ultrapassem 300 metros.
Fibra monomodo — singlemode fiber (SMF): O diâmetro da fibra é
reduzido ao comprimento de onda de luz. Devido ao fato de que a luz
se propaga em linha com o condutor, a eficiência do meio é maior,
permitindo uma distância maior sem emendas ou repetidor (até 80
quilômetros). Nesse caso não há reflexão (ou há muito pouca) e a fibra
se comporta como um guia de onda. Além disso, esse tipo de fibra
permite maiores taxas de transmissão.
Atenção! Aqui existe uma videoaula, acesso pelo conteúdo online
O espaço — wireless (transmissão sem �o)
Em diversas situações, o uso de meios guiados de transmissão é altamente complexo ou inviável. Para tais casos existe a
possibilidade do uso de meios não guiados de transmissão, que fazem uso de ondas dispersas no ar para enviar dados. Redes
industriais nas quais há di�culdades para se instalar cabeamento metálico ou �bra, devido à falta de canaletas ou conduítes, à
localização geográ�ca ou ao espaço físico também podem recorrer a essas tecnologias de transmissão não guiada.
Observe que o meio de transmissão em questão é o espaço, e quando nos referimos a espaço queremos dizer no
sentido físico, inclusive no vácuo.
Normalmente chamamos a transmissão pelo espaço de wireless (sem �o), e dentro desse conceito diversas tecnologias que
podem ser empregadas, tais como:
Infravermelho
Micro-ondas
Rádio modem
Bluetooth
Wi-Fi (IEEE802.11)
Zigbee (IEEE802.15.4)
Antes de tudo é importante falarmos um pouco sobre conceitos de ondas eletromagnéticas. Quando se movem, os elétrons
criam ondas eletromagnéticas que podem se propagar através do espaço livre, napresença de ar ou no vácuo. Essas ondas
foram previstas pelo físico inglês James Clerk Maxwell em 1865. Posteriormente, elas foram produzidas e observadas pela
primeira vez pelo físico alemão Heinrich Hertz em 1887.
O número de oscilações por segundo de uma onda eletromagnética é
chamado de frequência e emedido em Hz (em homenagem a Heinrich
Hertz). Quando se instala uma antena com o tamanho apropriado em
um circuito elétrico, as ondas eletromagnéticas podem ser
transmitidas e recebidas com e�ciência por um receptor localizado a
uma distância bastante razoável. Toda a comunicação sem �o é
baseada nesse princípio.
Em condições ideais, ou seja, no vácuo, todas as ondas eletromagnéticas , a despeito de sua frequência, viajam na mesma
velocidade, que é a velocidade da luz, de cerca de 300.000 km/s, ou aproximadamente de 30 cm por nanossegundo.
No cobre ou na �bra, a velocidade cai para cerca de dois terços desse valor e se torna ligeiramente dependente da frequência.
Essas ondas podem ser irradiadas para o espaço a partir de dois tipos básicos de antenas:
1
Omnidirecional – irradia em todas as direções;
2
Direcional – irradia em uma direção especí�ca.
Nas redes industriais, utilizam-se algumas tecnologias de meios de transmissão não guiada, como:
Rádio modem transparente
Rádio com função de modem, mas inteligência limitada. Em geral, possui uma porta serial RS-232 ou RS-485 para entrada e
saída de dados. Não tem controle de �uxo nem veri�cação de erros. As taxas de transmissão são compatíveis com taxas de
enlaces seriais. Por exemplo, 115 kbps.
Rádio modem inteligente
Oferece uma série de vantagens, tais como controle de �uxo e veri�cação de erros.
Rádio telemetria
Em um rádio modem, há uma interface que permite sua comunicação com outro dispositivo que se encarrega do
gerenciamento dos sensores e atuadores ligados a ele. Em sistemas de rádio telemetria, o próprio rádio já possui entradas e
saídas para sensores, sendo mais simples, porém também limitado.
Bluetooth
O padrão Bluetooth começou a ser desenvolvido em 1994, pela Ericsson. Em 1998 passou a ser trabalhado pelo Bluetooth
Special Interest Group (SIG), consórcio inicialmente formado pela Sony, Ericsson, IBM, Intel, Toshiba e Nokia. Hoje tem mais de
duas mil empresas. O Bluetooth é uma tecnologia de transmissão sem �o para pequenas distâncias. Suas características são:
baixo consumo de energia, robustez e baixo custo. A taxa de transmissão para a versão 1.2 é de 1 Mbps, enquanto para a
versão 2.0 chega a 3 Mbps.
Wi-Fi (IEEE802.11)
Wi-Fi é uma marca registrada da Wi-Fi Alliance, utilizada por produtos certi�cados que pertencem à classe de dispositivos de
rede local sem �os (WLAN) baseados no padrão IEEE 802.11. Por causa do relacionamento íntimo com seu padrão de mesmo
nome, o termo Wi-Fi é usado frequentemente como sinônimo para a tecnologia IEEE 802.11. O nome, para muitos, sugere que
se deriva de uma abreviação de wireless �delity, ou �delidade sem �o, mas não passa de uma brincadeira com o termo Hi-Fi,
designado para quali�car aparelhos de som com áudio mais con�ável, que é usado desde a década de 1950. Os principais
padrões na família IEEE 802.11 são:
IEEE 802.11a: Padrão Wi-Fi para frequência 5,8 GHz com
capacidade teórica de 54 Mbps.
IEEE 802.11b: Padrão Wi-Fi para frequência 2,4 GHz com
capacidade teórica de 11 Mbps. Esse padrão utiliza DSSS
(direct sequency spread spectrum – sequência direta de
espalhamento de espectro) para diminuição de interferência.
IEEE 802.11g: Padrão Wi-Fi para frequência 2,4 GHz com
capacidade teórica de 54 Mbps.
IEEE 802.11n: Padrão Wi-Fi para frequência 2,4 GHz e/ou 5
GHz com capacidade de 65 a 600 Mbps.
Zigbee (IEEE802.15.4)
Zigbee (IEEE802.15.4): O padrão ZigBee surgiu por volta de 1998 com a intenção de suprir algumas de�ciências já encontradas
em tecnologias Wi-Fi e Bluetooth. Em 2003 o ZigBee foi normalizado através do padrão IEEE 802.15.4. Seus fabricantes são
Philips, Motorola, Honeywell, Samsung, Siemens, Schneider, entre outros. Suas principais aplicações são: automação predial e
doméstica (controle de iluminação, irrigação, segurança, controle de acesso), periféricos de computadores (mouse, teclado,
joysticks), eletrônica de consumo (TV e DVD), controle industrial (gerenciamento de processos e energia) e dispositivos
pessoais de cuidados médicos (monitoramento de pacientes e �tness).
Atenção! Aqui existe uma videoaula, acesso pelo conteúdo online
Topologias de rede
Para que as redes sejam formadas, os nós devem ser interligados, e essa ligação segue alguns padrões previamente
determinados, chamadas de topologias.
As topologias são a forma pela qual os enlaces físicos e os nós de
uma rede são interligados.
A seguir descrevemos as principais topologias utilizadas.
Clique nos botões para ver as informações.
Na topologia estrela existe um nó central, que deve se comunicar com os demais nós. Esse nó também é chamado de
concentrador ou mestre. O nó concentrador executa o gerenciamento da comunicação entre os outros nós. Nessa
topologia a falha em um nó que não seja o concentrador não compromete toda a rede, somente o nó defeituoso. Já no
caso de falha no nó concentrador, toda a rede �ca comprometida. Essa topologia é utilizada amplamente hoje em redes
locais Ethernet (100 Mbps, 1 Gbps e 10 Gbps).
Topologia estrela 
Na topologia em anel é formada uma sequência fechada entre todos os nós, sem que exista um nó central. Para colocar
um pacote de dados na rede, o nó de origem envia o pacote para o nó seguinte. O pacote é passado de nó a nó até que o
destino receba e retire o pacote da rede. O principal problema encontrado nesse tipo de topologia é que, se houver falha
do encaminhamento de um pacote por um nó, toda a rede pode �car paralisada.
Topologia em anel 
Na topologia em barra deve existir um barramento ao qual todos os nós deverão se ligar para formar a rede. Devido a suas
características, quando um pacote de dados é enviado, ele é recebido por todos os nós ao mesmo tempo. Essa topologia
é considerada altamente con�ável. A principal ressalva é que ela necessita de terminadores nas pontas do barramento
para evitar re�exões e outros problemas com os sinais transmitidos; assim uma ruptura no barramento pode causar a
paralisação da rede. Essa topologia é bastante utilizada em redes industriais.
Além das topologias citadas, existem outras, tais como: híbrida (combinação de duas ou mais topologias anteriores);
topologia em árvore (combinação de topologias em barramento); topologia totalmente conectada (quando há enlaces de
um nó para todos os outros); e topologia em malha (quando os nós estão interligados de maneira completamente diversa,
não recaindo em nenhuma das topologias descritas anteriormente).
Topologia em barra ou barramento 
Atenção! Aqui existe uma videoaula, acesso pelo conteúdo online
Atividades
1. O cabo coaxial grosso pode ser reconhecido pelo código:
a) 10base0.
b) 10base3.
c) 10base2.
d) 10base5.
e) 10base4.
2. Um cabo de par trançado é formado por quantos pares trançados?
a) Quatro.
b) Cinco.
c) Dois.
d) Um.
e) Dez.
3. Qual topologia de rede é caracterizada pela presença de um nó central, que compromete toda a rede caso tenha um
problema?
a) Barra.
b) Anel.
c) Mista.
d) Estrela.
e) Árvore.
4. Qual das alternativas abaixo não corresponde a uma vantagem do uso de �bras óticas para transmissão de dados?
a) Altas taxas de transferência de dados.
b) Imunidade a interferências.
c) Baixo custo.
d) Possibilidade de transmissão a grandes distâncias sem emendas ou repetidor.
e) Possibilidade de transferências de grandes pacotes de dados em alta velocidade.
NotasReferências
LOPEZ, R. A. Sistemas de redes para controle e automação. Rio de Janeiro: Book Express, 2000.
MORAES, C. C.; CASTRUCCI, P. L. Engenharia de automação industrial. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2007.
REGAZZI, R. D.; PEREIRA, P. S.; SILVA JR., M. F. Soluções práticas de instrumentação e automação – utilizando a programação
grá�caLabVIEW. Rio de Janeiro: KWG, 2005.
Próxima aula
Padrões de interface de comunicação;
Modelos de rede;
Barramentos e protocolos mais utilizados – Parte 1.
Explore mais
Pesquise na internet sites, vídeos e artigos relacionados ao conteúdo visto.
Em caso de dúvidas, converse com seu professor online por meio dos recursos disponíveis no ambiente de aprendizagem.