Aula III - Redes Industriais

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Aula III – Redes Industriais
Universidade Federal da Bahia
Escola Politécnica
Disciplina: Instrumentação e Automação Industrial I (ENGF99)
Professor: Eduardo Simas (eduardo.simas@ufba.br)
Prof. Eduardo Simas – DEE/UFBA
ENGF99 – Instrumentação e Automação 
Industrial I (Aula III – Redes Industriais)
Introdução
• Muitas vezes, para que a informação medida em campo seja utilizada
corretamente, é necessário transmiti-la para o local onde vai ser
processada ou analisada.
• As redes de comunicação industriais fazem este papel.
• Entre as funções de uma rede industrial pode-se destacar:
– Transmitir a informação medida nos sensores para as unidade de
processamento ou para os sistemas de controle e supervisão da
planta;
– Transmitir os comandos enviados pelos sistemas de controle e
supervisão para os elementos atuadores (motores, válvulas, fornos,
etc).
• Neste módulo serão estudados alguns padrões de comunicação utilizados
em redes industriais.
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Introdução
• Ao longo dos anos o modo de transmissão da informação nos ambientes
industriais foi gradualmente evoluindo em busca de tecnologias mais
avançadas.
• Atualmente os protocolos de redes de campo estão cada vez mais
difundidos.
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Fig. retirada de: L. A. Guedes (2005)
Classificação das Redes para Automação
industrial, Notas de Aulas DCA/UFRN
Introdução
• As redes de comunicação por sinais elétricos foram introduzidas em ambientes
industriais a partir de da década de 1960 e permitiu a substituição de grande
quantidade de tubos utilizados para a transmissão pneumática.
• Isso contribuiu para:
– Reduzir os custos de instalação;
– Reduzir o tempo de transmissão dos sinais.
• Inicialmente os sensores geravam sinais analógicos que eram transmitidos para os
elementos de controle (sistemas de supervisão, computadores ou controladores
lógicos programáveis – CLPs).
• A comunicação digital entre pequenos dispositivos de chão de fábrica só foi
iniciada na década de 1980 e sua aceitação aumentou apenas na década seguinte.
• Com o aumento da complexidade dos sistemas automatizados, foram propostos
diferentes protocolos (padrões) de comunicação para redes industriais.
• Se tornou necessário trabalhar no sentido de uniformizar os protocolos e garantir
a interconexão de dispositivos de diferentes fabricantes.
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Introdução aos Sistemas de Comunicação
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Introdução aos Sistemas de Comunicação
• Um sistema de comunicação simples é formado por: fonte de informação,
transmissor, canal (ou meio) de transmissão, receptor e destino.
• O objetivo é enviar o conteúdo de uma mensagem (informação) de um
local (transmissor) para outro (receptor).
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Introdução aos Sistemas de Comunicação
• Os sistemas de comunicação podem ser classificados quanto à natureza da
informação transmitida em:
– Analógico
– Digital
• Uma fonte de informação analógica pode ser convertida para digital por
um processo chamado conversão A-D (analógico-digital).
• A conversão A-D envolve a execução de algumas etapas como:
– Amostragem (amostras do sinal analógico devem ser tomadas a
intervalos que respeite o limite de Nyquist para amostragem segura)
– Quantização (os valores da amplitude do sinal analógico são
aproximados pelo nível de quantização mais próximo, esse processo
introduz erros de quantização)
– Codificação (os níveis de quantização são associados a palavras
digitais)
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Transmissão Analógica x Digital
• O termo “analógico” está relacionado à palavra análogo, pois o sinal que
ele representa tenta representar de modo fiel o processo físico
correspondente.
• Para a obtenção de um sinal digital a partir de sua representação
analógica é preciso realizar um processo conhecido como conversão
analógico-digital(embora existam sinais naturalmente discretos no tempo,
i.e. a temperatura diária, o valor de uma ação no fechamento da bolsa de
valores, etc).
• Considerando que:
– Grande parte dos fenômenos e sinais existentes naturalmente são
analógicos.
– A conversão analógico-digital sempre introduz erros de quantização ao
sinal digitalizado.
• Então, porque o processamento digital é tão difundido atualmente ?
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Transmissão Analógica x Digital
• Os circuitos digitais são mais tolerantes a variações nos componentes
eletrônicos;
• O sinal digital é mais imune ao ruído aditivo na transmissão (mais simples de
minimizar o erro em cada bit, pois este só pode assumir os valores 0 ou 1);
• A crescente disponibilidade de dispositivos para o processamento digital
(computadores pessoais, sensores digitais equipamentos móveis, hardware
dedicado, etc);
• É possível utilizar sinais multiplexados por divisão no tempo.
• Desvantagens:
– São necessárias duas etapas adicionais para o processamento de um sinal
analógico (conv. AD e DA).
– Os circuitos de processamento digital, em geral, consumem mais energia
que os analógicos, pois utilizam sempre dispositivos eletrônicos ativos na
sua construção.
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Transmissão Analógica x Digital
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Sinal analógico Sinal amostrado e quantizado
Transmissão Analógica x Digital
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• É no processo de codificação que os
diferentes níveis de quantização são
associados às palavras digitais.
• No exemplo ao lado uma codificação a 4 bits
é utilizada para representar até 16 níveis de
quantização diferentes.
• O número de níveis de quantização (NQ) que
se pode representar é função do número de
bits (NB) de codificação utilizada:
• O máximo erro de quantização pode ser
estimado por:
Sendo Δx a faixa de excursão (range) da variável.
�� � 2��
���	
 �
∆�
2
�����
Transmissão Analógica x Digital
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Sinal digital
As informações das 
amostras quantizadas 
do sinal analógico são 
representadas por 
palavras digitais
Análise no Domínio da Frequência
• A informação contida num sinal pode ser melhor interpretada se ele for
analisado num domínio diferente do original.
• As operações matemáticas que realizam uma mudança de domínio numa
função são chamadas de transformadas.
• A Transformada de Fourier realiza a transformação de um sinal h(t) no
domínio do tempo para um sinal H(w) no domínio da frequência:
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Análise no Domínio da Frequência
• Neste slide são mostrados exemplos de um sinal no domínio do tempo x(t)
e seu respectivo espectro de frequências.
• A presença de altas frequências indica que o sinal no domínio do tempo
tem variações rápidas.
• Para sinais de áudio asbaixas frequências correspondem aos sons graves e
as altas frequências aos agudos.
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Análise no Domínio da Frequência
Exemplos de Pares da Transformada de Fourier
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Técnicas de Modulação / Multiplexação
• Para possibilitar a transmissão de mais de um sinal de informação
compartilhando o mesmo meio de transmissão é necessário utilizar
técnicas de modulação ou de multiplexação.
• As técnicas de modulação consistem basicamente em aproveitar
diferentes faixas do espectro de frequência disponível no meio de
transmissão para enviar informações de diferentes fontes ao mesmo
tempo (Exemplos: Modulação AM, FM, PM, ASK, QAM, etc).
• De modo análogo, o processo de Multiplexação tem o objetivo de
transmitir diversas fontes de informação utilizando o mesmo meio, mas de
modo intercalado ou multiplexado (Exemplos: Multiplexação por divisão
no tempo, multiplexação por divisão na frequência, multiplexação por
divisão no comprimento de onda);
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Exemplo – Modulação AM
• Um sinal x(t) é
multiplicado por uma
portadora senoidal de
frequência fixa e
conhecida f:
XAM(t)=x(t)sen(2πft + θ)
• Deste modo a
informação de x(t) é
“movida” para a faixa
de frequências em
torno de f.
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Exemplo – Modulação FSK
• Nesta forma de modulação a frequência do sinal transmitido varia com o
valor do sinal de informação digital:
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Exemplo – Multiplexação por Divisão no Tempo
• Na multiplexação por divisão no tempo, as informações digitais de
diversas fontes são transmitidas por um mesmo meio de modo
intercalado no tempo (aproveitando intervalos de tempo que não seriam
utilizados na transmissão de apenas um canal).
• A taxa de transmissão de informação no meio é a soma das taxas
individuais de cada fonte.
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Multiplexação por Divisão na Frequência
• Os sinais de informação são deslocados da “banda base” para diferentes faixas de
frequência e transmitidos ao mesmo tempo. Se não houver sobreposição nos
espectros é possível recuperar a informação original de todos os canais.
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Introdução a Redes de Comunicação
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O Modelo OSI de 7 Camadas
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• O modelo OSI (Open Systems Interconnection) foi definido com o objetivo de
padronizar o modo de conexão de redes de dados, possibilitando a interconexão
entre redes de diferentes padrões e protocolos.
• O padrão define sete camadas, cada uma com funções próprias e bem definidas.
• As camadas adjacentes se comunicam através de interfaces específicas.
Especificações de Redes Industriais
• As redes industriais, assim como as telecomunicações de um modo geral
experimentaram uma ampla evolução nos últimos anos com a
popularização da internet e dos dispositivos móveis.
• Para garantir que uma rede de comunicação atenda aos requisitos da
planta industrial devem ser considerados aspectos como:
– Taxa de transmissão;
– Topologia física da rede;
– Meio físico de transmissão;
– Tecnologia de comunicação;
– Quantidade de dispositivos;
– Custos de instalação;
– Confiabilidade e segurança.
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Meio Físico de Transmissão
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Par trançado
Par trançado multipar 
(conector RJ45)
• O par trançado é um dos meios de transmissão
mais utilizados em telecomunicações,
principalmente pelo baixo custo e simplicidade
de conexão.
• Os pares trançados mais simples são utilizados
em aplicações de telefonia, onde cada usuário
recebe um par de fios.
• Em redes de computadores é mais comum a
utilização de pares trançados agrupados num
cabo multipar.
• Os pares trançados podem ser blindados
(shielded) ou não blindados (unshieded). A
blindagem torna o cabo mais imune a
interferências entre os pares e a ruídos externos.
• A depender da categoria é possível transmitir até
100 Mbps (Fast Ethernet) usando pares
trançados.
Meio Físico de Transmissão
• Os cabos coaxiais são altamente resistentes à
interferências de fontes externas de ruído.
• Outra vantagem em relação ao par trançado é
poder suportar maiores distâncias de transmissão.
• Em compensação, o par trançado é mais fácil de
instalar, mais barato e ocupa menos espaço.
• O conector mais utilizado para cabos coaxiais é o
BNC
• A fibra óptica é utilizada para transmissão de sinais
de luz no lugar de sinais elétricos. Deste modo a
interferência eletromagnética é eliminada.
• Cabos de fibra óptica podem transmitir a distância
muito maiores e ocupam espaço significativamente
menor que os pares trançados e os coaxiais.
• É preciso utilizar conversores eletro-ópticos nos
pontos de transmissão e recepção.
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Coaxial
Fibra óptica
Meio Físico de Transmissão
Transmissão sem Fios
• Atualmente os sistemas de comunicação
sem fios são utilizados em diversas
aplicações.
• O ar é utilizado como meio de
transmissão da informação.
• Na indústria, os sistemas sem fios
contribuem para aumentar a
flexibilidade e a simplicidade de
instalação.
• Como desvantagem pode-se mencionar
a menor imunidade ao ruído, se
comparado a sistemas com fios.
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Ocupação do Espectro Eletromagnético
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Frequência x Comprimento de Onda:
Sendo: 
- v a velocidade de propagação da onda, no caso da 
onda eletromagnética v=c (velocidade da luz);
- λ o comprimento de onda;
- f a frequência.
Formas de Utilização do Meio Físico
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Topologia Física (Exemplos)
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Ponto a 
ponto
Estrela Anel
Barramento
Redes de Comunicação Industriais
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Pirâmide da Automação
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Pirâmide da Automação
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• Diagrama dos níveis 1,
2 e 3 da pirâmide de
automação.
• Estes níveis estão
diretamente ligados a
operação da planta.
• Os níveis 4 e 5 estão
relacionadas com
açõesgerenciais
Topologias de Redes Industriais
• Barramento de campo distribuído:
• Devido às características físicas que normalmente existem nas instalações
industriais (longas distâncias, linhas de produção, etc), as redes industriais
utilizam muito a conexão via barramento.
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Topologias de Redes Industriais
• Sistema de controle distribuído:
• Os barramentos de campo de diferentes áreas da indústria podem ser
conectados gerando um sistema de controle distribuído.
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Tecnologias de Comunicação
• As redes industriais podem adotar diferentes formas de comunicação como:
• Mestre-Escravo: o escravo é um periférico (dispositivos entrada/saída, drivers de
acionamento de máquinas, atuadores, etc), que recebe uma informação do
processo ou utiliza informações de saída do mestre para atuar na planta. Eles são
dispositivos passivos que somente respondem a requisições diretas vindas do
mestre. Uma rede de automação pode operar com apenas um (monomestre) ou
com vários mestres (multimestre) num mesmo barramento.
• Produtor-consumidor: neste modelo os dados possuem um identificador único de
origem ou destino, há uma economia na transmissão de dados, pois eles só são
enviados aos dispositivos que os requisitarem. Quando um nó da rede necessita
de uma informação (consumidor) a solicitação é “anunciada” na rede e outro nó
(produtor) que dispõe da informação solicitada a envia.
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Padrões Analógicos
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Padrões Analógicos
• Os padrões de transmissão de informação a partir de sensores com saída analógica
ainda são utilizados em plantas industriais (embora com aplicações reduzidas).
• O Padrão ISA S50.1-1972 regulamenta o uso destes sinais. Os valores da variável elétrica
devem ser proporcionais aos sinais de informação a serem transmitidos.
• Padrões existentes:
0-5V, 0-10V, 1-5V, 2-10V, 4-20mA, 1-5mA, 0-20mA, e 10-50mA.
• Padrões de tensão:
– São de fácil entendimento;
– São bastante afetados pela impedância da linha.
• Padrões de corrente:
– Maior imunidade à ruído;
– Pode ser transmitido a longas distâncias pois possui relativa independência no que
se refere ao comprimento do cabo.
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Padrão 4-20 mA
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Padrão 4-20 mA
• Características:
– Utiliza uma malha de corrente com variação de 4 a 20 mA.
– A variação de corrente na malha é em geral linear
proporcionalmente à variável do campo.
• Vantagens:
– Imunidade ao ruído
– Não existe perda de sinal
• Desvantagens:
– Não é muito intuitivo o uso de variações de corrente.
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Padrão 4-20 mA
• Malha de Corrente:
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Protocolo Hart
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Protocolo Hart
• O protocolo Hart (Highway Addressable Remote Transducer) foi
desenvolvido no início dos anos 80 por Rosemount.
• É um protocolo aberto.
• Em 1993 foi criado o HART Communication Foundation para prover
suporte e gerenciar o protocolo.
• Características:
– Possibilita comunicação de forma digital entre dispositivos de campo e
controladores;
– Comunicação bidirecional não interfere no sinal analógico 4 – 20 mA;
– Utiliza chaveamento de frequência (FSK) com frequência de 1200 Hz
para binário “1” e a frequência de 2200 para binário “0”.
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Protocolo Hart
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• Padrão de modulação FSK utilizado no protocolo HART:
Protocolo Hart
• A separação no domínio da frequência permite a utilização do mesmo
meio de transmissão (em geral o par trançado) para o sinal analógico e o
sinal do protocolo HART.
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Protocolo Hart
• Características:
– Taxa de transmissão de 1200 bps
– O valor indicado pelo sensor é transmitido no sinal de 4 a
20 mA enquanto medidas adicionais, configuração,
calibração, etc.
– Pequena variação de tensão
• Tipos de comunicação entre dispositivos:
– mestre-escravo (um dispositivo “mestre” faz as solicitações
de informação aos “escravos”);
– Brust (ou rajadas, neste modo os frames de dados são
enviados apenas quando necessário);
– Etc.
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Protocolo HART
• Exemplo de uma rede HART operando
no modo mestre-escravo.
• A estação de controle envia os
comandos para os dispositivos de
campo solicitando as informações.
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FIELDBUS
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Padrão Fieldbus - Introdução
• Fieldbus é um termo genérico que descreve uma rede digital de
comunicação usada para interligar dispositivos de campo.
• Foi uma tentativa de estabelecer um padrão para a interconexão de
dispositivos.
• Baseia-se em 4 premissas:
– Substituição dos sinais analógicos (4-20 mA)
– Maior interação com o campo
– Interoperabilidade
– Abertura do padrão
• O Fieldbus provê um sistema de comunicação:
– digital
– serial
– bidirecional
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Fieldbus - Características
• O padrão opera nas seguintes taxas de transmissão: 31.25 Kbps, 1Mbps e
2.5Mbps
• Topologias:
– Barramento com derivação
– Árvore
– Ponto a ponto
– Mista
• Utilização de par trançado com polaridade específica.
• Comprimento máximo:
– 1900m para taxa de 31.25Kbps
– 750m para taxa de 1Mbps
– 500m para taxa de 2.5Mbps
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Fieldbus - Dispositivos
• Sensores
• Controladores
• Atuadores
• Conectores
• Blocos terminais
• Host
• Repetidores
• Bridges
• Gateways
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Fieldbus - Topologias
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Fieldbus - Topologias
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Fieldbus - Topologias
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Diagrama de Conexão de um Bloco Terminal
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Fieldbus – Protocolo de Comunicação
• Referência ao modelo OSI com apenas três das sete camadas
– Camada física
– Camada de enlace de dados
– Camada de aplicação
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Fieldbus – Protocolo de Comunicação
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Fieldbus - Conclusões
• O Fieldbus constitui uma tecnologia de ponta para a área de automação.
• Baseia-se na interconexão de dispositivos em um barramento comum.
• Novas tecnologias surgiram baseadas no Fieldbus tais como:
– Fieldbus Foundation,
– Bitbus,
– Lonkwork,
– DeviceNet,
– Modbus,
– Profibus
– entre outras.
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Em apresentações complementares a esta 
iremos estudar os padrões de 
comunicação:
PROFIBUS
CAN
AS-Interface
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Comparação entre Diferentes Tecnologias
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Comparação entre Diferentes Tecnologias
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Exercícios de Fixação
1. Comente a respeito da importância das redes de comunicação em processos industriais atualmente.
2. Na conversão de um sinal analógico que varia entre -1 e 1 V, para um sinal digital, supondo que foi
utilizada uma representação a 10 bits, qual o máximo erro de quantização esperado ?
3. No problema da questão 02, qual a taxa de bits produzida na conversão AD quando o sinal analógico é
amostrado com uma frequência igual a 1 kHz ?
4. Qual o valor de corrente esperado na saída de um sensor analógico (no padrão 4 a 20 mA), quando:
1. O sensor mede uma temperatura que varia entre 10 e 40 oC e o valor instantâneo medido é 13 oC;
2. O sensor mede uma corrente elétrica que varia entre 0 e 4 A e o valor instantâneo medido é 1,4 A.
5. Explique o processo de separação dos sinais do protocolo HART do sinal analógico;
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Fontes Utilizadas
• Na preparação deste material didático foram utilizadas diversas fontes, entre as
quais destacam-se:
– O material de aulas do Prof. José Sergio da Rocha Neto da UFCG;
– O livro Engenharia de Automação Industrial de Moraes e Castrucci, 2007.
– O material disponível no site da Profibus (www.profibus.com.br).
• Das fontes listadas foram retirados alguns dos diagramas utilizados.
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