Aula 07 - Redes para Automação Industrial - Parte 2

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UFRN – CT – DCA
Prof. Anderson Cavalcanti
� Requisitos Demandados por aplicações
Industriais;
� Introdução aos Projetos de Padronização.
� Devemos lembrar (aula anterior) que não uma
rede única que poderia corresponder às
necessidades de todas as classes ou níveis de
atividade existentes em uma fábrica;
� A solução é, portanto, a adoção de várias� A solução é, portanto, a adoção de várias
redes interconectadas, cada uma servindo de
suporte à comunicação no contexto de uma
ou diversas atividades.
� O modelo CIM (Computer Integrated
Manufacturing) nos dá outra visão da
pirâmide da automação industrial.
� No ambiente industrial existem sub-redes
locais adequadas aos requisitos de
comunicação de cada nível;
� Essas sub-redes são interligadas por
“Gateways”, “Bridges” e “Routers” e forma que“Gateways”, “Bridges” e “Routers” e forma que
todas as estações possam ser acessadas,
formando um sistema coeso que atenda toda
a fábrica.
� A maioria das redes de comunicação do
mercado foram “pensadas” para atender os
requisitos de automação de escritórios;
� A grande maioria delas são baseadas no
protocolo CSMA/CD (Carrier Sense Multiprotocolo CSMA/CD (Carrier Sense Multi
Access with Collision Detection), que foi o
marco para as redes locais (LANs);
� Dessa forma, estruturas tecnológicas
pensadas dessa maneira não atendem aos
requisitos demandados por aplicações
industriais como será visto adiante.
� Características:
◦ ambiente hostil (perturbações eletromagnéticas,
elevadas temperaturas, sujeira etc);
◦ a troca de informações de dá, na maioria das vezes,
entre equipamentos e não entre um operador
humano e o equipamento;humano e o equipamento;
◦ os tempos de resposta e a segurança dos dados são
críticos em diversas situações;
◦ uma grande quantidade de equipamentos pode
estar conectada na rede, o que torna a questão de
custos muito importante.
� As redes de difusão apresentam
características interessantes para aplicações
industriais;
� Gargalo das redes de difusão � acesso ao
meio � Protocolos de acesso ao meio (MAC);meio � Protocolos de acesso ao meio (MAC);
� Os protocolos de acesso ao meio tem papel
fundamental no tempo de entrega de uma
mensagem pela rede.
� Um STR é um sistema para o qual é requerida
uma reação a estímulos (físicos ou lógicos)
oriundos do ambiente dentro de intervalos de
tempo impostos pelo próprio ambiente;
� Veja o exemplo:� Veja o exemplo:
� Troca de Mensagens (restrições temporais):
◦ PeriódicasPeriódicasPeriódicasPeriódicas:::: devem ser enviadas em intervalos
conhecidos e fixos (ex.: leitura da PV por um
controlador PID);
◦ EsporádicasEsporádicasEsporádicasEsporádicas:::: mensagens sem período fixo, mas que
tem intervalo de tempo mínimo entre duastem intervalo de tempo mínimo entre duas
emissões consecutivas (ex.: solicitação do status de
um bomba);
◦ AperiódicasAperiódicasAperiódicasAperiódicas:::: tem que ser enviadas a qualquer
momento, sem período nem previsão.
� Do ponto de vista da Programação
Distribuída, o barramento é o recurso
compartilhado.
Tempo máximo para 
entregar a mensagem
� Como organizar as filas locais de mensagens
pendentes, de forma que a mais prioritária
esteja na cabeça da fila?
� Como definir concessão do direito de acesso
ao meio de forma a garantir que a mensagemao meio de forma a garantir que a mensagem
mais prioritária do conjunto de estações seja
enviada primeiro e todas as mensagens sejam
entregues antes do seu deadline?
� O sistema deve ter comportamentocomportamentocomportamentocomportamento
deterministadeterministadeterministadeterminista (tempo de reação conhecido) e
escalonamentoescalonamentoescalonamentoescalonamento ótimoótimoótimoótimo globalglobalglobalglobal.
� AlocaçãoAlocaçãoAlocaçãoAlocação FixaFixaFixaFixa:::: alocam o meio às estações por
determinados intervalos de tempo (bandas)
independente haver necessidade (ex.: TDMA);
� AlocaçãoAlocaçãoAlocaçãoAlocação AleatóriaAleatóriaAleatóriaAleatória:::: permitem acesso
aleatório das estações ao meio (ex.: CSMA);aleatório das estações ao meio (ex.: CSMA);
� Alocação Controlada: cada estação tem
direito de acesso apenas quando de posse de
uma permissão entregue em uma seqüência
predefinida (ex.:Token-Passing).
� AlocaçãoAlocaçãoAlocaçãoAlocação porporporpor ReservaReservaReservaReserva:::: para poder usar o
meio, as estações tem que reservar banda
com antecedência, enviando pedidos a uma
estação controladora durante um intervalo de
tempo predestinado a este fim (ex.: CRMA –tempo predestinado a este fim (ex.: CRMA –
Cyclic Reservation Multiple Access);
� HíbridosHíbridosHíbridosHíbridos:::: consistem em duas ou mais
categorias anteriores.
� Quanto ao comportamento temporal
podemos classificá-los como:
◦ DeterminísticosDeterminísticosDeterminísticosDeterminísticos:::: é definido um tempo limite para a
entrega da mensagem (mesmo que somente em
pior caso);
◦ NãoNãoNãoNão----DeterminísticosDeterminísticosDeterminísticosDeterminísticos:::: são freqüentemente
caracterizados pela competição entre estações pelo
direito de acessar o meio.
� Protocolo Não-Determinístico
A) Uma estação sempre ouve o meio antes de transmitir, e só
transmite se o meio estiver desocupado.
B) Durante a transmissão, a estação compara o que está
transmitindo com o que está recebendo, se for diferente,
então conclui que ocorreu uma colisão.então conclui que ocorreu uma colisão.
C) Em caso de colisão, a estação para imediatamente de
transmitir, espera um tempo randômico selecionado entre 0 e
T (512 bit times), e tenta novamente.
D) Se houver colisão, o intervalo de tempo randômico é
dobrado novamente (0 a 2xT)
F) Se houver novamente colisão, o passo D é repetido até 16
vezes.
� Protocolo determinístico
◦ Apenas uma estação é a detentora do direito de
transmissão (estação MestreMestreMestreMestre);
◦ O direito é distribuído por tempo limitado pela
estação mestre às demais, que são denominadas
estações EscravasEscravasEscravasEscravas;estações EscravasEscravasEscravasEscravas;
◦ Uma varredura cíclica é feita pelo mestre em cada
um dos escravos solicitando dados ou verificando
se elas dispõe de dados a enviar;
◦ Mesmo que não tenha nada a enviar, o escravo
envia um quadro específico para o mestre;
� Protocolo determinístico
◦ Este método garante um tempo definido entre
transmissões consecutivas a qualquer estação da
rede;
◦ Sendo conhecida a taxa de transmissão e o formato
dos quadros usados pelo mestre para realizar ados quadros usados pelo mestre para realizar a
varredura cíclica e pelos escravos para responder,
pode-se determinar a duração de um ciclo de
varredura completo (o pior caso de tempo de
resposta de uma estação qualquer).
� O direito de acesso ao meio nesse protocolo
(posse do token) é transmitido ciclicamente
entre as várias estações;
� Mecanismo de controle mais complexo que o
Mestre-Escravo:Mestre-Escravo:
◦ Perda do token;
◦ Entrada/Saída de uma estação da rede durante a
operação.
� Em ambientes industriais onde são
transmitidas muitas mensagens de comando
de atuadores ou leitura de medidores, um
erro de um único bitbitbitbit pode ser desastroso;
� Para aumentar a confiabilidade, normalmente� Para aumentar a confiabilidade, normalmente
é usado um teste cíclico de redundância
(CRC-Cyclical Redundance Check).
� A escolha do meio de transmissão deve ser
pautada na análise do ambiente que circunda
o mesmo;
� Os ambientes industriais são cercados de
fontes de perturbações eletromagnéticasfontes de perturbações eletromagnéticas
(estações de solda, conversores estáticos etc).
� CaboCaboCaboCabo coaxialcoaxialcoaxialcoaxial:::: Boas características elétricas;
Requer resistências terminais; Conectores BNC
fáceis de abrir;� ParParParPar trançadotrançadotrançadotrançado:::: Usualmente usado com
HUB/Switcher; Atualmente solução mais usadaHUB/Switcher; Atualmente solução mais usada
para chão fábrica; UTP (Unshielded Twisted Pair)
CAT-5 / STP (Shielded Twisted Pair).
� FibraFibraFibraFibra óticaóticaóticaótica:::: Ótimo para rejeitar perturbações
eletromagnéticas; Dificuldade de realizar
topologia em barramento (bus): derivações ativas
x passivas; Mais usado em topologias ponto a
ponto: anel, estrela, árvore; Emulação de bus
com HUB ou Switcher.
� Para o chão de fábrica a melhor opção ainda é 
o cabo de par trançado.
� Nos níveis superiores�pacotes de vários
Kbytes o que requerem tempos de
transmissão variando de alguns segundos até
vários minutos;
� Nos níveis mais baixos�Mensagens curtas� Nos níveis mais baixos�Mensagens curtas
como:
◦ Comando para ligar/desligar uma unidade (1 bit);
◦ Comando para fazer a leitura de um sensor (ex.: 16
bits conforme resolução do conversor A/D).
� Integração Flexível dos Sistemas de
Automação;
� O que existe na prática são diversas redes
proprietárias desenvolvidas por grandes
empresas para interligar seus próprios
equipamentos;equipamentos;
� O usuário fica na dependência de um único
fornecedor;
� Requisito: integrar sistemas heterogêneos de
diferentes fabricantes, suportando tanto
operações de chão de fábrica quanto funções
de apoio à produção.
� Projeto PROWAY (Process Data Highway);
� Projeto IEEE 802 e ISO/IEC 8802;
� Projeto MAP (Manufacturing Automation
Protocol);
� Projeto Fieldbus.� Projeto Fieldbus.
� Proposta PROWAY (Process Data Highway)
iniciada em 1975 pela IEC (International
Electrotechnical Commission) para a
normalização de redes de comunicação
para controle de processos;para controle de processos;
� Proway passou pelas fases A, B e C.
� Proway A e B utilizavam o protocolo HDLC da
ISO na camada de enlace, com acesso ao
meio tipo Mestre / Escravos.
� Proway C adotou a técnica de Token-
Passing.
� Arquitetura composta de 4 camadas do
modelo OSI:
◦ "Line" (camada física),◦ "Line" (camada física),
◦ "Highway" (camada de enlace),
◦ "Network" (camada de rede) e
◦ "Application" (camada de aplicação)
IEEE 802.1 - Aspectos Gerais e Gerenciamento de Rede
IEEE 802.2 - Camada de Enlace
Tipo 1 - sem conexão
Tipo 2 - com conexão
Sub-Camada LLC
(Logical Link Control) Tipo 2 - com conexão
Tipo 3 - com reconhecimento
(Logical Link Control)
IEEE 802.3
CSMA/CD
(MAC)
IEEE 802.4
Token Bus
(MAC)
IEEE 802.5
Token Ring
(MAC)
IEEE 802.12
DPA
(MAC)
Banda
Larga
(PHY)
Banda
Base
(PHY) (PHY)
Banda
Larga
(PHY)
Banda
Base
(PHY)
� Manufacturing Automation Protocol: iniciativa 
da GM (1980), com a finalidade de definir 
rede voltada para automação da manufatura 
(baseada no RM-OSI). 
� MAP bem adaptada para comunicação entre � MAP bem adaptada para comunicação entre 
equipamentos de chão de fábrica, tais como: 
Robôs, CNC, CLP, terminais de coleta de 
dados, Computadores, etc. 
� Para aplicações com tempos críticos foi
definida a versão MAP/EPA (Enhanced
Performance Architecture).
� MAP/EPA apresenta duas pilhas de camadas:
arquitetura MAP completa (7 camadas) e umaarquitetura MAP completa (7 camadas) e uma
arquitetura simplificada (camadas 1, 2 e 7).
� Versão mais simplificada: MINI-MAP
implementa somente as camadas 1, 2 e 7 do
RM-OSI.
� Technical Office Protocol: desenvolvido pela
BOEING a partir de 1983.
� Redes para automação de áreas técnicas e
administrativas.
� Baseado no modelo OSI de 7 camadas.� Baseado no modelo OSI de 7 camadas.
� Serviços:
◦ correio eletrônico;
◦ processamento de textos;
◦ acesso a base de dados distribuída;
◦ transferência de arquivos;◦ transferência de arquivos;
◦ CAD/CAM distribuído;
◦ troca de documentos;
◦ transações bancárias.
� A partir de 1986: MAP e TOP reunidos
(projeto MAP/TOP).
� Fieldbus (Barramento de Campo): solução de
comunicação para os níveis hierárquicos mais
baixos dentro da hierarquia fabril.
� Interconecta dispositivos primários de
automação (Sensores, atuadores, chaves, etc.)automação (Sensores, atuadores, chaves, etc.)
e os dispositivos de controle de nível
imediatamente superior (CLP, CNC, RC, PC,
etc.).
� Ainda estão sendo definidos os padrões para
o Fieldbus.
� Principais grupos envolvidos nos trabalhos de
padronização:
◦ Avaliadores: IEC, ISA, EUREKA, NEMA◦ Avaliadores: IEC, ISA, EUREKA, NEMA
◦ Proponentes: PROFIBUS, FIP, ISA-SP50.
� Apostila de Sistemas Distribuídos e Redes de
Computadores para Controle e Automação
Industrial, Prof. Marcelo Ricardo Stemmer,
UFSC, 2001;
� Referências na Internet.� Referências na Internet.