Aula 08 - Redes para Automação Industrial - Parte 3

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UFRN – CT – DCA
Prof. Anderson Cavalcanti
� Projetos de Padronização de Redes Industriais
◦ Projeto MAP;
◦ Redes Fieldbus.
� Projeto MAP nasceu no início dos anos 80 por
iniciativa da General Motors.
� Na época, apenas 15% dos equipamentos
programáveis de suas fábricas eram capazes de
se comunicar entre si.se comunicar entre si.
� Custos de comunicação muito elevados,
avaliados em 50% do custo total da automação.
� Quantidade de equipamentos programáveis
deveria sofrer uma expansão de 400 a 500%
num prazo de 5 anos.
� Opções da GM:
◦ continuar utilizando máquinas programáveis de 
vários fabricantes e solucionar o problema da 
maneira como vinha sendo feito;
◦ basear produção em equipamentos de um único 
fabricante;fabricante;
◦ desenvolver uma proposta padronizada de rede que 
permitisse interconectar todos os equipamentos.
� Solução adotada: terceira opção.
� Em 1981, a GM uniu-se a outras empresas
(DEC, HP e IBM) definindo solução baseada no
RM-OSI.
� CamadasCamadasCamadasCamadas 1111 eeee 2222:::: selecionadas normas IEEE 802.4
(barramento com ficha) e IEEE 802.2 (LLC);
� CamadaCamadaCamadaCamada FísicaFísicaFísicaFísica:::: escolhido o suporte de
comunicação em broadband, com cabo coaxial;
� Escolha de broadband baseada nas razões
seguintes:seguintes:
◦ possibilidade de uso de vários canais de comunicação
sobre um mesmo suporte;
◦ permitir a troca de sinais como voz e imagem para
aplicações como supervisão, circuito fechado de TV,
teleconferência, etc.;
◦ a GM já possuía muitas instalações operando em
broadband.
� CamadaCamadaCamadaCamada dededede EnlaceEnlaceEnlaceEnlace (MAC)(MAC)(MAC)(MAC):::: escolhido Token-Bus,
pois:
◦ era o único protocolo suportado em broadband;
◦ muitos equipamentos programáveis já usavam
broadband e IEEE 802.4;
◦ possibilidade de atribuir prioridades às mensagens.◦ possibilidade de atribuir prioridades às mensagens.
� CamadaCamadaCamadaCamada dededede EnlaceEnlaceEnlaceEnlace (LLC)(LLC)(LLC)(LLC):::: optou-se por LLC tipo 1
(sem conexão e sem reconhecimento).
� CamadaCamadaCamadaCamada dededede RedeRedeRedeRede:::: sem conexão, cada mensagem
sendo roteada individualmente através da rede.
� Protocolo de roteamento definido pelo projeto
MAP e normalizado na ISO sob o número 9542.
� CamadaCamadaCamadaCamada dededede TransporteTransporteTransporteTransporte:::: protocolo classe 4 da ISO
(TP4, ISO 8072/73), orientado à conexão, com
controle de erros.
� Oferece um canal de comunicação confiável, sem
perdas, erros, nem duplicação de mensagens.perdas, erros, nem duplicação de mensagens.
� TP4 assegura ainda as funções de fragmentação
e blocagem de mensagens.
� CamadaCamadaCamadaCamada dededede SessãoSessãoSessãoSessão:::: norma ISO 8326/27, modo
full-duplex e resincronização.
� CamadaCamadaCamadaCamada dededede ApresentaçãoApresentaçãoApresentaçãoApresentação:::: representação de
dados baseada na ASN.1.
� CamadaCamadaCamadaCamada dededede AplicaçãoAplicaçãoAplicaçãoAplicação::::
◦ MMS: troca de mensagens entre equipa-mentos de
produção;
◦ FTAM: acesso e a transferência de arquivos;
◦ ROS: gestão de nomes (diretório);
◦ Funções de gerenciamento de rede: gestão dos
recursos, medição de desempenho, modificação
dos parâmetros da rede.
Aplicação
Apresentação
Sessão
Camadas
Espec.
ISO 8326 e 8327
ISO 8822 - ASN.1
ACSE, FTAM
VTP
MMS, FTAM, ROS
TOP MAP MAP-EPA MiniMAP
Banda Base
(10 Mbps)
Banda Larga
(10 Mbps)
Banda Base (5 Mbps)
VAZIO
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
LLC 802.2 Tipo1
MAC 802.3 CSMA/CD
LLC 802.2 Tipo 1
MAC 802.4 Token Bus
LLC 802.2 Tipos 1 e 3
MAC 802.4
ISO 8072 e 8073 Classe 4
ISO 8326 e 8327
ISO 8348 s/ conexão
� Proposta MAP original adequada aos níveis hierárquicos
superiores. A arquitetura a 7 camadas oferece um
overhead indesejável nos níveis mais baixos da hierarquia.
� Solução: Definição de uma versão simplificada
denominada MAP-EPA (Enhanced Performance
Architecture).
� Definição de duas pilhas de protocolos: pilha normal Full-
MAP e pilha MAP-EPA, desprovida das camadas de Rede,MAP e pilha MAP-EPA, desprovida das camadas de Rede,
Transporte, Sessão e Apresentação.
� Protocolo IEEE 802.4 (Token-Bus) ainda adotado, porém
sobre um suporte de transmissão em baseband a 5
Mbit/s.
� Um processo de aplicação tem a opção de enviar seus
dados através da pilha normal ou, em casos onde o
requisito seja um tempo de resposta rápida, pela pilha
MAP-EPA.
MAP EPA
Aplicação
Apresentação
Aplicações tempo-real
Sessão
Transporte
Enlace LLC 802.2 Tipos 1 e 3
MAC 802.4 Token Bus
Rede
Física Banda Base 5 Mbps
� Arquitetura Mini-MAP composta das camadas
1, 2 e 7.
� Protocolo de Enlace: LLC tipos 1 e 3.
AplicaçãoAplicação
LLC Tipos 1 e 3
MAC 802.4
Banda Base
(5 Mbps)
Conexão com LSAPs
� MMS: conjunto de serviços de comunicação
orientados para aplicações industriais.
� MMS organizado em duas partes:
◦ Manufacturing Message Services: Serviços;
◦ Manufacturing Message Specification: Protocolo.
Companion Standards específicos para:� Companion Standards específicos para:
◦ robôs (RC);
◦ máquinas de comando numérico (CNC);
◦ sistemas de visão;
◦ controladores lógicos programáveis (CLP);
◦ sistemas de controle de processos.
� Serviços MMS manipulam objetos virtuais.
� Usuários dos serviços MMS: Processos de
Aplicação (AP - Application Process).
� Comunicação entre dois AP realizada
segundo um modelo Cliente-Servidor.segundo um modelo Cliente-Servidor.
� Objeto básico: Dispositivo Virtual de
Manufatura (VMD, Virtual Manufacturing
Device) representa um equipamento real de
produção.
� Todo processo de aplicação modelizado no
MMS possui, no mínimo, um objeto VMD.
� Objetos Domínios (Objetos Domínios (Objetos Domínios (Objetos Domínios (DomainsDomainsDomainsDomains): ): ): ): permitem reagrupar os 
programas e os dados necessários à execução no 
equipamento considerado. 
� Objetos Invocação de Programa (Objetos Invocação de Programa (Objetos Invocação de Programa (Objetos Invocação de Programa (ProgramProgramProgramProgram InvocationInvocationInvocationInvocation): ): ): ): 
permitem execução remota de programas. 
� Objeto Estação Operador: Objeto Estação Operador: Objeto Estação Operador: Objeto Estação Operador: permite a um operador humano se 
comunicar com um equipamento de produção.comunicar com um equipamento de produção.
� Objetos Semáforos: Objetos Semáforos: Objetos Semáforos: Objetos Semáforos: permitem gerenciar a sincronização de 
processos e o acesso concorrente a recursos.
� Objetos Condição de Evento, Ação de Evento e Inscrição de Objetos Condição de Evento, Ação de Evento e Inscrição de Objetos Condição de Evento, Ação de Evento e Inscrição de Objetos Condição de Evento, Ação de Evento e Inscrição de 
Evento: Evento: Evento: Evento: detecção e o tratamento de eventos.
� Objetos Variáveis: Objetos Variáveis: Objetos Variáveis: Objetos Variáveis: leitura e escrita de variáveis remotas.
� Objetos Jornais: Objetos Jornais: Objetos Jornais: Objetos Jornais: produção de relatórios de produção.
...
.
.
.
...
VMDVMDVMDVMD
ObjetosObjetosObjetosObjetos
MMSMMSMMSMMS
EstaçãoEstaçãoEstaçãoEstação
Operador 1Operador 1Operador 1Operador 1
Função ExecutivaFunção ExecutivaFunção ExecutivaFunção Executiva
.
.
.
...MMSMMSMMSMMS
EstaçãoEstaçãoEstaçãoEstação
Operador NOperador NOperador NOperador N
� 84848484 ServiçosServiçosServiçosServiços distribuídosdistribuídosdistribuídosdistribuídos emememem 9999 ClassesClassesClassesClasses::::
� Gestão de Contexto
◦ iniciação, liberação, abandono e rejeição de conexão com
outro usuário MMS
� Gestão de Domínio
◦ transferência de informações (códigos e dados) para serem
carregados num domíniode forma dinâmica: as seqüências
◦ transferência de informações (códigos e dados) para serem
carregados num domínio de forma dinâmica: as seqüências
DownLoad e UpLoad são atividades que permitem gerenciar
as transferências entre Cliente e Servidor
� Gestão de Programas
◦ permitem que um usuário Cliente MMS gerencie a execução
remota de programas num usuário Servidor
� Acesso a Variáveis
◦ definição e acesso às variáveis de um VMD
� Gestão de Semáforos
◦ sincronização e controle do acesso aos recursos de um
VMD
� Estação Operador
◦ entrada e saída de informações via estações de operador
� Gestão de Eventos� Gestão de Eventos
◦ definição e tratamento de eventos via serviços MMS
� Gestão de VMD
◦ oferece serviços de VMD (informações sobre os objetos)
� Gestão de Jornal
◦ salvamento de informações de estado de um VMD,
particularmente no que diz respeito à ocorrência de
eventos e à afetação de variáveis.
TENDÊNCIA
Keyboard Keyboard Keyboard
Centralizado /
Analógico
Decentralizado / Digital
Decentralizado / Digital /
Multipontos
R
S
 
4
4
9
 
(
4
2
2
/
4
2
3
)
Keyboard
A
D
D
A
X
Y
X
Y
MUX
Sample/
Holder
Adaptador
/Amp.
sensores atuador
0..10 v
4..20 mA
4..20 mA
0..10 v
Amp.
Potência
Keyboard
A
D
X
Y
X
Y
sensores
inteligentes
atuador
inteligente
P
C
P P
D
A
Keyboard
A
D
X
Y
X
Y
sensores
inteligentes
atuador
inteligente
P
C
P
P
D
A
FIELDBUS
R
S
 
2
3
2
C
R
S
 
4
4
9
 
(
4
2
2
/
4
2
3
)
Placa de 
aquisição de 
dados
� redução do cabeamento pela utilização de um meio físico
compartilhado;
� redução do número de canais de comunicação com o
processo;
� redução do tempo e complexidade do projeto de lay-out;
� facilidade de instalação e manutenção, pela manipulação de� facilidade de instalação e manutenção, pela manipulação de
um menor número de cabos e conexões;
� facilidade de detecção, localização e identificação de falhas,
através de funções de monitoração automática;
� maior modularidade no projeto e instalação, aumentando a
flexibilidade de expansão de funções e módulos;
� melhor consistência e confiabilidade da informação, através
da digitalização e pré-processamento;
� possibilidade de sincronização dos instantes de amostragem
de Entrada/Saída;
� melhoria do desempenho global da aplicação pela
descentralização do processamento;
� maior facilidade de interconexão entre níveis hierárquicos
diferentes de automação;
� redução dos custos de sistemas através da aquisição seletiva
de dispositivos compatíveis de diferentes fornecedores,
eliminando a dependência de somente um fornecedor;
� desacoplamento do software de supervisão da dependência
de um fornecedor específico de Hardware.
� MAP-EPA e Mini-MAP permitem a realização
de tempos de resposta de cerca de 100 ms.
� Fieldbus reduz este tempo para abaixo de 10
ms.
� Fieldbus define somente as camadas 1, 2 e 7� Fieldbus define somente as camadas 1, 2 e 7
do modelo de referência OSI.
� Funções das camadas 3 a 6 indispensáveis
para a comunicação absorvidas pelas
camadas 2 ou 7.
� Aspecto de custo assume grande importância
� Dispositivos a serem interligados tem em geral
custo inferior ao da própria interface MAP.
� São requeridos nós a um custo da ordem de U$
50 ou inferior.50 ou inferior.
Componente MAP Preço médio Elemento Campo Preço médio
Cabo Coaxial U$ 2,5 / m CLP U$ 3.000
Controlador U$ 5.000 Controle Robô $20.000
Demodulador U$ 1.500 PC U$ 2.000
Componente
Ethernet / IBM
Preço médio Sensor/Atuador U$ 50 a 1000
Nó CSMA/CD U$ 500 - 1500 I/O Binária U$ 50 a 1000
Nó Token-Ring U$ 750 - 1500
� Três classes distintas de aplicação:
◦ sistemassistemassistemassistemas """"StandStandStandStand----AloneAloneAloneAlone"""":::: transações ocorrem
somente entre dispositivos ligados em um mesmo
segmento de rede (ex.: sensores e atuadores
ligados a um CNC dentro de uma máquina).
◦ sistemassistemassistemassistemas emememem cascatacascatacascatacascata:::: dispositivos conectados a◦ sistemassistemassistemassistemas emememem cascatacascatacascatacascata:::: dispositivos conectados a
segmentos distintos podem trocar informações por
meio de uma "bridge" (ex.: SDCD - Sistema
Distribuído de Controle Digital).
◦ sistemassistemassistemassistemas hierárquicoshierárquicoshierárquicoshierárquicos:::: Fieldbus está interligado via
"gateway" a um nível hierárquico superior da
automação fabril (ex.: estrutura CIM).
� Em função do tipo de aplicações que se
propõe a atender, um conjunto de requisitos
básicos são impostos ao Fieldbus:
◦ elevado desempenho para atender as aplicações
com requisitos de tempo críticos;com requisitos de tempo críticos;
◦ método de transmissão simples e barato;
◦ meio de transmissão de preço acessível;
◦ necessidade de consistência de dados;
◦ serviços compatíveis com redes dos níveis
hierárquicos superiores (compatibilidade com
MMS);
� Existem várias soluções proprietárias para o Fieldbus.
� Esforços para padronização do Fieldbus: 
ESPRIT CNMA/Fieldbus
Sistema Fieldbus para Processos de Fabricação
PROFIBUS
Norma nacional em abril 91
D
ISA/ IEC
Fieldbus Foundation
EUREKA "Fieldbus"
Desenvolvimento e teste de um Fieldbus
para Processos Unitários ( Ex. )
ISA SP50
Iniciou definição de Pré-Norma
USA
FIP
Norma nacional inicio 1988
F
Siemens
Foxboro
Rosemount
MIL 1553
industrial
outros
� Sistemas fieldbus atuais adequados para o acoplamento
direto de sensores e atuadores em processos com dinâmica
elevada (RTLAN)?
Cont. Atuador Processo
Processador CentralProcessador CentralProcessador CentralProcessador Central
Processo
Sensor
Cont.
Sensor
Processador CentralProcessador CentralProcessador CentralProcessador Central Atuador
FieldbusFieldbusFieldbusFieldbus
� 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.