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FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Rede Industrial e Tecnologias de Controle
Redes Industriais Semestre 02/2015
Engenharia de Controle e Automação
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Introdução
 Muitos sistemas e técnicas tem sido 
desenvolvidos para o controle de 
operação, supervisão e gerenciamento 
na otimização do processo industrial. 
 O mesmo ocorre na parte física do 
processo de automação industrial, com 
novas tecnologias e métodos para a 
transmissão em redes de dados bem 
como conceitos de desenvolvimento.
PACKAGING LINE 1
Data
base
ERP and Information Systems
Business Intelligence
HMI and View Clients
Typical System 
Architecture
MES and Automation Systems 
Manufacturing Intelligence
Controllers
Server1 Server2
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Arquitetura da Automação Industrial
 Nível 5: Administração dos recursos da empresa. Softwares para 
gestão de vendas e financeira. Decisão e gerenciamento de todo o 
sistema.
 Nível 4: Nível da programação e planejamento da produção, 
realizando o controle e a logística dos suprimentos.
 Nível 3: Controle do processo produtivo da planta. Constituído por 
banco de dados, com informação sobre índices de qualidade da 
produção, relatórios e estatísticas de processo, índices de 
produtividade, algoritmos de otimização da operação produtiva.
 Nível 2: Controladores digitais, dinâmicos e lógicos, e de algum tipo 
de supervisão associada ao processo. Aqui se encontram 
concentradores de informações sobre o Nível 1, e as Interfaces 
Homem-Máquina (IHM)
 Nível 1: É o nível das máquinas, dispositivos e componentes (chão-
de-fábrica).
ISA-95https://www.isa.org/isa95/
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Warehousing, Receiving, 
MES, CMMS, CAPA, 
LIMS, Auto ID
Level 4
ERP, Compliance, 
Analysis, 
Health/Safety/Environment
Level 5
HMI, DCS, Historians, 
Batch, Compliance
Level 3
Equipment and sensors 
Lab Instruments
Level 1
HMI, PLC’s, 
DCS,Instrumentation, 
Analytics
Level 2
In
te
g
ra
ç
ã
o
 c
o
m
 R
e
d
e
s
 d
e
 C
o
m
u
n
ic
a
ç
ã
o
Arquitetura da Automação Industrial
ISA-95
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The Connected Enterprise
Integrated Control and Information
Enterprise Optimization
Information Aggregation
and Analytics
Converged Secure Network 
Infrastructure
Multi-disciplined
Control
Intelligent Assets
Business
Management
Production
Management
Operations
Engineering
Maintenance
ISA-95
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Arquitetura de Referência
Converged Plantwide Ethernet (CPwE) 
 Design guidance
 Best practices and 
recommendations
 Methodology
 Documented configuration 
settings
 Developed against tested and 
validated architectures
 “Future-ready” network 
foundation
GE Link for Failover 
Detection
Firewall
(Active)
Firewall
(Standby)
Layer 3 
Router
Layer 3 Switch 
Stack
Layer 2 Switch
Drive
Controller
Controller
Drive
HMI
Controller
Drive
HMI
Distributed I/O
Distributed I/O
Level 0–2
HMI
Cell/Area #1
(Redundant Star Topology)
Cell/Area #2
(Ring Topology)
Cell/Area #3 (Bus 
Topology)
Cell/Area Zone
Manufacturing Zone 
Level 3
Demilitarized Zone (DMZ)
Demilitarized Zone (DMZ)
Enterprise Zone
Levels 4 and 5
Windows 2003 Servers
• Remote desktop connection
• VNC
• PCAnywhere
FactoryTalk Applications
• View
• Metrics
• Historian
• AssetCentre
• ProductionCentre
Network Services
• DNS, DHCP, syslog server
• Network and security management
http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/wp/enet-wp004_-en-e.pdf
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Arquitetura de Referência Wireless
Converged Plantwide Ethernet (CPwE) 
 Design guidance
 Best practices and 
recommendations
 Methodology
 Documented configuration 
settings
 Developed against tested and 
validated architectures
 “Future-ready” network 
foundation
http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/wp/enet-wp034_-en-p.pdf
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Evolução do controle distribuído
1990’s
Flex I/O
Drive
PB
Panel
A partir de 2000
Multi-disciplined
Controller
Drive w/PID
Safety
Controller
IHM
Flex I/O
O.S.
Packaged
Controller
1980’s
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
A Rede Industrial
 Uma rede faz a comunicação entre um determinado número de estações de forma que possam 
trocar informações entre si.
 Também transmite informação para o controle de um processo. Uma rede é distinguida pelo tipo de 
sistema que compõe o backbone. Suas características podem ser determinadas em função do 
gerenciamento do fluxo de informação dentro do sistema.
 Informação ........ Controle ......... Dispositivos (campo)
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Sistema em tempo real
 Um sistema em tempo real executa as tarefas em sincronismo com o tempo presente. Estas 
tarefas podem consistir na aquisição de dados, cálculos de controle de processos, inicialização de 
uma ação crítica e controle de atuadores.
 Atualmente há sistemas no qual a “inteligência” é distribuída em equipamentos terminais remotos. 
Estes sistemas envolviam a resolução de dois tipos de problemas:
 Configuração do terminal inteligente através da rede
 Coordenação dos elementos distribuídos de uma aplicação para a troca de dados em 
determinado instante (conceito de sincronização).
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
… e finalmente, a Arquitetura deve prover acesso e 
informação para quem precisa!
CIPCIP
Informação
Controle
Campo
Controle
Informação
• Uma boa rede de comunicação:
• Acessa TODO sistema de controle de um ÚNICO 
LOCAL
• Transmissão de mensagens de forma 
transparente
• Não há programação extra nos gateways e 
proxys, sem segredos!
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
O Modelo para Troca de Informação
 Os principais modelos utilizados são: 
 o cliente/servidor (ou mestre/escravo, ou ainda origem/destino – baseado em 
filas) e, 
 o produtor/consumidor (baseado em tabelas de comunicação)
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Modelo Cliente/Servidor
 Dentro do protocolo de comunicação de cada estação é incluído um conjunto de filas para receber 
e enviar arquivos. Quando uma estação quer, por exemplo, ler o valor registrado por um sensor de 
temperatura, ele envia uma mensagem para sua interface de comunicação ler esta variável do 
processo da estação X. Isto desencadeia a seqüência:
 A mensagem de solicitação é mantida numa fila de saída e será lançada para a rede na 
próxima vez que a estação X se comunicar.
 O sensor de temperatura recebe a solicitação que será mantida numa fila de recepção.
 O sensor mede (ou calcula) o valor solicitado e retorna este valor utilizando a mesma 
freqüência.
 O tempo de espera nas filas representa o principal fator no tempo de resposta do modelo. Uma 
estação com baixa performance refletirá na performance do sistema inteiro. Por isto, sistemas 
cliente/servidor são difíceis de configurar.
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Modelo Cliente/Servidor
 Uma pessoa (origem) informa individualmente a cada uma das outras pessoas na sala 
(destino) o horário marcado em seu relógio (dado)
 O tempo continua passando enquanto a “origem “ informa o horário a cada um
 dados não estarão corretos após as primeiras 
pessoas 
 Tanto origem como destinos terão que fazer ajustes 
para se alcançaralgum tipo de sincronismo
 A agilidade deste processo varia em função 
do número de pessoas na sala
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Modelo Produtor/Consumidor
 Usa um grupo de buffers no caminho de comunicação de cada estação:
 Cada buffer corresponde a uma variável da aplicação.
 Cada buffer é identificado especificamente dentro do grupo de aplicação por rótulo lógico.
 Cada buffer mantém o valor instantâneo de uma variável da aplicação, esperando para ser 
enviado via rede ou ser usado pela aplicação.
 Processos principais:
 Produtor: deposita o novo valor em um buffer de transmissão.
 A rede: copia o conteúdo do buffer de transmissão do produtor para um buffer de recepção do 
consumidor.
 O consumidor: captura o valor contido no seu buffer de recepção.
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Modelo Produtor/Consumidor
 Sistemas deste tipo são fáceis de configurar, especialmente onde é requerido a operação 
cíclica. O modelo produtor/consumidor é limitado ao gerenciamento de eventos e 
transmissão de grande quantidade de informação.
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Modelo Produtor/Consumidor - Multicast
 Uma pessoa informa o horário (produtor) a todos os presentes
 Todas as 20 pessoas recebem a informação simultaneamente
 Algumas pessoas podem optar por “consumir”os dados (reconhecer a recepção 
por um gesto, ajustar seus relógios, etc..)
 Outros podem optar por não “consumir” a informação.
 Altamente eficiente (os dados são produzidos apenas uma vez, não são 
necessários ajustes adicionais para produtores e/ou consumidores)
 Altamente determinístico (tempo de transmissão não muda se mais pessoas 
entrarem ou saírem da sala)
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Modelo Produtor/Consumidor - Multicast
• Mensagem #1
– referência de posição do sensor transmitida em multicast aos CTRL1, 2 e IHM
• Mensagem #2
– comando de velocidade do CTRL1 transmitido simultaneamente aos 3 inversores e IHM
• Multicast não é possível com modelo mestre/escravo
– no sistema acima teríamos necessariamente 7 mensagens se fosse utilizada uma rede de comunicação no 
modelo Mestre-Escravo (ou Cliente-Servidor)
inversor1 inversor3inversor2
CTLR1 HMI
Sensor
CTLR2
#1#2
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Unicast vs. Broadcast
Controller
BROADCAST
One-to-one, individual 
transactions
One-to-all, single 
transaction
Controller
UNICAST
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Multicast
MULTICAST
Controller
 Switches replicam os fluxos de dados para os segmentos e hosts que necessitam 
dele
 O host (controlador) que quer receber o tráfego de um grupo multicast pode entrar e 
sair do grupo dinamicamente
 Aguns controladores são membros de um grupo multicast designado e pode estar 
localizado em qualquer lugar na rede de Camada 2 (Layer2) – não para a Camada 3 
(Layer3) devido ao multicast TTL = 1 da EtherNet / IP
One-to-many,
single transaction
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Sistemas de gerenciamento Industrial
•Algumas das Estratégias de Gerenciamento Industrial incluem CIM (Computer
Integraded Manufacturing), JIT (Just in Time), FMS (Flexible Manufacturing
Systems), HMI (Human Machine Interfaces), MES (Manufacturing Execution
System), MRP (Material Requeriments Planning), MRP II (Manufacturing
Resources Planning), ERP (Enterprise Resources Planning) e SCM (Supply
Chain Management).
•A maior parte dos sistemas de gerenciamento localiza-se num dos seguintes 
níveis:
•MIS (Management Information System) Business Intelligence e Manufacturing Intelligence
•Supervisão Visualização e Operação
•Sistema de Controle
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Sistema de Controle
• O nível do Sistema de Controle envolve a transferência de informações ponto a ponto 
entre equipamentos tais como PLCs, PACs, CNCs, DCSs, Controladores de Segurança, 
robôs e outros controladores de modo a fornecer uma operação eficiente e segura nos 
processos. Ele também disponibiliza a interface com os níveis de Supervisão e MIS 
(Management Information System).
• Tecnologias para integrar a operação:
•MAP (Manufacturing Automation Protocol)
•Redes Fieldbus
•Destaque para a Ethernet/IP
•OPC (OLE –Object Linking and Embedding –
Process Control)
HMI Clients
Controller
Industrial Network
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Sistema de Controle - MAP
•MAP (Manufacturing Automation Protocol)
É um sistema de controle com padrão de comunicação aberto, desenvolvido em 1980 pela 
GM. Na época, a GM possuía em torno de 40000 dispositivos inteligentes no chão de fábrica em ilhas 
de automação isoladas.
Apesar do sucesso inicial, o MAP não popularizou-se internacionalmente. O principal 
problema foi a falta de um caminho de migração para os usuários de equipamentos produzidos fora 
do padrão MAP.
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Sistema de Controle – Redes Fieldbus
•Redes Fieldbus
Diversos padrões para sistemas Fieldbus tem sido desenvolvidos nos últimos anos. São 
redes de alta velocidade projetadas especificamente para aplicações em Sistema de Controle. 
Algumas destas redes especificam requisitos para aplicação em sistemas de segurança intrínseca, 
alimentação elétrica via cabo de comunicação e sistemas com redundância.
Ex.: Safety DeviceNet, DeviceNet, ControlNet, 
Safety Ethernet/IP e Ethernet/IP.
Profibus-DP e Profibus-PA
HMI Clients
Controller
Industrial Network
Drive
Sensor
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Sistema de Controle – Redes Fieldbus
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Sistema de Controle – Ethernet/IP
•Ethernet/IP
A Ethernet para aplicação no Sistema de Controle Industrial possui vantagens como o baixo 
custo para instalação e manutenção, configuração e gerenciamento simplificados, e fácil conectividade 
em redes intranets ou na Internet.
A taxa de transferência pode ser de 10Mbps, 100Mbps (Fast Ethernet) e 1Gbps (Gigabit
Ethernet).
Entre as facilidades da Ethernet são a comunicação com múltiplos dispositivos e 
gerenciamento do tráfego entre sistema de Controle e computadores, tornam eficiente sua utilização 
para integrar desde os níveis do Sistema de Controle até o Sistema MIS (Management Information
System).
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Sistema de Controle – Ethernet/IP
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Sistema de Controle – Ethernet/IP
Multi-discipline Industrial Network Convergence
Process Control
Discrete Control
Information Technology
Intelligent Motor Control Convergence of Industrial Automation Technology (IAT) 
with Information Technology (IT)
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Sistema de Controle – OPC
• OPC (OLE –Object Linking and Embedding – Process Control)
Este padrão foi desenvolvido a partir de 1995 e atualmente é controlado pela Fundação OPC. Possui 
arquitetura aberta, flexível e “plug-and-play” na interface de comunicação para dispositivos de controle. Baseado nas 
tecnologias OLE e COM (Component Object Model) da Microsoft, consiste de um conjunto de padrões para interfaces, 
propriedades e métodos para controle no processo e aplicações de automação.
O OPC utiliza a arquitetura cliente/servidor. No caso da Ethernet o OPC padroniza a interface apresentada por 
todos os dispositivos.
Os servidores OPC atuam como componentes de software executados em plataforma Microsoft, que fornece 
interface para aplicações em dispositivos contendo padrão de comunicação proprietário.
Exemplos:
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Supervisão
• Este nível atua como um estágio de processamento intermediário da informação transferida 
entre MIS (ManagementInformation System) e Sistema de Controle.
•Principais Funções:
•Controle de Supervisão e monitoração do processo em tempo real.
•Realimentação em tempo real.
•Relatórios de operação.
•Planejamento de controle de recursos.
•Instruções de produção.
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Supervisão
• Principais características:
•Gráficos orientados a objetos.
•Arquitetura de rede mestre/escravo ou produtor/consumidor.
•Arquitetura de visualização local ou distribuída com servidores/clientes
•Alta performance na comunicação com PLCs/PACs e outros controladores.
•Relatório e consulta de Alarmes.
•Operação em tempo real.
•Controle de Acesso de Operadores/Supervisores - Login
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Supervisão
• Controle e 
Supervisão
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
• Realimentação em tempo realSupervisão
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Supervisão
• Relatórios de Operação e 
qualidade
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Supervisão
• AUTOMAÇÃO
Planejamento de 
Controle e 
Recursos.
•Instruções de 
Produção e 
qualidade.
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MIS (Management Information System)
Business Intelligence & Manufacturing Intelligence
•A integração do nível MIS com os outros níveis de gerenciamento é direcionada para uma visão de produção eficiente, com todas
as informações críticas disponíveis na forma eletrônica. O objetivo final é proporcionar um instrumento de decisão e implementação 
operacional em tempo real.
•Sistema deste nível, como o ERP, MES e SCM são comprometidos com o aumento da eficiência, redução de inconsistências e 
confirmação do tempo do processo completo.
•Com isso, este sistema é dependente da precisão na modelagem (programação) das tarefas de automação.
OEE (Overall Equipment Efficiency) mede os três fatores que reduzem o custo de produção:
1. Tempo Produtivo = “Disponibilidade” 
2. Tempo de Ciclo = “Performance”
3. Resíduos/Sucatas = “Qualidade”
OEE % = Disponibilidade % x Performance % x Qualidade % x …
Quanto Maior o OEE = Menor o Custo de produção e manutenção menor MTTR
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Perguntas?