Aula 7

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Redes Industriais e Sistemas Supervisórios
Aula 7: Barramentos e protocolos mais utilizados – parte 3
Apresentação
As redes industriais têm se tornado a cada dia mais complexas e so�sticadas. Isto é o resultado do desenvolvimento
tecnológico obtido no campo dos hardwares e softwares. Este desenvolvimento vem ocorrendo para atender a uma
demanda relacionada à comunicação cada vez maior.
O desenvolvimento dessas redes fez surgir diversas tecnologias como os procotolos ControlNet, DeviceNet, CAN e a
Ethernet Industrial.
Objetivos
Descrever as principais características dos protocolos ControlNet, DeviceNet, CAN e da Ethernet Industrial;
Comparar as diferenças entre os protocolos apresentados.
Analisar as características dos protocolos.
ControlNet
A rede ControlNet foi desenvolvida por uma empresa do grupo Rockwell Automation chamada Allen-Bradley em 1995.
Inicialmente desenvolvida como um protocolo proprietário, tornou-se um protocolo aberto já em 1996. Após isso, passou a ser
controlada pela ControlNet International, que mantém e distribui a especi�cação ControlNet e gerência os esforços de
marketing dos membros associados.
Suas características são compatíveis com as aplicações que necessitam de determinismo, repetibilidade, alta taxa de
transmissão (throughput), envio de dados a grandes distâncias (chegando a 30km) e sincronismo. Redes com este protocolo
encontram-se no nível de controle, com transferência de dados em tempo real, provendo transportes de dados críticos de
entradas e saídas e mensagens, incluindo o upload e download de programação e con�guração de dispositivos. Os meios
físicos utilizados em redes deste tipo são cabo coaxial com conector bnc e �bra ótica.
Características da ControlNet
Número de nós 99
Taxa de transmissão 5 Mbps
Alcance da rede Variável de acordo com o número de nós. No caso de possuir apenas dois nós pode alcançar 1000
metros. Com 32 nós pode chegar a 500 metros e com 48 nós pode chegar a 250 metros (valores com
cabo coaxial). Com o uso de repetidores e fibra ótica pode chegar a 30km
Tamanho do pacote de dados Até 510 bytes
Topologia Barramento, árvore, estrela e combinações
Configuração de comunicação Mestre escravo, múltiplos mestres peer-to-peer
Alimentação dos dispositivos Externa
Outras características É possível remover ou adicionar dispositivos na rede com a mesma energizada. Possui a capacidade de
detecção de duplicidade de nós
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Com relação ao modo de envio de dados, as conexões possuem dois tipos:
Não Agendada
(Unscheduled) Dados enviados pelo
usuário do programa ou pela interface
homem/máquina por solicitação em
demanda. A conexão é fechada quando
não utilizada por um determinado intervalo
de tempo;

Agendada
(Scheduled) Dados são enviados
repetidamente em taxas con�guradas e
predeterminadas. A conexão permanece
aberta enquanto o gerador da conexão
estiver ativo.
O protocolo ControlNet utiliza o protocolo de acesso ao meio denominado de Concurrent Time Domain Multiple Access, onde as
informações criticas são enviadas durante a parte agendada do intervalo da rede. A largura do intervalo de acesso a rede pode
ser determinada pelo usuário através da seleção de um parâmetro chamado NUT (Network Update Time). O valor mínimo
adotado para este valor é de 2ms.
DeviceNet
Assim como a ControlNet, a DeviceNet foi desenvolvida pela Allen-Bradley, uma empresa do grupo Rockwell Automation, em
1994 (um ano antes do desenvolvimento da ControlNet). Porém, esta é uma rede a nível operacional, a qual foi desenvolvida
com base no protocolo CAN (Controler Area Network), o qual apresenta boa velocidade de resposta e elevada con�abilidade.
Este protocolo se tornou aberto a partir da criação da Open DeviceNet Vendors Association. Ele permite conectar diversos
dispositivos industriais (sensores de posição, sensores fotoelétricos, interfaces homem-máquina) a uma rede. Assim, torna-se
possível a comunicação entre dispositivos e o diagnóstico de falhas. O DeviceNet apresenta algumas características
importantes, como a possibilidade de remover e substituir equipamentos em redes energizadas.
Número de nós 64
Comprimento da rede Taxa de comunicação Distância máxima
125 kbps 500 metros
250 kbps 250 metros
500 kbps 100 metros
Tamanho do pacote de dados 8 bytes
Topologia Linha tronco com derivações
Método de acesso Ponto a ponto com multcast, mestre e escravo
Algoritmos de acesso Polling, cíclico e mudança de estado
Meio físico Barramentos separados de par trançado para distribuição de sinal e de alimentação
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Atenção
As principais vantagens do DeviceNet são: o baixo custo, a grande aceitação no mercado, a alta con�abilidade, o uso e�ciente da
rede e a alimentação disponível na rede. Suas desvantagens são principalmente o alcance máximo, o limite do tamanho da
mensagem e o limite de largura de banda.
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Rede CAN
A rede denominada Controller Area Network (CAN) é um sistema de comunicação serial, desenvolvido pela empresa Bosch,
concebida inicialmente para aplicações distribuídas de sistemas automotivos. Este protocolo se mostrou altamente e�ciente
devido a seus benefícios técnicos e econômicos.
Este protocolo foi posteriormente padronizado pela SAE (Society of Automotive Engineers) e pela ISO (International Organization
for Standardization). Seu sucesso em aplicações automotivas foi tamanho que logo chamou a atenção da indústria de
processos e transformação, que começou a adotá-lo em diversas aplicações.
1
Veículos
(marítimo, aéreo, terrestre) – carros de passeio, off-road, trens,
sistema de semáforo (trens e carros), eletrônica marítima,
máquinas agrícolas, helicópteros, transporte público.
2
Sistema de Controle Industrial
Controle de planta,
de maquinário, robôs,
sistema de supervisão
3
Automação Predial
controle de elevadores, ar
condicionado, iluminação
4
Aplicações Especí�cas
Sistemas médicos, telescópios, simuladores de voo, satélites
arti�ciais, entre outros.
Algumas características do CAN:
1
Acesso à rede baseado em conceito multimestre - todos os módulos podem ter acesso ao barramento e transmitir uma mensagem
assim que o barramento estiver livre. Além disso, vários módulos podem solicitar à rede simultaneamente. No momento da
transmissão simultânea de vários módulos, o que tiver a mais alta prioridade momentânea recebe o direito de acesso à rede;
2 Transmissão do tipo multicast – neste tipo de transmissão, todos os módulos enviam ao mesmo tempo. Para selecionar asinformações, um filtro é aplicado para identificar as informações importantes para cada módulo;
3
Arbitragem do barramento sem perda – esta é uma filosofia de acesso ao meio CSMA/BA (Carrier Sense Multiple Access with Bit
Wise Arbitration), na qual é feita uma análise da prioridade de transmissão. O que tiver prioridade maior continuará enviando a sua
mensagem;
4 Taxa de transmissão programável entre 5Kbps e 1Mbps;
5 Protocolo digital e comunicação serial síncrono;
6 Protocolo de detecção de erros;
7 Retransmissão automática de mensagens corrompidas.
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Método CSMA
O método denominado Carrier Sense Multiple Access (CSMA) faz com que quando um dispositivo deseja transmitir uma
informação, o mesmo veri�ca o meio antes para saber se existe alguma transmissão em andamento. Caso esta veri�cação
identi�que que não existe qualquer transmissão em andamento, o dispositivo é autorizado a transmitir. Caso exista uma
transmissão em andamento, ocorre uma espera por um tempo aleatório e, em seguida, uma nova veri�cação é executada.
Além disso, existem alguns métodos de CSMA, os quais objetivam tratar a colisão.
Clique nos botões para ver as informações.
O mecanismo Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) tem acapacidade de detectar a colisão
durante a transmissão. Ao detectar uma colisão, um comando de abortar a transmissão é executado. O CSMA/CD é o
principal mecanismo utilizado nas redes locais de computadores.
CSMA/CD 
O mecanismo de controle de acesso ao meio CSMA/BA (Carrier Sense Multiple Access with Bit Wise Arbitration) é
semelhante ao CSMA/CD. Porém, ele se difere no momento de uma eventual colisão, quando temos prioridades de tempo
de�nidas. No CSMA/CD teríamos uma espera aleatória entre os participantes da disputa pelo meio.
CSMA/BA 
O CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) é o método de com maior um grau de ordenação.
Além disso, ele possui também mais parâmetros restritivos, o que contribui para a redução da ocorrência de colisões em
uma rede. Antes de transmitir efetivamente um pacote, a estação avisa sobre a transmissão e em quanto tempo a mesma
realizará a tarefa.
CSMA/CA 
Quando analisado o meio físico de transmissão dos dados no protocolo CAN, existem três formas de se constituir um
barramento CAN: Os sistemas de 1, 2 e 4 �os.
As redes com 2 e 4 �os trabalham com os sinais de dados CAN_H (CAN High) e CAN_L (CAN Low). Além disso, quando
utilizados 4 �os, dois �os transmitem o sinal de dados (assim como no de dois �os), um �o com o VCC (alimentação) e outro
com o GND (referência). As redes com apenas 1 �o têm apenas um �o de dados, chamado exclusivamente de linha CAN.
Considerando o CAN fundamentado em 2 e 4 �os, seus condutores elétricos devem ser trançados e não blindados.
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Ethernet Industrial
A Ethernet originalmente não foi projetada para o uso na automação
industrial. Porém, ela vem sendo adaptada para atender aos
requisitos básicos da comunicação de dados entre os processos
industriais, com extremo sucesso.
A Ethernet foi desenvolvida inicialmente pela Xerox na década de 1970, mas na década de 1980 contou também com a
colaboração da DEC (Digital Equipment Corporation) e da Intel.
Posteriormente, em 1995, a Ethernet foi aceita o�cialmente como padrão 802.3 do IEEE (Institute of Electrical and Electronics
Engineers). Ela tem por função a comunicação através de pacotes de dados. De�ne os parâmetros de cabeamento e de
transmissão de sinais elétricos para a camada física, e formato de pacotes e protocolos para a camada de controle de acesso
ao meio (Media Access Control - MAC) do modelo OSI.
Comentário
Esta tecnologia se tornou, a partir dos anos 1990, o padrão dominante nas LAN.
A rede Ethernet passou evoluiu de maneira considerável nos últimos anos, fazendo com que se tornasse a rede de melhor faixa
e desempenho para uma variada gama de aplicações. Inicialmente, as redes Ethernet operavam à velocidade de 3Mbps. Porém,
atualmente temos redes operando a 10Gbps. Quanto à rede física, existem três possibilidades:
1
Par trançado (podendo ser blindado)
2
Cabo coaxial de 75 Ω
3
Fibra óptica
O padrão IEEE 1451 determina como os sensores e atuadores podem ser ligados diretamente a uma rede de controle, incluindo
a Ethernet, que devido ao baixo custo do chip reduziria muito o custo comparado com outros tipos de conexões.
Ao entrar na área industrial a Ethernet trouxe o potencial dos protocolos
TCP/IP, já utilizados em larga escala na Internet. Isso pode representar uma
revolução dentro das indústrias, visto que pode vir a substituir a redes
industriais utilizadas em sistemas de controle que automatizam processos
produtivos.
As necessidades dentro de um sistema de automação
industrial são muito mais exigentes quando comparadas a
LANs residenciais ou de escritórios, e precisam atender a
alguns requisitos especiais.
Os dados do chão de fábrica possuem, em muitos casos, a
necessidade que possam ser acessados em tempo real,
para que controles e veri�cações sejam realizadas a todo
tempo.
 Fonte: Pixabay | Por: rawpixel.
A temporização de uma linha de produção precisa ser extremamente exata, com risco de dados sérios a toda planta da
indústria caso algum atraso ocorra.
Ao nível de processos, algumas exigências são necessárias a rede como: capacidade de operação em tempo real, alta taxa de
disponibilidade, tratamento e�ciente e automático de falhas, segurança da transmissão de dados e redundância.
Algumas vantagens do uso da Ethernet no meio industrial:
Grande disseminação da tecnologia;
Baixo custo de implementação, treinamento e manutenção;
Alta velocidade e alta performance;
Atualização tecnológica constante;
Facilidade de interconectividade e acesso remoto;
Alta compatibilidade, uma vez que todos os principais fabricantes de CLP ou SCD suportam Ethernet;
Facilidade de contratação de pessoal técnico quali�cado;
Possibilidade de prover diagnóstico e atuação remotamente.
Algumas desvantagens do uso da Ethernet no meio industrial:
Ausência de interoperabilidade pela falta da camada de aplicação;
Falta de determinismo e tempo de resposta insu�ciente para algumas aplicações;
Falta de precisão e di�culdade dede sincronismo.
Algumas adaptações foram cruciais para a adoção de redes Ethernet no
ambiente industrial. Dentre elas, o aumento da banda de 10Mbps para
100Mbps foi um fator signi�cativo, juntamente com o uso de switches. A
partir do momento em que cada dispositivo foi ligado a uma porta de um
switch, os casos de colisão reduziram muito. Além disso, com o uso de uma
ligação full duplex entre o dispositivo e switch, o problema de colisão foi
completamente solucionado.
As de�ciências da rede Ethernet, a partir de agora denominada de Ethernet
compartilhada, são:
Largura de banda é compartilhada e não dedicada;
Aumento no número de dispositivos em um segmento aumenta a probabilidade de colisão (porém é facilmente
solucionável);
Broadcast de mensagens consumiriam grande banda;
Di�culdade para de�nir níveis de prioridade na rede;
Alguns fatores que contribuíram para a construção de uma rede Ethernet industrial:
Uso de switches para evitar a arbitragem de barramento;
Uso de canais dedicados de 10Mbps a 100Mbps;
Padrão IEEE802.1p/Q que acrescenta campos de prioridade e de Quality of Service (QoS) ao frame Ethernet tradicional;
Canal full duplex para eliminar colisões;
Rede Fast Ethernet no backbone levando a velocidade a até 200Mbps.
Comentário
QoS (quality of service) é uma maneira de alocar recursos em switches e roteadores de tal forma que os dados cheguem ao seu
destino de forma rápida, consistente e con�ável.
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Atividade
1. Qual o alcance máximo de uma rede ControlNet?
a) 30 km
b) 10 km
c) 500 metros
d) 10 metros
e) 5 km
2. O DeviceNet foi desenvolvido com base em qual protocolo?
a) PROFBUS
b) MODBUS
c) CAN
d) HART
e) MODCON
3. Qual a taxa máxima de transmissão do protocolo CAN?
a) 1 kbps
b) 1Mbps
c) 10 kbps
d) 10 Mbps
e) 20 kpbs
Notas
Título modal 1
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Título modal 1
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Referências
MELO, W. Família de Protocolos da Allen Bradley. 2005. Disponível em: //portal.ifrn.edu.br/ Acesso em: 16 jun. 2009.
MORAES, C. C.; CASTRUCCI, P. L. Engenharia de Automação Industrial. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2007.
MONTEZ, C. Redes de Comunicação Para Automação Industrial. 2005.
SEIXAS FILHO, C.; FINKEL, V. Sistemas de Automação e Adequação Funcional dos Pro�ssionais de Automação e TI Industrial.
In: Revista InTech, n. 51, Maio 2003, pg 24-28.
SHIRASUNA, M. Ethernet Industrial. In: Revista Mecatrônica Atual – n. 17 –set. 2005.
SOUZA, F. L. V. de. Avaliação do desempenho de redes com foco na aplicação em sistemas de controle digitais. 2005.
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