Redes Industriais e Sistemas Supervisórios - Estácio - André Sarmento - Cap1

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1 Redes Industriais e Sistemas Supervisórios 
 
 
 
CAPÍTULO 1 
INTRODUÇÃO 
 
 
 
 
 
 
Redes industriais são essencialmente sistemas distribuídos, ou seja, diversos elementos trabalham de 
forma simultânea a fim de supervisionar e controlar um determinado processo. Tais elementos (sensores, 
atuadores, CLP’s , CNC’s, PC's, etc), necessitam estar interligados e trocar informações de forma rápida e 
precisa. 
 
No início, os sistemas eram baseados em controladores de malha única de realimentação (Single-Loop 
Controllers– SLC). 
 
 
Diagrama de um sistema em malha única de realimentação 
 
Nos anos 60 surgiram os sistemas de controle digital direto (Direct Digital Controller - DDC). O 
desenvolvimento do controle industrial tem sido fortemente influenciado pela tecnologia dos 
microprocessadores e microcontroladores que tende a tornar o controle de processo totalmente 
distribuído. Mesmo antes da revolução da eletrônica digital, a qual proporcionou o surgimento do DDC e o 
que se seguiu os controles já eram distribuídos, a diferença fundamental é que estes não tinham um 
funcionamento integrado, muito pelo contrario, funcionavam de forma desorganizada através de um 
conjunto de malhas de controle independentes. 
 
As primeiras aplicações do computador no controle de processos foram forçosamente centralizadas, 
devido ao alto custo do mesmo (minis e grandes computadores). O controlador era fixado próximo à 
unidade que ele controlava, assim, o operador estando em um ponto de controle, não tinha informações 
do que estava ocorrendo no resto da planta industrial. 
 
O que se seguiu então foi uma evolução do sistema com a adoção de várias melhorias, por exemplo, com o 
desenvolvimento dos transmissores foi possível levar os sinais da variável de processo até uma sala de 
 
 
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controle central onde os controladores realizariam as devidas correções e os sinais retornariam 
ao campo para atuar os elementos finais de controle. 
 
Possível diagrama de um DDC 
 
Numa unidade fabril não existia somente uma sala de controle, mas várias, cada uma concentrava 
informações sobre determinada área da planta industrial. Outra sala de controle, outra área, e assim por 
diante. Podemos perceber que não existia uma integração de todas as informações das variáveis da planta 
industrial. O operador estando em um ponto de controle não tinha informações do que estava ocorrendo 
no resto da planta. 
 
Hoje os DDCs estão praticamente extintos. 
 
Atenção! Entenda que estamos nos referindo aos DDCs de muitos anos atrás, onde tanto computadores 
como painéis eram realmente grandes, apesar disso, o diagrama mostrado na figura ainda é válido, 
podendo caber em um espaço muito reduzido e se comunicar com outros DDCs, o que nos leva ao SDCDs. 
 
Na década de 90 surgiram os Sistemas Digitais de Controle Distribuído. 
 
Os Sistemas Digitais de Controle Distribuído (SDCD) 
 
O Sistema digital de controle distribuído ou SDCD tem como função primordial o controle de processos de 
forma a permitir uma otimização da produtividade industrial, estruturada na diminuição de custos de 
produção, melhoria na qualidade dos produtos, precisão das operações, segurança operacional, entre 
outros. O sistema é dotado de processadores e redes redundantes e permite uma descentralização do 
processamento de dados e decisões, através do uso de unidades remotas na planta. Além disso, o sistema 
oferece uma interface homem-máquina (IHM) que permite o interfaceamento com controladores lógicos 
programáveis (CLP), controladores PID, equipamentos de comunicação digital e sistemas em rede. 
 
 
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Em um SDCD, DDCs bem mais sofisticados implementam um grande numero de malhas de controle em um 
único computador, que centraliza um conjunto de informações e funções de controle. Estes DDCs são 
conectados via um barramento de comunicação de dados que inclui ainda um sistema supervisório. 
 
Sistema digital de controle distribuído 
 
Esta realidade não trata somente de processos industriais, mas praticamente de todos os segmentos da 
automação, como por exemplo: 
 Usinas de geração elétrica e redes de abastecimento elétrico 
 Sistemas de controle de meio-ambiente 
 Semáforos 
 Sistemas de automação residencial 
 Sistemas de tratamento de água 
 Refinarias de petróleo 
 Usinas químicas 
 Indústria farmacêutica 
 Redes de sensores de monitoramento meteorológico 
 
Topologias de Rede: 
 
A topologia de uma rede refere-se à forma com que os enlaces físicos e os nós (módulos, PCs, 
equipamentos) estão interligados. As topologias básicas são: 
 
 Topologia Estrela 
Nesta topologia existe um nó central (concentrador ou mestre) que se comunica com os demais nós. O 
concentrador executa o gerenciamento da comunicação entre os nós. Nesta topologia a falha em um 
nó que não seja o concentrador não compromete a rede, somente o nó defeituoso. No caso de falha 
no nó concentrador toda a rede fica comprometida. Esta topologia é utilizada amplamente hoje em 
redes locais Ethernet (100Mbps, 1Gbps e 10Gbps). 
 
Topologia Estrela 
 
 
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 Topologia em Anel 
Consiste na ligação sequencia fechada entre todos os nós da rede. Para colocar um pacote de dados na 
rede o nó de origem envia o pacote para o nó seguinte. O pacote é passado de nó a nó até que o 
destino receba e retire o pacote da rede. O maior problema das redes em anel é que se houver falha 
do encaminhamento de um pacote por um nó, toda a rede pode ficar paralisada. 
 
 Topologia em Anel 
 
 Topologia em Barra ou barramento: 
Todos os nós estão ligados ao barramento que, ao contrário do anel, não é dividido em seções 
distintas. Todos os pacotes enviados são recebidos por todos os nós ao mesmo tempo. Esta topologia é 
bastante confiável. A única ressalva é que ela necessita de terminadores nas pontas do barramento 
para evitar reflexões e outros problemas com os sinais transmitidos, assim, uma ruptura no 
barramento pode causar a paralisação da rede. 
A topologia em barra é bastante utilizada em redes industriais. 
 
Topologia em Barra 
 
Podemos citar outras topologias, tal como a híbrida (combinação de duas ou mais topologias anteriores), 
topologia em árvore (combinação de topologias em barramento), topologia totalmente conectada 
(quando há enlaces de um nó para todos os outros) e topologia em malha (quando os nós estão 
interligados de maneira completamente diversa, não recaindo em nenhuma das topologias descritas 
anteriormente). 
 
 
Modelo OSI, modelo TCP/IP e modelo usado em redes de automação. 
 
O modelo de referência OSI (Open Systems Interconection) da ISO (International Standards Organization) 
foi criado para tratar a interconexão de sistemas abertos, sendo aplicado às redes de computadores, 
telecomunicações e automação. Como se trata de uma referência (e recomendação) nem todas as 
implementações seguem as sete camadas do modelo. Cada uma das sete camadas possuem funções bem 
definidas e são utilizadas para o estudo e desenvolvimento de hardware e software em redes. 
 
 
 
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Modelo OSI 
 
O ModeloTCP/IP, utilizado na Internet e em muitas intranets, segue uma divisão mais enxuta, com quatro 
camadas (acesso a rede, Internet, transporte e aplicação), sendo considerado por alguns autores e 
especialistas um modelo de cinco camadas (física, enlace, rede, transporte e aplicação). 
No modelo TCP/IP clássico de quatro camadas temos as camadas física e enlace sendo tratadas como uma 
só (acesso à rede). No modelo de cinco camadas temos as quatro primeiras idênticas ao OSI. Em todo caso, 
as camadas de sessão, apresentação e aplicação no modelo OSI são tratadas de forma conjunta em uma 
única camada do modelo TCP/IP, chamada camada de aplicação. 
 
 
Relação entre o Modelo OSI e o Modelo TCP/IP 
 
Baseando-se no modelo OSI, podemos verificar que as redes de controle em sistemas de automação (redes 
industriais) utilizam somente três dos sete níveis propostos no modelo, a saber: física, enlace e aplicação. 
A próxima figura mostra o modelo OSI, com as áreas em cor mais escura representando as camadas 
correspondentes utilizadas em redes industriais. 
 
 
 
 
 
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6 Redes Industriais e Sistemas Supervisórios 
As funções encontradas na camada de rede do modelo OSI são desempenhadas pela camada de enlace no 
modelo utilizado em redes industriais e as demais funções das outras camadas (transporte, sessão e 
apresentação) são desempenhadas na camada de aplicação. 
 
Todos estes conceitos são bastante abstratos para aqueles que nunca tiveram contato mais próximo, em 
nível de programação nos sistemas de redes. O assunto tende a ficar mais claro à medida que estudamos 
os protocolos existentes (Ex.: TCP, IP, MODBUS, etc.) 
 
Por agora, podemos fazer uma comparação entre os modelos abordados anteriormente e o modelo 
utilizado em redes industriais (3 camadas) que talvez ajude a entender melhor o assunto, principalmente 
se você já possui um conhecimento prévio de redes TCP/IP. 
 
 
Modelo utilizado em automação (somente áreas escuras) 
 
No modelo TCP/IP o programador trabalha na camada de aplicação, tendo todas as outras camadas já 
implementadas (prontas para serem usadas) no Sistema Operacional, assim, sendo a programação em 
redes TCP/IP mais complexa (por envolver mais camadas e mais protocolos) o esforço de programação fica 
reduzido. 
 
Nas de redes industriais temos menos camadas para nos preocupar (mais simples), em contrapartida não 
há muita coisa pronta para ser usada pelo programador que terá muitas das vezes que se preocupar com 
detalhes de baixo nível no nível físico e de enlace. 
 
Para exemplificar vamos ver como seria o mapeamento de uma rede utilizando o protocolo MODBUS 
funcionando sobre um barramento RS-485 (ou RS232): 
 
Observe que as camadas 3 a 6 não são implementadas. Novamente, não se preocupe se o assunto 
está por hora muito abstrato, tudo ficará mais claro quando estudarmos alguns protocolos.