Introdução às Redes Industriais

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UNILESTE

Danillo Moreira

03/03/2016

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Instalações Elétricas e Industriais

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Curso de Capacitação
Introdução às Redes Industriais

I
Índice Analítico
1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................................... 1
1.1 EVOLUÇÃO DOS SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO ................................................................................................................... 1
2. REDES DE COMUNICAÇÃO ................................................................................................................................... 6
2.1 PROCESSO DE COMUNICAÇÃO ..................................................................................................................................... 6
2.2 SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO ...................................................................................................................................... 7
2.3 MEIOS DE TRANSMISSÃO ........................................................................................................................................... 8
2.4 TOPOLOGIA ............................................................................................................................................................. 8
2.5 PROTOCOLO ............................................................................................................................................................ 9
2.6 CONTROLE DE ACESSO AO MEIO ................................................................................................................................ 10
2.6.1 Polling ........................................................................................................................................................ 11
2.6.2 Token passing ............................................................................................................................................ 11
2.6.3 CSMA/CD ................................................................................................................................................... 12
2.6.4 CSMA/CA ................................................................................................................................................... 12
3. MODELO OSI ...................................................................................................................................................... 13
3.1 CAMADA 1 - FÍSICA ................................................................................................................................................ 14
3.2 CAMADA 2 - ENLACE .............................................................................................................................................. 14
3.3 CAMADA 3 - REDE .................................................................................................................................................. 15
3.4 CAMADA 4 - TRANSPORTE ....................................................................................................................................... 16
3.5 CAMADA 5 - SESSÃO ............................................................................................................................................... 16
3.6 CAMADA 6 - APRESENTAÇÃO .................................................................................................................................... 17
3.7 CAMADA 7 - APLICAÇÃO .......................................................................................................................................... 17
4. REDES INDUSTRIAIS ........................................................................................................................................... 18
4.1 CLASSIFICAÇÃO DAS REDES INDUSTRIAIS ...................................................................................................................... 20
4.1.1 Sensorbus (Rede de Sensores) ................................................................................................................... 21
4.1.2 DeviceBus (Redes de Dispositivos) ............................................................................................................. 21
4.1.3 Fieldbus (Redes de Processo) ..................................................................................................................... 22
5. REDES INDUSTRIAIS CABEADAS ......................................................................................................................... 23
5.1 HART (HIGHWAY ADDRESSABLE REMOTE TRANSDUCER ) .............................................................................................. 23
5.1.1 Modulação ................................................................................................................................................ 23
5.1.2 Taxa de transmissão .................................................................................................................................. 24
5.1.3 O protocolo ................................................................................................................................................ 24
5.1.4 Topologia ................................................................................................................................................... 25
5.1.5 A rede de comunicação ............................................................................................................................. 26
5.1.6 Comandos HART ........................................................................................................................................ 29
5.2 FOUNDATION FIELDBUS ........................................................................................................................................... 30
5.2.1 Histórico .................................................................................................................................................... 30
5.2.2 Princípio de funcionamento....................................................................................................................... 31
5.2.3 O protocolo ................................................................................................................................................ 32
5.2.4 Meio físico ................................................................................................................................................. 34
5.2.5 Topologia ................................................................................................................................................... 36
5.2.6 Finalidade da Aplicação ............................................................................................................................ 39
5.3 PROFIBUS PA ........................................................................................................................................................ 41
5.3.1 Funcionamento.......................................................................................................................................... 42
5.3.2 Protocolo e Comunicação .......................................................................................................................... 44
5.3.3 Topologia ................................................................................................................................................... 46
5.3.4 Meio Físico ................................................................................................................................................. 48
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II
5.3.5 Aplicação ................................................................................................................................................... 50
5.4 DEVICENET ...........................................................................................................................................................51
5.4.1 Protocolo ................................................................................................................................................... 51
5.4.2 Topologia ................................................................................................................................................... 58
5.4.3 Meio Físico ................................................................................................................................................. 59
5.4.4 Aplicação ................................................................................................................................................... 64
5.5 PROFIBUS DP ........................................................................................................................................................ 65
5.5.1 Histórico .................................................................................................................................................... 65
5.5.2 Princípio de Funcionamento ...................................................................................................................... 67
5.5.3 Descrição do Protocolo .............................................................................................................................. 70
5.5.4 Topologia ................................................................................................................................................... 72
5.5.5 Meio Físico e Transmissão ......................................................................................................................... 73
5.5.6 Finalidade de aplicação ............................................................................................................................. 75
5.6 MODBUS .............................................................................................................................................................. 76
5.6.1 Descrição do protocolo .............................................................................................................................. 77
5.6.2 Princípios de funcionamento ..................................................................................................................... 78
5.6.3 Topologia ................................................................................................................................................... 84
5.6.4 Meio físico ................................................................................................................................................. 85
5.6.5 Aplicação ................................................................................................................................................... 86
5.7 AS-INTERFACE (AS-I) ............................................................................................................................................. 86
5.7.1 Princípio de funcionamento....................................................................................................................... 87
5.7.2 Descrição do protocolo .............................................................................................................................. 88
5.7.3 Topologia ................................................................................................................................................... 90
5.7.4 Meios físicos .............................................................................................................................................. 91
5.7.5 Aplicação ................................................................................................................................................... 94
6. REDES INDUSTRIAIS SEM FIO (WIRELESS) .......................................................................................................... 95
6.1 ISA-SP100 .......................................................................................................................................................... 95
6.2 WIRELESS HART ................................................................................................................................................. 97
7. OLE FOR PROCESS CONTROL - OPC .................................................................................................................. 100
7.1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................................... 100
7.2 CONCEITOS BÁSICOS ............................................................................................................................................. 102
7.2.1 Arquitetura .............................................................................................................................................. 104
7.2.2 Configuração dos dados do cliente OPC .................................................................................................. 107
7.2.3 Implementação de clientes e servidores OPC .......................................................................................... 108
7.2.4 Especificações atuais do padrão OPC ...................................................................................................... 109
7.2.5 OPC e sistemas corpartivos ..................................................................................................................... 111
7.2.6 Exemplo Comparativo (OPC x driver Proprietário) .................................................................................. 112
8. REFERÊNCIAS ................................................................................................................................................... 117

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III
Índice de Figuras
Figura 1.1: Classificação do controle quanto a sua localização ................................................................. 2
Figura 1.2: Exemplo de um processo ............................................................................................................ 3
Figura 1.3: Pirâmide da Automação ............................................................................................................. 4
Figura 1.4: Rede de automação e corporativa em uma empresa .............................................................. 5
Figura 2.1: Exemplo de uma comunicação .................................................................................................. 7
Figura 2.2: Exemplo de comunicação Simplex ............................................................................................ 7
Figura 2.3: Exemplo de comunicação Half-Duplex .................................................................................... 7
Figura 2.4: Exemplo de comunicação Full-Duplex ..................................................................................... 8
Figura 2.5: Exemplo de topologias de redes ................................................................................................ 9
Figura 3.1: Camadas do modelo OSI .......................................................................................................... 13
Figura 3.2: Organização das camadas em um pacote de dados.............................................................. 14
Figura 4.1: Histórico da evolução tecnológica sem sistemas de controle ............................................. 18
Figura 4.2: Comparativo entre sistemas convencionais e baseados em redes industriais .................. 19
Figura 4.3: Relação entre barramento de campo ....................................................................................... 20
Figura 5.1: Representação do sinal em comunicação Hart ..............................................................................24
Figura 5.2: Conexão de uma entrada analógica a um instrumento HART ...................................................... 26
Figura 5.3: Conexão de uma saída analógica a um instrumento HART ............................................... 26
Figura 5.4: Comunicação HART em modo mestre escravo (default)..................................................... 28
Figura 5.5: Comunicação HART em modo burst, suportada por alguns dispositivos ........................ 28
Figura 5.6: Rede HART em topologia multidrop ...................................................................................... 29
Figura 5.7: Exemplo de uma rede Foundation Fieldbus .......................................................................... 32
Figura 5.8: Exemplo da codificação utilizando a técnica Mancheste ..................................................... 33
Figura 5.9: Topologia de barramento com Spur ........................................................................................ 37
Figura 5.10: Topologia Ponto a Ponto ......................................................................................................... 37
Figura 5.11: Topologia Árvore ..................................................................................................................... 38
Figura 5.12: Topologia End-to-End ............................................................................................................. 38
Figura 5.13: Topologia Mista........................................................................................................................ 39
Figura 5.14 Representação Real da Rede Profibus .................................................................................... 42
Figura 5.15: Configuração básica da rede Profibus PA ............................................................................ 43
Figura 5.16: Relação Modelo OSI x Profibus ............................................................................................. 44
Figura 5.17: Nível de Saída da Rede Profibus PA com Codificação Manchester ................................. 45
Figura 5.18: Rede Profibus PA-DP com Acoplador .................................................................................. 46
Figura 5.19: Topologias Rede Profibus-PA ................................................................................................ 46
Figura 5.20 – CAN Data Frame ................................................................................................................... 52
Figura 5.21 – Identificador de 11 bits CAN................................................................................................ 55
Figura 5.22 – O modelo OSI dos objetos do CIP ....................................................................................... 56
Figura 5.23 – Possíveis topologias com a rede DeviceNet ....................................................................... 59
Figura 5.24: Forma construtiva dos cabos padrão DeviceNet ................................................................. 61
Figura 5.25 - Conector aberto ....................................................................................................................... 62
Figura 5.26 – Conector selado ...................................................................................................................... 62
Figura 5.27 – Resistor de terminação .......................................................................................................... 62
Figura 5.28 – Terminador Estilo Mini ......................................................................................................... 63
Figura 5.29 – Terminador Estilo Micro ....................................................................................................... 63
Figura 5.30 – T-Port TAP .............................................................................................................................. 63
Figura 5.31 – Device-Port ............................................................................................................................. 64
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IV
Figura 5.32 – DeviceBox ................................................................................................................................ 64
Figura 5.33 – PowerTap ................................................................................................................................ 64
Figura 5.34: Comunicação Industrial usando Profibus ............................................................................ 67
Figura 5.35: Estrutura da tecnologia PROFIBUS ....................................................................................... 67
Figura 5.36: Versões do Profibus – DP ....................................................................................................... 68
Figura 5.37: Comunicação Mono mestre. ................................................................................................... 69
Figura 5.38: Comunicação Multimestre. .................................................................................................... 69
Figura 5.39: Camadas do PROFIBUS-DP segundo modelo OSI ............................................................ 72
Figura 5.40: Exemplo de Topologia em Profibus DP ................................................................................ 73
Figura 5.41: Terminador ativo de barramento PROFIBUS DP ................................................................ 74
Figura 5.42: Protocolo Modbus no Modelo OSI ........................................................................................ 79
Figura 5.43: Sequência de bits no modo RTU com paridade................................................................... 80
Figura 5.44: Sequência de bits no modo RTU sem paridade ................................................................... 80
Figura 5.45: Mensagem (frame) do RTU .................................................................................................... 81
Figura 5.46: Diagrama de temporização entre mensagens ...................................................................... 81
Figura 5.47: Mensagem (frame) do ASCII .................................................................................................. 83
Figura 5.48: Topologia em barramento para Modbus .............................................................................. 85
Figura 5.49: Exemplo de topologias em AS-I ............................................................................................. 91
Figura 5.50: Exemplo do cabo com conexão vampiro .............................................................................. 93
Figura 6.1: Elementos de uma Instalação Wireless HART ...................................................................... 98
Figura 7.1: Falta de conectividade com os sistemas tradicionais .......................................................... 100
Figura 7.2: Camada de comunicação padronizada OPC ....................................................................... 101
Figura 7.3: Utilização de drives proprietário de comunicação ............................................................ 103
Figura 7.4: Arquitetura cliente-servidor do OPC .................................................................................... 103
Figura 7.5: Utilização do OPC como meio de interface entre hardware e software .......................... 104
Figura 7.6: Arquitetura OPC (DUARTE, 2006)........................................................................................ 105
Figura 7.7: Interfaces OPC (OPC FOUNDATION, 1998) ....................................................................... 109
Figura 7.8: aplicações e equipamentos .....................................................................................................112
Figura 7.9: Drivers para uma aplicação requisitar dados na solução Proprietária ............................ 113
Figura 7.10: Nove drivers utilizados na solução Proprietária ............................................................... 114
Figura 7.11 - sobrecarga de requisições na solução Proprietária .......................................................... 114
Figura 7.12: Três drivers utilizados na solução OPC ............................................................................. 115
Figura 7.13: Requisições aos diferentes equipamentos na solução OPC ............................................. 116
Figura 7.14: Requisições á um mesmo equipamento na solução OPC ................................................ 116

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V
Índice de Tabelas
Tabela 5.1: Relação entre distância e bitola de cabos usados em Hart ................................................... 27
Tabela 5.2: Comprimento máximo do cabo em função da capacitância do cabo ................................. 27
Tabela 5.3: Comandos HART ...................................................................................................................... 29
Tabela 5.4: Taxa de transmissão da Rede Foundation Fieldbus ............................................................. 35
Tabela 5.5: Numero do dispositivo em rede Foundation Fieldbus ........................................................ 36
Tabela 5.6: Fontes de alimentação padrão para transmissão IEC 1158-2 .............................................. 47
Tabela 5.7: Comprimento máximo do cabo para transmissão IEC 1158-2 ............................................ 47
Tabela 5.8: Especificação dos cabos para Profibus-PA ............................................................................. 49
Tabela 5.9: Especificação do cabo para a IEC 61158 ................................................................................. 50
Tabela 5.10: Comprimentos permitidos para os cabos DeviceNet ......................................................... 59
Tabela 5.11: Comparação das características entre os meios de transmissão ....................................... 75

Créditos: Este material é a união de vários assuntos sobre redes industriais coletados
em livros, sites diversos (escolas, entidades e fornecedores), opiniões pessoais de
professores e profissionais da área, sendo organizado pelo professor Silvano Fonseca
Paganoto.
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1. INTRODUÇÃO
Em uma planta industrial automatizada é possível encontrar as mais diversas
tecnologias coexistindo e compartilhando informações a fim de melhorar a qualidade do
produto final e maximizar a produção.
Neste cenário, fica evidente o intercâmbio de dados entre: CLPs (controladores
Lógicos Programáveis), sistemas supervisórios, sistemas de controle de produção, sistemas
de gestão corporativa, dentre outros.
Este intercâmbio de informações é estabelecido por meio de redes de comunicação
podendo ser cabeadas ou não cabeadas (sem fio - wireless). Devido às características dos
processos e ambientes industriais (tipo de dados, taxa de atualização, interferências
eletromagnéticas, etc.) se fazem necessários sistemas de comunicação com maior robustez,
nascendo assim diversas tecnologias de redes, as quais podem ser chamadas de “Redes
Industriais”.

1.1 Evolução dos sistemas de automação
Com a necessidade de manipular volume de informações em processos produtivos
cada vez maiores é possível relacionar basicamente três situações distintas onde o controle
da planta/processo é localizado, sendo elas:
 Controle Centralizado: onde toda a estratégia de controle (programas, rotinas, etc.) estão
localizado em um único dispositivo de controle, o qual possui interface convencional
(analógico/discreto) com dispositivos de campo no próprio hardware. Geralmente este tipo
de controle é adotado em pequenas plantas fabris;
 Controle descentralizado: a estratégia de controle está localizada em um conjunto de
dispositivos de controle que se comunicam por meio de uma rede. No entanto estes
dispositivos de controle possuem interface convencional (analógico/discreto) com
dispositivos de campo no próprio hardware. Geralmente esta solução é adotada em plantas
industriais de médio e grande porte.
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 Controle distribuído: a estratégia de controle está distribuída em todos os dispositivos de
campo os quais estão compartilham suas informações por meio de uma rede de
comunicação. Esta estrutura de controle é amplamente utilizada em automóveis e está em
crescente adesão nos ambientes industriais. Trata-se de uma solução voltada para médias e
grandes indústrias.
A Figura 1.1 relaciona um esquemático estes três tipos de controle.

Figura 1.1: Classificação do controle quanto a sua localização

É importante notar que os dados provenientes da planta geram possibilidades
gigantescas na tomada de decisão, seja em controle quanto em gestão da produção e/ou
manutenção. Neste caso, sistemas compartilham dados em diversas direções a fim de
tornar a empresa mais competitiva no mercado e com melhores rendimentos. A Figura 1.2
exemplifica um processo onde vários dispositivos estão interligados por meio de redes de
comunicação, formando assim um complexo sistema de automação.

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Figura 1.2: Exemplo de um processo

Segundo MORAES e CASTRUCCI (2007) o sistema de automação industrial pode ser
divididos em cinco níveis (camadas), são eles:
 Nível 1: Dispositivos de campo - composta por todos os elementos físicos do chão de
fábrica, dentre os quais se destacam: sensores, atuadores, cabos, motores, válvulas;
 Nível 2: Controle – composta pelos dispositivos que executam o controle diretamente do
processo. Exemplo: PLCs e SDCDs.
 Nível 3: Supervisão – composta por sistemas supervisórios cuja finalidade é permitir uma
interface amigável entre o ser humano e a máquina, contendo recursos de visualização e
capacidade manipulação do processo. Exemplos: IHMs, SCADA, painéis sinóticos
instrumentados.
 Nível 4: Gestão da planta/ processo – contempla as ferramentas que permitem manipular
a produção e obter melhores resultados do parque fabril, garantindo uma gestão efetiva a
partir de cruzamento de informações provenientes da planta e coorporativa. Exemplos: MES
(sistema de execução da manufatura), PIMS (sistema de gerenciamento de informação da
planta), APC (controle avançado de processo), RTOS (sistema de otimização em tempo real);
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 Nível 5: Gestão corporativa – composta pelas ferramentas administrativas, financeiras,
recursos humanos relacionadas desde a aquisição de insumos a entrega do produto ao cliente.
Exemplo: ERP (Sistema integrado de gestão empresarial);

Estes cinco níveis estão organizados em uma hierarquia conhecida como Pirâmide da
Automação, a qual e exemplificada na Figura 1.3.

Figura 1.3: Pirâmide da Automação

Pela pirâmide da automação nota-se que os níveis devem ser interligados a fim de
produzir um fluxo de informação ente eles, sendo este realizado por redes específicas a
interligar dispositivos presente no mesmo nível e dispositivos de níveis distintos.
Do ponto de vista sobre gestão das tecnologiasempregadas e por questões de
segurança, faz-se necessário uma segmentação e criação de mecanismo de intercambio de
informações entre rede corporativa e de automação. Com este propósito, surgem
dispositivos, protocolos de comunicação bem como ferramentas especificas para gerir cada
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especificidade em questão. A Figura 1.4 representa um diagrama contendo os elementos
envolvidos nesta segmentação.

Figura 1.4: Rede de automação e corporativa em uma empresa

Fica evidente que a implantação de vários sistemas é necessária para obter um
melhor desempenho no parque fabril e, a interligação destes é realizada por diversas
tecnologias de redes.
Com a finalidade de explorar a utilização de redes industriais, este material visa
fornecer um conhecimento básico sobre redes e apresentar vários protocolos de
comunicação com padrão aberto aplicado nos mais diversos tipos de processos
produtivos.

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2. REDES DE COMUNICAÇÃO
A inexistência de memória compartilhada nos dispositivos e com a necessidade de
compartilhar suas informações a outros é o que motivou o desenvolvimento das redes de
comunicação. No entanto obriga a que toda comunicação ocorra por recebimento e envio
de mensagens de baixo nível, codificadas em níveis de tensões, correntes, luz, ondas de
rádios, etc.

2.1 Processo de comunicação
O processo de comunicação pode ser entendido como: o processo no qual um
interlocutor (emissor) envia uma mensagem a outro interlocutor (receptor) usando
padrões convencionados entre eles de forma que a mensagem possa ser interpretada
corretamente. Podem-se destacar neste processo os seguintes elementos:
 Mensagem: o conteúdo a ser compartilhado;
 Emissor: interlocutor que emite a mensagem;
 Receptor: interlocutor que recebe a mensagem;
 Canal: é o meio pelo qual será trafegada a mensagem;
 Codificação: padrão adotado pelo emissor e pelo receptor que permitem
interpretar a mensagem sobre um canal.

Na Figura 2.1 é possível visualizar um exemplo deste processo.
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Figura 2.1: Exemplo de uma comunicação

2.2 Sistemas de comunicação
De acordo com as funcionalidades dispostas no interlocutor o sistema de
comunicação pode ser:
 Simplex: Um interlocutor semente transmite dados e o outro somente recebe;

Figura 2.2: Exemplo de comunicação Simplex

 Half-Duplex: Os interlocutores podem transmitir e receber dados, porem
não ao mesmo tempo;

Figura 2.3: Exemplo de comunicação Half-Duplex
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 Full-Duplex: Os interlocutores podem transmitir e receber dados ao mesmo
tempo;

Figura 2.4: Exemplo de comunicação Full-Duplex

2.3 Meios de Transmissão
Os meios de transmissão são responsáveis por assegurar a ligação física entre o
emissor e o receptor (dispositivos). Estes meios de transmissão se dividem em:
 Meios Guiados – aqueles que possuem um condutor entre os interlocutores. Exemplo: par
de cobre entrançado, cabo coaxial, fibra óptica;
 Meios Não guiados – não possuem interligação física entre os interlocutores, permitido que
um sinal enviado por um interlocutor possa ser recebido por um interlocutor que não
pertence a mesma rede. Exemplo: radio frequência, infravermelho, ultrassom.
As características e a qualidade da transmissão são determinadas pelo meio e pelo
sinal a serem utilizados, sendo possível afirmar:
 Em meios guiados as características do meio são mais importantes;
 Em meios não guiados as características do sinal são mais importantes;

2.4 Topologia
A Topologia é o layout ou forma em que os dispositivos estão conectados entre si em
uma rede, e também o caminho por onde transcorre o tráfego de informações. Ela pode ser
dividida em:
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 Topologia em Barramento: onde os dispositivos (interlocutores) estão conectados por
meio de um único condutor;
 Topologia em Estrela: todos os dispositivos estão conectados a um concentrador
e todo do fluxo de informação entre os dispositivos passam por este;
 Topologia em Anel: geralmente o dispositivo possui duas portas de
comunicação onde se conecta aos seus vizinhos diretamente mantendo um laço
fechado entre os mesmos;
 Topologia em Árvore ou Mista: constituída pela interligação dos dispositivos
usando a junção das topologias anteriores.

A Figura 2.5 apresenta um exemplo destas topologias;

Figura 2.5: Exemplo de topologias de redes

2.5 Protocolo
O protocolo é uma convenção que estabelece regras para possibilitar uma conexão,
comunicação ou transferência de dados entre sistemas computacionais.
Vários acordos de comunicação são necessários, exemplos:
 Quantos volts significa um bit 0 e quantos um bit 1?
 Como o receptor sabe qual é o último bit da mensagem?
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 Como é possível detectar que uma mensagem foi danificada ou perdida?
 O que fazer quando um problema é detectado?
 Forma com que cada dispositivo compartilhará o mesmo meio físico;
 Controle de acesso ao meio;

2.6 Controle de acesso ao meio
Em uma rede todos os diapositivos compartilham o mesmo meio transmissão, sendo
assim necessário técnica específica para este propósito, a qual é chamada de Controle de
Acesso ao Meio.
Dentre as técnicas de controle de acesso ao meio, pode-se destacar as seguintes
características:
 Capacidade: vazão máxima, em porcentagem da banda passante disponível;
 Justiça ou equidade: permite que as estações venham a ter acesso aos recursos
compartilhados;
 Prioridade: desejável principalmente nas aplicações de tempo real;
 Estabilidade em sobrecarga: característica desejável com carregamento pesado da rede;
 Retardo de transferência: soma dos retardos de acesso e transmissão. Embora, no geral, se
apresente como variável aleatória, em alguns protocolos tem valor máximo limitado;
 Especificidade: são desenvolvidos para uma topologia particular de rede, embora possam
ser usados em qualquer topologia;

Para atender este propósito, diversas técnicas (métodos) de acesso ao meio foram
desenvolvidas, nas quais se destacam: Polling, Token passing, CSMA/CD e CSMA/CA
amplamente utilizadas em meios guiados.
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2.6.1 Polling
Método de acesso ao meio em que o dispositivo aguarda pela solicitação do
controlador da rede;
Possui as seguintes características:
 O dispositivo somente transmite quando solicitado pelo controlador da rede;
 Um defeito no dispositivo não necessariamente paralisa a rede, mas um defeito no
controlador paralisa a rede;
 Geralmente usado em topologia de barramento;

2.6.2 Token passing
Método de acesso ao meio em que um sinal (chamado “token”) é passado entre os
nós (dispositivos) para autorizar a transmissão;
Possui as seguintes características:
 Usa um símbolo (em inglês, “token”) que circula numa rede (topologia em anel);
 As estações devem aguardar a recepção do token para transmitir;
 Somente quem está com o token é que pode transmitir;
 Usa Round-robin schedulingpara agendamento de pacotes;
 É inexistente a colisão, mas apresenta latência;

A colisão é ocasionada pela tentativa de dois ou mais diapositivos tentarem
transmitir dados ao mesmo tempo, ou seja, quando acessam o meio físico
simultaneamente gerando deformação do sinal a ser transmitido, impossibilitando a
interpretação do dado pelo receptor.

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2.6.3 CSMA/CD
Método que permite o acesso múltiplo com verificação de portadora com detecção de
colisão do inglês “Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - CSMA/CD”
Possui as seguintes características:
 CS (Carrier Sense) - Identifica se está ocorrendo transmissão;
 MA (Multiple Access) - Múltiplos nós concorrerem pela utilização da mídia física;
 CD (Collision Detection) - Identifica colisões na rede;

Neste método de acesso ao meio, quanto ocorre uma colisão, todos os dispositivos
que tentaram transmitir um dado, aguardam um tempo aleatório para acessar novamente
o meio físico.

2.6.4 CSMA/CA
Método de acesso ao meio com possibilidade de acesso múltiplo e verificação de
portadora com anulação/prevenção de colisão, do inglês: “Carrier sense multiple access with
collision avoidance – CSMA/CA”.
Possui as seguintes características:
 Apresenta um grau de ordenação maior que o seu antecessor (CSMA/CD);
 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 irá realizar a tarefa;

Neste método, se caso dois ou mais dispositivos tentarem acessar o meio físico
simultaneamente, somente o que possuir maior prioridade é o quem prosseguirá com a
transmissão de dados, evitando assim a colisão.
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3. MODELO OSI
Desenvolvido pela ISO (International Organization for Standardization), o modelo OSI
(Open Systems Interconnection – Interconexão de Sistemas Abertos) trata-se de uma definição
das funcionalidades específicas que estão presentes em um protocolo de forma a
segmentá-las e classificá-las.
Esta segmentação é dividida em sete camadas cujas características podem ser
agrupadas a nível de aplicação ou a nível rede conforme a Figura 3.1.

Figura 3.1: Camadas do modelo OSI

Durante o processo de transmissão de uma mensagem, o emissor encapsula a
mensagem na camada sete e associa um cabeçalho que identifica esta camada. A medida
em que esta informação é passada para as camadas abaixo, um novo cabeçalho é anexado,
ate que um pacote esteja pronto para ser transmitido pela camada física. A Figura 3.2
representa esta constituição.
No receptor, o processo de sentido inverso, o pacote é recebido pela camada física e a
medida que percorre as camadas superiores, é identificado cada camada e retirados os
cabeçalhos até que a mensagem é disposta na camada de aplicação.
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Figura 3.2: Organização das camadas em um pacote de dados

De forma a tornar mais evidente a funcionalidade de cada camada, suas
características são apresentadas nos próximos itens.

3.1 Camada 1 - Física
Trata-se da padronização das interfaces elétrica, mecânica e de sinalização, sendo
responsável pelo envio da mensagem bit a bit codificada em tensão, corrente, luz, rádio
frequência, infravermelho, etc.
É por meio desta que os protocolos identificam a presença de conexão física (meio
físico) entre os dispositivos em uma rede.

3.2 Camada 2 - Enlace
Também conhecida como camada de ligação de dados ou link de dados. Esta camada
detecta e, opcionalmente, corrige erros que possam acontecer no nível físico. É responsável
por controlar o fluxo (recepção, delimitação e transmissão de quadros) e também
estabelece um protocolo de comunicação entre sistemas diretamente conectados.
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Uma Característica importante é que um datagrama pode ser manipulado por
diferentes tipos de protocolos da camada de enlace, exemplo: Ethernet (CSMA/CD), PPP.

 Diferenças entre camada 1 e 2 - Exemplo para o Ethernet
 Hubs
 São dispositivos “burros”, que operam na camada 1. Eles não entendem pacotes nem
endereços de rede, simplesmente pegam os uns e zeros que recebem em uma porta e
os retransmitem para todas as outras.
 Atua simplesmente como um centralizador e repetidor, não é mais inteligente que um
pedaço de cabo. Ao usar um hub, as colisões continuam ocorrendo, exatamente como
aconteceria se você estivesse usando uma rede antiga, com cabo coaxial.
 O endereço MAC (do inglês Media Access Control) é o endereço físico da estação, ou
melhor, da interface de rede. É um endereço de 48 bits, representado em hexadecimal.
O protocolo é responsável pelo controle de acesso de cada estação à rede Ethernet.
Este endereço é o utilizado na camada 2 (Enlace) do Modelo OSI.

 Switches
 Trabalham na camada 2, assim como as próprias placas de rede. Eles entendem
frames e endereços MAC e por isso são capazes de "fechar circuitos", transmitindo os
frames apenas para o micro ligado na placa correta. Cada porta é ligada a um circuito
separado, que são coordenados por um controlador central, que mantém uma tabela
com os endereços MAC das estações ligadas a cada porta e pode assim checar o
conteúdo de cada frame e encaminhá-lo à porta correta.
 Apesar disso, os switches não entendem TCP/IP. Isso é trabalho para os roteadores,
que trabalham na camada 3 e tomam suas decisões baseadas nos endereços IP dos
emissores e destinatários dos pacotes, tentando sempre usar a rota mais curta.

3.3 Camada 3 - Rede
As redes de longa distância são constituídas de muitos nós com diferente
possibilidade de caminhos entre eles. Surge então a necessidade de definir um caminho
entre um par origem-destino de forma mais adequada, sendo esta a finalidade desta
camada.
Neste contexto o roteamento é a principal tarefa da camada de rede, permitindo
assim que varias redes lógicas possam coexistir em uma mesma rede físicas mantendo
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independência e segurança do sistema. Assim, mesmo que os dispositivos possam estar
fisicamente interligados, uma mensagem somente poderá ser transmitida entre
dispositivos de rede lógicas distintas ser for configurada para que isto ocorra, ou seja,
roteada de uma rede para outra.

3.4 Camada 4 - Transporte
É responsável pela comunicação lógica entre diferentes processos, sendo executados
em diferentes dispositivos.
Isso inclui controle de fluxo, ordenação dos pacotes e a correção de erros, tipicamente
enviando para o transmissor uma informação de recebimento, garantindo que as
mensagens sejam entregues sem erros na sequência, sem perdas e duplicações.
Pode fornecer os seguintes serviços:
 Multiplexação/demultiplexação;
 Transmissão confiável;
 Garantias de banda, retardo;

A ISO define o protocolo de transporte para operar em dois modos:
 Orientado a conexão (ex.: TCP- Transmission Control Protocol)
 Não-Orientado a conexão (ex.: UDP – Universal Datagram Protocol)

3.5 Camada 5 - Sessão
A camada de Sessão permite que duas aplicações em dispositivos diferentes
estabeleçam uma sessão de comunicação. Definindo como será feita a transmissão de
dados, pondo marcações nos dados que serão transmitidos.Se porventura a rede falhar, os
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computadores reiniciam a transmissão dos dados a partir da última marcação recebida
pelo computador receptor.
Isto proporciona controle de diálogo para monitorar qual é a parte que está faltando
em um dado momento e fornece facilidades de sincronização.

3.6 Camada 6 - Apresentação
Distintamente das outras camadas que essencialmente desejam levar bits do
remetente ao receptor preocupando-se como confiabilidade e eficiência, a camada de
apresentação preocupa-se com o significado dos bits.
A intenção original dessa camada no modelo OSI era conter um conjunto de
aplicações padronizadas de rede, como correio eletrônico, transferência de arquivos e
emulação de terminal.
Na prática essa camada se tornou o repositório para todas as aplicações e protocolos
que não se encaixam em outras camadas.

3.7 Camada 7 - Aplicação
A camada de aplicação corresponde às aplicações (programas) no topo da camada
OSI que serão utilizados para promover uma interação entre a máquina-usuário (máquina
destinatária e o usuário da aplicação).
Assim distingue aplicação para mensagem trafegadas na rede e protocolos
utilizados, exemplo:
 Aplicação WEB → protocolo HTTP
 Aplicação Email → protocolo SMTP, POP3.

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4. REDES INDUSTRIAIS
Dentre a evolução dos sistemas de automação é possível relacionar as tecnologias
utilizadas, desde a comunicação pneumática até os recentes avanços em sistemas de redes
sem fio (wireless) aplicado ao ambiente industrial, ver Figura 4.1.

Figura 4.1: Histórico da evolução tecnológica sem sistemas de controle

Desta evolução, surgem as redes industriais, também chamadas de Barramento de
Campo, as quais são utilizadas na interligação de dispositivos de campo, ou seja, no chão
de fábrica.
Suas características advêm da necessidade de uma rede com capacidade de suportar
o ambiente industrial, o qual comparado com o ambiente comercial ou residencial
(doméstico) prevalece à influência de:
 Interferência eletromagnética;
 Condições de operação críticas;
 Tolerância à falha;
 Operação em tempo real;
 Menor volume de informação, porém dinâmicas;

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Para atender tais caraterísticas, se fazem necessárias redes confiáveis que venham
suprir principalmente os requisitos de operação em controle de processo. Além disto, as
redes industriais visam também aumentar as informações de não controle.
As informações de não controle podem ser caracterizadas como a utilização de dados
que não estão relacionados com a variável do processo que está sendo controlada, mas sim
com os dispositivos que as controlam. As informações sobre a “saúde” de um dispositivo
pode ser utilizada em diversas situações, tais como:
 Definir o momento correte de realizar uma manutenção;
 Otimizar estoque de sobressalentes;
 Identificar preciosamente possíveis falhas;
 Diagnosticar problemas de controle em função do estado o dispositivo;

A Figura 4.2 compara aos sistemas convencionais de controle e um sistema de
automação baseado em redes.

Figura 4.2: Comparativo entre sistemas convencionais e baseados em redes industriais

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4.1 Classificação das redes industriais
Focado nas características de operação de uma determinada classe de dispositivos de
campo e finalidade de controle, as redes industriais podem ser classificadas em:
 Sensorbus (Rede de Sensores);
 DeviceBus (Redes de Dispositivos);
 Fieldbus (Redes de Processo);

A Figura 4.3 relaciona as classes de redes e algumas tecnologias comerciais utilizadas
para atender os mais diversos requisitos de controle/equipamento.

Figura 4.3: Relação entre barramento de campo

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Diante destas necessidades podem-se enumerar as características de cada classe de
rede:

4.1.1 Sensorbus (Rede de Sensores)
 Trafego de dados em formato de bits;
 Conexão:
 Poucos equipamentos;
 Equipamentos simples;
 Ligação direta;
 Características:
 Comunicação rápida em níveis discretos;
 Sensores de baixo custo;
 Pequenas distâncias;
 Objetivos principais:
 Controle lógico;
 Minimizar custo;

4.1.2 DeviceBus (Redes de Dispositivos)
 Trafego de dados em formato de bytes
 Podem cobrir distâncias de até 500 m.
 Equipamentos
 Predominantemente de variáveis discretas.
 Algumas redes permitem a transferência de blocos de dados com prioridade menor aos
dados em formato de bytes.
 Possuem os mesmos requisitos temporais das redes Sensorbus, porém podem manipular
mais equipamentos e dados.
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4.1.3 Fieldbus (Redes de Processo)
 Redes mais inteligentes:
 Podem conectar mais equipamentos a distâncias mais longas.
 Os equipamentos conectados a rede possuem inteligência para executar funções específicas:
 Sensor, atuador, controle.
 As taxas de transferência de dados podem ser menores que as anteriores, porém estas são
capazes de trafegar vários tipos de dados:
 discretos, analógicos, parâmetros, programas e informações de usuário.

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5. REDES INDUSTRIAIS CABEADAS
5.1 HART (Highway Addressable Remote Transducer )
O protocolo HART foi desenvolvido em 1980 por Rosenmount, que mais tarde fez
dele um padrão aberto. Posteriormente o protocolo foi organizado pela HART
Communication Foundation com mais de 114 companhias membros. Provê comunicação
digital para microprocessador provendo o controle de processos analógicos e controle de
instrumentos. Possibilita então a utilização de dispositivos inteligentes onde anteriormente
não era possível.
O protocolo é 100% compatível com o sistema 4-20mA podendo utilizar toda a
estrutura de cabeamento e de rede já instalado, bastando apenas à substituição do
dispositivo antigo, pelo dispositivo ”inteligente”.
Originalmente foi projetado para prover calibração e ajuste de variáveis, foi o
primeiro esquema digital, bi–direcional para processos sem degradar ou eliminar a parte
do sinal analógico, assim o processo pode continuar normalmente durante a comunicação.

5.1.1 Modulação
A comunicação estabelecida com o protocolo HART faz uso de comunicação com
chaveamento FSK (chaveamento por deslocamento de frequência), a frequência de 1200hz
representa o nível lógico 1 e a frequência de 2200hz representa o nível lógico 0. Assim os
sinais digitais e analógicos podem ser transmitidos simultaneamente, como exibido a
Figura 5.1.
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Figura 5.1: Representação do sinal em comunicação Hart

5.1.2 Taxa de transmissão

A taxa de transmissão é de 1200 bps, sendo considerada uma taxa muito baixa
quando comparada a outras formas de transmissão de dados em sistemas computacionais.
Porém deve-se ter em mente que em 1980, ano em que o HART foi elaborado, 300bps para
um computador pessoal era umataxa considerada muito boa, e modems de 1200 bps
custavam cerca de 500 a 600 dólares.

5.1.3 O protocolo
A comunicação entre dispositivos que utilizam o protocolo HART é do tipo Mestre–
Escravo, neste caso o dispositivo escravo só transmite quando o mestre requisitar, em
geral os dispositivos de campo é escravos.
Neste caso o protocolo permite a inserção de ate dois mestres, onde um ﬁca em
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standby, assim, caso haja algum problema na comunicação do mestre com o campo, o
outro assume a comunicação imediatamente.
Assim tem-se a seguinte situação:
 O mestre envia um comando e espera uma resposta;
 Um escravo espera um comando e envia uma resposta;
O comando e a resposta associada são chamados de Transação, um escravo
normalmente tem um único endereço, este endereço é inserido na mensagem pelo mestre.
O endereço pode ter de 4 bits ate 38 bits. Os escravos também podem ser endereçados
através de tags (identiﬁcador associados pelo usuário).
Existem três tipos de comandos:
 Universal
 Comum
 Proprietário
Onde os dois primeiros dizem respeitos a implementações já encontradas no
próprio protocolo e os comandos proprietários são criados pela própria empresa que
utiliza o protocolo.

5.1.4 Topologia

A topologia pode ser ponto a ponto ou multidrop. O protocolo permite o uso de até
dois mestres. O mestre primário é um computador ou CLP ou multiplexador. O mestre
secundário é geralmente representado por terminais handheld de configuração e
calibração. Deve haver uma resistência de no mínimo 230 ohms entre a fonte de
alimentação e o instrumento para a rede funcionar. O terminal handheld deve ser inserido
sempre entre o resistor e o dispositivo de campo conforme mostrado na Figura 5.2.
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Figura 5.2: Conexão de uma entrada analógica a um instrumento HART

O resistor em série em geral já é parte integral de cartões de entrada de
controladores single loop e cartões de entrada de remotas e, portanto não necessita ser
adicionado. Outros dispositivos de medição são inseridos em série no loop de corrente, o
que causa uma queda de tensão em cada dispositivo.
Para a ligação de dispositivos de saída a uma saída analógica, não é necessário um
resistor de shunt, Figura 5.3.

Figura 5.3: Conexão de uma saída analógica a um instrumento HART

5.1.5 A rede de comunicação
O tipo mais comum de rede utilizado nas redes que utilizam o protocolo HART é do
tipo ponto a ponto.
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Algumas vezes as redes são conﬁguradas de forma que a não usar o sinal analógico,
utilizam exclusivamente o protocolo HART, neste caso torna-se possível a ligação de
vários dispositivos no mesmo par de ﬁos, neste caso a interligação dos instrumentos é
chamada de multidrop.
As redes HART podem ser construídas utilizando-se cabos pares trancados, porem o
mesmo deve atenuar no máximo -3dB na frequência de 2,5kHz, e a constante RC do cabo
deve ser menor do que 65 µs. Assim, para um cabo com resistência de 500 ohms têm um
máximo valor de capacitância de 0,26µF.

Isto permite que protocolo HART seja utiliza o mesmo cabeamento para
instrumentação de campo convencional, porém com algumas restrições de distancias e
bitola, Tabela 5.1.

Tabela 5.1: Relação entre distância e bitola de cabos usados em Hart

O fator mais limitante do comprimento do cabo é sua capacitância. Quanto maior a
capacitância e o número de dispositivos, menor a distância máxima permitida, Tabela 5.2.

Tabela 5.2: Comprimento máximo do cabo em função da capacitância do cabo

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O protocolo HART pode utilizar diversos modos de comunicação. O modo básico é o
mecanismo mestre-escravo. Cada ciclo de pedido e recebimento de valor dura cerca de 500
ms, Figura 5.4, o que implica na leitura de dois valores por segundo.

Figura 5.4: Comunicação HART em modo mestre escravo (default)

Na topologia ponto a ponto um segundo mecanismo de transferência de dados é
possível. O instrumento pode enviar de forma autônoma e periódica o valor de uma
variável, por exemplo, a PV. No intervalo entre estes envios o mestre pode executar um
ciclo de pergunta e resposta. A taxa de transmissão neste caso se eleva para 3 ou 4 por
segundo. Este modo é denominado burst ou broadcast mode, Figura 5.5.
O mestre pode enviar uma mensagem para interromper este envio contínuo de
mensagens de reply, segundo sua conveniência. Cada mensagem pode comunicar o valor
de até quatro variáveis e cada dispositivo HART pode ter até 256 variáveis.

Figura 5.5: Comunicação HART em modo burst, suportada por alguns dispositivos

Quando usando uma topologia do tipo multidrop, a rede HART suporta até 15
instrumentos de campo. Apenas o modo mestre-escravo pode ser utilizado. Neste caso o
valor da corrente é mantido no seu nível mínimo de 4 mA e o valor da PV deve ser lido
através de uma mensagem explícita, Figura 5.6.
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Figura 5.6: Rede HART em topologia multidrop

A grande deficiência da topologia multidrop é que o tempo de ciclo para leitura de
cada device é de cerca de 0,5 (meio) segundo podendo alcançar 01 (um) segundo. Neste
caso para 15 dispositivos o tempo será de 7,5 a 15 segundos, o que é muito lento para
grande parte das aplicações.

5.1.6 Comandos HART
Todo dispositivo HART deve aceitar um repertório mínimo de comandos
denominados comandos universal ou common practice commands. Para cada dispositivo
existirão comandos particulares denominados device specific commands.
Os comandos universais asseguram a interoperabilidade entre os dispositivos de
campo e os comandos partículas (específicos) permitem maior liberdade por parte do
fabricante. Todos os comandos específicos são opcionais, mas se existentes devem ser
implementados segundo a especificação. A Tabela 5.3 exibe alguns comandos HART.

Tabela 5.3: Comandos HART

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5.2 Foundation Fieldbus
Foundation Fieldbus é uma arquitetura aberta para integrar informação, cujo
objetivo principal é interconectar equipamentos de controle e automação industrial,
distribuindo as funções de controle pela rede e fornecendo informação a todas as camadas
do sistema.
A tecnologia Foundation Fieldbus substitui com vantagens a tradicional tecnologia 4-
20mA +HART, possibilitando a comunicação bidirecional entre os equipamentos de forma
mais eficiente.
Esta tecnologia vai muito além de um protocolo de comunicação digital ou uma rede
local para instrumentos de campo. Ela engloba diversas tecnologias, tais como
processamento distribuído, diagnóstico avançado e redundância.
Um sistema Foundation Fieldbus é heterogêneo e distribuído, composto por
equipamentos de campo, softwares de configuração e supervisão, interfaces de
comunicação, fontes de alimentação e pela própria rede física que os interconecta.

5.2.1 Histórico
Os sistemas de controle de dispositivos de campo evoluíram com decorrer do tempo,
foram usados desde sinais de pressão, bem como níveis de tensão. Em meados de 1960
surge o padrão analógico 4-20mA para controle de dispositivosde campo. O
desenvolvimento de processadores digitais possibilitou a utilização de computadores no
monitoramento e controle de processos de um ponto central.
Na década de 80 surgem os chamados sensores inteligentes onde são implementados
tecnologia digital. A partir de todo esse ambiente surge a tentativa de otimizar e
padronizar os sistemas de supervisão e controle de processos. Ainda na década de 80 um
grupo formado pela ISA (Instrument Society of America), IEC (International Electrotechnical
Commission), Profibus (German national standard) e a FIP (French national standard) tentam definir
um padrão no comitê IEC/ISA SP50 Fieldbus.
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O padrão a ser desenvolvido deveria integrar toda a gama de instrumentos de
controle prover uma interface para operar vários dispositivos simultaneamente. O
trabalho foi desenvolvido de uma forma bastante lenta devido à diversidade de ideias das
companhias que gostariam de ter as especificações dos seus produtos incluídos no padrão.
Em 1992 dois grandes grupos o ISP (Interoperable Systems Project) e a WorldFIP (Factory
Instrumentation Protocol) se interessam pela ideia. Em setembro de 1994 as os dois juntos
formam Fieldbus Foundation e agilizam o desenvolvimento do padrão.

5.2.2 Princípio de funcionamento
Conceitualmente a rede Foundation Fieldbus pode ser definida como um barramento
de comunicação digital bidirecional que interliga os instrumentos de campo inteligentes
com o sistema de controle.
O Foudation Fieldbus pode ser utilizado indiscriminadamente por qualquer rede de
comunicação digital que interliga instrumentos de campo com sistema de controle. Todos
os instrumentos Foundation Fieldbus conectados à rede estarão enviando e recebendo
informações do sistema de controle, assim como trocando dados entre si.
Neste ponto vale verificar que a capacidade dos instrumentos mudou muito. Cada
transmissor ou posicionador de válvula terá capacidade de mandar, receber e trocar
informações. A Figura 5.7 ilustra uma rede Foundation Fieldbus interligando diversos
tipos de dispositivos.
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Figura 5.7: Exemplo de uma rede Foundation Fieldbus

5.2.3 O protocolo
O protocolo desenvolvido pra o padrão Fieldbus foi baseado no modelo ISO/OSI
embora não seja composto por todas suas camadas, o protocolo utilizado no sistema
fieldbus possui três camadas:
 Camada de física:
Diz respeito a informações elétricas, ou melhor, aos níveis de tensão e de corrente
que gerados devido à transmissão de dados. Essa camada faz a retirada dos dados do
barramento passando para a camada seguinte, a camada de enlace de dados. Recebe
mensagens da pilha de comunicação e converte para sinais elétricos e vice-versa.
A transmissão se dá de forma half-duplex serial, de forma que pode ser simultânea,
ou seja, em ambos os sentidos: do campo para os sistemas de controle e do sistema de
controle para o campo. Os sinais são sinais são codificados utilizando a técnica Mancheste
Bipolar-L com a informação de clock já agregada no fluxo serial de dados, mostrado na
Figura 5.8. Além disto, tem-se também um preâmbulo que é composto por caracteres
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especiais e ainda por delimitadores de início e de fim que compõem o sinal enviado pela
camada física.

Figura 5.8: Exemplo da codificação utilizando a técnica Mancheste

 Camada de enlace de dados:
Camada de enlace de dados ou DLL controla a transmissão de mensagens no
barramento através de um agendador determinístico centralizado de barramento chamado
LAS. O LAS permite dois tipos de comunicação entre dispositivos, agendada e não
agendada.
No modo agendado o LAS tem o conhecimento prévio dos tempos em que cada
dispositivo deve enviar dados fazendo o gerenciamento do envio dos dados informando a
vez de cada dispositivo enviar os dados.
Na comunicação não agendada é usado o conceito de passagem de ficha, de forma
que quando o barramento está ocioso o LAS envia uma mensagem para um dispositivo,
habilitanda o mesmo para o envio da mensagem.
A camada de enlace de dados controla a transmissão de mensagens, as quais podem
ser agendadas (envio periódico) ou não agendadas (passagem de ficha). Assim, nesse nível
é implementado também o controle de acesso ao meio determinando quem pode
transmitir e quando. Existem três formas de acesso ao meio:
 Passagem por ficha
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 Resposta imediata
 Requisição de ficha

 Camada de aplicação:
É a última camada do modelo utilizado, essa camada promove a interface entre o
usuário e o sistema em níveis de configuração e monitoramento do sistema. Em síntese o
este nível define a forma de ler, escrever ou dispara uma tarefa numa estação remota. É
onde se define o modo pelo qual a mensagem é transmitida.
Fornece uma interface para o software aplicativo do equipamento, basicamente, a
principal tarefa é a definição de sintaxe para as mensagens, são utilizadas para ler,
escrever variáveis ou disparar uma tarefa numa estação remota. Ela também controla a
rede com levantamento estatísticos de definição de falhas e de adição de um novo
elemento ou remoção de uma estação.

5.2.4 Meio físico
É importante observar na implementação de um sistema fieldbus as características
físicas do projeto, assim devem-se considerar alguns aspectos, tais como:
 Distância máxima entre equipamentos, assim deve-se estudar com cautela a melhor forma de
disposição de equipamentos no ambiente físico de forma a minimizar o comprimento dos
cabos envolvidos na instalação (barramento e derivação);
 Número máximo de equipamentos a serem interligados;
 Topologia a ser utilizada;

Outro ponto a ser analisado diz respeito à utilização de barreiras de segurança
intrínseca para a proteção da rede. Uma característica importante nas redes fieldbus é a
taxa de transmissão de dados onde podemos encontrar taxas desde 31,25 Kbps até
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2.5Mbps dependo do tipo de cabeamento utilizado e da distância entre equipamentos, tal
aspecto deverá ser discutido mais tarde na parte que trata sobre cabeamentos.
De acordo com a norma ISA-S50.02 o cabo utilizado na rede fieldbus para a
transmissão de na taxa de 31,25Kbps pode ser um cabo simples de par trançado que
atenda aos seguintes requisitos:
 Impedância intrínseca Z0 em fr (31,25 KHz) = 1000 ± 20%;
 Atenuação máxima em 1,25 fr (39 KHz) = 3.0 dB/Km;
 Máxima capacitância não balanceada da blindagem = 2 nF/Km;
 Resistência DC máxima (por condutor) = 220/Km;
 Atraso máximo de propagação entre 0,25 fr e 1,25 fr = 1.7 ms/Km;
 Área seccional do condutor (bitola) = nominal 0,8 mm2;
 Cobertura mínima da blindagem devera ser maior ou igual a 90%.

É importante salientar que quando do acoplamento de equipamentos no barramento
ou nas derivações, deve-se respeitar a polaridade a qual o cabo está submetido. O
comprimento máximo dos cabos é função da taxa de transmissão dos dados, como
disposto na Tabela 5.4.

Tabela 5.4: Taxa de transmissão da Rede Foundation Fieldbus

No que se refere às derivações temos que o comprimento das mesmas depende do
numero de equipamentos acoplados, de forma que em uma derivação deve-se ter não
mais que 32 equipamentos.Para mais detalhes veja Tabela 5.5.
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Tabela 5.5: Numero do dispositivo em rede Foundation Fieldbus

Em caso de utilização de segurança intrínseca a razão L/R deve ser menor do que o
limite especificado pela agencia reguladora local. Cabos com outras especificações podem
ser utilizados, cabos melhores podem representar um ganho no desempenho, e
reciprocamente cabos piores podem representar uma pior desempenho, comprometendo
também os comprimentos máximos utilizados.

5.2.5 Topologia
Existem varias possibilidade de configuração física das redes fieldbus dentre elas
pode-se citar:
 Barramento com Spur
Nesta topologia utiliza-se um barramento único (trunk) onde equipamentos ou
barramentos secundários (spurs) são conectados diretamente a ele. Podem-se ter ainda
vários equipamentos diferentes em cada spur. A Figura 5.9 ilustra esse tipo de topologia.
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Figura 5.9: Topologia de barramento com Spur

 Ponto a Ponto
Nesta topologia tem-se a ligação em série de todos os equipamentos utilizados na
aplicação conforme ilustra a Figura 5.10. O cabo Fieldbus é roteado de equipamento para
equipamento neste seguimento e é interconectado nos terminais de cada equipamento
Fieldbus.
As instalações que utilizam esta topologia devem usar conectores de forma que a
desconexão de um simples equipamento não interrompa a continuidade do segmento.

Figura 5.10: Topologia Ponto a Ponto

 Árvore
A topologia em árvore concentra em acopladores/caixas de junção a ligação de
vários equipamentos. Devido a sua distribuição, esta topologia é conhecida também como
“Pé de Galinha”. A Figura 5.11 ilustra esse tipo de topologia.
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Figura 5.11: Topologia Árvore

 End-to-End
Esta topologia é utilizada quando se conecta diretamente apenas dois equipamentos.
Esta ligação pode estar inteiramente no campo (um transmissor e uma válvula sem
nenhum outro equipamento conectado) ou pode ligar um equipamento de campo (um
transmissor) ao “Device Host”. A Figura 5.12ilustra esse tipo de topologia.

Figura 5.12: Topologia End-to-End

 Mista
Nesta configuração encontram-se as três topologias mais comumente utilizadas
ligadas entre si. Deve-se observar, no entanto, o comprimento máximo do segmento que
deve incluir o comprimento dos spurs no comprimento total. A Figura 5.13 ilustra esse
tipo de topologia.

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Figura 5.13: Topologia Mista

5.2.6 Finalidade da Aplicação
A finalidade principal é interconectar equipamentos de controle e automação
industrial, distribuindo as funções de controle pela rede e fornecendo informação a todas
camadas do sistema.
A interconexão desses equipamentos de controle e automação, quando utilizando
protocolo Foudation Fieldbus, proporcionam vários benefícios ao sistema, entre eles pode-se
citar:

 Interoperabilidade
Com a interoperabilidade, um dispositivo Fieldbus pode ser substituído por um
dispositivo similar com maior funcionalidade de um outro fornecedor na mesma rede do
Fieldbus, mantendo as características originais. Isto permite aos usuários mesclar
dispositivos de campo e sistemas de vários fornecedores.
Dispositivos individuais Fieldbus podem também transmitir e receber a informação
de multivariáveis, comunicando-se diretamente um com o outro sobre o barramento
Fieldbus, permitindo que novos dispositivos sejam adicionados ao barramento sem
interromper o controle.

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 Dados de Processos mais completos
Com o Foundation Fieldbus, as variáveis múltiplas de cada dispositivo podem ser
trazidas ao sistema de controle da planta para a análise, arquivo, análise de tendência,
estudos de otimização de processo e geração de relatórios. Este acesso aos dados mais
exatos e de alta resolução, permite um ajuste fino do processo para melhor operação,
reduzindo o tempo ocioso da planta. Estas características permitem um maior
desempenho e lucratividade mais elevada da planta.

 Vista expandida do processo
Dispositivos modernos Fieldbus, com comunicação poderosa microprocessada
permitem que os erros de processo possam ser reconhecidos mais rapidamente e com uma
maior certeza. Como conseqüência, os operadores de planta são notificados de condições
anormais ou da necessidade de manutenção preventiva, e podem tomar melhores decisões
sobre a produção.
Os problemas que diminuem a eficiência operacional são corrigidos mais
rapidamente, permitindo um aumento no rendimento enquanto que o custo de matéria
prima e os problemas de emissões perigosas diminuem.

 Melhor segurança da planta
A tecnologia Fieldbus ajuda as plantas a manter as exigências de segurança, cada vez
mais restritas. Fornecendo operadores com notificação e aviso antecipados de
circunstâncias perigosas pendentes e atuais, o Fieldbus permite a ação corretiva antes de
uma parada não planejada. As potencialidades de diagnóstico ampliadas da planta
reduzem também a necessidade do acesso freqüente às áreas perigosas, minimizando
assim os riscos do pessoal no campo.

 Manutenção Proativa Mais Fácil
As potencialidades ampliadas de diagnóstico dos dispositivos de campo possibilitam
monitorar e registrar condições como o desgaste da válvula e entupimento do transmissor.
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O pessoal da planta pode executar a manutenção proativa sem esperar uma parada
programada, evitando ou reduzindo assim o tempo ocioso da planta.

 Redução de custos de fiação e manutenção
O Foundation Fieldbus usa a fiação existente e as conexões multi-drop fornecem
economias significativas nos custos de instalação. Isto inclui reduções nos custos de barreira
de segurança intrínseca e de cabos, particularmente nas áreas onde a fiação está já no lugar.
Redução de custo adicional pode ser conseguida com a redução do tempo necessário para a
construção e partida, bem como com a simplificação da programação das funções do controle
e da lógica, usando os blocos de função embutidos nos dispositivos.
De acordo com estimativas atuais, há agora sistemas Foundation Fieldbus em operação
em mais de 25 países. Estima-se hoje que aproximadamente 80 por cento de todas as novas
instalações de sistemas de controle de planta que utilizam a tecnologia fieldbus são
compatíveis com o Foundation Fieldbus.
5.3 Profibus PA
Profibus, acrônimo para Process Field Bus, é hoje um dos standards de rede mais
empregados no mundo. Esta rede foi concebida a partir de 1987 em uma iniciativa
conjunta de fabricantes, usuários e do governo alemão. A rede está padronizada através
da norma DIN 19245 incorporada na norma européia Cenelec EN 50170.
Na realidade, a rede Profibus é composta por três redes (ou communication profiles),
que são:
 Profibus FMS (Field Message Specification)
 Profibus DP (Distributed Peripherals)
 Profibus PA (Process Automation)

A Figura 5.14 apresenta a faixa de aplicação para diversas redes Profibus.
Curso de Capacitação
Introdução às Redes Industriais