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Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Protocolos de Comunicação em Ambientes
Industriais
Aula 03 - Protocolos Industriais
Heitor Medeiros Florencio1
heitorm@dca.ufrn.br
1Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Centro de Tecnologia
Departamento de Engenharia de Computação e Automação
Natal-RN
Disciplina: Sistemas de Transmissão de Dados, 2013.2
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
O que foi visto?
Conceitos Básicos sobre Sistemas de Comunicações;
Técnicas de diversidade: Modulações Analógicas e
Digitais;
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
O que será visto?
1 Introdução
Protocolos de Internet (TCP/IP)
Protocolos de Sistemas Celulares
Protocolos Industriais
2 Conceitos de Redes
3 Protocolos
Modbus
Profibus
Foundation Fieldbus
Wired HART
WirelessHART
ISA100
4 Referências
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Protocolos de Comunicação
Protocolos e Padrões de Comunicação:
Regras e Convenções;
Possibilita a conversação e troca de informação entre
sistemas;
Características do sinal elétrico(tensão, comprimento do
cabo, etc);
Características mecânicas;
Características de configurações físicas;
As modulações estudadas são implementadas por vários
protocolos, de diferentes aplicações.
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Protocolos de Internet (TCP/IP)
Protocolos de Internet (TCP/IP)
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Protocolos de Sistemas Celulares
Protocolos de Sistemas Celulares
Padrão AMPS(Primeira geração - 1G; faixa 800MHz;
FDMA)
Padrão AMPS Digital(2G; IS-54)
Padrão TDMA Digital(2G; IS-136; TDMA(slots de 40ms))
Padrão CDMA Digital(2G; IS-95; CDMA; espalhamento
espectral; QPSK)
Padrão GSM (2G; 0,3GMSK(variante do FSK));
Padrão GPRS (2.5G);
Padrão EDGE (2.75G);
Padrão WCDMA (3G);
Padrão LTE (+- 4G);
...
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Protocolos Industriais
Protocolos Industriais
Redes Industriais são divididas em três grupos:
Sensorbus: Inteligar sensores e atuadores; Ex.: ASI, CAN;
Devicebus: Interligar componentes inteligentes como
controladores(CLPs, PCs, etc); Ex.: DeviceNet,
Profibus-DP;
Fielbus: Integrar componentes chão-de-fabrica (sensores
e atuadores); Ex.: Foundation Fieldbus, HART,
Profibus-PA, WirelessHART*, ISA100.11a*;
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Protocolos Industriais
Vai desde chão-de-fábrica ...
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Protocolos Industriais
... Até Sala de Controle e Supervisão
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Protocolos Industriais
Pirâmide da Automação Industrial
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Protocolos Industriais
Redes Industriais
Interligação de equipamentos usados nos sistemas de
automação.
Características necessárias: Confiabilidade e
Interoperabilidade.
Tempo de Resposta Determinístico.
Redes Industriais são essencialmente sistemas
ditribuídos, ou seja, diversos elementos trabalhando de
forma simultânea a fim de supervisionar e controlar um
determinado processo. Tais elementos (sensores,
atuadores, CLPs, CNCs, PCs, etc), necessitam estar
interligados e trocando informações de forma rápida e
precisa. [1]
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Protocolos Industriais
Ethernet Industrial
Em termos porcentagem de aplicações a
Ethernet(camada 1 e 2) tem o maior índice. A maioria das
redes LAN utilizam o padrão Ethernet, IEEE 802.3.
Com isso surgiu o Ethernet Industrial.
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Protocolos Industriais
Ethernet Industrial
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Protocolos Industriais
Ethernet Industrial
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Modelo OSI
1
Tabela: Camadas do Modelo OSI - PI
Camada física Responsável pela forma como são trans-
mitidos os bit brutos. Trata das conside-
rações mecânicas como o tipo de cabe-
amento, dos valores físicos para os valo-
res dos bits e do sentido, de transmissão
(simplex, duplex e half-duplex);
Camada de en-
lace
Responsável pelo tratamento de detec-
ção ou correção de erros, do controle de
fluxo de dados e, em caso de redes de
difusão (barramento comum a vários sis-
temas), controlar o acesso ao meio;
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Modelo OSI
1
Tabela: Camadas do Modelo OSI - P2
Camada de rede Responsável pelo roteamento de pacotes
e pelo controle do congestionamento dos
meios de transmissão quando existirem;
Camada de
transporte
Responsável pela segurança na trans-
missão de dados fim-a-fim;
Camada de ses-
são
Responsável pela sincronização entre
máquinas para transferência de dados.
Permite trabalhar com estrutura de dados
de nível mais alto, como transferência de
arquivos;
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Modelo OSI
1
Tabela: Camadas do Modelo OSI - P3
Camada de apre-
sentação
Responsável pela conversão dos dados
recebidos pela camada de aplicação para
os dados trabalhados nas camadas infe-
riores;
Camada de apli-
cação
Camada que mantém o contrato com o
usuário, quando houver;
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Protocolos...
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Modbus
Protocolo Modbus
Esse protocolo era proprietário, pois foi criado pela
MODCON (atual Schneider), uma empresa de automaçao,
para utilizá-lo em seus próprios equipamentos.
Apesar de ser um protocolo proprietário a Schneider
difundiu esse protocolo entre os outros fabricantes, o
tornando aberto.
A Modbus-IDA é uma organização sem fins lucrativos
formada por usuários e fornecedores de dispositivos de
automação que visam a adoção do protocolo Modbus e a
evolução dele para sistemas de automação distribuídos.
Ela fornece a infra-estrutura para obter e compartilhar
informações sobre os protocolos, suas aplicações e a
certificação de dispositivos, visando simplificar a
implementação pelos usuários.
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Modbus
Protocolo Modbus
É um protocolo de comunicação da camada de aplicação
(Camada 7 do modelo OSI).
Este protocolo define uma estrutura de mensagem que os
controladores irão reconhecer e utilizar,
independentemente do tipo de redes sobre as quais eles
se comunicam.
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Modbus
Protocolo Modbus
As mensagens que contenham protocolo Modbus são
embutidas na estrutura dos quadros ou pacotes usado em
outras redes.
O modelo original rodava sobre o RS-232 para conexão
ponto-a-ponto.
Foi adaptado para rodar em RS-485 (barramento) para
ganhar maior velocidade, alcançar maiores distâncias e
possibilitar conexão de vários dispositivos.
Os quadros modbus podem ser enviados por modems, via
protocolo HDLC.
E podem ser inseridos em estruturas de quadros ethernet
802.3.
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Modbus
Protocolo Modbus e Modelo OSI
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Modbus
Protocolo Modbus
Durante as comunicações em uma rede Modbus, o protocolo
determina como cada controlador:
Saberá seu endereço de dispositivo,
Reconhece uma mensagem endereçada a ele,
Determina o tipo de ação a ser tomada,
Extrair todos os dados ou outras informações contidas na
mensagem e detecta erros.
Se a resposta for requerida, o controlador irá construir a
mensagem de resposta e enviá-la usando o protocolo
Modbus.
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Modbus
Tipos de Protocolos Modbus
A Modbus possui três tipos de protocolos usados em diferentes
níveis da automação industrial. São eles:Modbus Padrão
O Modbus TCP/IP
O Modbus Plus
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Modbus
Modbus TCP/IP
É usado para comunicação entre sistemas supervisórios e
CLP‘s
Nele, o protocolo Modbus é encapsulado no protocolo
TCP/IP e transmitido por redes com padrão Ethernet e
com controle de acesso ao meio CSMA/CD.
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Modbus
Modbus PLUS
É usado para comunicação entre CLP‘s, Módulos E/S,
IHM‘s e etc.
Utiliza meio físico RS-485 com taxa de transmissão de
1Mbps e controle de acesso ao meio por HDLC.
Modo de operação síncrona
Transmissão half-duplex e full-duplex:
Suporta configurações ponto-a-ponto e multiponto
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Modbus
Modbus Padrão
É utilizado para comunicar CLP‘s com Dispositivos de
entrada e saída de dados, Instrumentos eletrônicos
inteligentes ( relés de proteção, atuadores deválvulas, etc).
Ele usa os meios físicos RS-232 e RS-485 em conjunto
com a tecnologia de comunicação mestre/escravo.
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Modbus
Procolo Modbus
É baseado no modelo mestre-escravo.
Toda comunicação passa pelo mestre.
Todos os dispositivos estão ligados em uma rede
bidirecional do tipo barramento. E todos os escravos
devem ter um endereço próprio
Todos os escravos recebem os dados do mestre, mas
apenas o escravo endereçado responde.
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Modbus
Procolo Modbus
Existem dois modos de formato de mensagem:
Modbus ASCII: Dados são codificados em caracteres
ASCII de sete bits.
Modbus RTU: Dados são transmitidos em formato binário
de oito bits. Cada byte na mensagem contém dois
caracteres hexadecimais de quatro bits cada.
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Modbus
Modbus - Formato da Mensagem
Pergunta:
Número do endereço do escravo - 1byte;
Código da função - 1byte;
Posição de memória do escravo(fica o endereço inicial dos
dados) - 2bytes;
2 bytes que designam o número de operandos;
Dados;
CRC-16 - 2bytes;
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Modbus
Modbus - Formato da Mensagem
Resposta:
Número do endereço do escravo(aquele que solicitou) -
1byte;
Código da função - 1byte;
Quantidade de bytes da resposta - 1byte;
Dados solicitados;
CRC-16 - 2bytes;
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Profibus
Profibus
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Profibus
PROFIBUS (Process Field Bus)
É uma rede de campo de padrão aberto;
Introduzido em 1989 na norma DIN 19245, depois adotado
pela norma EN 50170;
Foi incorporado na IEC 61158;
Até 126 dispositivos podem ser ligados juntos em uma
mesma rede profibus, mas como utiliza-se o RS485 existe
uma limitação de 32 dispositivos por segmento;
Profibus DP, Profibus FMS, Profibus PA, Profinet(Profibus
p/ Ethernet);
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Profibus
Profibus DP e PA
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Profibus
Segmentos, Repetidores, Acopladores e Links de fibra ótica
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Profibus
Estações
Mestre classe 1: CLPs, controladores estações SCADA,
etc..
Mestre classe 2: PCs, dispositivos de diagnóstico, etc..
Escravos: Transmissores, sensores, atuadores, drivers,
etc...
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Profibus
Sistema com Mestre Único
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Profibus
Sistema com dois Mestres
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Profibus
Estrutura do pacote
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Foundation Fieldbus
Foundation Fieldbus (FF)
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Foundation Fieldbus
FF
Arquitetura baseada em blocos funcionais que realizam
atividades como aquisição de dados, controle PID,
cálculos e atuação;
As redes FF são divididas em:
H1: p/ baixar velocidade;
H2: p/ aplicações que requerem menor tempo de resposta,
maior taxa de transmissão;
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Foundation Fieldbus
FF
Topologias: Barramento e Árvore;
Traz um conceito novo de LAS(Link Active Scheduler); O
LAS é responsável pelo gerenciamento de mensagens;
Comunicação entre diferentes equipamentos(sensores,
atuadores, CLPs, programadores, etc);
O acesso ao meio é controlado pelo LAS (nível de enlace);
com o uso de token(autorização de acesso);
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Foundation Fieldbus
Acesso ao meio pelo LAS
Equipamento solicita um token;
LAS envia o token a um equipamento;
Com a posse do token, este equipamento pode se
comunicar diretamente com outros equipamentos, sem
que a comunicação precise passar por um mestre;
Quando terminar o equipamento retorna o token para o
LAS;
A transmissão para outro equipamento depende do
escalocamento definido no LAS;
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Wired HART
HART
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Wired HART
Padrões HART
Primeiro padrão que utilizou o sinal analógico (4-20 mA)
sendo sobreposto pelo sinal digital;
A HART Communication Foundation (HCF) é a proprietária
do procotolo HART, esse com tecnologia de comunicação
aberta;
Bastante utilizado na indústria.. protocolo Wired HART já
testado com sucesso em milhões de aplicações.
[Mecatrônica Atual; Ano 10-n53-2011]
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Wired HART
Padrões HART
Algumas características:
Capacidade Digital;
Compatibilidade Analógica;
Interoperabilidade:
Comandos padrões de fácil acesso: DLL (Device
Description Language);
Comandos Universais;
Bastante utilizado na indústria.. protocolo Wired HART já
testado com sucesso em milhões de aplicações.
[Mecatrônica Atual; Ano 10-n53-2011]
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Wired HART
Evolução do HART
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Wired HART
Pilha de Protocolo HART
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Wired HART
Baseado no padrão Bell 202
Utiliza modulação FSK, sobrepondo o sinal 4-20 mA;
Bit 1: frequência 1200Hz; 1mA pico-a-pico;
Bit 0: frequência 2200Hz; 1mA pico-a-pico;
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Wired HART
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Wired HART
Características
Utiliza tecnologia mestre/escravo;
Topologia ponto a ponto ou multiponto;
Topologia ponto a ponto: o instrumento pode enviar
pacotes, como PV, de forma autônoma e periódica,
podendo ser interrompido apenas pelo mestre;
Modo Broadcast é opcional e usado em redes com apenas
1 escravo, onde o escravo envia repetidamente um valor
especificado;
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Wired HART
Frame
Estrutura do pacote:
Preâmbulo: 5 a 20 bytes hexadecimais usados para
sincronização;
Caractere de início (Start byte): indica o tipo de
mensagem(mestre-escravo, escravo-mestre,
broadcast-escravo);
Endereçamento (Address): Curto ou Longo usando 1 ou 5
bytes;
Comando HART;
Contador de bytes: tamanho da mensagem sem
checksum;
Status: 2 bytes, escravo; somente na mensagem de
resposta de um escravo; avisa o status da mensagem
recebida pelo escravo(com erro, sem erro, etc);
Dados;
Checksum (1 byte): byte de paridade;
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Wired HART
Camada de Aplicação
Baseada em Comandos;
Comandos Universais;
Comandos Práticos;
Comandos Específicos;
Comandos não público (usado apenas por fabricantes);
Comandos de Família de Dispositivos: Ajuste e
parametrização;
Introdução Conceitosde Redes Protocolos Referências
WirelessHART
WirelessHART
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
WirelessHART
Redes WirelessHART
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
WirelessHART
Camada Física
Baseada na norma IEEE 802.15.4
Faixa de 2,4GHz
Canais 11-25, cada um com 5MHz
Técnicas de Modulação DSSS e OQPSK
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
WirelessHART
Camada Enlace
Técnica de acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA)
Janelas de tempo de 10ms (slots)
Salto de Canais
CanalAtual = (OffsetCanal + ASN) % NumCanais
Lista Negra
Tempos de Sincronização
Mensagens KEEP-ALIVE com referencial temporal
Referencia temporal nas mensagens de ACK
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
WirelessHART
Tipos de Pacotes
Data
Keep Alive
Advertise
Disconnect
ACK
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
WirelessHART
Tipos de Links
Normal link
Broadcast link
Join link
Discovery link
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
WirelessHART
Camada de Rede e Transporte
Segurança ponto-a-ponto: Criptografia AES-128bits e o
MIC
Integridade na comunicação fim-a-fim: Chaves de
criptografia.
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
WirelessHART
Baseada em Comandos
Todos os comandos do wired HART, ou HART5-6;
Comandos Wireless
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
ISA100
ISA100.11a
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Referências
http://www.gta.ufrj.br/ensino/eel879/trabalhos_vf
_2008_2/ricardo/1.html
http://www.siameingenieria.com/images/redes7.jpg
http://www.advantech.com.br/eautomation/industrial
_communication/images/Communication_small.jpg
http://www.syspro.com.br/area_conhecimento/artigos
/art_003_modbus.pdf
Redes Industriais: Aplicações em Sistemas Digitais de
Controle Distribuído;
Engenharia de Automação Industrial;
Introdução Conceitos de Redes Protocolos Referências
Dúvidas?
	Introdução
	Protocolos de Internet (TCP/IP)
	Protocolos de Sistemas Celulares
	Protocolos Industriais
	Conceitos de Redes
	Protocolos
	Modbus
	Profibus
	Foundation Fieldbus
	Wired HART
	WirelessHART
	ISA100
	Referências

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