Arquitetura das Redes Industriais

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APOSTILA TÉCNICA APROFUNDADA
Redes Industriais
Tema 2
Arquitetura Das Redes Industriais
Engenharia Elétrica - 8º semestre
Resumo completo por módulos, com teoria, cálculos, diagramas e aplicação
Módulos deste tema
Módulo 1 - Processo evolutivo das redes industriais
Módulo 2 - Aspectos topológicos das redes industriais
Módulo 3 - Redes de comunicação
Redes Industriais Tema 2 - Arquitetura Das Redes Industriais
2
Objetivos e mapa de estudo
Propósito do material da faculdade
Conhecer as topologias que podem ser empregadas nos processos produtivos, assim como os elementos que
compõem as arquiteturas das redes, é fundamental para compreender e projetar a comunicação nos
processos produtivos. Objetivos • Reconhecer a evolução histórica das redes industriais. • Listar as principais
topologias e os sistemas do tipo cliente-servidor e Web Server. • Identificar os diferentes serviços de
arquitetura de rede.
O que você deve dominar ao terminar este tema
• Explicar os conceitos com terminologia técnica correta e linguagem simples.
• Interpretar o funcionamento e os diagramas associados.
• Aplicar as equações dentro de suas hipóteses e unidades.
• Comparar componentes, topologias e tecnologias.
• Reconhecer limitações, falhas, riscos e critérios de seleção.
Mapa progressivo dos módulos
Módu
lo
Questão central Resultado esperado
1 Como compreender e aplicar processo evolutivo das
redes industriais?
Analisar, calcular quando aplicável e justificar
uma decisão de engenharia.
2 Como compreender e aplicar aspectos topológicos das
redes industriais?
Analisar, calcular quando aplicável e justificar
uma decisão de engenharia.
3 Como compreender e aplicar redes de comunicação? Analisar, calcular quando aplicável e justificar
uma decisão de engenharia.
Redes Industriais Tema 2 - Arquitetura Das Redes Industriais
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Módulo 1 - Processo evolutivo das redes
industriais
Fundamento → compreensão → funcionamento → análise → aplicação de engenharia
1. Visão geral
O módulo trata de processo evolutivo das redes industriais. Sua finalidade é permitir que o estudante
reconheça o fenômeno, equipamento ou arquitetura, modele seu comportamento e utilize os resultados em
decisões de projeto, operação, diagnóstico e proteção.
Dentro de Redes Industriais, esse conhecimento é importante porque aumenta cabeamento e dificulta
integração. Ele aparece em aplicações como: Problema: integrar dispositivos industriais com prazo,
disponibilidade e segurança. Solução: especificar arquitetura, meio, protocolo, endereçamento, tempo de
ciclo e modo de falha.
Dispositivo de campo → Quadro / mensagem → Meio e infraestrutura →
Controlador /
aplicação
Figura conceitual - caminho funcional do assunto estudado.
2. Conceitos fundamentais
Conceitos centrais explicados
Conceito: Automação isolada
Definição técnica: Arquitetura com sinais ponto a ponto e ilhas de controle.
Explicação simples: Cada equipamento comunica pouco.
Importância: Aumenta cabeamento e dificulta integração.
Conceito: Fieldbus/Ethernet industrial
Definição técnica: Redes digitais compartilhadas para dispositivos de campo e controle.
Explicação simples: Vários dados trafegam no mesmo meio.
Importância: Reduz cabeamento e amplia diagnóstico.
Conceito: Convergência
Definição técnica: Integração controlada entre níveis de campo, controle e informação.
Explicação simples: Dados do processo chegam a sistemas superiores.
Importância: Habilita análise sem eliminar segmentação.
Desenvolvimento dos subassuntos do material-base
Os blocos abaixo reorganizam os pontos teóricos distribuídos nas páginas do módulo. Foram removidas chamadas de vídeo,
alternativas de questões e repetições, mas preservado o desenvolvimento conceitual necessário ao estudo.
Redes Industriais Uma rede industrial consiste em um conjunto de equipamentos interligados de maneira a
permitir a troca de dados e/ou o compartilhamento de recursos.
Protocolos diferentes são utilizados em situações diferentes:
Vale destacar que as atribuições de protocolos nos níveis não são regras, podendo variar de acordo com os
processos produtivos.
Taxa de transmissão
É relacionada à velocidade com a qual uma mensagem é transferida de um ponto para outro de uma rede de
comunicação de dados.
Largura de banda (bandwidth)
Define a medida da capacidade de transmissão de uma rede ou conexão. Ela é medida em bits por segundo
(quilobits/segundo = kbps; megabits/por segundo = Mbps).
Equipamentos que integram uma rede industrial A seguir, veremos alguns equipamentos que integram uma
rede industrial.
Redes Industriais Tema 2 - Arquitetura Das Redes Industriais
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Repetidor
Consiste em um equipamento que realiza a cópia de dados de uma rede para outra. Isso permite que as duas
redes diferentes se comportem logicamente como uma única. Os repetidores são utilizados para suprir
limitações nas redes, como o comprimento dos cabos e a necessidade de expansão.
Ilustração do uso de um switch.
Um breve histórico das redes industriais A evolução das redes industriais acompanhou a evolução dos
controladores. Após o desenvolvimento dos controladores, e sua transformação de elementos eletromecânicos
para dispositivos microprocessados, houve a necessidade de uma adequação dos meios produtivos de maneira
a permitir as comunicações entre controladores e computadores industriais.
A transmissão de dados Para que os instrumentos fossem capazes de trocar informações através das redes de
comunicação, a transmissão digital passou a substituir o padrão de transmissão analógico (4mA a 20mA) e os
instrumentos foram adaptados com certo nível de inteligência.
Sensorbus
Posteriormente, foram desenvolvidos barramentos específicos para a conexão entre sensores e elementos finais
discretos (atuadores discretos, como válvulas “abre e fecha” e motores “liga e desliga”), permitindo a
transmissão de bits.
Fieldbus
Por fim, foram desenvolvidos os modelos do tipo fieldbus, que abrangem padrões de rede DeviceNet, Profibus,
Interbus, Fieldbus Foundation, permitindo a evolução dos sistemas de controle distribuído e o desenvolvimento
dos sistemas SCADA.
Half-Duplex
A comunicação pode ser feita em ambos os sentidos. Entretanto, não ocorre de maneira simultânea, ou seja,
pode ocorrer de um dispositivo A para um dispositivo B e vice-versa. Porém, para que ocorra a reversão do
sentido, a comunicação no sentido oposto precisa ser finalizada.
Multiponto
Cadência de transmissão Uma transmissão pode ser síncrona ou assíncrona. O sincronismo em uma transmissão
de dados é a característica que faz com que os componentes conectados em na mesma rede tenham o mesmo
ritmo.
Além disso, nas transmissões seriais, o intervalo de tempo entre os bits é respeitado por ambos os
equipamentos de forma sincronizada. Veja mais sobre os tipos de transmissão a seguir.
Transmissão assíncrona
Nesse tipo de transmissão, os dados são enviados com intervalos aleatórios, ou seja, sem que os equipamentos
possuam um sincronismo entre si. Algumas técnicas são utilizadas para esse tipo de transmissão, como veremos
a seguir.
Transmissão síncrona
É o tipo de transmissão na qual os dados são transferidos em agrupamentos de caracteres de maneira
sequencial. Os intervalos entre os grupamentos são padronizados ou nulos.
3. Funcionamento
A sequência funcional deve ser lida do estímulo ou entrada até a resposta do sistema. Em cada etapa, o
engenheiro observa as variáveis de estado, conversões, atrasos, perdas e condições de falha.
1. O dispositivo produz dados do processo.
2. O meio e o protocolo transportam quadros/mensagens.
3. Equipamentos de rede encaminham e priorizam o tráfego.
4. A aplicação interpreta o dado, atua e registra diagnóstico.
4. Equações e relações matemáticas
tempo de transmissão = bits/taxa
Variáveis e unidades: s.
Significado físico: Parcela serial do atraso.
latência total = transmissão + propagação + fila + processamento
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Variáveis e unidades: s.
Significado físico: Tempo ponta a ponta.
Condiçõesde validade
• Taxa nominal não equivale à taxa útil.
• Latência deve ser avaliada no pior caso.
• Timeout, redundância e estado seguro fazem parte do requisito.
5. Componentes, elementos ou equipamentos
Elemento/equipamen
to
Função Princípio Características e limitações
Sensor/atuador Interagir com processo. Sinais e protocolos de
campo.
Ambiente e tempo de resposta.
PLC/controlador Executar lógica. Ciclo determinístico. Capacidade e redundância.
SCADA/MES Supervisionar e integrar
produção.
Coleta e contextualização. Segurança e qualidade dos dados.
A tabela resume a função principal. A seleção final deve considerar tensão, corrente, frequência, ambiente, tolerância,
proteção, manutenção e vida útil conforme a natureza do elemento.
6. Aplicação prática
Problema integrar dispositivos industriais com prazo, disponibilidade e segurança.
Solução especificar arquitetura, meio, protocolo, endereçamento, tempo de ciclo e
modo de falha.
Funcionamento O dispositivo produz dados do processo. O meio e o protocolo transportam
quadros/mensagens. Equipamentos de rede encaminham e priorizam o
tráfego.
Resultado esperado Resultado tecnicamente verificável, dentro dos limites de desempenho,
segurança e operação.
7. Exemplo de engenharia
Orçamento de latência industrial
Problema: Uma aplicação admite 20 ms; sensor usa 3 ms, controlador 5 ms e atuador 4 ms.
Resolução passo a passo
1. Tempo local=3+5+4=12 ms.
2. Resta 8 ms para rede, filas e margem.
3. O projeto deve medir o pior caso sob carga e durante recuperação de falha.
Resultado: Orçamento bruto de rede=8 ms.
Interpretação de engenharia: O prazo deve ser distribuído entre todos os elementos do caminho.
8. Pontos críticos e cuidados
• Separar disponibilidade, latência média e pior caso.
• Documentar endereços e mapa de dados.
• Planejar segmentação e redundância.
• Validar instalação contra EMI e ambiente.
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• Definir timeout, diagnóstico e estado seguro.
Erros e modos de falha recorrentes
Erro/modo de falha Consequência Prevenção ou verificação
Rede plana Propagação de falhas e ataques Segmentar zonas e conduítes
Timeout sem pior caso Paradas falsas ou reação lenta Medir latência e jitter sob carga
Mapa de dados ambíguo Comando ou escala incorretos Documentar tipo, unidade, endianess e
qualidade
9. Relação com outros assuntos
• Automação e sistemas supervisórios.
• Cibersegurança industrial.
• Controle distribuído e instrumentação.
A relação entre disciplinas é importante porque o comportamento elétrico, a instrumentação, o controle, a
comunicação e a proteção formam um único sistema na aplicação real.
10. Complementos técnicos
Complemento técnico: uma rede industrial deve ser validada pelo comportamento de pior caso e pela
resposta a falhas; alta taxa nominal, isoladamente, não garante determinismo.
Complemento: throughput médio não demonstra tempo real. O projeto precisa de pior latência, jitter,
recuperação de redundância, qualidade do dado, segmentação e resposta segura à perda de comunicação.
Normas e referências normativas relacionadas
• IEC 62443 - segurança cibernética para sistemas de automação e controle industrial. Consultar a edição
vigente e o escopo aplicável.
11. O que realmente precisa ser memorizado
• Evolução: ponto a ponto → fieldbus → Ethernet/IIoT.
• Integração não significa rede plana.
• Latência inclui várias parcelas.
• Determinismo depende da tecnologia e configuração.
• Diagnóstico é ganho central das redes digitais.
• tempo de transmissão = bits/taxa - Parcela serial do atraso.
• latência total = transmissão + propagação + fila + processamento - Tempo ponta a ponta.
12. Resumo final do módulo
• O assunto central é Processo evolutivo das redes industriais.
• Automação isolada: Arquitetura com sinais ponto a ponto e ilhas de controle.
• Fieldbus/Ethernet industrial: Redes digitais compartilhadas para dispositivos de campo e controle.
• Convergência: Integração controlada entre níveis de campo, controle e informação.
• Evolução: ponto a ponto → fieldbus → Ethernet/IIoT.
• Integração não significa rede plana.
• Latência inclui várias parcelas.
• Determinismo depende da tecnologia e configuração.
• Diagnóstico é ganho central das redes digitais.
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Checklist de domínio
□ Consigo explicar, sem consultar o texto, o que é processo evolutivo das redes industriais e por que esse
assunto é usado?
□ Consigo diferenciar Automação isolada de Fieldbus/Ethernet industrial e dar uma aplicação de cada um?
□ Consigo identificar as unidades, hipóteses e significado físico das equações principais?
□ Consigo refazer o exemplo numérico e interpretar o sinal, a ordem de grandeza e o limite do resultado?
□ Consigo reconhecer os três principais erros de projeto ou operação discutidos no módulo?
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Módulo 2 - Aspectos topológicos das redes
industriais
Fundamento → compreensão → funcionamento → análise → aplicação de engenharia
1. Visão geral
O módulo trata de aspectos topológicos das redes industriais. Sua finalidade é permitir que o estudante
reconheça o fenômeno, equipamento ou arquitetura, modele seu comportamento e utilize os resultados em
decisões de projeto, operação, diagnóstico e proteção.
Dentro de Redes Industriais, esse conhecimento é importante porque facilita diagnóstico e expansão. Ele
aparece em aplicações como: Problema: integrar dispositivos industriais com prazo, disponibilidade e
segurança. Solução: especificar arquitetura, meio, protocolo, endereçamento, tempo de ciclo e modo de
falha.
Dispositivo de campo → Quadro / mensagem → Meio e infraestrutura →
Controlador /
aplicação
Figura conceitual - caminho funcional do assunto estudado.
2. Conceitos fundamentais
Conceitos centrais explicados
Conceito: Estrela
Definição técnica: Nós ligados a um equipamento central.
Explicação simples: Cada dispositivo tem seu próprio enlace.
Importância: Facilita diagnóstico e expansão.
Conceito: Anel
Definição técnica: Nós conectados formando caminho fechado.
Explicação simples: Pode oferecer rota alternativa.
Importância: Usado com protocolos de redundância.
Conceito: Barramento
Definição técnica: Nós compartilham um meio principal.
Explicação simples: Todos usam o mesmo segmento.
Importância: Reduz cabo, mas concentra falhas.
Desenvolvimento dos subassuntos do material-base
Os blocos abaixo reorganizam os pontos teóricos distribuídos nas páginas do módulo. Foram removidas chamadas de vídeo,
alternativas de questões e repetições, mas preservado o desenvolvimento conceitual necessário ao estudo.
Ponto a ponto A rede ponto a ponto é formada por diversas linhas de comunicação ligadas a um par de estações
de cada vez. É importante destacar que cada computador de uma rede ponto a ponto funciona tanto como
cliente quanto servidor.
Essa estratégia divide os dados transmitidos durante a comunicação em pequenos pedaços gerenciáveis
denominados pacotes. Assim, grandes pacotes de dados são transmitidos como vários pacotes pequenos,
minimizando a probabilidade de erros de transmissão.
Vantagens
Todos os computadores são independentes, ou seja, podem executar diversas atividades sem depender de um
servidor ou outros dispositivos conectados; • Todo computador funciona como cliente e servidor, podendo
enviar e receber arquivos dependendo da necessidade dos usuários; • Os custos de implementação são
menores, tendo em vista a não necessidade de um computador atuando como servidor; • São mais facilmente
implementáveis; e • Como os computadores já armazenam arquivos, quase todas as máquinas podem ser
facilmente adaptáveis para essa topologia.
Como maior vantagem, pode-se destacar a confiabilidade e a estabilidade desse tipo de rede. Entretanto, a
complexidade nas conexões faz com que um planejamento considerável seja necessário para sua execução.
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Malha parcial Malha completaA malha parcial é Geralmente, as Todos os nós Uma vantagem da mais prática e
fácil de malhas estão conectados malha completa é a ser implementada do periféricas são uns aos outros.
redundância do que a malha conectadas por Assim, se houver sistema. Contudo, esse completa. Em uma meio
de malhas um número n de tipo de topologia malha parcial, nem parciais e nós em uma rede, geralmente
apresenta todos os nós estão ligadas à existirão n-1 um elevado custo de conectados aos espinha dorsal
conexões. implementação. outros na rede. em malha completa.
A espinha dorsal (backbone) é a parte em que todos os segmentos estão conectados e que providencia a
estrutura para toda a rede. Como todos os servidores estão dentro de segmentos e, por sua vez, os segmentos
estão conectados diretamente na espinha dorsal, a localização de cada um deles se torna muito mais fácil.
Como desvantagem, tem-se a dependência do hub central
Como desvantagem, tem-se a dependência do hub central. Contudo, diferentemente da topologia em árvore,
caso o hub central caia, os equipamentos ligados diretamente a ele serão impactados, mas os secundários
(conectados a esses equipamentos) não.
Ligação por difusão em barramento.
Vale destacar que, nessa topologia, a codificação dos sinais é realizada nas próprias máquinas. O barramento
comum apenas serve para o tráfego da informação. As mensagens são recebidas apenas pelo destinatário. Nas
extremidades dos barramentos, são instalados os terminadores, para evitar a dissipação do sinal.
Vale observar que as topologias por anel também podem ser do tipo por difusão. Isso ocorre na medida em que
os dados podem ser colocados na rede e circular por todos os equipamentos conectados a ela. Contudo, quando
recebe um dado que não é para ele, o equipamento o retransmite para outro computador até que o destinatário
seja localizado.
Assim, o conceito cliente-servidor refere-se a um modelo de comunicação em que diversos equipamentos são
interligados por meio de uma rede. O cliente faz a solicitação dos serviços ao servidor, que é responsável pelo
atendimento ao cliente.
Nas diferentes topologias existentes, as tarefas podem ser distribuídas entre diversos servidores (fornecedores
de serviços) para atendimento aos clientes (solicitantes dos serviços). Essa é uma das vantagens desse tipo de
arquitetura: a possibilidade de divisão das tarefas entre diversos servidores (equipamentos e/ou programas). Ou
seja, mais de um equipamento/programa pode executar determinado serviço.
O hardware pode ser considerado um computador que armazena os arquivos e os entrega quando solicitado
pelo cliente, desde que conectados a ele através de uma rede.
Servidor web dinâmico
Os servidores dinâmicos são essencialmente os servidores estáticos com um software de aplicações e um banco
de dados, denominados application server e database, respectivamente. A denominação dinâmico é dada ao
servidor tendo em vista a atualização dos arquivos hospedados antes de enviá- los ao solicitante.
Armazenamento dos arquivos Um servidor web precisa ser capaz de armazenar os arquivos dos sites (textos,
imagens, códigos etc.). Esse armazenamento pode ser feito em um computador próprio.
1. Os clientes fazem as requisições e os servidores respondem às solicitações dos clientes. 2. Os clientes
fornecem o Localizador de Recursos Uniforme (Uniform Resource Locator - URL). Caberá ao servidor HTTP
confirmar se a URL corresponde a um arquivo existente. 3. Caso não seja possível confirmar o endereço, uma
mensagem de erro é exibida.
3. Funcionamento
A sequência funcional deve ser lida do estímulo ou entrada até a resposta do sistema. Em cada etapa, o
engenheiro observa as variáveis de estado, conversões, atrasos, perdas e condições de falha.
1. O dispositivo produz dados do processo.
2. O meio e o protocolo transportam quadros/mensagens.
3. Equipamentos de rede encaminham e priorizam o tráfego.
4. A aplicação interpreta o dado, atua e registra diagnóstico.
4. Equações e relações matemáticas
disponibilidade série ≈ ΠAi
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Variáveis e unidades: Ai: disponibilidade de cada elemento.
Significado físico: Mais elementos em série reduzem disponibilidade.
tempo de recuperaçãocentral é Aspectos topológicos das redes industriais.
• Estrela: Nós ligados a um equipamento central.
• Anel: Nós conectados formando caminho fechado.
• Barramento: Nós compartilham um meio principal.
• Estrela facilita isolamento de falhas.
• Anel exige protocolo contra loop.
• Barramento exige terminação.
• Redundância precisa de tempo de recuperação conhecido.
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• Topologia física e lógica podem diferir.
Checklist de domínio
□ Consigo explicar, sem consultar o texto, o que é aspectos topológicos das redes industriais e por que esse
assunto é usado?
□ Consigo diferenciar Estrela de Anel e dar uma aplicação de cada um?
□ Consigo identificar as unidades, hipóteses e significado físico das equações principais?
□ Consigo refazer o exemplo numérico e interpretar o sinal, a ordem de grandeza e o limite do resultado?
□ Consigo reconhecer os três principais erros de projeto ou operação discutidos no módulo?
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Módulo 3 - Redes de comunicação
Fundamento → compreensão → funcionamento → análise → aplicação de engenharia
1. Visão geral
O módulo trata de redes de comunicação. Sua finalidade é permitir que o estudante reconheça o fenômeno,
equipamento ou arquitetura, modele seu comportamento e utilize os resultados em decisões de projeto,
operação, diagnóstico e proteção.
Dentro de Redes Industriais, esse conhecimento é importante porque aumenta cabeamento e dificulta
integração. Ele aparece em aplicações como: Problema: integrar dispositivos industriais com prazo,
disponibilidade e segurança. Solução: especificar arquitetura, meio, protocolo, endereçamento, tempo de
ciclo e modo de falha.
Dispositivo de campo → Quadro / mensagem → Meio e infraestrutura →
Controlador /
aplicação
Figura conceitual - caminho funcional do assunto estudado.
2. Conceitos fundamentais
Conceitos centrais explicados
Conceito: Automação isolada
Definição técnica: Arquitetura com sinais ponto a ponto e ilhas de controle.
Explicação simples: Cada equipamento comunica pouco.
Importância: Aumenta cabeamento e dificulta integração.
Conceito: Fieldbus/Ethernet industrial
Definição técnica: Redes digitais compartilhadas para dispositivos de campo e controle.
Explicação simples: Vários dados trafegam no mesmo meio.
Importância: Reduz cabeamento e amplia diagnóstico.
Conceito: Convergência
Definição técnica: Integração controlada entre níveis de campo, controle e informação.
Explicação simples: Dados do processo chegam a sistemas superiores.
Importância: Habilita análise sem eliminar segmentação.
Desenvolvimento dos subassuntos do material-base
Os blocos abaixo reorganizam os pontos teóricos distribuídos nas páginas do módulo. Foram removidas chamadas de vídeo,
alternativas de questões e repetições, mas preservado o desenvolvimento conceitual necessário ao estudo.
3. Redes de Comunicação
As diferentes características de uma rede de comunicação Neste vídeo, o especialista aborda os principais
conceitos e aspectos que devem ser observados durante a leitura deste módulo.
aumento da competitividade, isto é, redução de custos na implementação e manutenção; • integração de
circuitos em larga escala; • substituição dos controladores lógicos baseados em relés pelos controladores
microprocessados; e • troca dos painéis de controle pelos sistemas supervisórios computadorizados.
Taxa de transmissão de dados
Consiste na velocidade com a qual os bits da informação trafegam pelos meios de comunicação (cabos ou sem
fio) quando transmitidos de um dispositivo para outro (unidade quilobits por segundo - Kbps, megabits por
segundo - Mbps).
Deve-se levar em consideração informações fundamentais, tais como:
o fluxo de informações; • o número de mensagens; • a frequência com que as mensagens são trocadas.
Ilustração da classificação de uma rede.
Alguns tipos de redes As redes de comunicação são as denominações dadas às conexões dos equipamentos e
que possibilitam as trocas de informações entre esses elementos. Veja mais sobre isso a seguir.
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Rede devicebus
As redes desse tipo permitem a troca de dados em bytes. Permitem cobrir distâncias de até 500 metros com
instrumentos predominantemente discretos.
Os equipamentos conectados a uma rede fieldbus possuem certo nível de inteligência e são capazes de executar
funções específicas. Esses equipamentos podem lidar com sinais digitais e analógicos, bem como ser
parametrizados a distância.
Enquanto a topologia define a ligação entre os equipamentos, o tipo de comunicação define como os
equipamentos conectados serão relacionados entre si. Veja mais sobre isso a seguir.
Métodos de troca de dados As trocas de dados em uma rede de comunicação podem ser realizadas entre a
origem e um destino (redes do tipo ponto a ponto) ou entre a origem e múltiplos destinatários simultaneamente
(multicast ou broadcast multiplexado).
Uma das vantagens nesse tipo de metodologia é a transferência de dados, tendo em vista que ocorre a uma
taxa adequada aos dispositivos utilizados na instalação.
controle de acesso às áreas em que estão instalados os equipamentos; • limite de acesso aos painéis; • controle
de conexão de dispositivos na rede; • isolamento do cabeamento utilizado na instalação da rede; •
monitoramento contínuo por meio de uma sala de controle.
Diferentemente da proteção física, a segurança de rede se preocupa com o acesso virtual, por meio de
malwares (vírus etc.) ou atividades de invasão (hackeamento).
Nas boas práticas de conectividade, a maior preocupação é com a redução da latência, que consiste no tempo
entre a saída de um dado do equipamento e a resposta do servidor para o qual o dado foi enviado. Quanto
menor a latência, menor é o tempo entre o envio do dado e a resposta.
Essa preocupação se deve aos efeitos que uma elevada latência pode apresentar sobre a rede, tais como:
redução na disponibilidade, a queda constante do servidor por excesso de informação (latência muito elevada);
• perda de integridade, devido à péssima qualidade de conexão; • confidencialidade de dados.
Priorização
Mediante a priorização, implementada por meio do Quality of Service (QoS), é possível definir quais dispositivos
terão prioridade no acesso à rede e na troca de dados. Dessa maneira, é mais fácil determinar as prioridades e
garantir um acesso de qualidade aos dispositivos prioritários.
3. Funcionamento
A sequência funcional deve ser lida do estímulo ou entrada até a resposta do sistema. Em cada etapa, o
engenheiro observa as variáveis de estado, conversões, atrasos, perdas e condições de falha.
1. O dispositivo produz dados do processo.
2. O meio e o protocolo transportam quadros/mensagens.
3. Equipamentos de rede encaminham e priorizam o tráfego.
4. A aplicação interpreta o dado, atua e registra diagnóstico.
4. Equações e relações matemáticas
tempo de transmissão = bits/taxa
Variáveis e unidades: s.
Significado físico: Parcela serial do atraso.
latência total = transmissão + propagação + fila + processamento
Variáveis e unidades: s.
Significado físico: Tempo ponta a ponta.
Condições de validade
• Taxa nominal não equivale à taxa útil.
• Latência deve ser avaliada no pior caso.
• Timeout, redundância e estado seguro fazem parte do requisito.
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5. Componentes, elementos ou equipamentos
Elemento/equipamen
to
Função Princípio Características e limitações
Sensor/atuador Interagir com processo. Sinais e protocolos de
campo.
Ambiente e tempo de resposta.
PLC/controlador Executar lógica. Ciclo determinístico. Capacidade e redundância.
SCADA/MES Supervisionar e integrar
produção.
Coleta e contextualização. Segurança e qualidade dos dados.
A tabela resume a função principal. A seleção final deve considerar tensão, corrente, frequência, ambiente, tolerância,
proteção, manutenção e vida útil conforme a natureza do elemento.
6. Aplicação prática
Problemaintegrar dispositivos industriais com prazo, disponibilidade e segurança.
Solução especificar arquitetura, meio, protocolo, endereçamento, tempo de ciclo e
modo de falha.
Funcionamento O dispositivo produz dados do processo. O meio e o protocolo transportam
quadros/mensagens. Equipamentos de rede encaminham e priorizam o
tráfego.
Resultado esperado Resultado tecnicamente verificável, dentro dos limites de desempenho,
segurança e operação.
7. Exemplo de engenharia
Orçamento de latência industrial
Problema: Uma aplicação admite 20 ms; sensor usa 3 ms, controlador 5 ms e atuador 4 ms.
Resolução passo a passo
1. Tempo local=3+5+4=12 ms.
2. Resta 8 ms para rede, filas e margem.
3. O projeto deve medir o pior caso sob carga e durante recuperação de falha.
Resultado: Orçamento bruto de rede=8 ms.
Interpretação de engenharia: O prazo deve ser distribuído entre todos os elementos do caminho.
8. Pontos críticos e cuidados
• Separar disponibilidade, latência média e pior caso.
• Documentar endereços e mapa de dados.
• Planejar segmentação e redundância.
• Validar instalação contra EMI e ambiente.
• Definir timeout, diagnóstico e estado seguro.
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Erros e modos de falha recorrentes
Erro/modo de falha Consequência Prevenção ou verificação
Rede plana Propagação de falhas e ataques Segmentar zonas e conduítes
Timeout sem pior caso Paradas falsas ou reação lenta Medir latência e jitter sob carga
Mapa de dados ambíguo Comando ou escala incorretos Documentar tipo, unidade, endianess e
qualidade
9. Relação com outros assuntos
• Automação e sistemas supervisórios.
• Cibersegurança industrial.
• Controle distribuído e instrumentação.
A relação entre disciplinas é importante porque o comportamento elétrico, a instrumentação, o controle, a
comunicação e a proteção formam um único sistema na aplicação real.
10. Complementos técnicos
Complemento técnico: uma rede industrial deve ser validada pelo comportamento de pior caso e pela
resposta a falhas; alta taxa nominal, isoladamente, não garante determinismo.
Complemento: throughput médio não demonstra tempo real. O projeto precisa de pior latência, jitter,
recuperação de redundância, qualidade do dado, segmentação e resposta segura à perda de comunicação.
Normas e referências normativas relacionadas
• IEC 62443 - segurança cibernética para sistemas de automação e controle industrial. Consultar a edição
vigente e o escopo aplicável.
11. O que realmente precisa ser memorizado
• Evolução: ponto a ponto → fieldbus → Ethernet/IIoT.
• Integração não significa rede plana.
• Latência inclui várias parcelas.
• Determinismo depende da tecnologia e configuração.
• Diagnóstico é ganho central das redes digitais.
• tempo de transmissão = bits/taxa - Parcela serial do atraso.
• latência total = transmissão + propagação + fila + processamento - Tempo ponta a ponta.
12. Resumo final do módulo
• O assunto central é Redes de comunicação.
• Automação isolada: Arquitetura com sinais ponto a ponto e ilhas de controle.
• Fieldbus/Ethernet industrial: Redes digitais compartilhadas para dispositivos de campo e controle.
• Convergência: Integração controlada entre níveis de campo, controle e informação.
• Evolução: ponto a ponto → fieldbus → Ethernet/IIoT.
• Integração não significa rede plana.
• Latência inclui várias parcelas.
• Determinismo depende da tecnologia e configuração.
• Diagnóstico é ganho central das redes digitais.
Checklist de domínio
□ Consigo explicar, sem consultar o texto, o que é redes de comunicação e por que esse assunto é usado?
□ Consigo diferenciar Automação isolada de Fieldbus/Ethernet industrial e dar uma aplicação de cada um?
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□ Consigo identificar as unidades, hipóteses e significado físico das equações principais?
□ Consigo refazer o exemplo numérico e interpretar o sinal, a ordem de grandeza e o limite do resultado?
□ Consigo reconhecer os três principais erros de projeto ou operação discutidos no módulo?
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Referências e orientação de uso
Fonte principal: PDF do tema fornecido pela Universidade Estácio de Sá. O texto foi reorganizado e
complementado tecnicamente para estudo; chamadas interativas, alternativas de exercícios e repetições
foram excluídas.
Para projeto e operação reais, consultar as edições vigentes das normas, requisitos da
concessionária/empresa, estudos do sistema e documentação dos fabricantes. A apostila não substitui
procedimento de segurança, estudo executivo ou responsabilidade técnica.
Referências apresentadas no material-fonte
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