AULA 02 REDES

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Disciplina: Redes Industriais e Sistemas Supervisórios
Aula 02
Professora Renata Mercante
Redes Industriais (Protocolos)
Actuator Sensor Interface (AS-I)
Controller Area Network (CAN)
Highway Addressable Remote Transducer (HART)
ModBus
ProfiBus
Foundation FieldBus
DeviceNet
InterBus
ControlNet
Ethernet 
Wireless (Zigbee, Bluetooth e Wi-Fi)
Highway Addressable Remote Transducer (HART)
O protocolo Hart (Highway Addressable Remote Transducer) foi introduzido pela Fisher Rosemount em 1980. Em 1990 o protocolo foi aberto à comunidade e um grupo de usuários foi fundado.
A grande vantagem oferecida por este protocolo é possibilitar o uso de instrumentos inteligentes em cima dos cabos 4-20 mA tradicionais. Como a velocidade é baixa, os cabos normalmente usados em instrumentação podem ser mantidos.
HART e sensores 4-20mA
Sensores 4-20mA podem ser usados no protocolo HART
Cabos e sensores de 4-20mA foram o padrão da indústria na década de 70.
A variável medida (temperatura, pressão, tensão, força) é escalada para gerar uma corrente entre 4 (mínimo da escala) até 20mA (máximo da escala)
Highway Addressable Remote Transducer (HART)
Os dispositivos capazes de executar comunicação híbrida (digital e 4...20mA) são denominados smart. 
O sinal Hart é modulado em FSK (Frequency Shift Key) e é sobreposto ao sinal analógico de 4...20 mA.
Para transmitir 1 é utilizado um sinal de 1 mA pico a pico na frequência de 1200 Hz e para transmitir 0 a frequência de 2200 Hz é utilizada.
Highway Addressable Remote Transducer (HART)
C U R I O S I D A D E
Sobre p sinal de 4 a 20mA
Por que transmitir um sinal de corrente e não de tensão? Por que a faixa vai de 4mA a 20mA? Não seria mais apropriado usar uma faixa de 0mA a 20mA? Por que 20mA e não 50mA ou 100mA?
Highway Addressable Remote Transducer (HART)
Sobre p sinal de 4 a 20mA
Por que transmitir um sinal de corrente e não de tensão? Por que a faixa vai de 4mA a 20mA? Não seria mais apropriado usar uma faixa de 0mA a 20mA? Por que 20mA e não 50mA ou 100mA?
Sinais de corrente não sofrem o efeito de queda de tensão de linha nas conexões e nos demais elementos do circuito. 
Se transmitir um sinal de tensão para cada comprimento de linha haveria diferentes quedas de tensão, o que produziria erros difíceis de serem identificados no sinal recebido. 
Desde que a fonte de alimentação suporte o total de quedas de tensão, é possível inserir elementos na linha de transmissão sem alterar o sinal recebido. 
Usar 4mA: qualquer valor abaixo indica que há algum problema no sensor, no circuito ou na linha de transmissão. Zero mostra que a linha de transmissão foi interrompida. 
Se utiliza um resistor de precisão 250ohms na entrada de conversores A/D, alimentando de 4mA a 20mA tem-se V=Ri V=250*4m=1V ou V=250*20m=5V e a maioria dos conversores A/D operam com 5V.
Highway Addressable Remote Transducer (HART)
Características das Redes HART
Cada ciclo de pedido e recebimento de valor dura 500 ms, o que implica na leitura de somente dois valores por segundo. É LENTO. Lê duas variáveis/segundo. 
A grande deficiência da topologia é que o tempo de ciclo para leitura de cada dispositivo, que é de cerca de meio segundo podendo alcançar um segundo. Neste caso para 15 dispositivos o tempo será de 7,5 a 15 segundos, o que é muito lento para grande parte das aplicações.
Highway Addressable Remote Transducer (HART)
Cabeamento:
O HART utiliza como meio de transmissão um par trançado.
A distância máxima permitida é de cerca de 3000 m com cabo com um par trançado blindado e de 1500 m com cabo múltiplo com blindagem simples.
Taxa de transmissão: 1200 bps
Topologia Ponto a Ponto ou Multiponto (com 1 ou 2 mestres)
HART TOPOLOGIA PONTO A PONTO
Highway Addressable Remote Transducer (HART)
Configurações Multiponto
Multiponto com um mestre
Multiponto com dois mestres sendo o mestre primário um computador, CLP ou multiplexador e o mestre secundário é representado por terminais portáteis de configuração de calibração. 
Até 15 dispositivos 
MODBUS
O MODBUS é um protocolo para barramento de campo criado pela empresa MODICON
Adotado por um grande número de fabricantes
O MODUBUS utiliza o RS-232, RS-422, RS-485 ou Ethernet como meios físicos
A estação mestre (geralmente um CLP ou sistema supervisório) envia mensagens solicitando dos escravos que enviem os dados lidos pela instrumentação em dispositivos de automação
O protocolo possui comandos para envio de dados discretos (entradas e saídas digitais) ou numéricos (entradas e saídas analógicas)
MODBUS
O MODBUS funciona no modo mestre-escravo, escravos não podem se comunicar diretamente, toda a comunicação deve passar por um mestre. 
Um mestre pode requisitar ou enviar informação para um escravo em particular e esperar pela resposta (unicast) ou pode enviar uma mensagem comum para todos os escravos (broadcast)
Como o mestre está ligado sobre uma rede do tipo barramento, é necessário um endereço para cada escravo. Este endereço pode variar de 1 a 247, sendo possível haver um mestre e até 247 escravos. 
MODBUS
Modos de funcionamento: 
MODBUS RTU*: Todos os dados do quadro são transmitidos em binário. O modo RTU também é chamado de ModBus-B ou Modbus Binário e é o modo preferencial. 
MODBUS ASCII*: Todos os dados do quadro são convertidos para ASCII. 
Exemplo: Transmissão do endereço 3B (hexadecimal) 
RTU: 00111011 
ASCII: 3 = 33h B = 42h 0110011 1000010 (utiliza-se caracteres de 7 bits via-tabela) 
* Remote Terminal Unit
* American Standard Code for Information Interchange
MODBUS
Tipos de protocolo MODBUS
MODBUS TCP/IP: usado para comunicação entre os sistemas de supervisão (normalmente usando Ethernet)
MODBUS PLUS: para comunicação entre CLPs (Normalmente RS-485)
MODPBUS PADRÃO: Para comunicação dos CLPS e dispositivos de entrada e saída. (RS-232 e RS-485)
Até 247 equipamentos de Instrumentação e Automação
MODBUS
Timeout é quando um dispositivo não consegue transmitir dentro de um determinado tempo. O servidor ou mestre espera um tempo, se passar desse tempo considera que houve erro. Timeout é quando não responde. 
MODBUS
Mesmo com uma resposta errada o timeout é interrompido porque houve uma resposta. 
MODBUS
Process Field Bus (PROFIBUS)
O PROFIBUS é um padrão aberto de rede de comunicação industrial, utilizado em um amplo espectro de aplicações em automação da manufatura, de processos e predial. 
Sua independência de fabricantes e sua padronização são garantidas pelas normas EN50170 e EN50254 utilizadas na Europa. 
Com o PROFIBUS alguns dispositivos de diferentes fabricantes podem se comunicar sem a necessidade de qualquer adaptação na interface.
Até 126 estações.
Process Field Bus (PROFIBUS)
Tipos de PROFIBUS:
PROFIBUS DP (Descentralized Peripherical - Periferia Distribuída de I/Os): 
Primeiro tipo de PROFIBUS
PROFIBUS FMS (Field Message Specification)
Evolução do modelo DP
PROFIBUS PA (Process Automation) 
às vezes referido como perfil de aplicação
Process Field Bus (PROFIBUS)
Profibus DP (Periferia Distribuída de I/Os): 
Foi a primeira versão criada. Indicada para o chão de fábrica, onde o volume de informações é grande e há a necessidade de uma alta velocidade de comunicação, eficiência e baixo custo para que os eventos sejam tratados num tempo adequado.
Profibus FMS (Field Message Specification): 
Esta versão é uma evolução do Profibus DP e destina-se a comunicação de células (nível onde se encontram os CLPs). O FMS pode suportar o volume de dados até o nível gerencial, mesmo não sendo uma prática ideal. Comunicação entre dispositivos inteligentes.
Nível de campo ou chão de fábrica
Nível de célula PLCs e controladores até gerencial
Process Field Bus (PROFIBUS)
Profibus PA (Process Automation): 
Esta é a versão mais moderna do Profibus. Uma característica interessante é que os dados podem trafegar pela mesma linha física da alimentação DC (por isso possui fonte de alimentação), o que economiza tempo de instalação e cabos. Sua performance é semelhante ao DP.
O ProfibusPA possui transmissão intrínseca segura, o que faz do PA uma ótima opção para ambientes onde existe o perigo de explosão caso ocorra uma descarga elétrica devido a atmosfera estar carregada com substância explosiva. Uso em dispositivos de automação como transdutores, válvulas e IHMs.
Nível de campo ou chão de fábrica
Process Field Bus (PROFIBUS)
PA pode levar alimentação além de dados
Process Field Bus (PROFIBUS)
Meio Físico:
De acordo com a aplicação, pode-se utilizar como meio físico de transmissão qualquer um dos seguintes padrões: 
RS-485 para uso universal, em especial em sistemas de automação da manufatura;
Manchester code Bus Powered (MBP) para aplicações em sistemas de automação em controle de processo;
Fibra óptica para aplicações em sistemas que demandam grande imunidade a interferências eletromagnéticas e grandes distâncias.
Process Field Bus (PROFIBUS)
Meio físico: RS-485
Meio físico mais empregado par trançado até 12Mbits/seg. 
A tecnologia de transmissão RS-485 é muito fácil de manusear. O uso de par trançado não requer nenhum conhecimento ou habilidade especial. A topologia por sua vez permite a adição e remoção de estações.
Distâncias baseadas em velocidade de transmissão
Process Field Bus (PROFIBUS)
Meio físico: Manchester code Bus Powered* (MPB)
Usado no Profibus PA com taxa de transmissão definida em 31,25 kbits/s
Atender aos requisitos das indústrias químicas e petroquímicas na automação de processo que necessitem de alimentação através do barramento
Permite segurança intrínseca e que os dispositivos de campo sejam energizados pelo próprio barramento.
*Código de linha é uma forma de codificar 0 e 1 que são transmitidos no meio físico. Similar a interface. O código de linha mais comum é usar 0 lógico e transmitir como 0V e 1 lógico transmitir com 5V. Outro código é 0 = -5V e 1=+5V. 
Process Field Bus (PROFIBUS)
Meio físico: fibras ópticas
Usada em ambientes com alta interferência eletromagnética, grandes distâncias e com taxas de transmissão elevadas. 
Os PROFIBUS que utilizam fibra óptica são em estrela ou em anel. 
*
*PCS – revestimento de plástico e HCS – revestimento de quartzo
Process Field Bus (PROFIBUS)
Comparação entre os meios de transmissão
* STP: par trançado blindado – Shielded twisted pair
*
Process Field Bus (PROFIBUS)
Comunicação Mestre e Escravo
Sistemas com 1 mestre alcançam tempo de resposta muito curtos
Acesso ao barramento é feito através de varredura
Profibus DP: 1 a 125 escravos + 1 Mestre
Profibus-PA: fonte de alimentação 24V e 31,25Kbit/s
*Sistema Digital de Controle Distribuído
Profibus-DP
Process Field Bus (PROFIBUS)
Comunicação Multimestre
O acesso ao barramento é feito através da técnica de token entre os mestres.
Profibus DP: 1 a 124 escravos + 2 mestres
Profibus-PA: fonte de alimentação 24V e 31,25Kbit/s