Protocolos de Redes Industriais

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APOSTILA TÉCNICA APROFUNDADA
Redes Industriais
Tema 4
Protocolos de Redes Industriais
Engenharia Elétrica - 8º semestre
Resumo completo por módulos, com teoria, cálculos, diagramas e aplicação
Módulos deste tema
Módulo 1 - Protocolo EtherNet/IP
Módulo 2 - Protocolo Modbus
Módulo 3 - Protocolo HART
Redes Industriais Tema 4 - Protocolos de Redes Industriais
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Objetivos e mapa de estudo
Propósito do material da faculdade
Os protocolos são essenciais para a comunicação entre controladores, computadores e periféricos. Por isso, é
fundamental compreender a importância dos protocolos utilizados nas redes industriais, como eles funcionam
e quais são suas particularidades e aplicações, além de entender como funciona a configuração desses
protocolos. Objetivos • Analisar o protocolo Ethernet/IP. • Reconhecer o protocolo Modbus. • Analisar o
protocolo Hart.
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 protocolo ethernet/ip? Analisar, calcular quando aplicável e justificar
uma decisão de engenharia.
2 Como compreender e aplicar protocolo modbus? Analisar, calcular quando aplicável e justificar
uma decisão de engenharia.
3 Como compreender e aplicar protocolo hart? Analisar, calcular quando aplicável e justificar
uma decisão de engenharia.
Redes Industriais Tema 4 - Protocolos de Redes Industriais
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Módulo 1 - Protocolo EtherNet/IP
Fundamento → compreensão → funcionamento → análise → aplicação de engenharia
1. Visão geral
O módulo trata de protocolo ethernet/ip. 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 integra controle, e/s e supervisão. 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: EtherNet/IP
Definição técnica: CIP sobre Ethernet padrão com mensagens explícitas e implícitas.
Explicação simples: Padroniza a troca de dados entre dispositivos.
Importância: Integra controle, E/S e supervisão.
Conceito: Modelo de dados
Definição técnica: Organização de comandos, objetos ou registradores.
Explicação simples: Define o significado dos bytes.
Importância: Garante interoperabilidade quando corretamente mapeado.
Conceito: Ciclo de comunicação
Definição técnica: Sequência de requisição/resposta ou produção/consumo.
Explicação simples: Determina quando o dado chega.
Importância: Afeta determinismo e timeout.
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 Ethernet A importância da rede Ethernet
As redes Ethernet se consolidaram como o protocolo de comunicação padrão nas redes de automação industrial.
Por essa razão, o protocolo Ethernet foi rebatizado de Ethernet/IP (Ethernet Industrial Protocol).
Protocolo TCP/IP De maneira simplificada, o padrão Ethernet/IP consiste em um protocolo da camada de
aplicação industrial para sistemas em automação industrial. Ele é um derivado dos protocolos TCP/IP, os quais,
por sua vez, são um protocolo de envio e recebimento de dados via internet.
Camadas de uma rede TCP/IP.
Cada camada é responsável pela execução de determinada atividade, garantindo que os dados trafeguem pela
rede e preservando sua integridade. Entenda melhor cada camada a seguir.
Camada de rede
Na camada de rede, os dados empacotados são recebidos pela camada de rede e anexados a um endereço
virtual (IP), que contém o endereço do remetente e do destinatário. Uma vez anexados e endereçados, os
pacotes podem ser enviados via internet.
Camada de interface
A camada de interface tem o papel de enviar e receber os dados através da rede. Nessa camada, diversos
protocolos são utilizados, dependendo do tipo de rede que é utilizado. Um dos protocolos mais comuns é o
Redes Industriais Tema 4 - Protocolos de Redes Industriais
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Ethernet.
Cabe destacar que o uso de determinados tipos de cabos, além das conexões de outros periféricos, como hubs e
roteadores, afeta diretamente o alcance e a velocidade das redes.
Cat6
A categoria 6 representa uma evolução em comparação aos cabos Cat5e. Mesmo apresentando uma velocidade
de transmissão compatível com a categoria 5e, chegando a 1.000Mbps, ela possui versões blindadas (STP).
Adequada para ambientes sujeitos a interferências eletromagnéticas, a Cat6 tem uma largura de banda de
250MHz.
Cat7
A categoria 7, também conhecida como classe F, é constituída de cabos dos tipos blindados (SSTP) ou
duplamente blindados. Eles são mais grossos pelo fato de possuírem um isolamento maior que o dos cabos
Cat6e (essa característica torna sua instalação um pouco mais complicada por ser de difícil manuseio). A
velocidade de transferência pode chegar a 10.000Mbps, com uma largura de banda de 600MHz.
A exposição a interferências.
Como vimos, a rede Ethernet é recomendada em situações nas quais a velocidade da rede e a sua confiabilidade
são mais importantes que a flexibilidade.
Dessa maneira, a tecnologia Ethernet/IP utiliza todos os protocolos Ethernet tradicionais, incluindo TCP e IP
padrões, assim como as tecnologias de acesso ao meio físico geral, em todos os equipamentos que possuam
interfaces de rede Ethernet.
Variações de temperatura
As temperaturas extremas (quentes ou frias) podem influenciar o desempenho de equipamentos e cabos, além
de promover danos físicos.
Danos físicos
Os danos físicos são causados pelo contato frequente com o chão de fábrica (máquinas pesadas, manutenções
frequentes e excesso de manuseio), o que pode acelerar a deterioração e/ou danificar os cabos.
Um grande desafio na implementação da Ethernet/IP consiste na falta de mão de obra qualificada. Como os
profissionais de TI - mais capacitados para a implementação de sistemas de cabeamento e protocolos de
comunicação - não possuem um grande conhecimento dos equipamentos industriais, a implementação de uma
infraestrutura de integração torna-se um desafio.
Embora enfrente a concorrência dos sistemas wi-fi (principalmente nos meios domésticos pelas restrições
apresentadas quanto à flexibilidade), algumas características garantem as vantagens das redes Ethernet sobre
as redes sem fio, como destacaremos a seguir.
Segurança
As redes por fio são menos vulneráveis que as sem fio. Contudo, isso não significa que as redes com fio sejam
totalmente seguras.
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 quadro ≈ bits/taxa
Variáveis e unidades: s.
Significado físico: Parcela de transmissão.
taxa útil = dados úteis/tempo total
Variáveis e unidades: bit/s.
Significado físico: Considera overhead.
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timeout > pior latência esperada
Variáveis e unidades: s.
Significado físico: Evita falhas falsas.
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.
5. Componentes, elementos ou equipamentos
Elemento/equipamen
to
Função Princípio Características e limitações
Mestre/scanner/clien
te
Iniciar ou configurar
trocas.
Comandos do protocolo. Capacidade e ponto de falha.
Servidor/adaptador/d
ispositivo
Fornecer dados. Mapa/objetos. Implementações variam.
Gateway Interligar protocolos. Conversão de dados. Atraso e perda de semântica.
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
Taxa útil e timeout
Problema: Uma transação transporta 64 bytes úteis em 100 bytes totais e leva 8 ms.
Resolução passo a passo
1. Eficiência de payload=64/100=64%.
2. Taxa útil=64·8/0,008=64 kbit/s.
3. Timeout deve exceder o pior tempo medido com margem, não apenas os 8 ms médios.
Resultado: Taxa útil=64 kbit/s; eficiência=64%.
Interpretação de engenharia: Overhead, filas e repetição reduzem a taxa efetiva.
8. Pontos críticos e cuidados
• Separar disponibilidade, latência média e pior caso.
• Documentar endereços e mapa de dados.
• Planejar segmentação e redundância.
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• Validar instalação contra EMI e ambiente.
• 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.
• Família IEEE 802 - Ethernet, bridging, sincronização e extensões TSN conforme a função. Consultar a edição
vigente e o escopo aplicável.
11. O que realmente precisa ser memorizado
• Conhecer o modelo de comunicação do EtherNet/IP.
• Documentar mapa e tipo dos dados.
• Definir timeout e qualidade.
• Tratar perda de comunicação.
• Segurança pode exigir camada externa.
• tempo de quadro ≈ bits/taxa - Parcela de transmissão.
• taxa útil = dados úteis/tempo total - Considera overhead.
• timeout > pior latência esperada - Evita falhas falsas.
12. Resumo final do módulo
• O assunto central é Protocolo EtherNet/IP.
• EtherNet/IP: CIP sobre Ethernet padrão com mensagens explícitas e implícitas.
• Modelo de dados: Organização de comandos, objetos ou registradores.
• Ciclo de comunicação: Sequência de requisição/resposta ou produção/consumo.
• Conhecer o modelo de comunicação do EtherNet/IP.
• Documentar mapa e tipo dos dados.
• Definir timeout e qualidade.
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• Tratar perda de comunicação.
• Segurança pode exigir camada externa.
Checklist de domínio
□ Consigo explicar, sem consultar o texto, o que é protocolo ethernet/ip e por que esse assunto é usado?
□ Consigo diferenciar EtherNet/IP de Modelo de dados 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 - Protocolo Modbus
Fundamento → compreensão → funcionamento → análise → aplicação de engenharia
1. Visão geral
O módulo trata de protocolo modbus. 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 integra equipamentos simples por
rtu/tcp. 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: Modbus
Definição técnica: Protocolo mestre/cliente-servidor baseado em registradores.
Explicação simples: Padroniza a troca de dados entre dispositivos.
Importância: Integra equipamentos simples por RTU/TCP.
Conceito: Modelo de dados
Definição técnica: Organização de comandos, objetos ou registradores.
Explicação simples: Define o significado dos bytes.
Importância: Garante interoperabilidade quando corretamente mapeado.
Conceito: Ciclo de comunicação
Definição técnica: Sequência de requisição/resposta ou produção/consumo.
Explicação simples: Determina quando o dado chega.
Importância: Afeta determinismo e timeout.
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.
Por ser considerado acessível, o Modbus tornou-se um método de transmissão de informações amplamente
utilizado para a interligação de dispositivos industriais na comunicação entre equipamentos de fabricantes
distintos.
O Modbus é considerado uma das soluções mais inteligentes e abrangentes nos sistemas de comunicação
aplicados na automação industrial por ser facilmente adaptável a uma grande variedade de equipamentos
disponíveis. Além disso, por não necessitar do pagamento de licenças, é visto como uma das soluções mais
economicamente viáveis.
Modelo OSI O modelo OSI consiste em um padrão para protocolos de rede que define o papel de cada camada
que compõe a arquitetura do sistema. Dessa forma, há uma definição sobre o que cada camada deverá fazer,
mas não sobre como isso será feito.
Enlace
Nesta camada, os dados do meio físico são recebidos e passam por uma análise preliminar que busca erros a fim
de corrigi-los. Também é feito o controle do fluxo de transmissão de dados e são definidas as topologias (anel,
árvore etc.).
Rede
Esta camada é responsável pelo endereçamento propriamente dito. São gerados os endereços de origem e de
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9destino, além de ser dada a prioridade aos pacotes (caso eles existam).
Sessão
Esta camada tem a função de estabelecer e finalizar as conexões com os computadores destinatários ou
originários das informações. Também oferece suporte às sessões de registro (login) e requisitos de segurança.
Aplicação
Esta camada é a última e tem por objetivo estabelecer a relação entre homem e máquina. É por meio dessa
camada que os usuários conseguem interagir com as máquinas a partir de envio de e-mails, transferência de
arquivos e outras funcionalidades.
Os padrões RS-232 e RS-485 são protocolos de transferência de dados baseados na interface serial (porta
serial). Vamos conhecer cada um deles adiante.
Número de fios Transmissão
O RS-232 é composto por nove fios com No RS-232, a transmissão é full-duplex (os finalidades diferentes na
transmissão dos dados podem ser transmitidos em ambas as dados, enquanto o RS-485 é formado por direções,
ou seja, é possível enviar e receber apenas três (dois para transmissão de dados e informações). No RS-485, o
padrão é half- um de aterramento). duplex, transmitindo apenas em uma direção por vez.
Utilização do Modbus na indústria O Modbus é capaz de enviar ou receber dados analógicos (numéricos) de
entradas e saídas analógicas ou de enviar e receber dados digitais (booleanos) de entradas e saídas digitais.
Como funciona o protocolo
Como funciona o protocolo? Com a utilização do protocolo Modbus, é possível enviar sinais para máquinas,
controladores e atuadores e recebê-los de equipamentos e periféricos. Também se consegue controlar e
transmitir dados para dispositivos externos à malha de controle desde que eles façam parte da rede de dados.
Em seu funcionamento, as informações são encapsuladas em formato binário para serem enviadas pelo meio
físico. O mestre envia a solicitação de leitura ou escrita de dados para o escravo e recebe a resposta.
Entre as funções de um Modbus, podemos destacar:
Comandos para alterações nos valores lógicos de um dispositivo digital; • Comando para alterações nos valores
dos registros de um dispositivo analógico; • Controle da entrada e saída de um dispositivo; • Controle da leitura
dos dados de uma porta (entrada e saída) de um dispositivo; • Solicitação de envio de dados.
ASCIII
Na transmissão ASCII (American Standard Code for Information Interchange), cada byte (conjunto de 8 bits) é
transmitido com dois caracteres ASCII. Como ponto positivo, ele possui intervalos de tempo de cerca de 1
segundo entre cada caractere sem falhas, com o monitoramento da rede a cada nova mensagem.
RTU
No modo de unidade terminal remota (RTU), cada envio de 8 bits apresenta dois caracteres hexadecimais de 4
bits. A indicação do início ou término de uma mensagem é apresentada pela interrupção de transmissão de
dados na rede.
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 quadro ≈ bits/taxa
Variáveis e unidades: s.
Significado físico: Parcela de transmissão.
taxa útil = dados úteis/tempo total
Variáveis e unidades: bit/s.
Significado físico: Considera overhead.
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timeout > pior latência esperada
Variáveis e unidades: s.
Significado físico: Evita falhas falsas.
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.
5. Componentes, elementos ou equipamentos
Elemento/equipamen
to
Função Princípio Características e limitações
Mestre/scanner/clien
te
Iniciar ou configurar
trocas.
Comandos do protocolo. Capacidade e ponto de falha.
Servidor/adaptador/d
ispositivo
Fornecer dados. Mapa/objetos. Implementações variam.
Gateway Interligar protocolos. Conversão de dados. Atraso e perda de semântica.
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
Taxa útil e timeout
Problema: Uma transação transporta 64 bytes úteis em 100 bytes totais e leva 8 ms.
Resolução passo a passo
1. Eficiência de payload=64/100=64%.
2. Taxa útil=64·8/0,008=64 kbit/s.
3. Timeout deve exceder o pior tempo medido com margem, não apenas os 8 ms médios.
Resultado: Taxa útil=64 kbit/s; eficiência=64%.
Interpretação de engenharia: Overhead, filas e repetição reduzem a taxa efetiva.
8. Pontos críticos e cuidados
• Separar disponibilidade, latência média e pior caso.
• Documentar endereços e mapa de dados.
• Planejar segmentação e redundância.
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• Validar instalação contra EMI e ambiente.
• 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.
• IEC 61158 e IEC 61784 - tecnologias e perfis de comunicação industrial, quando aplicáveis. Consultar a
edição vigente e o escopo aplicável.
11. O que realmente precisa ser memorizado
• Conhecer o modelo de comunicação do Modbus.
• Documentar mapa e tipo dos dados.
• Definir timeout e qualidade.
• Tratar perda de comunicação.
• Segurança pode exigir camada externa.
• tempo de quadro ≈ bits/taxa - Parcela de transmissão.
• taxa útil = dados úteis/tempo total - Considera overhead.
• timeout > pior latência esperada - Evita falhas falsas.
12. Resumo final do módulo
• O assunto central é Protocolo Modbus.
• Modbus: Protocolo mestre/cliente-servidor baseado em registradores.
• Modelo de dados: Organização de comandos, objetos ou registradores.
• Ciclo de comunicação: Sequência de requisição/resposta ou produção/consumo.
• Conhecer o modelo de comunicação do Modbus.
• Documentar mapa e tipo dos dados.
• Definir timeout e qualidade.
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• Tratar perda de comunicação.
• Segurança pode exigir camada externa.
Checklist de domínio
□ Consigo explicar, sem consultar o texto, o que éprotocolo modbus e por que esse assunto é usado?
□ Consigo diferenciar Modbus de Modelo de dados 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 - Protocolo HART
Fundamento → compreensão → funcionamento → análise → aplicação de engenharia
1. Visão geral
O módulo trata de protocolo hart. 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 parametriza e diagnostica
instrumentos. 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: HART
Definição técnica: Comunicação digital FSK sobre o sinal analógico 4-20 mA.
Explicação simples: Padroniza a troca de dados entre dispositivos.
Importância: Parametriza e diagnostica instrumentos.
Conceito: Modelo de dados
Definição técnica: Organização de comandos, objetos ou registradores.
Explicação simples: Define o significado dos bytes.
Importância: Garante interoperabilidade quando corretamente mapeado.
Conceito: Ciclo de comunicação
Definição técnica: Sequência de requisição/resposta ou produção/consumo.
Explicação simples: Determina quando o dado chega.
Importância: Afeta determinismo e timeout.
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.
Protocolo de comunicação Hart A transmissão de dados analógicos e digitais no protocolo Hart
O protocolo Hart foi desenvolvido com o objetivo de facilitar algumas atividades industriais, como calibração de
instrumentos e ajustes de amortecimento e de range de dispositivos analógicos.
Além das características já citadas, o Hart permite enviar e receber sinais digitais entre equipamentos
inteligentes e sistemas digitais de controle e monitoramento distribuídos.
Esse protocolo utiliza um padrão denominado Bell 202 que permite uma modulação por chaveamento de
frequência. Graças a essa técnica de modulação, um sinal digital modulante varia a frequência de uma
portadora analógica de acordo com valores predefinidos.
Modulação FSK.
É possível observar que a duração da largura do pulso modula a frequência do sinal analógico, permitindo que
um sinal digital seja identificado dentro da informação analógica.
É possível observar que o protocolo Hart foi desenvolvido para permitir a comunicação bidirecional com os
equipamentos de um processo. Pode-se realizar também a comunicação com os instrumentos inteligentes,
possibilitando uma boa adaptação aos processos industriais modernos.
O envio de informações de um escravo só começa com o comando do dispositivo mestre, que pode ser um
controlador, um SCADA ou outro periférico. No entanto, o escravo recebe a informação enviada pelo mestre,
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como uma válvula ou um atuador, entre outros exemplos.
Principais características Como já discutimos, o Hart é um protocolo de comunicação do tipo mestre e escravo,
ou seja, durante a comunicação, cada envio de dados do escravo (que é um dispositivo habilitado para a
comunicação Hart) é iniciado por um comando ou uma solicitação de um mestre (host) também habilitado para
comunicação Hart. O dispositivo escravo é tipicamente um instrumento (dispositivo de medição) ou um atuador
(válvula, motor etc.).
Ponto a ponto
Nesta topologia, um único loop de corrente (que percorre o circuito) é estabelecido entre o escravo e o mestre.
O sinal Hart (analógico e digital) trafega do instrumento ou atuador para o sistema de monitoramento ou
controle com informações contínuas do processo.
Multiponto
Nesta topologia, diversos dispositivos escravos (habilitados para Hart) são conectados ao processo e
compartilham uma única linha de transmissão. É importante notar que, para que isso seja possível, é
fundamental que os escravos estejam conectados em paralelo, ou seja, compartilhando a mesma fonte de
alimentação e o mesmo mestre para todos os três.
Um arquivo do tipo Device Description (DD) está localizado no interior do mestre (habilitado para a comunicação
Hart) a fim de fornecer todos os tipos de comandos. O conjunto de comandos Hart deve ser capaz de fornecer
informações uniformes e consistentes sobre todos os dispositivos de campo, permitindo o monitoramento do
sistema pelo mestre e a execução de qualquer um dos comandos de maneira geral ou específica.
Universal
Ler o fabricante e o tipo de dispositivo; • Ler a variável primária e a unidade de medida; • Ler a saída atual e a
porcentagem do intervalo; • Ler até quatro variáveis dinâmicas; • Ler ou escrever a tag (identificação) do
instrumento; • Ler ou escrever mensagens; • Ler valores de intervalo de dispositivo; • Escrever endereço do
dispositivo.
Comandos específicos
Ler ou escrever valores de corte baixo; • Iniciar, parar ou limpar um totalizador; • Ler ou escrever fatores de
calibração; • Escolher valores de variáveis de processo; • Calibrar os sensores; • Habilitar um sistema de
controle pid; • Ajustar os parâmetros de um sistema pic; • Caracterizar uma válvula; • Ajustar os pontos de
referência de uma válvula de controle; • Especificar os limites de excursão de uma válvula; • Definir as
informações de exibição local (no display do equipamento).
Por meio de seu duplo sinal (analógico e digital), é possível enviar a informação do processo e sinais indicativos
de erros e/ou falhas, aumentando, com isso, a confiabilidade dos processos.
Realiza-se a verificação da integridade do loop
Realiza-se a verificação da integridade do loop. Como a resposta do escravo só é feita com a solicitação ou o
comando do mestre, em caso de falha (ruptura de cabeamento ou danos ao mestre ou ao escravo), a percepção
da perda de comunicação pode ser tardia.
Segurança Monitoramento em tempo real
A questão da segurança continua sendo um problema típico dos sistemas sem fio, exigindo medidas robustas e
integradas de proteção da rede. Isso inclui novas técnicas de criptografia, como a AES, que permite a
criptografia dos dados com 128 bits e uma chave de segurança para cada mensagem, e a autenticação dos
dispositivos.
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 quadro ≈ bits/taxa
Redes Industriais Tema 4 - Protocolos de Redes Industriais
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Variáveis e unidades: s.
Significado físico: Parcela de transmissão.
taxa útil = dados úteis/tempo total
Variáveis e unidades: bit/s.
Significado físico: Considera overhead.
timeout > pior latência esperada
Variáveis e unidades: s.
Significado físico: Evita falhas falsas.
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.
5. Componentes,elementos ou equipamentos
Elemento/equipamen
to
Função Princípio Características e limitações
Mestre/scanner/clien
te
Iniciar ou configurar
trocas.
Comandos do protocolo. Capacidade e ponto de falha.
Servidor/adaptador/d
ispositivo
Fornecer dados. Mapa/objetos. Implementações variam.
Gateway Interligar protocolos. Conversão de dados. Atraso e perda de semântica.
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
Taxa útil e timeout
Problema: Uma transação transporta 64 bytes úteis em 100 bytes totais e leva 8 ms.
Resolução passo a passo
1. Eficiência de payload=64/100=64%.
2. Taxa útil=64·8/0,008=64 kbit/s.
3. Timeout deve exceder o pior tempo medido com margem, não apenas os 8 ms médios.
Resultado: Taxa útil=64 kbit/s; eficiência=64%.
Interpretação de engenharia: Overhead, filas e repetição reduzem a taxa efetiva.
Redes Industriais Tema 4 - Protocolos de Redes Industriais
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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.
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.
• IEC 61158 e IEC 61784 - tecnologias e perfis de comunicação industrial, quando aplicáveis. Consultar a
edição vigente e o escopo aplicável.
11. O que realmente precisa ser memorizado
• Conhecer o modelo de comunicação do HART.
• Documentar mapa e tipo dos dados.
• Definir timeout e qualidade.
• Tratar perda de comunicação.
• Segurança pode exigir camada externa.
• tempo de quadro ≈ bits/taxa - Parcela de transmissão.
• taxa útil = dados úteis/tempo total - Considera overhead.
• timeout > pior latência esperada - Evita falhas falsas.
12. Resumo final do módulo
• O assunto central é Protocolo HART.
• HART: Comunicação digital FSK sobre o sinal analógico 4-20 mA.
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• Modelo de dados: Organização de comandos, objetos ou registradores.
• Ciclo de comunicação: Sequência de requisição/resposta ou produção/consumo.
• Conhecer o modelo de comunicação do HART.
• Documentar mapa e tipo dos dados.
• Definir timeout e qualidade.
• Tratar perda de comunicação.
• Segurança pode exigir camada externa.
Checklist de domínio
□ Consigo explicar, sem consultar o texto, o que é protocolo hart e por que esse assunto é usado?
□ Consigo diferenciar HART de Modelo de dados 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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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
• LUGLI, A. B.; SANTOS, M. M. D. Redes industriais para automação industrial. São Paulo: Saraiva Educação SA,
2010.
• MARTINS, J. S. B. Redes industriais: o estado da arte da tecnologia. Seminário sobre Redes de Comunicação
Industrial. n. 1. 1990. p. 1-10. Anais [...] São Paulo: Sobracon, 1990.
• RECH, J. R. et al. Desenvolvimento de um gerente de rede WirelessHART. Trabalho de conclusão de curso
(graduação em Engenharia da Computação). Rio Grande do Sul: Universidade Federal do Rio Grande do Sul,
2012.
• RIBEIRO, M. A. Automação industrial. Salvador: [s.n.], 1999.
• ROGGIA, L.; FUENTES, R. C. Automação industrial. Santa Maria: E-tec Brasil, 2016.
• SALAZAR, A. O. et al. Automação, controle e supervisão de uma planta industrial utilizando tecnologias em
redes industriais. CEP. v. 59072. 2006. p. 970.