VISÃO GERAL - REDES INDUSTRIAIS

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REDES INDUSTRIAIS 
Wilmar Oliveira de Queiroz 
UCG 2008 
Redes Industriais 
• Tecnologias de automação 
• Conceitos de redes industriais e corporativas 
• Gerenciamento da informação em um processo industrial 
 
• Sistemas de automação Industrial 
– Requisitos dos Sistemas Industriais 
– Arquitetura de Controle Industrial 
• Nível de Campo 
• Nível de Controle 
• Nível de Planta 
– Principais Componentes de Sistemas Industrias 
• Computadores industriais 
• Sensores e atuadores 
 
 
 
• Fundamentos de Redes Industriais 
- Meios Físicos e Classificação de Protocolos 
- Modelos ISO/OSI 
- Acesso ao processo (dados, CRC, etc.). 
 
• Sistemas Industriais de Comunicação 
- Fieldbus Foundation 
- Profibus 
- Devicenet 
- Interbus 
- AS-I 
- Modbus 
- DPN 3.00 
 
 
• Tendências Tecnológicas 
- A Integração Processo e Administração 
- Aplicações Especiais (medicina, robótica, etc.). 
- Ethernet Industrial (HSE) 
- Redes Wireless e Wire Wap (conceituação e aplicações) 
- Tendências de Integração de Camadas 
 
 
 
• Implantação de Redes Industriais 
- Análise de processo 
- Especificação 
- Projeto 
- Desenvolvimento 
- Implantação 
 
• Novos Conceitos de Controle e Gestão de Processos 
- OPC Server – Conceitos, Estrutura e Aplicações. 
- A Internet como Ferramenta na Gestão de Processos 
 
• Gestão Técnica de Processos Automatizados 
- Gestores Envolvidos e suas Relações 
- A importância das redes no Supply Chain Management 
 
• Exemplos de Utilização de Redes Industriais 
 
• Estudos de casos 
 
• 
 
• Sistemas de Automação Industrial 
• Requisitos dos Sistemas Industriais 
• Arquitetura de Controle Industrial 
– Nível de Campo 
– Nível de Controle 
– Nível de Planta 
• Principais Componentes de Sistemas Industriais 
– Computadores Industriais 
– Sensores e Atuadores 
• Considerações Finais 
• 
 
• Redes Industriais de Comunicação 
• Requisitos de Tempo-Real 
– Classificação de Sistemas e Tempos de Entrega 
– Escalonamento de Mensagens 
• Arquitetura do Sistema de Comunicação Industrial 
– Camadas OSI 
– Camadas OSI Aplicadas à Indústria 
• Topologias de Redes Industriais 
– Topologias de Rede 
• Topologia Estrela 
• Topologia de Barramento 
• Topologia em Anel 
• Interconectores de Rede 
– Hub 
– Switch 
• Funcionamento 
• Métodos de encaminhamento 
• Store-and-forward 
• Cut-through 
• Adaptative Cut-through 
• Vantagens do Uso de Switches em Redes Industriais 
• 
 
• Ethernet Industrial 
• A Rede Ethernet 
– Algoritmo CSMA/CD 
– Componentes Principais de Sistemas Ethernet 
• Ethernet e as Restrições de Tempo Real 
– Determinismo em Redes Ethernet 
• Velocidade de Comunicação 
• Domínios de Colisão com Switches 
• Redundância de Links com Switches 
– Exemplos de Aplicações Industriais Baseadas em Redes Ethernet 
• Linha de Produção Automotiva 
• Ethernet no Controle de Navios 
• Suíte de Protocolos TCP/IP 
– Camadas 
• Arquiteturas de Comunicação 
– Ponto-a-Ponto 
– Mestre-Escravo 
– Cliente-Servidor 
– Produtor/Consumidor 
• 
 
• Implementação 
• Arquitetura da Solução Proposta 
– RTnet 
• Serviços Básicos 
• Gerenciamento de Pacotes 
• Implementação UDP/IP 
• Camada de Driver 
• Media Access Control em Tempo Real 
• Camada MAC 
• Disciplina TDMA 
• Serviço de Configuração Tempo Real 
– O Protocolo RTPS / ORTE 
• Arquitetura 
• Mecanismos de Comunicação 
– ORTE 
• Implementação da Base de Dados 
– Arquitetura Proposta 
• Implementação 
• Resultados Obtidos e Análise 
• 
 
• Conclusões 
• Referências Bibliográficas 
 
 
Histórico 
• Comunicação é uma necessidade primordial: 
– Local: fala, gestos 
– Longa distância: sinais de fumaça, pombo correio, 
“maratonistas” 
– Telégrafo em 1938 por Samuel Morse 
– Telefone, Rádio, TV, TV a cabo, Internet 
• Fusão do processamento da informação com a 
comunicação 
– Sistemas computacionais 
• Revolução da Comunicação pode ser 
comparada à Revolução Industrial? 
Histórico 
• Ambiente industrial 
– Mudanças conceituais e nos projetos 
– Automação industrial 
– Automação predial 
– Integração de sistemas: CI’s e módulos dedicados 
– Padronização desses módulos: 
• Intercambiabilidade 
• Interoperabildade 
• Expansividade 
– Redução de custos 
– Novos modos de gestão/manutenção 
Histórico 
• SDCD – Sistema Digital de Controle Distribuído 
– Computadores específicos: 
• S.O. 
• Programas aplicativos de controle e supervisão 
• Hardware 
• Configuração de dispositivos de I/O 
• Capacidade de processamento 
• Memória de programação 
• Quantidade de I/O 
• Interface com o usuário/operador 
Histórico 
• SDCD – Sistema Digital de Controle Distribuído 
– Arquitetura: 
• Estações locais de interface com o processo: 
– Controle contínuo e sequêncial 
– Monitoração 
– Comunicação com controladores de malha simples 
• Interface H-M interativa para supervisão e monitoração do processo 
(monitor e teclado) 
• Redes de comunicação redundante (cabo coaxial ou fibra óptica) 
– São usados em processos não industriais 
• Sistemas de água e esgoto 
• Energia elétrica 
• Telecomunicações 
– Automação predial 
• Controle de utilidades 
• Detecção e alarme de incêndio 
• Controle de acesso 
Histórico 
• Desenvolvimento dos CLP’s (Controladores 
Lógicos Programáveis), das IHM (Interface 
Homem Máquina), dos sensores, atuadores e 
sistemas de comunicação levaram a: 
– SDCD’s com arquiteturas mais flexíveis 
– Custo menor com mais eficiência e confiabilidade 
• Implementações atuais são Redes de CLP’s 
gerenciadas por SCADA (Supervisory Control 
and Data Acquisition) 
CIM 
• CIM (Computer Integrated Manufacturing) 
– Sistemas que gerenciam processos de forma 
integrada (Manufatura Integrada por 
Computador) 
– Características: 
• Vários níveis (hierarquia) 
• Protocolos diferentes para cada nível 
• Controle distribuído 
• Centralização das macro-decisões 
• Integração das gerência técnico e administrativa 
CIM 
CIM 
CIM 
CIM 
• Atualmente a base de um CIM é formada 
por: 
– SDCD, que atua nos níveis: 
• Controle 
• Processo (execução, campo) 
– SCADA, que atua em todos os níveis 
– Redes de comunicação, que utilizam 
protocolos industriais (fieldbus) 
CIM 
• Níveis hierárquicos de um CIM 
 
 
3º 
 
Coordenação 
Engenharia 
 
2º 
 
 
Controle 
 
 
4º 
 
Planejamento 
Operacional 
 
5º 
 
Administração 
Gerenciamento 
 
1º 
 
 
Execução 
 
Contabilidade de custos, 
lucros e investimentos 
Desenvolvimento, projeto e planejamento (qualidade e 
capacidade). Supervisiona o sistema para otimização 
Definição, resolução e restrição das atividades e 
planos de trabalho detalhados 
Controle e 
monitoramento em tempo real 
Processo. 
Chão de fábrica 
Arquiteturas 
• Início: baseavam-se em Controladores de Malha Única de 
Realimentação (SLC – Single-Loop Controllers) 
• Nos anos 60: Controles Digitais Diretos (DDC – Direct Digital 
Controller) 
– Grande número de malhas em um único computador 
– Cada computador centraliza todas as informações e funções de controle 
• Nos anos 70/80: Sistemas de Controle Distribuído (DCS – Distributed 
Controller Sistem) 
• Nos anos 90: SDCD – Sistemas Digitais de Controle Distribuído, que 
é um misto de SLC e o DDC 
– Malhasde controle em pequenos grupos 
– Cada grupo tem seu próprio processamento (controlador) 
– Controladores são conectados através de um barramento de 
comunicação de dados (Data Highway Bus) 
– O barramento normalmente é duplicado 
– Razões para se usar o processamento distribuído e paralelo 
• Tempos de resposta necessários em alguns processamentos podem não ser 
alcançados com um único processador 
• Múltiplas cópias dos componentes dos sistemas levam a uma maior 
flexibilidade e redundância 
• Algumas aplicações são, por natureza, geograficamente distribuídas 
Arquiteturas 
Unidade 
de 
Controle 
Unidade 
de 
Controle 
Unidade 
de 
Controle 
Unidade 
de 
Controle 
Unidade 
de 
Controle 
Data highway 
Duplicação 
Sensores/ 
Atuadores 
Sensores/ 
Atuadores 
Sensores/ 
Atuadores 
Sensores/ 
Atuadores 
Sensores/ 
Atuadores 
• Estrutura de um SDCD com barramento duplo 
 
Topologias 
• A topologia refere-se à forma com que os enlaces físicos 
e os nós de comutação estão organizados 
• Estrela 
– Nó central (mestre) se comunica com cada um dos demais nós 
(escravos) 
– Não existe comunicação direta entre dois escravos 
– A gerência das comunicações é feita pelo mestre 
– Os escravos podem ter protocolos e/ou velocidades de 
transmissão diferentes 
– Cada nó é interligado à rede através de uma interface de acesso 
ao meio 
– Falhas em um nó escravo afetam somente o nó defeituoso 
– Falha no nó central compromete toda a rede 
Topologias - Estrela 
ModemModem
Workstation IBM Compatible Mac II
Workstation
IBM PS/2Terminal Copy machine
Topologias - Anel 
• Ligação sequencial fechada entre todas as estações de 
trabalho da rede 
• Ligações são unidirecionais e os dados circulam no anel 
• As estações são conectadas através de repetidores 
• Uma estação coloca seus dados no anel enviando sua 
mensagem para a estação seguinte 
• A mensagem passa de estação em estação até o seu 
destino 
• A mensagem é retirada do anel ou pela estação de 
origem, ou de destino ou pela estação controladora 
• Falhas em uma estação afeta somente essa estação 
• Falhas no anel ou nos repetidores comprometem toda a 
rede 
Topologias - Anel 
ANEL
Workstation
IBM Compatible
Mac II
Workstation
IBM PS/2
Terminal
Copy machine
Topologias - Barramento 
• As estações estão conectadas a um barramento 
• Todos os dados enviados são recebidos por 
todas as estações 
• O controle de acesso ao meio, normalmente, é 
distribuído 
• Falha em uma estação afeta somente essa 
estação 
• Falha no barramento compromete toda a rede 
Topologias - Barramento 
BARRAMENTO
Workstation IBM Compatible Mac II
Terminal Copy machine
Modelo OSI 
• Modelo OSI 
APLICAÇÃO 
APRESENTAÇÃO 
SESSÃO 
TRANSPORTE 
REDE 
ENLACE 
FÍSICA 
A 
A A 
S 
T 
R 
E 
F 
A A 
S A A 
T S A A 
R T S A A 
E R T S A A 
A 
A 
A 
A 
A 
A 
A 
A 
A 
A 
A 
A 
A 
S 
S 
S 
S 
S 
T 
T 
T 
T 
R 
R 
R 
E 
E F 
Modelo OSI 
Modelo OSI 
• Camada Física 
– Responsável pela ativação, desativação e 
manutenção do sinal no meio físico 
– Define a interface elétrica e mecânica com a rede: 
RS-232, RS-422, RS-485, V.35, G.703, RJ-45, etc. 
– Define o tipo do sinal: digital/broadband ou 
analógico/baseband 
– Define o tipo de conexão: ponto-a-ponto ou 
multiponto 
– Define o sentido de transmissão: simplex, halfduplex 
e fullduplex 
– Define a forma de multiplexação do sinal: FDM, TDM 
– Equipamentos: repetidores, hubs, modens e 
multiplexadores 
– Unidade de dados: bit 
 
Modelo OSI 
• Camada de Enlace 
– Gerenciamento do enlace 
– Detecção e correção de erros causados pelo meio 
físico 
– Controle de fluxo dos dados 
– Enquadramento da mensagem 
– Endereçamento físico na rede 
– Controla o acesso ao meio 
– Protocolos: IEEE 802.2 (LLC), Frame Relay, SDLC, 
HDLC, SLIP, PPP 
– Equipamentos: bridges e switches 
– Subcamadas: LLC e MAC:Ethernet, Token Ring, 
FDDI 
– Unidade de dados: quadro 
Modelo OSI 
• Camada de Rede 
– Realiza o roteamento dos pacotes 
– Compatibilização entre redes de tecnologias 
diferentes 
– Controle de fluxo dos dados 
– Serviços: datagrama (correio eletrônico, transferência 
de arquivos, etc.) e circuito virtual (aplicações em 
tempo real, etc.) 
– Pode fragmentar/remontar os pacotes 
– Endereçamento lógico 
– Protocolos: IP, IPX, XNS, CLNP 
– Unidade de dados: datagrama ou pacote 
Modelo OSI 
• Camada de Transporte 
– Comunicação fim-a-fim 
– Controle de erros fim-a-fim 
– Segmentação e blocagem 
– Controle de fluxo fim-a-fim (buffers, janelamento) 
– Gerenciamento da conexão 
– Multiplexação de aplicações 
– Oferece os serviços confiável ou não 
– Endereçamento da aplicação: port 
– Protocolos: TCP, SPX (Sequenced Packet 
eXchange), TP4 (Transport Protocol Class 4), etc 
 
Modelo OSI 
• Camada de Sessão 
– Sincronização das tarefas entre máquinas 
– Gerenciamento de diálogos e de atividades 
– Controla o intercâmbio de dados 
– Estabelece, gerencia e finaliza sessões entre 
aplicações 
– Protocolos: NetBIOS (Network Basic Input Output 
System - IBM/Microsoft), Netware RPC (Novell), 
VINES NetRPC (Banyan), ASP (AppleTalk Session 
Protocol - Apple), DNASCP (Digital Network 
Architecture Session Control Protocol - DEC) 
 
Modelo OSI 
• Camada de Apresentação 
– Interpretação e representação/sintaxe dos dados 
(codificação) 
– Uniformiza o formato de dados 
– Compressão de dados, criptografia 
– Segurança e privacidade da rede 
– Codificação de textos e dados: EBCDIC, ASCII 
– Codificação de gráficos e imagens: CGM, PICT, TIFF, 
JPEG 
– Codificação de sons e animações: WAV, MPEG 
 
Modelo OSI 
• Camada de Aplicação 
– Serviços transparentes para o usuário 
– Aplicações para estações: Processador de textos, 
Banco de dados, Planilha de cálculo 
– Aplicações para rede: Correio eletrônico, 
Transferência de arquivos, Emulação de terminal, 
gerenciamento 
– Elementos de serviço genérico: ACSE, ROSE, RTSE 
– Elementos de serviço específico: FTAM, VT, X.400, 
MHS 
 
Modelo OSI x TCP/IP 
Aplicação - Aplicações e processos
que usam a rede
Transporte - Transporte de dados
fim-a-fim, confiável ou não
Internet - Roteamento de datagramas
na rede
Acesso à Rede - Acesso ao nível
físico da rede
Transporte – Transporte fim-a-fim com
correção de erros, confiável ou não
Rede - Transferência de pacotes na rede
através do roteamento
Enlace - Comunicação confiável, ou não,
ponto-a-ponto
Físico – Transmissão de bits no meio físico.
Características físicas da rede
Aplicação - Aplicações que usam a rede:
emulação de terminal, transferência de arquivos
Apresentação - Padronização da
representação dos dados e criptografia
Sessão – Estabelecimento e manutenção de
sessões, gerência de diálogos entre aplicações
Arquitetura TCP/IP 
TCP UDP 
ICMP IGMP IP 
ARP RARP 
MEIO FÍSICO 
INTERFACE DE HARDWARE 
FTP TELNET SMTP DNS RPC SNMP TFTP 
Controle Centralizado 
• Os dispositivos ficam em um mesmo ambiente 
• Vários computadores compartilham um barramento comum 
• Soluções comerciais mais utilizadas: 
– UME 
– FUTUREBUS 
– S100 
– MULTIBUS II 
– GPIB (General Purpose Interface Bus) 488 da IEEE (substituiu o S100) 
• O controlador mestre executa tarefas de controle global 
– Comunicação com os níveis de controle superior 
– Operações de sincronização 
– Coordenação de movimentos 
– Cálculos 
• O escravo opera em nível de atuador 
– Tarefasde controle ou malha fechada 
– Processamento de sinais 
– Medidas 
Controle Distribuído 
• Os controladores, atuadores e transdutores são 
distribuídos espacialmente 
• São conectados por uma rede de comunicação 
chamada FIELDBUS, ou barramento de campo 
• O cabeamento é bastante reduzido 
• O controlador coleta informações de vários 
transdutores, e baseado nos algoritmos dos 
programas aplicativos, controla vários atuadores 
• As tarefas de controle são centralizadas 
Transmissão de sinais 
• Comunicação paralela 
– Ocorre entre sistemas digitais localizados próximos 
um do outro 
– São enviados vários bits de cada vez 
– O meio de transmissão é composto de vários canais, 
um para cada bit 
– Para grandes distâncias é muito caro 
– É mais complexa que a serial 
– As velocidades são maiores 
– Apresenta baixa imunidade a ruídos 
Transmissão de sinais 
• Comunicação serial 
– Os dados são transmitidos em uma sequência serial 
de bits 
– É menos complexa que a paralela 
– Utiliza apenas um canal de comunicação 
– As velocidades são menores 
– O custo é menor 
– Maior imunidade a ruídos 
– Modos de comunicação: 
• Síncrono 
• Assíncrono 
Transmissão serial síncrona 
• Necessita de um sincronismo entre os sistemas 
de comunicação 
– Um dos sistemas deve gerar o clock (largura do 
pulso) 
– Os sistemas transmitem e recebem os dados como 
registradores de deslocamento (shift-registers) – 
entrada paralela e saída serial 
– O tempo é dividido em intervalos de tamanho fixo 
(corresponde a um bit) 
– Não necessita de sinais adicionais de início e fim da 
mensagem 
Transmissão serial assíncrona 
• Não é necessário gerar clock 
• O clock é interno em cada sistema mas devem ter a mesma taxa de 
transmissão de dados (baud rate) 
• O controle de tempo de uma sequência de bits (byte) é muito 
importante 
• A transmissão é feita caracter a caracter (byte a byte) 
• Cada caractere é encapsulado por um sinal de start e um de stop 
• Os dados podem então serem transmitidos aleatoriamente no 
tempo 
• Erros podem ocorrer e devem ser tratados: 
– Paridade (par ou ímpar) 
– Checksum 
– CRC 
• É o mais utilizado pois o hardware é mais simples 
Transmissão serial de sinais 
• Tipos de comunicação 
– Simplex 
– Half-duplex 
– Duplex 
• Classificação quanto à referência 
– Desbalanceada 
• O sinal de dados tem como referência o “terra” dos sistemas 
conectados 
• Baixa imunidade a ruídos (interferência somente nos fios de dados) 
– Balanceada 
• A referência do “terra” é desconectada entre os sistemas 
• Alta imunidade a ruídos (interferência afeta igualmente o sinal e a 
referência) 
Transmissão serial de sinais 
• Principais padrões de interface serial 
– RS-232 
– RS-422 
– RS-485 
– V.35 
– USB 
RS-232 
• Desenvolvido originalmente para as conexões entre DTE (Data Terminal 
Equipment – microcomputadores, terminais, controladores) e DCE (Data 
Comunication Equipment – modens) 
• Usa a transmissão desbalanceada com três fios (tx, rx e terra) 
• Pinos utilizados: 
1 – DCD (Data Carrier Detect) 
2 - Rxd (Receive data) 
3 - Txd (Transmit data) 
4 - DTR (Data Terminal Ready) 
5 - SG (Signal Ground) 
6 - DSR (Data Set Ready) 
7 - RTS (Request To Send) 
8 - CTS (Clear To Send) 
9 – RI (Ring Indicator) 
• Usa-se normalmente o conector de 9 pinos (DB-9) 
• Alcance máximo de 15m 
• Bit 0: +5V a +15V na saída e +3V a +15V na entrada 
• Bit 1: -5V a -15V na saída e -3V e -15V na entrada 
 
RS-232 
RS-232 
RS-422 
• Usa a transmissão balanceada 
• Utiliza conectores existentes: 
– DB-9 ou DB-25 com pinagem não padronizada 
– DB-25 com padrão RS-530 
– DB-37 com padrão RS-449 
• É usado comumente em comunicações ponto a 
ponto realizadas por um drive dual-state 
• É usado em transmissões de longa distância 
(1200m), altas velocidades (dois pares de fio 
para transmissão duplex) 
• A versão desbalanceada é a RS-423 
RS-485 
• Desenvolvido pela EIA – Electronics Industry Association 
• Somente um par de fio é compartilhado para transmissão e recepção 
– Vantagem: pode-se interligar vários equipamentos no mesmo cabo 
– Desvantagem: a comunicação deve ser half-duplex, deve existir algoritmo (ou 
gerenciador de rede) para gerenciar a transmissão (evitar/tratar colisões) 
– Não especifica ou recomenda protocolos 
• O alcance é de até 1200m (compatível com RS-422) 
• Máximo de 32 terminais remotos em cada nó da rede que devem ser 
endereçáveis 
• Único PC como mestre da rede 
• Taxa de transmissão: 15m ~ 10Mbps e 1200m ~ 100Kbps 
• Características elétricas: 
– Comunicação em modo diferencial com tensão de 5V em relação ao terra 
– Grande imunidade a IEM – Interferência Elétrico-Magnética devido ao modo 
diferencial 
– Obrigatório o uso de resistores pull-up e pull-down na linha principal e 
resistores de terminação da rede para o casamento de impedância 
 
RS-485 
• Transceptor MAX-485 
– RO – entrada para recepção 
– RE – habilitação da recepção 
– DE – habilitação da transmissão 
– DI – entrada para transmissão 
– GND e Vcc – alimentação do CI 
– A – entrada não inversora 
– B – entrada inversora 
• Normalmente os pinos DE e RE são jumpeados 
• Para transmitir habilita o pino DE e desabilita o pino RE 
• Normalmente o transceptor fica no modo recepção (pino RE ativado) 
RS-485 
• Exemplo de um sistema RS-485 
RS-485 
• Exemplo de um sistema RS-485 
RS-232 para RS-485 
• RS232 para RS485 
RS-485 
• Aplicação típica: 
mestre-escravo 
– Os escravos recebem 
um endereço e 
apenas respondem 
ao mestre (evita-se 
colisões) 
– O computador central 
controla várias 
máquinas de 
Controle Numérico 
 
RS-485 
• Aplicação típica: half-duplex com todos se 
comunicando 
– O funcionamento depende do protocolo de 
comunicação adotado 
– Exemplo: sistema de robô da Mecajun/LCVC 
– A câmera transmite informações para a placa central, 
(Vortex86) que envia a s decisões para a placa de 
controle dos motores. Quando um evento ocorre com 
os sensores de toque e/ou de luz a informação deve 
ser enviada tanto para os motores como para a placa 
de controle central 
RS-485 
• Montagem da rede 
RS-485 
RS232, RS423, RS422 e RS485 
32 10 2/10 2 Quantidade de 
dispositivos 
1200m 1200m 1200m 15m Distância máxima 
10 Mbps 10 Mbps 100 Kbps 20 Kbps Taxa transm. máxima 
+12V a -7V + - 6 a -0,25V + - 6V + - 25V Tensão máxima 
comum 
1,5V min 
2V máx 
2V min 
2V máx 
2V min 
2V máx 
5V min 
15V máx 
Nível transmissão 
>12 KOhm >4 KOhm >4 KOhm 3 a 7 KOhm Resistência entrada 
+ - 0,3V + - 0,2V + - 0,2V + - 3V Sensibilidade entrada 
Balanceada Balanceada Desbalanceada Desbalanceada Referência 
RS485 RS422 RS423 RS232 Caracterísitcas 
Conectores industriais 
Conversores 
Meios físicos de transmissão 
• Par tançado 
• Cabo coaxial 
• Fibra ótica 
– Multimodo com índice degrau 
– Multimodo com índice gradual 
– Monomodo 
• Transmissão sem fio 
• Spread spectrum 
– Modulação FHSS 
– Modulação DSSS 
• Modem 
• Transmissão de dados sem fio de uso industrial 
– Rádio de dados (Data Radios) 
– Rádio MODEM transparente 
– Rádio MODEM inteligente 
– Rádio-telemetria 
– Rádio-telemetria com integração de CLP e sistemas SCADA 
• Transmissão de dados via sistema de telefonia móvel celular 
– SMS x GPRS 
– Bluetooth 
– Zigbee 
Par trançado 
• UTP (Par Trançado Não Blindado), originalmente projetado para 
voz, é o tipo de cabo mais utilizado em razão: 
– Do seu baixo custo, facilidade de instalação, flexibilidade em 
mudançase alterações 
– Da capacidade de suportar a completa largura de banda 
– Boa resistência ao crosstalk (as tranças evitam a interferência 
entre os pares do cabo 
• O padrão Categoria 5 (CAT5) estabelece os requisitos mínimos 
para o cabeamento de telecomunicações dentro dos prédios ou 
entre os prédios do campus e é o cabeamento UTP mais popular 
instalado em comunicação de dados. O CAT5 deve ser capaz de 
suportar voz ou dados a 100 MHz sobre fios 22 ou 24 AWG 
• A Categoria 5 enhanced (CAT5e) é um padrão com requisitos 
ligeiramente superiores ao CAT5. 
• A Categoria 6 Classe E (CAT6) é o padrão em estudo pela TIA/EIA. 
Tanto a CAT6 como a Categoria 7 Classe F (CAT7) são apenas 
propostos não existindo padronização oficial. 
Par trançado 
• Cabos UTP Blindados vs. Não Blindados 
• O ambiente em que será instalado é que determina se o cabo a ser 
utilizado deverá ser blindado ou não blindado 
• A blindagem é a capa que envolve os fios de um cabo e protegem contra a 
interferência e descarga eletromagnética (EMI). Essa atividade 
eletromagnética é conhecida por ruído 
• As fontes de EMI em um ambiente de trabalho podem ser motores de 
elevadores, lâmpadas fluorescentes, geradores, compressores, 
condicionadores de ar e fotocopiadoras 
• Para proteger os dados em um ambiente ruidoso (nível elevado de EMI), 
utiliza-se cabos blindados. O tipo de blindagem mais comum é a folha 
metalizada, porém a malha de cobre oferece maior proteção 
• Em ambientes de escritório sem fontes de interferência pode-se utilizar 
cabos não blindados, em escritórios ou lojas movimentadas sujeitas a 
alguma interferência recomenda-se o uso de cabos com blindagem de folha 
metalizada e em ambientes industriais o mais recomendado é o cabo com 
blindagem de malha de cobre. 
 
Par trançado 
• Crosstalk 
• Uma das mais importantes diferenças entre os padrões CAT5 e os mais novos está 
nas especificações NEXT 
• O NEXT (Near-End Crosstalk) é a interferência no sinal de um par sobre um outro na 
mesma extremidade do cabo. O Crosstalk não ocorre apenas no par adjacente (pair 
to pair NEXT), mas todos os outros pares de um cabo UTP podem interferir com 
seus próprios níveis em ambas as extremidades do cabo, multiplicando o efeito 
dessa interferência sobre o par transmissor ou receptor 
• Em razão destes níveis de interferência poder debilitar redes de alta velocidade, 
alguns fabricantes de cabos começaram a apresentar as taxas de NEXT, FEXT, PS-
NEXT, ELFEXT e PS-ELFEXT para seus cabos CAT5e e Categoria 6 (proposto) 
• O PS-NEXT inclui a soma total de todas as interferências que podem ocorrer entre 
um par e todos os pares adjacentes de um cabo 
• O FEXT mede a interferência de um par em uma extremidade do cabo em outro par 
na outra extremidade do cabo 
• O ELFEXT (Equal-Level Far-End Crosstalk) mede o FEXT em relação ao nível do 
sinal recebido medido no mesmo par. Ele mede basicamente a interferência sem os 
efeitos da atenuação - o nível equalizado. 
• O PS-ELFEXT mede a soma total de todas as interferências dos pares de uma 
extremidade em um par da outra extremidade sem os efeitos da atenuação. 
Par trançado 
• Crosstalk 
Par trançado 
• Decibel (dB) 
• É um termo muito utilizado em diversas áreas, como: áudio, eletrônica, telecomunicações, entre 
outras 
• Representa o ganho ou a atenuação de um sinal, de um som, etc 
• O decibel é uma unidade logarítmica que representa uma relação entre um valor de entrada e um 
de saída (som, alimentação, voltagem, corrente, campo magnético etc) 
• O resultado desta relação pode ser ganho, quando a saída é maior que a entrada (número 
positivo), ou atenuação, quando a saída é menor que a entrada (número negativo) 
• O ganho ou atenuação, podem ser calculadas pela fórmula 10log(out/in), com log na base 10 e 
resultado em dB 
• Além do decibel apresentado, onde os valores de entrada e saída são variáveis, existem algumas 
derivações utilizando um valor de entrada padrão fixo 
• O dBm que utiliza um sinal padrão de 1 miliwatt resultando na fórmula 10log(saída(mw)/1mw) 
• O dBu que utiliza 0,775volts como sinal padrão e tem como fórmula 20log(tensão de 
saída(volts)/0,775volts) 
• O dBVU de sinal padrão 250 nano webers/m (medida de campo magnético) e fórmula 
10log(saída (em nw/m)/(250nw/m)). 
• Como ilustração, cabos de par trançado CAT5e de boa qualidade apresentam atenuação em 
torno de 26,4 dB/100m a 100 MHz e de 53,8 dB/100m a 350MHz. Os Cabos de Fibra Óptica 
multimodo apresentam atenuação menor que 3,75 dB/Km em 850 nm e menor que 1,5 dB/Km em 
1300 nm. E os cabos de Fibra monomodo em torno de 1 dB/Km em 1300 nm. 
Fibra ótica 
Protocolos industriais e prediais 
• Avanço das tecnologias 
• Queda nos preços dos dispositivos 
• Aumento no uso de sistemas informatizados 
• Redes locais em ambientes administrativos: 
– Redes corporativas 
• Redes locais em ambientes industriais: 
– Redes fieldbus (industriais) 
• Maior confiabilidade 
• Tempo real 
• Sistemas de comunicação de dados utilizados 
para troca de informações dentro de processos 
industriais e entre processos industriais. 
• Possuem como requisitos: 
– Boa resistência mecânica 
– Resistência a chama, umidade e corrosão 
– Alta imunidade a ruídos 
– Taxa de erros baixa ou quase nula 
– Tempo de acesso e de propagação limitados 
– Tempo entre falhas e tempo de reparo baixos 
– Boa modularidade e possibilidade de interconexão 
 
Protocolos industriais e prediais 
Protocolos industriais e prediais 
• Os protocolos de campo podem ser separados em três 
categorias: 
– Nível mais baixo (sensorbus) – redes de dispositivos simples 
(sensores/atuadores em nível de bit – I/O): ASI (Actuator Sensor 
Interface), SERIPLEX, Interbus-S, Profibus-PA, HART 
– Nível médio (devicebus) – redes de controladores de campo 
(comunicação serial entre CLP): CAN (Controller Area Network), 
Lonworks, DeviceNET, Profibus-DP 
– Nível alto (fieldbus)– redes de controladores (mestres) para 
controles e instrumentação mais sofisticada: SP50-H2, Ethernet 
Industrial, Profibus-FMS 
Protocolos industriais e prediais 
Common Industrial Protocol - CIP 
Domínios e aplicações 
MODBUS 
• O Protocolo Modbus 
– Desenvolvido pela Modcon em 1979 
– É um protocolo de mensagens, localizado na Camada de Aplicação do 
Modelo OSI, que provê comunicação cliente/servidor entre dispositivos 
conectados por diferentes tipos de barramentos ou redes 
– Baseado no modelo mestre/escravo 
– Os escravos não podem dialogar entre si 
– O mestre trabalha em dois modos: 
• modo requisição/resposta: pode enviar mensagem para um escravo 
(sensor, válvula, driver de rede, ..) em particular 
• modo difusão:pode enviar uma mensagem comum a todos os escravos 
– Como o mestre e os escravos estão ligados a um barramento 
bidirecional é necessário designar um endereço (de 1 a 247) para cada 
escravo (unicast). O endereço “0” é usado para broadcast 
– Atribuições do mestre: 
• Assegurar a troca de informações entre as ECL (Estações de Controle 
Local) ou ETD (Equipamento Terminal de Dados) 
• Assegurar o diálogo com o operador do sistema (homem/máquina) 
• Assegurar um diálogo com outros mestres ou com um computador (gestão 
centralizada do conjunto do processo) 
• Assegurar a programação ou passagem de parâmetros para os escravos 
MODBUS 
• Atualmente é implementado usando: 
– TCP/IP sobre Ethernet (MODBUS TCP/IP) 
• Usado para comunicação entre sistemas de supervisão e CLP’s 
• Os dados, em formato binário, são encapsulados em quadros Ethernet e 
pacotes TCP/IP 
• Utiliza a porta 502 da pilha TCP/IP 
– MODBUS PADRÃO 
• Usado para comunicação dos CLP’s com os módulos de E/S, atuadores de 
válvulas, transdutores de energia, etc• O Protocolo é o Mestre-Escravo 
• Transmissão serial assíncrona sobre vários meios: 
– EIA/TIA-232-E, EIA/TIA-422, EIA/TIA-485-A, Fibra ótica, Rádio 
– MODBUS PLUS 
• Rede de passagem de token de alta velocidade 
• Usado para comunicação entre si de CLP’s, módulos de E/S, IHM, etc 
• O meio físico é o RS485, taxa de transmissão de 1 Mbps 
• Controle de acesso ao meio através do Protocolo HDLC 
MODBUS 
• Tipos de Protocolos MODBUS 
Referência: MODBUS Application Protocol Specification V1.1b 
MODBUS 
Referência: MODBUS Application Protocol Specification V1.1b 
MODBUS 
• Abreviaturas 
– ADU – Application Data Unit 
– HDLC – High level Data Link Control 
– HMI – Humam Machine Interface 
– IETF – Internet Engineering Task Force 
– I/O – Input/Output 
– IP – Internet Protocol 
– MAC – Medium Access Control 
– MB – MODBUS Protocol 
– MBAP – MODBUS Application Protocol 
– PDU – Protocol Data Unit 
– PLC – Progammable Logic Controller 
– TCP – Transmission Control Protocol 
– TIA – Telecommunication Industry Association 
– EIA - Electonic Industries Alliance 
MODBUS 
• Descrição do protocolo 
– O protocolo MODBUS define uma única PDU, 
independente do protocolo de comunicação 
– O mapeamento (encapsulamento) do 
protocolo MODBUS em um barramento ou 
rede específica introduz alguns campos 
adicionais, criando a ADU 
MODBUS 
• Codificação de mensagens 
– As mensagens são constituídas por um conjunto de 
caracteres hexadecimais ou ASCII 
– O tamanho máximo da PDU é de 253 bytes, então: 
• RS232/RS485 ADU = 253 (dados) + 1 (endereço) + 2 (CRC) 
• TCP/IP MODBUS ADU = 253 (dados) + 7 (MBAP) 
– Os serviços são especificados por códigos de função 
– Cada serviço possui um formato de mensagem para 
a requisição e outro para a resposta 
– Códigos válidos vão de 1 a 255, sendo que de 128 a 
255 são reservados para respostas de exceção. O bit 
mais significativo é o que decide o tipo do código 
– Códigos de sub-função podem ser adicionados aos 
códigos de função para definir múltiplas ações 
MODBUS 
• Transações entre mestre e escravo 
MODBUS 
• O campo dados da mensagem enviada de um mestre para um 
escravo (dispositivo servidor) contém informações adicionais que 
auxiliam o escravo a executar a ação requerida no campo código da 
função, como: 
– Endereços dos registradores (registro inicial) 
– Quantidade de registros a serem lidos 
– Contador da quantidade de bytes no campo de dados 
• O campo de dados pode não existir. Neste caso o próprio código da 
função sozinho especifica a ação requerida 
• Se não ocorrer nenhum erro na função especificada na requisição, 
a resposta do escravo conterá o dado requisitado, caso contrário o 
campo dados conterá um código de exceção 
MODBUS 
• Formato da requisição: 
– Nº do endereço do escravo (1 byte) 
– Código da função a realizar (1 byte) 
• Comandos de escrita ou leitura 
– Dados 
• Endereço da posição de memória (2 bytes) 
• Quantidade de operandos (2 bytes) 
– Para múltiplos operandos o 1º byte especifica o operando e o 
2º especifica o número de operandos 
• Dados a serem escritos no escravo (até 250 bytes) 
– Controle de erros (2 bytes): CRC-16 
MODBUS 
• Formato da resposta: 
– Nº do endereço do escravo (1 byte) 
– Código da função realizada (1 byte) 
• Comando solicitado de escrita ou leitura 
– Dados 
• Quantidade de dados da resposta (1 bytes) 
• Dados solicitados para o escravo (até 250 bytes) 
– Controle de erros (2 bytes): CRC-16 
 
MODBUS 
• Funções para troca de mensagens 
– Leitura de dados 
– Escrita de dados 
– Difusão de dados (broadcast) 
• Tipos de dados 
– Dados de 1 bit 
• Bobinas (coils): podem ser lidos ou escritos no escravo 
• Entradas (inputs): leitura do escravo 
– Dados de 16 bits (registros) 
• Retentivos (holding): podem ser lidos ou escritos no escravo 
• Entradas (inputs): leitura do escravo 
MODBUS 
• Alguns códigos de requisição de serviços (comandos) 
01 - Read coil status: leitura de múltiplos operandos do tipo coil (leitura do 
estado das saídas discretas) 
02 - Read input status: leitura de múltiplos operandos do tipo input (leitura 
do estado das entradas discretas) 
03 - Read holding register: leitura de múltiplos operandos do tipo holding 
register (leitura dos valores dos registradores de memória) 
04 -Read input register: leitura de múltiplos operandos do tipo input 
register (leitura dos valores das entradas analógicas) 
05 - Force single coil: escrita de um único operando do tipo coil (escrita de 
uma única saída discreta) 
06 - Preset single register: escrita de um único operando do tipo holding 
register (escrita de um valor em um registrador de memória) 
0F - Force multiple coils: escrita de múltiplos operandos do tipo coil 
(escrita de múltiplas saídas discretas) 
10 - Preset multiple registers: escrita de múltiplos operandos do tipo 
holding register (escrita de múltiplos valores em registradores de 
memória) 
MODBUS 
• Endereços lógicos dos dados (memória é dividida em registradores 
de 16 bits) 
– 00001 a 09999 – coils (solenóides, saídas discretas para os atuadores 
ON-OFF utilizam um bit. Cada registrador comporta 16 saídas) 
– 10001 a 19999 – inputs (entradas discretas para os sensores ON-OFF 
utilizam um bit. Cada registrador comporta 16 saídas) 
– 30001 a 39999 – inputs registers (entradas analógicas utilizam 
registradores de 16 bits para os valores obtidos dos conversores A/D a 
partir do sinais dos sensores analógicos) 
– 40001 a 49999 – holding registers (registradores de memórias com 16 
bits para os valores utilizados internamente nos CLP’s) 
 
– Na prática todos os endereços lógicos variam de 0 a 9998 e a 
identificação está associada ao tipo do serviço (código da função) 
 
• Endereços dos dispositivos 
– “0” para difusão 
– De 1 a 247 para os escravos (dispositivos) 
 
MODBUS 
• Detecção de erros 
– Checagem de paridade do caracter do frame 
• Par 
• Ímpar 
• Sem paridade 
– Checagem de quadro na mensagem 
• ASCII – LRC (2 bytes) 
• RTU – CRC (2 bytes) – complemento a 2 da soma de todos os bytes da 
mensagem, exceto os delimitadores 
• Temporizações 
– O tempo de linha inativa entre bytes de uma mesma mensagem deve 
ser menor que 1,5 tempos de byte 
– Entre duas mensagens consecutivas deve existir um tempo mínimo de 
inatividade na linha de 3,5 tempos de byte 
– Existe um atraso máximo (timeout) para receber uma resposta do 
escravo. Se o timeout estourar, o mestre faz nova tentativa 
MODBUS 
• Formatos dos pacotes de comunicação (modo de transmissão) 
– MODBUS ASCII 
• Os dados são codificados em caracteres ASCII de 7 bits (0 a 9 e A a F) 
• Intervalos <= 1 seg são permitidos durante a transmissão da mensagem 
• Usa delimitador de início e fim de mensagem (inicia com “:” e termina com 
“CR” e “LF”) 
• 10 bits por “byte” (caractere): 
– 1 start bit (caracter “:” – 3Ah) 
– 7 bits de dados 
– 1 bit de paridade 
– 1 stop bit (caracter CR e LF – 0Dh e 0Ah) 
 
– Sem bit de paridade, então: 
– 2 stop bit 
ENDEREÇO FUNÇÃO DADOS LRC
Formato do quadro usado no MODBUS ASCII
START
: (3A
h
) 2 caracteres 2 caracteres n caracteres
STOP
2 caracteres CRLF
MODBUS 
– MODBUS RTU (Remote Terminal Unit) 
• Os dados são transmitidos em formato binário de 8 bits (0 a 252 bytes) 
• Os delimitadores de início e fim são um intervalo (silêncio) de 3,5 caracteres 
• 11 bits por “byte” (caractere): 
– 1 start bit 
– 8 bits de dados 
– 1 bit de paridade 
– 1 stop bit 
 
– Sem paridade, então: 
– 2 stop bit 
• Silêncio ≥ 3,5 caracter 
ENDEREÇO FUNÇÃO DADOS CRCSTART
8 bits 8 bits n x 8 bits
STOP
16 bits silênciosilêncioFormato do quadro usado no MODBUS RTU
MODBUS 
• Transmissão de quadros no modo RTU ao longo do tempo com os 
intervalos mínimos de tempo entre quadros e máximos entre caracteres 
Diagrama de tempo em um cenário mestre/escravo 
MODBUS 
RTU – CRC (Cyclical Redundancy Checking) 
• O CRC é aplicado na mensagem inteira 
• É indiferente ao tipo de paridade usado nos caracteres individuais da mensagem 
• Os bits de start, stop e paridade não entram no cálculo 
• Os dois bytes são adicionados ao final da mensagem (byte de baixa ordem + byte 
de alta ordem) 
• O CRC é calculado pelo transmissor. O receptor calcula o CRC e compara com o 
valor recebido. Se não são iguais existe um erro e a mensagem é descartada 
• O cálculo do CRC é feito da seguinte forma: 
1. Carregue o registrador CRC de 16 bits com FFFF (tudo 1) 
2. Faça a operação XOR do primeiro byte da mensagem com o byte de mais baixa ordem do 
registrador, colocando o resultado no registrador 
3. Desloque o registrador de um bit para a direita, em direção ao bit LSB, colocando o valor 0 
na posição do bit MSB 
4. Extraia e examine o LSB: 
– Se LSB=0, volte ao passo 3 e faça novo deslocamento 
– Se LSB=1 faça um XOR do valor do registrador com o valor do polinômio 0xA001 (x15 + x13 + 1) 
– Repita os passos 3 e 4 até que 8 deslocamentos tenham sido realizados para que um byte 
seja completamente processado 
– Repita os passos 2 até 5 para o próximo byte da mensagem. Continue repetindo até que 
todos os bytes da mensagem tenham sido processados 
– O conteúdo final do registrador é o valor do CRC 
– Na mensagem o byte menos significativo é colocado primeiro 
MODBUS 
ASCII – LRC (Longitudinal Redundancy Checking) 
• O LRC é aplicado na mensagem inteira 
• É indiferente ao tipo de paridade usado nos caracteres individuais da 
mensagem 
• Os caracteres “:” e “CRLF” não entram no cálculo 
• O cálculo é feito antes de codificar cada byte hexadecimal em dois bytes 
ASCII 
• Os bytes de LRC são adicionados ao final da mensagem 
• O LRC é calculado pelo transmissor. O receptor calcula o LRC e compara 
com o valor recebido. Se não são iguais existe um erro e a mensagem é 
descartada 
• O cálculo do LRC é feito da seguinte forma: 
– Adiciona-se, sucessivamente, cada byte da mensagem 
– Os bits de carry são descartados 
– Ao resultado aplica-se o complemento a dois 
– O resultado é codificado em dois bytes ASCII 
– O byte mais significativo é transmitido primeiro 
 
EXEMPLO DE CÁLCULO DE CRC PARA OS VALORES 0207 
SOMAR COM O SEGUNDO BYTE 
1110 0011 0001 1000 XOR 
0001 0000 0000 1010 FLAG=1, XOR COM POLINÔMIO 
1 1111 0011 0001 0010 DESLOCAMENTO 8 
0 1111 0111 0010 0100 DESLOCAMENTO 7 
1110 1111 0100 1000 XOR 
0001 0000 0000 1010 FLAG=1, XOR COM POLINÔMIO 
1 1111 1111 0100 0010 DESLOCAMENTO 6 
0 1111 1111 1001 0100 DESLOCAMENTO 5 
1110 1111 0011 1001 XOR 
0001 0000 0000 1010 FLAG=1, XOR COM POLINÔMIO 
1 1111 1111 0011 0011 DESLOCAMENTO 4 
0 1111 1111 0111 0110 DESLOCAMENTO 3 
1110 1111 1111 1100 XOR 
0001 0000 0000 1010 FLAG=1, XOR COM POLINÔMIO 
1 1111 1111 1111 0110 DESLOCAMENTO 2 
1111 1111 1111 1101 XOR 
0001 0000 0000 1010 FLAG=1, XOR COM POLINÔMIO 
1 1110 1111 1111 0111 DESLOCAMENTO 1 
1101 1111 1111 1111 XOR ENTRE REGISTRADOR E 1º CARACTER 
0010 0000 0000 0000 1º CARACTERE 
1111 1111 1111 1111 INICIALIZAÇÃO DO REGISTRADOR CRC 
FLAG 2º BYTE 1º BYTE AÇÃO 
2 1 1 4 CONTEÚDO DO CAMPO CRC NO QUADRO 
1 4 2 1 CONTEÚDO DO REGISTRADOR CRC 
0 0001 0100 0010 0001 DESLOCAMENTO 8 
0 0010 1000 0100 0010 DESLOCAMENTO 7 
0 0100 0000 1001 0100 DESLOCAMENTO 6 
1000 0000 0010 1001 XOR 
0001 0000 0000 1010 FLAG=1, XOR COM POLINÔMIO 
1 1001 0000 0010 0011 DESLOCAMENTO 5 
0 0011 0001 0100 0110 DESLOCAMENTO 4 
0110 0010 1000 1100 XOR 
0001 0000 0000 1010 FLAG=1, XOR COM POLINÔMIO 
1 0111 0010 1000 0110 DESLOCAMENTO 3 
1111 0100 0000 1101 XOR 
0001 0000 0000 1010 FLAG=1, XOR COM POLINÔMIO 
1 1110 0100 0000 0111 DESLOCAMENTO 2 
1101 1001 0000 1110 XOR 
0001 0000 0000 1010 FLAG=1, XOR COM POLINÔMIO 
1 1100 1001 0000 0100 DESLOCAMENTO 1 
1001 0011 0001 1000 XOR ENTRE REGISTRADOR E 2º CARACTER 
0111 0000 0000 0000 2º CARACTERE 
1110 0011 0001 1000 CONTEÚDO DO REGISTRADOR CRC (1° BYTE) 
FLAG 2º BYTE 1º BYTE AÇÃO 
MODBUS 
• Cálculo do LRC 
– Endereço (12): 0001 0010 
– Função (01): 0000 0001 
– End. Inicial Hi (02): 0000 0010 
– End. Inicial Lo (10): 0001 0000 
– Quantidade Hi (00): 0000 0000 
– Quantidade Lo (01): 0000 0001 
– Checksum: 0010 0110 
– Complemento a 1: 1101 1001 
– Complemento a 2: 1101 1010 
– LRC (hexadecimal): D A 
– LRC (ASCII-binário): 0100 0100 0100 0001 
MODBUS 
• Características fixas: 
– Formato da mensagem 
– Funções disponíveis 
– Tratamento de erros 
• Características selecionáveis: 
– Meio de transmissão 
– Velocidade 
– Timeout 
– Bits de parada e de paridade 
– Modo de transmissão (RTU ou ASCII) 
• Define como os bits serão codificados 
– Endereço 3Bh no RTU: 0011 1011 
– Endereço 3Bh no ASCII: 3=33h – 0011 0011 e B=42h – 0100 0010 
• Nos Protocolos MODBUS Plus e MODBUS TCP/IP as mensagens são 
colocadas em frames e usa-se o modo de transmissão RTU 
• O tamanho da mensagem ASCII é duas vezes maior que a RTU 
• No modo RTU todos os caracteres devem ser enviados em uma sequência 
contínua 
• O modo RTU também é conhecido como MODBUS-B ou MODBUS Binário 
MODBUS 
• Exemplos de perguntas e respostas: 
– O mestre solicita uma leitura dos registradores 40108 a 40110 ao escravo 06 
– O dispositivo 06 responde com o conteúdo das três palavras 
• O 1º registrador é o 40001 que é endereçado como “0”, portanto o endereço do 40108 é 107d=006Bh 
• Registrador 40108 = 02 2Bh = 555 
• Registrador 40109 = 00 00h = 0 
• Registrador 40110 = 00 63h = 99 
CRC(2) LRC(2) CRC Controle de erro 
Nenhum : Cabeçalho 
Nenhum CR LF Trailer 
0110 0011 63 63 Dado LO 
2 0000 00 00 Dado HI 
1 0000 00 00 Dado LO 
0000 0000 00 00 Dado HI 
0010 1011 2B 2B Dado LO 
0000 0010 02 02 Dado HI 
0000 0110 06 06 Quantidade de bytes 
0000 0011 03 03 Código da função 
0000 0110 06 06 Endereço do escravo 
RTU ASCII Hexa Nome do campo 
CRC(2) LRC(2) CRC Controle de erro 
Nenhum : Cabeçalho 
Nenhum CR LF Trailer 
0000 0011 03 03 Número de registros LO 
0000 0000 00 00 Número de registros HI 
0110 1011 6B 6B Endereço de início LO 
0000 0000 00 00 Endereço de início HI 
0000 0011 03 03 Código da função 
0000 0110 06 06 Endereço do escravo 
RTU ASCII Hexa Nome do campo 
MODBUS 
• Exemplos de perguntas e respostas: 
– O mestre solicita a leitura de algumas entradas digitais, no 
intervalo de endereço 10197 a 10218 ao dispositivo 17 
– O dispositivo cujo endereço é 17 responde ao mestre 
CRC CRC Controle de erro 
0001 0110 16 Número de registros LO 
0000 0000 00 Número de registros HI 
1100 0100 C4 Endereço de início LO 
0000 0000 00 Endereço de início HI 
0000 0010 02 Função 
0001 0001 11 Endereço do escravo 
RTU Hexa Nome do campo 
CRC CRC Controle de erro 
0011 0101 35 Dado (10218 ... 10213) 
1101 1011 DB Dado (10212 ... 10205) 
1010 1100 AC Dado (10204 ... 10197) 
0000 0011 03 Contagem de bytes 
0000 0010 02 Função 
0001 0001 11 Endereço do escravo 
RTU Hexa Nome do campo 
MODBUS 
• Exemplos de perguntas e respostas: 
– Requisição para ler os registros 108 a 110 
MODBUS 
• Exemplos de perguntas e respostas: 
– Requisição para ler a entrada do registro 9 
 
 
 
 
– Requisição para escrever o valor 00 03 no registro 2 
 
MODBUS 
• Exemplos de perguntas e respostas: 
– O mestre solicita a escrita de um bit, valor 1, no endereço lógico 
173 do escravo cujo endereço é 17– O dispositivo cujo endereço é 17 responde ao mestre 
CRC CRC Controle de erro 
0000 0000 00 Force dado LO 
1111 1111 FF Force dado HI 
1010 1100 AC Endereço solenóide LO 
0000 0000 00 Endereço solenóide HI 
1010 1100 AC Endereço de início LO 
0000 0000 00 Endereço de início HI 
0000 0101 05 Função 
0001 0001 11 Endereço do escravo 
RTU Hexa Nome do campo 
CRC CRC Controle de erro 
0000 0000 00 Force dado LO 
1111 1111 FF Force dado HI 
1010 1100 AC Endereço solenóide LO 
0000 0000 00 Endereço solenóide HI 
0000 0010 05 Função 
0001 0001 11 Endereço do escravo 
RTU Hexa Nome do campo 
MODBUS TCP/IP 
• Não há distinção entre mestre e escravo, então qualquer 
nó pode acessar qualquer nó 
• A mensagem é encapsulada em um pacote TCP/IP 
• Permite assim o acesso remoto via WEB 
• Os comandos são enviados por um cliente para a porta 
502 de um servidor 
• O encapsulamento não alterou a estrutura básica da 
mensagem original Modbus 
– O endereço agora tem 1 byte e chama-se Identificador Único 
– O campo CRC não é usado 
• Usa o TCP na camada de transporte e o CSMA/CD 
como controle de acesso ao meio 
MODBUS TCP/IP 
• O protocolo MODBUS define uma única PDU, 
independente do protocolo de comunicação 
• MBAP – Modbus Application Protocol 
 
MODBUS TCP/IP 
• O formato e o conteúdo dos dados contidos em uma mensagem 
ModbusTCP/IP é identificado pelo campo código de função e seu 
valor é 91d (5Bh) 
• As transações entre nodos são associadas a request (código par) e 
response (código ímpar) ou notify para exceções 
• Estrutura do cabeçalho MBAP: 
MODBUS TCP/IP 
• Estrutura do campo de dados: 
MODBUS TCP/IP 
• Um esquema de endereçamento deve ser usado dentro 
do protocolo para providenciar a comunicação entre 
cliente/servidores 
• O endereço deve ser: IP+Unit ID 
• Unit ID válidos: faixa entre 0 e 247 (255 é usado para 
comunicação com um gateway) 
• Cada mensagem é constituída de um ou mais 
fragmentos de mensagem. O tamanho máximo de 
dados de cada fragmento é de 195 bytes 
• Cada fragmento contém 7 campos: 
– Byte 0 – Fragment Byte Count (8 bits): 
• contém o comprimento em bytes da mensagem Modbus. O 
máximo é 197 bytes, excluindo ele próprio e o Stuff 
MODBUS TCP/IP 
– Byte 1 – Fragment In Process Indicator (1 bit): 
• Se =1 indica que o campo de dados é um fragmento de uma 
mensagem com multi-fragmentos 
– Byte 1 – Last Fragment Indicator (1 bit): 
• Se =1 indica que é o último fragmento da mensagem 
– Byte 1 – Reserved (3 bits): 
• Não usado e deve ser =0 
– Byte 1 – Fragment Sequence Number (3 bits): 
• Contador que indica o número sequencial do fragmento 
– Bytes 2 e 3 – Class ID (16 bits): 
• A classe do objeto é associada com o serviço. Em uma 
requisição de serviço a Class ID especifica o serviço a ser 
executado em uma determinado objeto 
MODBUS TCP/IP 
– Bytes 4 e 5 – Instance ID (16 bits): 
• A instância do objeto é associada ao serviço 
– Bytes 6 e 7 – Service Code (16 bits): 
• O código especifica o serviço requisitado 
– Bytes 8 ... – Data (n*16 bits): 
• Dados associados aos serviço requisitado, isto é, 
parâmetros do serviço 
– Stuff Byte – Condicional (8 bits): 
• Se o comprimento do campo de dados não é 
múltiplo de 16, é necessário acrescentar esse byte 
ao final da mensagem 
 
MODBUS TCP/IP 
Protocolo de Endereçamento a Objeto do Modbus: 
• O Modelo do Objeto especifica o agrupamento, a estrutura e o 
comportamento dos dispositivos 
• Objetos são considerados entidades que agrupam estruturas e 
comportamentos de uma maneira lógica 
• Em um dispositivo, os objetos tem uma estrutura física ou 
conceitual análogas 
• Um objeto pode ser associado a um sensor em um dispositivo, ou 
pode ser o conjunto de estrutura e comportamento que compreende 
o gerenciamento do dispositivo 
• A hierarquia Classe/Instância é utilizada para suportar a herança, 
permitindo assim a definição do tipo do objeto (classe) e especificar 
as implementações desses objetos (instância) 
• Exemplo: em um banco de dispositivos fotodetectores a classe 
pode ser definida como “fotodetector” e a instância cada 
fotodetector individualmente 
 
 
PROFIBUS 
• Principal sistema aberto para fieldbus 
• Baseado nos padrões: 
– EN 50170 e EN 50254 
– IEC 61158 e IEC 61784 
• Independência de fabricantes (dispositivos devem 
comunicar-se) 
• Utiliza o protocolo de acesso ao barramento token 
passing para comunicação entre os mestres (estações 
ativas), usando um anel lógico 
• E o procedimento mestre-escravo para comunicação 
entre o mestre e os escravos (estações passivas) 
• Atende vários níveis em sistemas de automação 
PROFIBUS 
• Protocolos de acesso 
PROFIBUS 
PROFIBUS 
• No nível de sensores e atuadores permite 
interoperabilidade com: 
– RS-485, IEC 61158, fibra ótica e protocolo As-i 
• No nível de campo os protocolos Profibus-DP 
(Decentralized Periphery) e Profibus-PA (Process 
Automation) transmitem dados a partir de módulos de 
E/S, transdutores, acionamentos, etc 
• No nível de célula estão os CLP`s, PC`s, IHM. Podem 
comunicar-se entre si e entre os níveis acima e abaixo 
utilizando os protocolos Profibus-FMS (Fieldbus Message 
Specification) ou ProfiNet 
• O nível de célula troca informações com o nível de fábrica 
utilizando o Ethernet/TCP-IP 
PROFIBUS 
PROFIBUS 
PROFIBUS 
PROFIBUS 
PROFIBUS 
• Perfil de comunicação 
PROFIBUS 
• Tecnologias de transmissão: 
– RS-485 (Profibus-DP/FMS) 
• Cabo de par trançado, blindado ou não como barramento linear 
• Taxa de transmissão: 9,6 Kbps até 12 Mbps 
• Comunicação bilateral 
• 32 estações por segmento sem repetidores e até 127 estações com 
repetirodres 
• Conectores DB9 
– IEC 1158-2 (Profibus-PA) 
• Usado na indústria petroquímica/produtos químicos 
• Corrente de modulação de no mínimo 10 mA 
• Transmissão digital, com sincronismo bit a bit 
• Taxa de transmissão: 31,25 Kbps 
• Cabo de par trançado, blindado ou não como barramento linear 
• 32 estações por segmento (pode usar repetidores) 
PROFIBUS 
• Tecnologias de transmissão: 
– Fibra ótica 
• Usado em ambientes ruidosos e com interferência eletromagnética 
muito elevada, aumentar a distância máxima e elevadas taxa de 
transmissão 
• Fibra multimodo: 2 a 3 km 
• Fibra monomodo: até 15 km 
• Existem conversosres RS-485/Fibra 
PROFIBUS 
• Detalhamento da Arquitetura Básica de uma Instalação 
PROFIBUS 
• Arquiteturas 
PROFIBUS 
• Arquiteturas: 
– Profibus-DP 
• Automação de chão de fábrica (nível de dispositivo: CLP com drivers, 
válvulas, I/O, etc) 
• Usa as camadas 1 e 2 (FDL – Field Data Link) do MR-OSI e a 
interface com o usuário 
• O acesso à camada 2 é feito pelo protocolo DDLM – Direct Data Link 
Mapper 
• Funções básicas: 
– Tecnologia de transmissão: 
» RS-485 ou fibra ótica 
» Taxa de transmissão de 9,6 Kbps a 12 Mbps 
– Acesso ao barramento: 
» Procedimento mestre-mestre e mestre-escravo 
» Possibilidade de sistemas mono-mestre ou multi-mestre 
» Máximo de 126 estações por barramento 
PROFIBUS 
• Arquiteturas: 
– Profibus-DP 
• Funções básicas: 
– Comunicações: 
» Ponto-a-ponto ou multicast (comandos de controle) 
» Mestre-escravo cíclica e mestre-mestre acíclica 
– Modos de operação: 
» Operate – transmissão cíclica de dados de E/S 
» Clear – as entradas são lidas e as saídas são colocadas 
num status à prova de falhas 
» Stop – somente transmissões mestre-mestre são permitidas 
– Sincronização: 
» Comandos de controle realizam as sincronizações nas 
entradas e saídas 
» Modo síncrono – as saídas são sincronizadas 
» Freezemode – as entradas são sincronizadas 
PROFIBUS 
• Arquiteturas: 
– Profibus-PA 
• Solução Profibus para automação de processos 
• Conecta sistemas de automação e de controle de processos com os 
dispositivos de controle (controladores de pressão, controladores de 
temperatura e posicionadores de válvulas) 
• Pode ser usado como um substituto para a tecnologia analógica (4 a 
20 mA) 
• Utiliza as mesmas funções básicas do Profibus-DP 
• Satisfaz as exigências da indústria de controle e processos: 
– O perfil original da aplicação para a automação do processo e 
interoperabilidade dos equipamentos de campo dos diferentes 
fabricantes 
– Adição e remoção de estações de barramentos, mesmo em áreas 
intrinsecamente seguras, sem influência pra outras estações 
– Comunicação transparente através dos acopladores do segmento entre 
o barramento de automação do processo Profibus-PA e do barramento 
de automação industrial Profibus-DP 
– Alimentação remota e transmissão de dados sobre o mesmo par de fios 
baseado na tecnologia IEC 1158-2 
– Uso em área potencialmente explosivas com blindagem explosiva tipo 
“intrinsecamente segura” 
PROFIBUS 
• Arquiteturas: 
– Profibus-FMS 
• Os CLP`s estão no mesmo nível e a comunicação é feita entre eles 
• Neste nível um elevado grau de funcionalidades é mais importante do 
que o tempo de resposta 
– Serviços disponíveis: 
» Estabilizar conectores lógicos (context management) 
» Leitura e escrita de variáveis (variable access) 
» Carrega áreas de memórias lidas (domain management) 
» Conexões mestre-mestre 
» Conexões mestre-escravo para transmissões cíclicas e 
acíclicas 
PROFIBUS 
PROFIBUS 
• Implementação de escravo Profibus com interface IEC 
1158-2 
PROFIBUS 
• Novos desenvolvimentos técnicos 
PROFIBUS 
• Smar Equipamentos Industriais Ltda 
FOUNDATION 
• Surgiu como mais uma proposta de 
padronização de protocolos, patrocinada pela 
WorldFIP (World Factory Instrumentation 
Protocol) e ISP (Interoperable Systems Project) 
• Plantas industriais e químicas 
• Participa da ISA/IEC SP50 
• O protocolo Foundation Fieldbus especifica as 
camadas física, enlace e aplicação, do RM-OSI 
mais a camada de usuário 
FOUNDATION 
• Redução do hardware 
FOUNDATION 
• Economia de instalação 
FOUNDATION 
• Múltiplas variáveis, ambas direções 
FOUNDATION 
• RM-OSI e Fieldbus Foundation 
FOUNDATION 
• Encapsulamento dos protocolos 
FOUNDATION 
• Camada física: 
– Utiliza apenas par trançado 
– Especifica duas taxas de transmissão: 
• H2 – (higher-speed fieldbus), utiliza 1,0 e 2,5 Mbps (interliga 
equipamentos de usuário (PCs, etc) e dispositivos mais rápidos do 
chão de fábrica) 
• H1 – (lower-speed fieldbus), utiliza 31,25 Kbps (interliga 
dispositivos mais lentos de chão de fábrica podendo operar nas 
mesmas instalações do padrão 4-20 mA) 
– Permite o uso de até 32 dispositivos conectados ao barramento 
– O tamanho do cabo é função da qualidade do mesmo: 
• Tipo 31,25 Kbps 1 Mbps 2,5 Mbps Comentários 
• "A“ 1900 m 750 m 500 m apenas 1 par-trançado em um
 cabo blindado 
• "B“ 1200 m - - múltiplos pares trançados 
 com uma blindagem externa 
• "C“ 400 m - - um ou vários pares trançados, 
 mas sem blindagem 
• "D“ 200 m - - múltiplos condutores sem ser 
 par-trançado 
FOUNDATION 
• Codificação dos bits 
FOUNDATION 
• Preâmbulo e delimitadores de início e fim 
FOUNDATION 
• Instalação elétrica 
FOUNDATION 
• Interligação com redes de alta velocidade 
FOUNDATION 
• Grandes redes 
FOUNDATION 
• Camada de enlace de dados 
– O acesso ao fieldbus é gerenciado por um 
escalonador de barramento centralizado e 
determinístico, o LAS (Link Active Scheduler) 
– O padrão estabelece 2 tipos de dispositivos: 
• LinkMaster: é o LAS, podendo controlar as comunicações no 
barramento (mestre) 
• Basic: são todos os outros dispositivos (escravos) 
– Na configuração do fieldbus, a estação LAS recebe 
uma lista de todos os dispositivos no barramento, 
quais dados devem ser disponibilizados por cada um e 
a que instante (mensagens escalonadas) 
– LAS redundantes podem ser incluídos para garantir a 
operação contínua da rede 
FOUNDATION 
• Dispositivos do Fieldbus Foundation 
 
FOUNDATION 
– No momento agendado, o LAS emite uma mensagem 
de dados compilados (CD) para cada dispositivo 
– O dispositivo endereçado (editor) coloca seus dados 
no barramento (broadcast) 
– Os dispositivos configurados para receber os dados 
(assinante) irão recebê-los simultaneamente 
– Transferência de dados agendados são tipicamente 
usadas para regular a transferência cíclica de dados 
da malha de controle entre os dispositivos e o 
fieldbus 
– Para os outros tipos de mensagens, as não-
escalonadas, tais como os pedidos eventuais de 
dados e alarmes, o LAS deve deixar espaços vagos 
no escalonamento para poder atender a esses 
pedidos 
FOUNDATION 
• Transferência agendada de dados 
CD (a) 
LAS 
FOUNDATION 
• Transferência não agendada de dados 
FOUNDATION 
• Camada de Aplicação 
– É de interesse principalmente de desenvolvedores 
– Permite a comunicação entre dispositivos através de uma interface 
padronizada (por meio de nomes, índices e/ou endereços reunidos num 
dicionário de objetos) 
 
• Camada de Usuário 
– Realiza o gerenciamento da rede (configuração do LAS, 
monitoramento), o gerenciamento do sistema (clock, endereços, etc.) e 
suporta a aplicação do usuário (blocos ou objetos que dão a 
funcionalidade da aplicação) 
– O Fieldbus Foundation tem a vantagem de utilizar um device 
description (DD) para cada dispositivo. Esta descrição serve como se 
fosse um driver, fornecendo todas as opções de atuação e 
comunicação do mesmo. Com isso, pode-se, numa mesma rede, 
substituir e misturar dispositivos de fabricantes diferentes mas de 
mesma funcionalidade, sem nenhum problema de comunicação e de 
forma transparente para o usuário (interoperabilidade) 
FOUNDATION 
• As conexões Fieldbus Foudation convergem para um só ponto 
FOUNDATION 
• ControlNet & Fieldebus 
FOUNDATION 
• Arquitetura integrada 
Abreviaturas 
AI – Analog In 
ADU – Application Data Unit 
ALI – Application Layer Interface 
AO – Analog Out 
AUI – Attachment Unit Interface 
CD – Compel Data 
CIM – Computer Integrated Manufacturing 
CLP – Controlador Lógico Programável 
DCS – Distributed Controller Sistem 
DDC – Direct Digital Controller 
DD - Device Description 
DIS – Data Independent Sublayer 
DLL – Data Link Layer 
EIA - Electonic Industries Alliance 
FAS – Fieldbus Access Sublayer 
FMS – Fieldbus Message Specification 
HDLC – High level Data Link Control 
HMI – Humam Machine Interface 
HSE – High Speed Equipment 
IETF – Internet Engineering Task Force 
I/O – Input/Output 
IP – Internet Protocol 
IS – Integrated System 
ISA – Instrumentation Society of America 
LAS – Link Active Scheduler 
LD - 
LLI – Lower Layer Interface 
MAC – Medium Access Control 
MAU – Medium Attachment Unit 
MB – MODBUS Protocol 
MBAP – MODBUS Application Protocol 
MDS – Medium Dependent Sublayer 
PCI – Protocol Control Information 
PDU – Protocol Data Unit 
PID – Proportional/Integral/Derivative 
PLC – Progammable Logic Controller 
PROFIBUS – Process Field Bus 
RTU – Remote Terminal Unit 
SDCD – Sistema Digital de Controle Distribuído 
SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition 
SLC – Single-Loop Controllers 
TCP – Transmission Control Protocol 
TIA – Telecommunication Industry Association 
Referências bibliográficas 
• M. R. Stemmer,LCMI/DAS/UFSC