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Prof. André Sarmento Barbosa http://www.andresarmento.com 7 Redes Industriais e Sistemas Supervisórios CAPÍTULO 2 MEIOS DE TRANSMISSÃO Meio de transmissão é o caminho pelo qual os dados trafegam entre os nós (computadores, CLPs, etc.), da rede. Um enlace (ou link) utiliza um meio de transmissão, que pode ser, por exemplo: Um par trançado Cabo de par trançado Cabo coaxial Fibra ótica O espaço (comunicações sem fio - wireless) ENLACE Par trançado É o meio mais simples de todos os principais meios de transmissão, sendo também o mais popular e de menor custo. Entretanto, seu desempenho é limitado quando comparado a outros meios de transmissão. O par trançado consiste em um par de condutores de cobre cobertos com camada isolante (encapados) e trançados (torcidos). O objetivo de torcer o par de fios é reduzir a interferência eletromagnética induzida no par, proveniente de motores, lâmpadas fluorescentes, descargas atmosféricas, etc. Observe que nos referimos ao par trançado aqui como somente um par de fios e não como no jargão de redes de computadores, onde par trançado se refere aos cabos UTP, STP (compostos na verdade por 4 pares trançados). Nó Nó Prof. André Sarmento Barbosa http://www.andresarmento.com 8 Redes Industriais e Sistemas Supervisórios O par trançado é amplamente utilizado, no serviço telefônico para as linhas dos assinantes, nas redes industriais e na comunicação serial de diversos equipamentos eletrônicos, quando a distância é relativamente grande (dezenas de metros). No caso das transmissões digitais os pares trançados alcançam taxas acima de 1Gbps em distâncias de dezenas de metros. Para distâncias mais longas (Ex.: acima de 1000m) taxas menores devem ser utilizadas (Ex.: 100kbps). Cabo de par trançado O cabo de par trançado, ou cabo TP (twisted pair) é formado por quatro pares trançados, envoltos com isolamento plástico, podendo vir a ser blindado ou não blindado. Assim, podemos dividir os cabos de par trançado entre aqueles que não possuem uma blindagem especial, conhecidos como UTP (Unshielded Twisted Pair) e aqueles que possuem, aqui, há vários modelos: STP – (Shielded Twisted Pair), FTP (Foiled Twisted Pair) e SSTP (Screened Shielded Twisted Pair). Em um cabo TP blindado a blindagem não faz parte do caminho percorrido pelo sinal (como nos cabos coaxiais), funciona somente como uma proteção adicional contra interferências eletromagnéticas, tendo sua aplicação indicada quando o ambiente ou o percurso por onde o cabo será instalado é crítico, do ponto de vista de geração de ruídos (linhas de energia elétrica próximas, motores, etc.). Cabo não blindado Cabo Blindado Categorias de cabos TP: CATEGORIAS 1 e 2: Eram recomendadas para comunicação de voz e dados até 9,6Kbps. Atualmente estão fora de uso; CATEGORIA 3: Características de desempenho para cabeamento e conexões em transmissões de dados e voz, na velocidade de até 10Mbps; Agora somente usada em cabos telefônicos. CATEGORIA 4: Características de desempenho para cabeamento e conexões em transmissões de dados e voz na velocidade de até 16Mbps. Raramente utilizada. CATEGORIA 5: Aplicações em redes locais de 100Mbps e até mesmo de 1000Gbps (1Gbps). Instalações novas devem usar Cat5e ou superior. Prof. André Sarmento Barbosa http://www.andresarmento.com 9 Redes Industriais e Sistemas Supervisórios CATEGORIA 5e: (Enhanced - Melhorada), é uma melhoria das características dos materiais utilizados na categoria 5, que permite um melhor desempenho, sendo especificada até para redes de 100Mbps e 1000Mbps; CATEGORIA 6: Características para desempenho especificadas até 250Mhz e velocidades de 1Gbps até 10Gbps. Existem outras categorias em desenvolvimento, acima destas. Um excelente resumo pode ser visto em: http://en.wikipedia.org/wiki/Twisted_pair Conectores e código de cores (padrões T568A, T568B): Os conectores RJ45 são os utilizados para cabos TP nas redes locais e em diversas outras aplicações que utilizam este tipo de cabeamento. Os códigos de cores, definidos nos padrões T568A e T568B indicam como deve ser feita uma interligação correta entre equipamentos diferentes (Ex.: Um PC e um Switch), onde nesse caso se usa um cabeamento simples (O mesmo padrão de cores em cada ponta) e uma interligação de equipamentos de um mesmo tipo (Ex.: 2 PCs), onde nesse caso deveria ser utilizado cabeamento crossover (Padrões diferentes em cada ponta). Para maiores informações: http://en.wikipedia.org/wiki/Category_5_cable Existem também limites de comprimentos para esse tipo de cabo. Quando o cabo é usado para transmissão de dados em Ethernet, Fast Ethernet ou Gigabit Ethernet, o limite para o enlace (distância entre os equipamentos nas duas pontas do cabo) é de no máximo 100 metros. Caso seja necessário interligar equipamentos a distâncias maiores, é preciso usar repetidores, ou instalar uma ponte de rede ou switch no meio do caminho, de forma que cada enlace tenha no máximo 100 metros. Cabo coaxial Um cabo coaxial consiste em um fio de cobre rígido que forma o núcleo, envolto por um material isolante que, por sua vez, é envolto em um condutor cilíndrico, frequentemente na forma de uma malha cilíndrica entrelaçada. O condutor externo é coberto por uma capa plástica protetora. Prof. André Sarmento Barbosa http://www.andresarmento.com 10 Redes Industriais e Sistemas Supervisórios A forma de construção do cabo coaxial lhe dá uma boa combinação de alta banda passante e excelente imunidade a ruídos. A banda passante possível depende do comprimento do cabo. Para cabos de 1Km, pode-se chegar a taxas de dados de 2Gbps. Taxas de dados mais altas são possíveis em cabos mais curtos. Dois tipos de cabo coaxial são bastante utilizados. Um tipo, o cabo coaxial fino, também conhecido como cabo de 50 ohms (impedância) ou cabo coaxial em banda base. O outro tipo, o cabo coaxial grosso, também conhecido como cabo coaxial em banda larga (75 ohms de impedância). A malha é circular metálica cria uma gaiola de Faraday, isolando deste modo o condutor interior de interferências, o inverso também é verdadeiro, ou seja, frequências e dados que circulam pelo condutor não conseguem atingir o exterior pelo isolamento da malha e deste modo não interferindo em outros equipamentos. Fibra ótica Um sistema de transmissão ótico possui três componentes: o emissor de luz, o meio de transmissão e o detector. Convencionalmente, um pulso de luz indica um bit 1, e a ausência de luz representa um bit zero. O meio de transmissão é uma fibra de vidro ultrafina. O detector gera um pulso elétrico quando entra em contato com a luz. Quando instalamos uma fonte de luz em uma extremidade de uma fibra ótica e um detector na outra, temos um sistema de transmissão de dados unidirecional (simplex) que aceita um sinal elétrico e o converte, transmitindo pulsos de luz. Na extremidade de recepção, a saída é reconvertida em um sinal elétrico. Prof. André Sarmento Barbosa http://www.andresarmento.com 11 Redes Industriais e Sistemas Supervisórios Transmissor Ótico É utilizado um diodo laser (LD) ou diodo emissor de luz (LED) para converter os sinais elétricos em sinal luminoso. Receptor Ótico O receptor ótico compõe-se de um dispositivo fotoelétrico e de um estágio eletrônico de amplificação e filtragem. O dispositivo fotoelétrico é responsável pela detecção e conversão do sinal luminosoem sinal elétrico. Fibra Ótica É um filamento de vidro de sílica ou de materiais polímeros projetado para transmitir luz. São estruturas dielétricas com geometria cilíndrica. O núcleo é circundado por material dielétrico de índice refração um pouco inferior que a casca e toda a fibra é normalmente protegida por um revestimento de plástico. Quando um raio de luz passa de um meio para outro, por exemplo, da sílica fundida para o ar, o raio sofre uma refração (desvio) na fronteira sílica/ar. O volume de refração depende das propriedades dos dois meios físicos (em particular, de seus índices de refração). Nos ângulos cuja incidência ultrapasse um determinado valor crítico, a luz é refletida de volta para a sílica, nada escapa para o ar. Dessa forma, um feixe de luz que incide em um ângulo crítico, ou acima dele, é “aprisionado” na fibra, como mostra abaixo. Esse feixe pode se propagar por muitos quilômetros sofrendo poucas perdas. Além disso, como a fibra transmite luz e não corrente elétrica, as interferências eletromagnéticas não provocam perdas no sinal transmitido. A atual tecnologia de fibra ótica pode trabalhar com taxas de transmissão superior a 50000Gbps (50 Tbps). Infelizmente, o limite prático é limitado a alguns Gbps pois ainda não se consegue converter os impulsos elétricos em óticos (e vice e versa) em uma velocidade maior. No entanto, o uso experimental de fibras a 100Gbps já está previsto a curto prazo. Prof. André Sarmento Barbosa http://www.andresarmento.com 12 Redes Industriais e Sistemas Supervisórios Existem dois tipos básicos de fibra: Fibra multimodo - "Multimode Fiber " (MMF): Os raios incidentes refletem nas bordas da fibra, tal como mostrado anteriormente. Fibra monomodo - "Singlemode Fiber" (SMF): O diâmetro da fibra é reduzido ao comprimento de onda de luz. Dado o fato que a luz se propaga em linha com o condutor a eficiência do meio é maior permitindo uma distância maior sem emendas ou repetidor. Nesse caso não há reflexão (ou há muito pouca) e a fibra se comporta como um guia de onda, tal comportamento é contra intuitivo mas, como sabemos, muitas particularidades da luz são para nós contra intuitivas (tal como o limite de velocidade máxima = 3x108m/s. Para maiores informações sobre o funcionamento das fibras óticas, acesse: http://informatica.hsw.uol.com.br/fibras-opticas.htm O espaço - Wireless (transmissão sem fio) Para os usuários móveis, o par trançado, o cabo coaxial e a fibra ótica não têm a menor utilidade. Eles precisam transferir dados para os seus computadores laptop, notebook, palmtop, de bolso ou de pulso, sem depender da infraestrutura de comunicação terrestre. A resposta para esses usuários está na comunicação sem fio. Redes industriais nas quais há dificuldades para instalar cabeamento metálico ou fibra, devido à falta de canaletas ou conduítes, devido a localização geográfica ou espaço físico também podem recorrer à tecnologia de transmissão sem fio. Algumas pessoas chegam a acreditar que, no futuro, só haverá dois tipos de comunicação: as comunicações por fibra e as sem fio. Observe que o meio de transmissão em questão é o espaço, e quando nos referimos a espaço, queremos dizer no sentido físico, inclusive no vácuo. Normalmente chamamos a transmissão pelo espaço de wireless (sem fio), onde temos, dentro deste conceito, diversas tecnologias que podem ser empregadas, tais como: Infravermelho Micro-ondas Rádio Modem Bluetooth Wi-fi (IEEE802.11) Zigbee (IEEE802.15.4) Prof. André Sarmento Barbosa http://www.andresarmento.com 13 Redes Industriais e Sistemas Supervisórios Antes de analisarmos algumas tecnologias wireless, vejamos alguns conceitos básicos sobre as ondas eletromagnéticas: Quando se movem, os elétrons criam ondas eletromagnéticas que podem se propagar através do espaço livre (inclusive no vácuo). Essas ondas foram previstas pelo físico inglês James Clerk Maxwell em 1865 e produzidas e observadas pela primeira vez pelo físico alemão Heinrich Hertz em 1887. O número de oscilações por segundo de uma onda eletromagnética é chamado de frequência, f, e é medida em Hz (em homenagem a Heinrich Hertz). A distância entre dois pontos máximos (ou mínimos) consecutivos é chamada de comprimento de onda, que é universalmente designada pela letra grega λ (lambda). Quando se instala uma antena, com o tamanho apropriado em um circuito elétrico, as ondas eletromagnéticas podem ser transmitidas e recebidas com eficiência por um receptor localizado a uma distância bastante razoável. Toda a comunicação sem fio é baseada nesse princípio. No vácuo, todas as ondas eletromagnéticas viajam na mesma velocidade, independente de sua frequência. Essa velocidade é a velocidade da luz, que é de cerca de 300.000 Km/s, ou aproximadamente de 30 cm por nanossegundo. No cobre ou na fibra, a velocidade cai para cerca de 2/3 desse valor e se torna ligeiramente dependente da frequência. Espectro eletromagnético Exercício: Pesquise a frequência de operação de um equipamento de rede sem fio wi-fi (802.11), um módulo ZigBee (802.15.4) e um periférico Bluetooth. Localize-os no gráfico acima, compare-os e calcule os comprimentos de onda. Prof. André Sarmento Barbosa http://www.andresarmento.com 14 Redes Industriais e Sistemas Supervisórios As ondas podem ser irradiadas para o espaço a partir de dois tipos básicos de antenas: Omnidirecional – irradia em todas as direções Direcional – irradia em uma direção específica Vale lembrar que uma transmissão utilizando uma antena omnidirecional nem sempre é bom. Curiosidade: Na década de 1970, a General Motors decidiu equipar seus novos Cadillacs com freios que impediam o travamento das rodas, e o controle era feito por computador. Quando o motorista pisava no pedal de freio, o computador prendia e soltava os freios, em vez de travá-los de verdade. Um belo dia,um guarda rodoviário de Ohio começou a usar seu novo rádio móvel para falar com o quartel-general e, de repente, o Cadillac próximo a ele passou a se comportar como um cavalo trotando. Depois de ser abordado pelo patrulheiro, o motorista disse que não tinha feito nada e que o carro tinha ficado louco de uma hora para outra. Eventualmente, começou a surgir um padrão: às vezes, os Cadillacs enlouqueciam, mas somente quando trafegavam pelas estradas de Ohio, particularmente quando estavam sendo observados por um guarda rodoviário. A General Motors demorou a entender o motivo pelo qual os Cadillacs funcionavam sem problemas nos outros estados e outras estradas secundárias de Ohio. Só depois de muita pesquisa eles descobriram que a fiação do Cadillac captava a frequência usada pelo novo sistema de rádio da Patrulha Rodoviária de Ohio, como se fosse uma antena. Alguns exemplos de tecnologias wireless para redes industriais: Rádio Modem Transparente: Radio com função de MODEM, mas inteligência limitada. Em geral, possui uma porta serial RS-232 ou RS-485 para entrada e saída de dados. Não tem controle de fluxo nem verificação de erros. As taxas de transmissão são compatíveis com taxas de enlaces seriais. Ex.: 115kbps. Rádio Modem Inteligente: Implementam um série de vantagens, tais como o controle de fluxo, verificação de erros. Rádio telemetria: Em um rádio modem há uma interface que permite a comunicação do mesmo com outro dispositivo (um CLP, por exemplo) que se encarrega do gerenciamento dos sensores e atuadores ligados a ele. Em sistemas de rádiotelemetria o próprio rádio já possui entradas e saídas para sensores, sendo mais simples, mas também limitado. Prof. André Sarmento Barbosa http://www.andresarmento.com 15 Redes Industriais e Sistemas Supervisórios Bluetooth: O padrão Bluetooth começou a ser desenvolvido em 1994, pela Ericsson. Em 1998 passou a ser trabalhado pelo Bluetooth Special Interest Group (SIG), consórcio inicialmente formado pela Sony, Ericsson, IBM, Intel, Toshiba e Nokia. Hoje tem mais de 2000 empresas. O Bluetooth e uma tecnologia de transmissão sem fio para pequenas distâncias. Suas características são: baixo consumo de energia, robustez e baixo custo. A taxa de transmissão para a versão 1.2 é de 1Mbps, enquanto que para a versão 2.0 chega a 3Mbps. Wi-fi (IEEE802.11): Wi-Fi é uma marca registrada da Wi-Fi Alliance, que é utilizada por produtos certificados que pertencem à classe de dispositivos de rede local sem fios (WLAN) baseados no padrão IEEE 802.11. Por causa do relacionamento íntimo com seu padrão de mesmo nome, o termo Wi-Fi é usado frequentemente como sinônimo para a tecnologia IEEE 802.11. O nome, para muitos, sugere que se deriva de uma abreviação de Wireless Fidelity, ou Fidelidade sem fio, mas não passa de uma brincadeira com o termo Hi-Fi, designado a qualificar aparelhos de som com áudio mais confiável, que é usado desde a década de 1950. Os principais padrões na família IEEE 802.11 são: o IEEE 802.11a: Padrão Wi-Fi para frequência 5,8 GHz com capacidade teórica de 54 Mbps. o IEEE 802.11b: Padrão Wi-Fi para frequência 2,4 GHz com capacidade teórica de 11 Mbps. Este padrão utiliza DSSS (Direct Sequency Spread Spectrum – Sequência Direta de Espalhamento de Espectro) para diminuição de interferência. o IEEE 802.11g: Padrão Wi-Fi para frequência 2,4 GHz com capacidade teórica de 54 Mbps. o IEEE 802.11n: Padrão Wi-Fi para frequência 2,4 GHz e/ou 5 GHz com capacidade de 65 à 600 Mbps. Zigbee (IEEE802.15.4) O padrão ZigBee surgiu por volta de 1998 com a intenção de suprir algumas deficiências já encontradas em tecnologias Wi-Fi e Bluetooth. Em 2003 o ZigBee foi normalizado através do padrão IEEE 802.15.4. Fabricantes: Philips, Motorola, Honeywell,Samsung, Siemens, Schneider e outros. As principais aplicações são: Automação Predial e doméstica (controle de iluminação, irrigação, segurança, controle de acesso), periféricos de computadores (mouse, teclado, joysticks), eletrônica de consumo (TV e DVD), Controle industrial (gerenciamento de processos e energia), dispositivos pessoais de cuidados médicos (monitoramento de pacientes e fitness). Hoje já se encontram módulos com taxas de 250kbps que alcançam até 70 metros em visada direta.
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