Redes Industriais - Instrumatic

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Redes Industriais
 
 
 
César Cassiolato 
Diretor de Engenharia de Projetos e Serviços, Marketing e Qualidade 
SMAR Equipamentos Industriais Ltda 
cesarcass@smar.com.br (mailto:cesarcass@smar.com.br)
Introdução
A necessidade de automação na indústria e nos mais diversos segmentos está
associada, entre diversos aspectos, às possibilidades de aumentar a velocidade de
processamento das informações, uma vez que as operações estão cada vez mais
complexas e variáveis, necessitando de um grande número de controles e
mecanismos de regulação para permitir decisões mais ágeis e, portanto, aumentar
os níveis de produtividade e eficiência do processo produtivo dentro das premissas
da excelência operacional.
A automação permite economias de energia, força de trabalho e matérias-primas, um
melhor controle de qualidade do produto, maior utilização da planta, aumenta a
produtividade e a segurança operacional. Em essência, a automação nas indústrias
permite elevar os níveis de continuidade e de controle global do processo com maior
eficiência, aproximar ao máximo a produção real à capacidade nominal da planta, ao
reduzir ao mínimo possível as horas paradas, de manutenção corretiva e a falta de
matéria-prima.
Além disso, com o advento dos sistemas de automação baseado em redes de
campo e tecnologia digital, pode-se ter vários benefícios em termos de manutenção
e aumentar a disponibilidade e segurança operacional. E ainda, a automação
extrapola os limites de chão de fábrica, ela continua após o produto acabado, 
atingindo fronteiras mais abrangentes; a automação do negócio.
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Figura 1 - A automação extrapola os limites de chão de fábrica, ela continua após o produto acabado, 
atingindo fronteiras mais abrangentes; a automação do negócio.
 
A solução completa deve prover uma metodologia de gestão da indústria de forma
transparente e garantir que todos os esforços sejam direcionados para se atingir a
meta estabelecida, facilitando a tomada de decisão quando há mudanças relevantes
ao desempenho dos indicadores ou um desvio em relação ao planejado.
Usuários e clientes então devem estar atentos na escolha e definição de um sistema
de automação e controle, onde esta definição deve levar em conta vários critérios e
que possa estar em sincronismo com o avanço tecnológico.
Quanto mais informação, melhor uma planta pode ser operada e sendo assim, mais
produtos pode gerar e mais lucrativa pode ser. A informação digital e os sistemas
verdadeiramente abertos permitem que se colete informações dos mais diversos
tipos e finalidades de uma planta, de uma forma interoperável e como ninguém
jamais imaginou e neste sentido, com a tecnologia Fieldbus (Foundation fieldbus,
Profibus, HART, DeviceNet, Asi, etc.) pode-se transformar preciosos bits e bytes em
um relacionamento lucrativo e obter também um ganho qualitativo do sistema como
um todo. Não basta apenas pensar em barramento de campo, deve-se estar atento
aos benefícios gerais que um sistema de automação e controle possa proporcionar.
A revolução da comunicação industrial na tecnologia da automação está revelando
um enorme potencial na otimização de sistemas de processo e tem feito uma
importante contribuição na direção da melhoria no uso de recursos. Veremos a
seguir alguns detalhes e redes industriais que fornecerão uma explicação detalhada
de como estas redes agem como o elo de ligação central no fluxo de informações na
automação.
A tecnologia da informação tem sido determinante no desenvolvimento da tecnologia
da automação alterando hierarquias e estruturas nos mais diversos ambientes
industriais assim como setores, desde as indústrias de processo e manufatura até
prédios e sistemas logísticos. A capacidade de comunicação entre dispositivos e o
uso de mecanismos padronizados, abertos e transparentes são componentes
indispensáveis do conceito de automação de hoje. A comunicação vem se
expandindo rapidamente no sentido horizontal nos níveis inferiores (field level),
assim como no sentido vertical integrando todos os níveis hierárquicos. De acordo
com as características da aplicação e do custo máximo a ser atingido, uma
combinação gradual de diferentes sistemas de comunicação oferece as condições
ideais de redes abertas em processos industriais.
 
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Figura 2 – Níveis da pirâmide de automação
Analisando a figura 2, vemos que no nível de atuadores/sensores existem algumas
redes industriais, onde podemos citar a AS-Interface (AS-i) onde os sinais binários
de dados são transmitidos via um barramento extremamente simples e de baixo
custo, juntamente com a alimentação (24 Vdc) necessária para alimentar estes
mesmos sensores e atuadores. Outra característica importante é que os dados são
transmitidos ciclicamente, de uma maneira extremamente eficiente e rápida.
Veremos mais detalhes posteriormente.
No nível de campo, a periferia distribuída, tais como módulos de Entrada/Saída
(E/S), transdutores, acionamentos (drives), válvulas e painéis de operação,
comunicam-se com sistemas de automação via um eficiente sistema de
comunicação em tempo real (PROFIBUS-DP ou PA, Foundation Fieldbus, HART,
etc.). A transmissão de dados do processo e diagnósticos é efetuada ciclicamente,
enquanto alarmes, parâmetros e também diagnósticos são transmitidos
aciclicamente, somente quando necessário.
No nível de célula, os controladores programáveis, tais como CLP’s e PC’s
comunicam-se uns com os outros, o que requer grandes pacotes de dados e um
grande número de funções poderosas de comunicação. Além disto, uma integração
eficiente aos sistemas de comunicação corporativos existentes, tais como: Intranet,
Internet e Ethernet é um requisito absolutamente mandatório, o que várias redes
podem suprir. A rede PROFInet, HSE (High Speed Ethernet), Ethernet IP, suportam
dispositivos de campo simples e aplicações de tempo crítico, bem como a integração
de sistemas de automação distribuídos baseados em componentes.
 
Tabela 1.1 – Requisitos de comunicação de sistemas de automação industrial
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Nos últimos anos temos acompanhado que os mercados de instrumentação e
automação vêm demandando equipamentos de campo (transmissores de pressão e
temperatura, conversores, posicionador, atuadores, controladores, etc.) com alta
performance, confiabilidade, disponibilidade, recursividade,etc., com a intenção de
minimizar consumos, reduzir a variabilidade dos processos, proporcionar a redução
de custos operacionais e de manutenção, assim como garantir a otimização e
melhoria continua dos processos.
Por outro lado, os microprocessadores/microcontroladores estão se tornando mais
poderosos e mais baratos e, os fornecedores na instrumentação vêm respondendo
às demandas dos usuários por mais e melhores informações em seus processos.
A tecnologia digital é rica no fornecimento de informação, não somente pertinente ao
processo, mas em especial dos equipamentos de campo. Desta forma, condições de
auto-diagnoses podem poupar custos operacionais e de manutenção, principalmente
em áreas classificadas (perigosas) ou mesmo em áreas de difícil acesso. Da própria
sala de controle pode-se ter uma visão geral do sistema e ainda com ferramentas
baseadas em Internet, a qualquer hora e de qualquer lugar. Através de um
gerenciamento destas informações vindas do campo, pode-se selecionar
convenientemente os dados para se atingir os objetivos de produção, direcionando
as informações às pessoas e/ou departamentos corretos e agindo de maneira a
melhorar os processos.
Percebe-se aqui que todas estas evoluções tecnológicas e a consolidação das redes
industriais fazem com que os sistemas de automação e controle, equipamentos de
campo, controladores, etc., possam assumir funções antes inimagináveis, como o
controle de contínuo e discreto, tempos de varreduras menores, arquiteturas
redundantes, gerenciamento e tráfego de informação, disponibilidade de informações
para IHMs, Internet, geração de relatórios, gerenciamento de ativos, altos níveis de
segurança, etc. Tudo isso, aliado à confiabilidade industrial tanto de hardware quanto
de software.
 
 
Um pouco de história
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Os primeiros sistemas de automação foram desenvolvidos no final do século XIX
durante a revolução industrial.
 O trabalho que era manual passou a ser realizado por máquinas dedicadas e
customizadas a uma determinada tarefa visando cada vez mais o aumento da
produtividade e eficiência. As funções de controle eram implementadas através de
dispositivos mecânicos que automatizavam algumas tarefas críticas e repetitivas.
 Estes dispositivos eram desenvolvidos para cada tarefa e devido à natureza
mecânica dos mesmos, tinham vida útil reduzida e alta manutenção.
Posteriormente, com o advento dos relés e contatores, estes dispositivos foram
substituídos e apareceram dispositivos automáticos em linhas de montagens, dando
um grande passo na época. A lógica a relés viabilizou o desenvolvimento de funções
de controle mais complexas e sofisticadas.
Após a segunda guerra mundial, houve um avanço tecnológico e apareceram as
máquinas por comando numérico e os sistemas de controle na indústria de processo,
assim como o conceito de referência de tensão para instrumentação analógica.
Aparecem os primeiros circuitos integrados, os CIs, que proporcionaram o
desenvolvimento de uma nova geração de sistemas de automação. Vale lembrar que
em 1947, Willian Shockley, John Barden e Walter Brattain descobriram o transistor,
que é um componente eletrônico amplamente utilizado nos processadores
modernos, de forma integrada.
No início dos anos 70, os primeiros computadores comerciais começaram a ser
utilizados como controladores em sistemas de automação de grande porte, porém
estes computadores eram grandes, ocupando muito espaço, de alto custo, difíceis de
programar e muito sensíveis ao ambiente industrial. Mas tinham a vantagem de
manipular a aquisição e controle de várias variáveis.
Ainda na década de 70 tivemos um grande avanço em termos de automação.
A partir de uma demanda existente na indústria automobilística norte-americana, foi
desenvolvido o Programmable Logic Controller (PLC), ou Controlador Lógico
Programável (CLP). O CLP é um computador dedicado e projetado para trabalhar no
ambiente industrial, onde sensores e atuadores são conectados a cartões de
entradas e saídas. Os primeiros CLPs tinham um conjunto de instruções reduzido;
normalmente somente condições lógicas e não possuíam entradas analógicas,
podendo manipular apenas aplicações de controle discreto. Os CLPs substituíram os
painéis de controle com relés, diminuindo assim, o alto consumo de energia, a difícil
manutenção e modificação de comandos e também as onerosas alterações de
fiação.
Atualmente, devido à demanda das plantas industriais, os CLPs manipulam tanto
controle discreto quanto malhas analógicas. Estes sistemas são usualmente
chamados de Controladores Programáveis, por não serem limitados a operações
com condições lógicas. As atuais funções de controle existentes em uma planta
industrial são em geral distribuídas entre um número de controladores programáveis,
os quais são montados próximos aos equipamentos a serem controlados. Os
diferentes controladores são usualmente conectados via rede local a um computador
supervisório central, o qual gerencia os alarmes, receitas e relatórios.
Entramos em uma fase onde a tecnologia e conectividade industrial eram
proprietárias e um “casamento” entre cliente e fornecedor acontecia. No mercado
apareceram os SDCSs (Sistemas Digitais de Controle Distribuídos).
Na década de 90, o mundo começou a presenciar enormes avanços na área
tecnológica, em que os circuitos eletrônicos passaram a proporcionar maior
eficiência, maiores velocidades, mais funcionalidades, maiores MTBFs (Mean Time
Between Failures, maior confiabilidade), consumos menores, espaços físicos
menores e ainda, com reduções de custos. Ao mesmo tempo em que impulsionou o
desenvolvimento de computadores, interfaces e periféricos mais poderosos, com alta
capacidade de processamento e memória e o mais interessante, dando vazão a alta
escala de produção com custos reduzidos e o que foi uma vantagem de forma geral,
pois aumentou a oferta de microcontroladores, Cis e ASCIs para toda a indústria.
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E se não bastasse esta revolução eletrônica, os sistemas mecânicos também
passaram e vêm passando por inovações e modificações conceituais com a
incorporação da capacidade de processamento, tornando-os mais rápidos, eficientes
e confiáveis, com custos de implementação cada vez menores. Ao longo dos últimos
anos é cada vez mais freqüente a utilização de componentes eletrônicos para
acionamento e controle de sistemas mecânicos.
Não resta dúvida que hoje não é somente a condição de controle que importa. A
gestão da informação, a inteligência da instrumentação, a tecnologia
verdadeiramente aberta e não proprietária, os benefícios da tecnologia digital são o
que agregam valores ao usuário.
Que atualização um sistema convencional pode ter nos próximos anos? Que
capacidade de expansão vai permitir? O portfólio de aplicações oferecidas pelos
fornecedores com um sistema digital aberto aumentou bastante nos últimos anos,
incluindo redes digitais abertas, áreas como gerenciamento de ativos, controle
baseado em blocos funcionais, otimização em tempo real, MÊS (gestão de
negócios), ferramentas de gerenciamento de performance em tempo real,
gerenciamento de alarme, e muitas outras.
Hoje o usuário deve estar atento e especificar sempre um sistema de automação
aberto com possibilidade de diagnósticos, maior tolerância a falhas, blocos de
funções, FFBs (Blocos Flexíveis), conectividade OPC e com diversos protocolos, e
uma série de outras características que o torna um sistema de controle completo e
não um simples barramento de comunicação com integrações proprietárias. A
escolha nas principais plantas industriais deve-se às funções de controle de
processo que permitem agregar informações que possam trazer benefícios nas
tomadas de decisões, garantindo a excelência operacional.
Os Sistemas Verdadeiramente Abertos utilizam tecnologias abertas que se integram
perfeitamente ao hardware, ao mesmo tempo emque dá liberdade para conectar-se
com software e hardware de outros fabricantes. Os usuários têm a liberdade para
escolher os componentes e até mesmo construir o seu próprio sistema.
A flexibilidade e a capacidade de expansão da arquitetura de um sistema aberto e
digital possibilitam reconfigurações e expansões para atender as novas condições de
processo sem grandes reinvestimentos. Tecnologias modernas possibilitam
respostas rápidas às mudanças nas condições de mercado.
Vale lembrar que em termos de excelência operacional qualquer segmento industrial
vem sofrendo constantes pressões para alcançar a excelência operacional,
objetivando garantir sua competitividade. Excelência operacional significa otimizar e
dinamizar os processos através da análise de dados em tempo real facilitando a
tomada de decisão, de forma inteligente, estratégica e em todos os níveis da
organização. Ao usar a tecnologia digital pode-se ter os processos aprimorados,
pode-se gerenciar de maneira mais eficiente as operações da planta.
Como um exemplo de Sistema Verdadeiramente Aberto, temos o System302 da
SMAR: www.system302.com.br (http://www.system302.com.br). O System302 é um
sistema baseado em tecnologias estado da arte, totalmente escalável e integrado
fornecendo uma plataforma única de controle e supervisão de processos. Com o
System302, pode-se ter toda uma infraestrutura de hardware e software necessários
para um controle otimizado do processo, seja ele contínuo ou batelada. Através de
uma tecnologia que combina o melhor do mundo do SDCDs e dos PLCs/SCADA, o
System302 é a solução completa em sistema de automação e controle, onde possui
o diferencial de utilizar tecnologias já consagradas em sua arquitetura e sem a
necessidade de uso de um sistema totalmente proprietário, provendo a abertura e
flexibilidade que as aplicações necessitam. Seguramente devido a várias vantagens
da tecnologia digital e de redes abertas, o SDCD tradicional não é mais
recomendado em novos projetos ou mesmo em expansões, pois os altos custos de
substituição dos instrumentos e a obsolência do sistema de controle podem abreviar
a vida útil. Nestes casos o sistema de automação tem que ser moderno e
verdadeiramente aberto, deixando o usuário confortável nos próximos 15 a 20 anos.
No mercado atual globalizado, a busca de uma vantagem tecnológica que permita ao
seu usuário competir de uma maneira eficaz, manter-se de uma maneira sustentável,
obtendo lucro e reinvestir no seu negócio, a automação industrial passou a ser item
http://www.system302.com.br/
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básico desse processo. No ramo da indústria, a otimização de recursos faz-se
imprescindível. As inovações na área de processo em si são poucas, ficando para as
áreas de controle de processo a responsabilidade na redução de custos. O
entendimento dos processos de inovação na automação com os sistemas digitais e
de redes abertas podem ajudar a nos situarmos no contexto atual, identificando as
inovações que podem agregar valor à cadeia produtiva. Notadamente nos últimos
anos com o avanço na eletrônica digital passamos a ter novas ferramentas nas áreas
de controle de processo e manutenção que associadas com sistemas de
comunicação baseados em protocolos abertos de redes industriais.
A seguir veremos algumas redes industriais.
 
Classificação Geral das Redes Industriais
De acordo com a figura 3, podemos ter várias classificações das redes industriais.
 
Figura 3 – Classificação Geral de Redes Industriais
Um ponto importante é diferenciar entre a rede de informação, a rede de controle e
rede de campo.
A rede de informação representa o nível mais elevado dentro de uma arquitetura. Em
grandes corporações é natural a escolha de um backbone de grande capacidade
para interligação dos sistemas ERP (Enterprise Resource Planning), Supply Chain
(gerenciamento da cadeia de suprimentos) e EPS (Enterprise Production Systems).
A função da rede de controle é interligar os sistemas industriais de nível 2 ou
sistemas SCADA aos sistemas de nível 1, representados por CLPs e remotas de
aquisição de dados. É possível também que equipamentos de nível 3, tais como,
sistemas PIMS e MES estejam ligados a este barramento. Atualmente o padrão mais
recomendado é o Ethernet 100 Base-T. 
A função da rede de campo é garantir a conectividade entre os diversos dispositivos
atuantes diretamente no “chão de fábrica”, isto é o nível 1, sejam eles dispositivos de
aquisição de dados, atuadores ou CLPs.
As redes de campo são sistemas de comunicação industrial que usam uma ampla
variedade de meios físicos, como cabos de cobre, fibras ópticas ou sem fio, para
acoplar os dispositivos de campo a um sistema de controle ou um sistema de
gerenciamento.
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Figura 4 – Cenário das redes industriais
Visando a minimização de custos e aumentar a operacionalidade de uma aplicação
introduziu-se o conceito de rede industrial para interligar os vários equipamentos de
uma aplicação. A utilização de redes e protocolos digitais prevê um significativo
avanço nas seguintes áreas:
• Custos de instalação, operação e manutenção
• Procedimentos de manutenção com gerenciamento de ativos
• Fácil expansão e upgrades
• Informação de controle e qualidade
• Determinismo (Permite determinar com precisão o tempo necessário para a
transferência de informações entre os integrantes da rede)
• Baixos tempos de ciclos
• Várias topologias
• Padrões abertos
• Redundância em diversos níveis
• Menor variabilidade nas medições com a melhoria das exatidões
• Medições multivariáveis
• Etc.
A opção pela implementação de sistemas de controle baseados em redes requer um
estudo para determinar qual o tipo de rede que possui as maiores vantagens de
implementação ao usuário final, que deve buscar uma plataforma de aplicação
compatível com o maior número de equipamentos possíveis.
 
PROFIBUS
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A história do PROFIBUS começa na aventura de um projeto da associação apoiado
por autoridades públicas, que iniciou em 1987 na Alemanha. Dentro do contexto
desta aventura, 21 companhias e institutos uniram forças e criaram um projeto
estratégico em fieldbus. O objetivo era a realização e estabilização de um
barramento de campo bitserial, sendo o requisito básico a padronização da interface
de dispositivo de campo. Por esta razão, os membros relevantes das companhias do
ZVEI (Associação Central da Indústria Elétrica) concordaram em apoiar um conceito
técnico mútuo para manufatura e automação de processos.
Um primeiro passo foi a especificação do protocolo de comunicações complexas
PROFIBUS FMS (Especificação de Mensagens Fieldbus), que foi preparado para
exigência de tarefas de comunicação.
Um passo mais adiante em 1993 foi a conclusão da especificação para uma variante
mais simples e com comunicação mais rápida, o PROFIBUS-DP (Periferia
Descentralizada). Este protocolo está disponível agora em três versões funcionais, o
DP-V0, DP-V1 e DP-V2.
Baseado nestes dois protocolos de comunicação, acoplado com o desenvolvimento
de numerosos perfis de aplicações orientadas e um número de dispositivos de
crescimento rápido, o PROFIBUS começou seu avanço inicialmente na automação
manufatura e desde 1995 na automação de processos com a introdução do
PROFIBUS-PA. Hoje, o PROFIBUS é o barramento de campo líder no mercado
mundial.
O PROFIBUS é um padrão de rede de campo aberto e independente de
fornecedores, onde a interface entre eles permite uma ampla aplicação em
processos, manufatura e automação predial. Esse padrão é garantido segundo as
normas EN 50170 e EN 50254. Desde janeiro de 2000, o PROFIBUS foi firmemente
estabelecido com a IEC 61158, ao lado de mais sete outros fieldbuses. A IEC 61158
está dividida em sete partes, nomeadas 61158-1 a 61158-6, nas quais estão as
especificaçõessegundo o modelo OSI. Nessa versão houve a expansão que incluiu
o DPV-2. Mundialmente, os usuários podem agora se referenciar a um padrão
internacional de protocolo aberto, cujo desenvolvimento procurou e procura a
redução de custos, flexibilidade, confiabilidade, segurança, orientação ao futuro,
atendimento as mais diversas aplicações, interoperabilidade e múltiplos
fornecedores.
Hoje, estima-se próximo de 30 milhões de nós instalados com tecnologia PROFIBUS
e mais de 1000 plantas com tecnologia PROFIBUS-PA. São 24 organizações
regionais (RPAs) e 35 Centros de Competência em PROFIBUS (PCCs), localizados
estrategicamente em diversos países, de modo a oferecer suporte aos seus
usuários, inclusive no Brasil, em parceria com a FIPAI na Escola de Engenharia de
São Carlos-USP, existe o único PCC da América Latina.
No nível de célula, os controladores programáveis, como os CLPs e os PCs,
comunicam-se entre si, requerendo, dessa maneira, que grandes pacotes de dados
sejam transferidos em inúmeras e poderosas funções de comunicação. Além disso, a
integração eficiente aos sistemas de comunicação corporativos existentes, tais
como: Intranet, Internet e Ethernet são requisitos absolutamente obrigatórios. Essa
necessidade é suprida pelos protocolos PROFIBUS FMS e PROFINet.
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Figura 5 – Exemplo de uma rede Profibus com as variantes Profibus-DP e Profibus-PA
 
O PROFIBUS, em sua arquitetura, está dividido em três variantes principais:
 
PROFIBUS DP
O PROFIBUS DP é a solução de alta velocidade (high-speed) do PROFIBUS. Seu
desenvolvimento foi otimizado especialmente para comunicações entres os sistemas
de automações e equipamentos descentralizados. Voltada para sistemas de controle,
onde se destaca o acesso aos dispositivos de I/O distribuídos. É utilizada em
substituição aos sistemas convencionais 4 a 20 mA, HART ou em transmissão com
24 Volts. Utiliza-se do meio físico RS-485 ou fibra ótica. Requer menos de 2 ms para
a transmissão de 1 kbyte de entrada e saída e é amplamente utilizada em controles
com tempo crítico.
Atualmente, 90% das aplicações envolvendo escravos Profibus utilizam-se do
PROFIBUS DP. Essa variante está disponível em três versões: DP-V0, DP-V1 e DP-
V2. A origem de cada versão aconteceu de acordo com o avanço tecnológico e a
demanda das aplicações exigidas ao longo do tempo.
Figura 6 – Versões do Profibus
 
PROFIBUS-PA
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O PROFIBUS PA é a solução PROFIBUS que atende os requisitos da automação de
processos, onde se tem a conexão de sistemas de automação e sistemas de
controle de processo com equipamentos de campo, tais como: transmissores de
pressão, temperatura, conversores, posicionadores, etc. Pode ser usada em
substituição ao padrão 4 a 20 mA.
Existem vantagens potenciais da utilização dessa tecnologia, onde resumidamente
destacam-se as vantagens funcionais (transmissão de informações confiáveis,
tratamento de status das variáveis, sistema de segurança em caso de falha,
equipamentos com capacidades de autodiagnose, rangeabilidade dos equipamentos,
alta resolução nas medições, integração com controle discreto em alta velocidade,
aplicações em qualquer segmento, etc.). Além dos benefícios econômicos
pertinentes às instalações (redução de até 40% em alguns casos em relação aos
sistemas convencionais), custos de manutenção (redução de até 25% em alguns
casos em relação aos sistemas convencionais), menor tempo de startup, oferecem
um aumento significativo em funcionalidade e segurança.
O PROFIBUS PA permite a medição e controle por uma linha a dois fios simples.
Também permite alimentar os equipamentos de campo em áreas intrinsecamente
seguras. O PROFIBUS PA permite a manutenção e a conexão/desconexão de
equipamentos até mesmo durante a operação sem interferir em outras estações em
áreas potencialmente explosivas. O PROFIBUS PA foi desenvolvido em cooperação
com os usuários da Indústria de Controle e Processo (NAMUR), satisfazendo as
exigências especiais dessa área de aplicação:
• 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 para outras estações.
• Uma 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 e transmissão de dados sobre o mesmo par de fios baseado na
tecnologia IEC 61158-2.
• Uso em áreas potencialmente explosivas com blindagem explosiva tipo
“intrinsecamente segura” ou “sem segurança intrínseca”.
As conexões dos transmissores, conversores e posicionadores em uma rede
PROFIBUS DP são feitas por um coupler DP/PA. O par trançado a dois fios é
utilizado na alimentação e na comunicação de dados para cada equipamento,
facilitando a instalação e resultando em baixo custo de hardware, menor tempo para
iniciação, manutenção livre de problemas, baixo custo do software de engenharia e
alta confiança na operação.
A arquitetura e a filosofia do protocolo PROFIBUS asseguram a cada estação
envolvida nas trocas de dados cíclicos um tempo suficiente para a execução de sua
tarefa de comunicação dentro de um intervalo de tempo definido. Para isso, utiliza-se
do procedimento de passagem de “token”, usado por estações mestres do
barramento ao comunicar-se entre si, e o procedimento mestre-escravo para a
comunicação com as estações escravas. A mensagem de “token” (um frame
especial para a passagem de direito de acesso de um mestre para outro) deve
circular, sendo uma vez para cada mestre dentro de um tempo máximo de rotação
definido (que é configurável). No PROFIBUS o procedimento de passagem do
“token” é usado somente para comunicações entre os mestres. 
 
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Figura 7 – Comunicação Multi-Mestre.
 
 
 
Figura 8 – Comunicação Mestre- Escravo.
 
 
O procedimento mestre-escravo possibilita ao mestre que esteja ativo (o que possui
o “token”) acessar os seus escravos (através dos serviços de leitura e escrita).
 
PROFINET
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O PROFInet é uma rede padronizada pelo PROFIBUS International de acordo com a
IEC 61158-5 e a IEC 61158-6. É uma das quatorze redes de Ethernet industrial.
Basicamente, há dois tipos de redes PROFInet: PROFInet IO e PROFInet CBA. O
PROFInet IO é utilizado em aplicações em tempo real (rápidas) e o PROFInet CBA é
utilizado em aplicações onde o tempo não é crítico, por exemplo, na conversão para
rede PROFIBUS-DP. 
 
O PROFInet é um conceito de automação compreensível que emergiu como
resultado da tendência na tecnologia de automação para máquinas reusáveis e
modulares em plantas com inteligência distribuída. Suas particularidades atendem
pontos-chaves das demandas da tecnologia de automação:
• comunicação consistente entre os diversos níveis de gerenciamento desde o
campo até os níveis corporativos usando Ethernet.
• uma grande quantidade de fabricantes em um protocolo e sistema aberto;
• utiliza padrões IT;
• integração em sistemas PROFIBUS sem mudanças dos mesmos.
 O PROFInet foi definido de acordo com o Physical Layer ISO/IEC8802-3 e seu
DataLink Layer de acordo com TCP/UDP/IP/Ethernet da ISO/IEC8802-3. Seu
principal enfoque, e aí se deixa claro as diferenças ente o mercado comum de redes
Ethernet, é a aplicação do conceito de objetos já em usos e testados em softwares
de tecnologias de automação. Seguindo esta idéia, máquinas e plantas podem ser
divididas em módulos tecnológicos, cada um deles com suas características e
compromissos mecânicos, elétricos/eletrônicos e softwares de aplicação.Cada
módulo é então encapsuladode acordo com componentes PROFInet e podem ser
acessados via interfaces universais, e ainda podem ser interconectados em várias
aplicações.Entenda o conceito de componentes como a idéia de reutilização de
unidades de software.Neste sentido o PROFInet utiliza-se de componentes COM
(Component Object Model) e sua expansão o DCOM (Distributed Component Object
Model) para sistemas distribuídos. Sendo assim, todos os objetos são idênticos e
possuem as mesmas aparências. Este tipo de sistema de automação distribuído
habilita projetos modulares de máquinas e plantas com suporte a reutilização de
partes de máquinas e plantas. Isto garante a interoperabilidade e a redução de
problemas. A integração de segmentos PROFIBUS em PROFInet é feita utilizando
implementações proxies o que garante que o espectro todo de produtos PROFIBUS
podem ser implementados sem mudanças, garantindo ao usuário a proteção máxima
aos seus investimentos.Além disso a tecnologia Proxy permite a integração com
outros fieldbuses.
 
 
 
Figura 9 - Criação e interconexão de componentes.
 
 
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Figura 10 - Estrutura de dispositivo PROFInet
 
 
Figura 11 - Modelo de migração PROFInet
 
O PROFInet tem três modelos distintos de operação, sendo dois deles para tempo
real. Veja figura 12.
O primeiro modelo é baseado na arquitetura TCP/IP pura, utilizando Ethernet na
camada 1 e 2, o IP na camada 3 e o TCP ou UDP na camada 4. Essa arquitetura é
chamada de Non-real time (Non-RT), pois seu tempo de processamento se aproxima
dos 100 ms. A grande aplicação nesse tipo de comunicação é de configuração da
rede ou na comunicação com os Proxis, utilizando o PROFInet CBA. Os Proxis são
conversores de protocolos (por exemplo, de PROFInet para PROFIBUS-DP ou de
PROFInet para HART, FF, etc), conforme mostrado na figura 13.
 
Figura 12 –PROFInet tem três modelos distintos de operação
 
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Figura 13 – Proxy PROFInet/PROFIBUS-DP e PROFInet/HART, PROFInet/FF
 
O segundo modelo baseia-se no chamado Soft Real Time (SRT) e caracteriza-se por
ser um canal direto entre a camada da Ethernet e a aplicação. Com a eliminação de
vários níveis de protocolo, há uma redução no comprimento dos telegramas
transmitidos, requerendo menos tempo de transmissão de dados na rede. Neste
caso, pode-se utilizar os dois tipos de PROFInet IO e CBA.
O terceiro modelo baseia-se no conceito de Isochronous Real Time (IRT), para
aplicações em que o tempo de resposta é crítico e deve ser menor do que 1ms. Um
exemplo típico de aplicação neste caso é o controle de movimento de robôs, onde o
tempo de atualização de dados deve ser curto. Utiliza-se apenas o PROFInet IO para
esse caso.
 
Figura 14 - PROFInet CBA e IO provendo máxima flexibilidade às aplicações
 
O PROFInet foi desenvolvido em seu modelamento de forma a proporcionar o
acesso às informações de dados via serviços padrões de WEB.
 
 
Figura 15 - O acesso às informações de dados do PROFInet é possível via serviços padrões de WEB.
 
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Além disso, a tecnologia do PROFInet permite fácil integração com sistema MES
(Manufacturing Execution Systems).
 
 
Figura 16 - PROFInet e o MES
 
Foundation Fieldbus
Este é um protocolo de comunicação digital bidirecional que permite a interligação
em rede de vários equipamentos diretamente no campo, realizando funções de
controle e monitoração de processos e estações (IHMs) através de softwares
supervisórios. Está baseado no padrão ISO/OSI, onde se tem as seguintes camadas:
Physical Layer, Communication Stack e User Application, onde podemos citar o
gerenciamento de forma abrangente com a aplicação envolvendo o Fieldbus Access
Sublayer(FAS), o Fieldbus Message Specification(FMS) e o modelo de Function
Blocks mais Device Descriptions.
 
Figura 17 – Estrutura de camadas do Foundation Fieldbus
 
O Physical layer (Meio Físico) é definido segundo padrões internacionais (IEC, ISA).
Ele recebe mensagens da camada de comunicação (Communication Stack) e as
converte em sinais físicos no meio de transmissão fieldbus e vice-versa, incluindo e
removendo preâmbulos, delimitadores de começo e fim de mensagens.
 
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Figura 18 – Exemplo de sinal Fieldbus em modo tensão
 
O meio físico é baseado na IEC61158-2, onde podemos citar as seguintes
características:
• Transferência de dados usando codificação Manchester, com taxa de 31.25kbit/s
• Para um sinal de comunicação integro cada equipamento deve ser alimentado com
no mínimo 9 volts. O meio físico H1 permite que se alimente os equipamentos via
barramento. O mesmo par de fios que alimenta o equipamento também fornece o
sinal de comunicação.
• Comprimento máximo de 1900 m sem repetidores.
• Usando-se até 4 repetidores, o comprimento máximo pode chegar a 10 Km.
• Um equipamento Fieldbus deve ser capaz de se comunicar com 2 até 32
equipamentos em aplicação sem segurança intrínseca e alimentação externa à
fiação de comunicação.
• Um equipamento Fieldbus deve ser capaz de se comunicar com 2 até 4
equipamentos em aplicação com segurança intrínseca e sem alimentação externa.
• Um equipamento Fieldbus deve ser capaz de se comunicar com 1 até 16
equipamentos em aplicação sem segurança intrínseca e sem alimentação externa.
Obs: Pode-se ligar mais equipamentos do que foi especificado, dependendo do
consumo dos equipamentos, fonte de alimentação e características das barreiras de
segurança intrínseca.
• Não interrupção do barramento com a conexão e desconexão de equipamentos
enquanto estiver em operação.
• Topologia em barramento, árvore ou estrela ou mista.
A transmissão de um equipamento tipicamente fornece 10 mA a 31.25 kbits/s em
uma carga equivalente de 50 Ohms criando um sinal de tensão modulado em 1.0
Volt pico a pico. A fonte de alimentação pode fornecer de 9 a 32 VDC, porém em
aplicações seguras (IS) deve atender os requisitos das barreiras de segurança
intrínseca.
 
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Figura 19 – Modo Tensão 31.25 kbit/s
O comprimento total do cabeamento é a somatória do tamanho do trunk e todos os
spurs e que com cabo do tipo A, é de no máximo 1900m em áreas não seguras. Em
áreas seguras, é de no máximo 1000 m, com cabo tipo A e os spurs não podem
exceder 30m.
Seguem algumas dicas de cablagem, blindagem e aterramento, já que em uma rede
digital devemos estar sempre atentos com níveis de ruídos, capacitâncias e
impedâncias indesejáveis e que podem contribuir para a degradação dos sinais.
O Data Link layer (Nível de Enlace) garante a integridade da mensagem e controla
também o acesso ao meio de transmissão, determinando quem pode transmitir e
quando se pode ter a transmissão. O nível de enlace garante que os dados cheguem
ao equipamento correto. 
Segundo o Data Link layer, dois tipos de equipamentos podem ser definidos:
•
•
• Link Master: tem a capacidade de se tornar LAS.
• Basic Device: não tem a capacidade de se tornar LAS.
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Existem três formas de acesso a rede:
• Passagem de Token (bastão): o token é o modo direto de iniciar uma transação no
barramento. Ao terminar de enviar mensagens o equipamento retorna o token para o
LAS(Link Active Scheduler) que transmitirá o mesmo para o equipamento que o
requisitou, via pré-configuração ou via escalonamento.
• Resposta imediata: neste caso o mestre dará uma oportunidade para uma estação
responder com uma mensagem.
• Requisição de Token: um equipamento requisita o token usando uma de suas
mensagens com a codificação para esta requisição e o LAS ao recebê-la,envia o
token a ele quando houver tempo disponível nas fases acíclicas do escalonamento.
O LAS é quem controla e planeja a comunicação no barramento. Ele controla as
atividades no barramento usando diferentes comandos os quais em modo broadcast
é passado a todos os equipamentos. Como sempre o LAS faz o polling por
endereços de equipamentos sem tags na rede, é possível se conectar devices a
qualquer instante durante a operação e estes serão integrados em operação “plug in
play” automaticamente. Em sistemas redundantes, com a falha do LAS, o
equipamento do tipo Link Master assume o papel de mestre backup durante a falha.
Podemos ainda comentar a respeito do modelo Publisher/Subscriber
(produtor/consumidor), onde um equipamento pode produzir ou consumir variáveis
que são transmitidas através da rede empregando o modelo de acesso de resposta
imediata. Com uma única transação, o produtor pode enviar suas informações a
todos os equipamentos da rede que as necessitem. Este se trata do modelo mais
eficiente na troca de informações, já que existe a otimização total entre os
participantes das transações.
Os serviços de comunicação utilizam transmissão de dados chamadas de
programadas (scheduled) e não-programadas (unscheduled). Tarefas envolvendo
tempos críticos, tais como o controle de variáveis de processo, são exclusivamente
executadas pelos serviços programados enquanto que, parametrização e funções de
diagnose são não-programadas. Schedule é criado pelo operador do sistema
durante a configuração do sistema FF ou automaticamente pelas ferramentas de
configuração, conforme as estratégias de controle. Periodicamente o LAS faz um
broadcast do sinal de sincronização no barramento de tal forma que todos os
equipamentos têm exatamente o mesmo data link time.Neste tipo de transmissão
(scheduled) o ponto do tempo e as seqüências são exatamente definidas,
caracterizando o chamado sistema determinístico. Baseado no Schedule existe uma
lista de transmissão que é gerada e que define quando um específico equipamento
está pronto para enviar seus dados.
Cada device recebe um Schedule separado que permite que o System Management
saiba exatamente que tarefa deve ser executada e quando e ainda quando o dado
deve ser recebido ou enviado.
 
 
Figura 20– Transferência não programada de dados
 
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Figura 21 – Transferência programada de dados
 
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A lista de todos os equipamentos que respondem convenientemente a passagem de
token (PT) é chamada de “Live List”.Periodicamente o LAS envia o Probe Node (PN)
aos endereços que não estão no Live List de tal forma que se possa a qualquer
instante conectar equipamentos e estes ao responderem com um Probe
Response(PR) serão incluídos no Live List.Ao se remover um equipamento do Live
List, o LAS enviará uma mensagem em broadcast a todos os equipamentos
informando as mudanças. Isto permite que os Links Masters mantenham uma cópia
fiel do Live List.
O nível de aplicação (Application Layer) fornece uma interface para o software
aplicativo do equipamento e definirá a maneira de se ler, escrever ou disparar uma
tarefa em uma estação remota. Ele também define o modo pelo qual a mensagem
deve ser transmitida. O gerenciamento definirá como será a inicialização da rede,
através do Tag, atribuição de endereço, sincronização de tempo, escalonamento das
transações ou conexão dos parâmetros de entradas e saída dos function blocks. O
FAS e FMS são a interface entre o data link layer e o user application, sendo que o
primeiro através de seus serviços cria as chamadas VCRs (Virtual Communication
Relationships) as quais são usadas no layer superior FMS na execução de tarefas.
As VCRs descrevem diferentes tipos de processos de comunicação e habilitam
atividades associadas para serem processadas mais rapidamente. O Foundation
Fieldbus se utiliza de 3 tipos de VCRs:
• VCR Publisher/Subscriber: transmitindo dados de entrada e saída dos blocos
funcionais;
• VCR Cliente/Server: usada em comunicações não-programadas. É base para
pedidos de inicialização via operador;
• Report Distribution communication: controlando a operação da rede com
levantamento de detecção de falhas e de adição ou remoção de equipamentos.
O FMS provê os serviços de comunicação padrões. A cada tipo de dado são
atribuídos serviços de comunicação, chamados de object descriptions, que vão
conter toda definição de todos os tipos padrões de mensagens e que serão
acessadas via dicionário dos objetos (Object dictionary). Além disso, o FMS define
as VFDs(Virtual Field Devices) as quais são usadas para disponibilizar os object
descriptions para toda a rede. As VFDs e os object descriptions são usados para se
garantir o acesso local às informações dos equipamentos de qualquer ponto da rede
usando serviços associados de comunicação.
O nível do usuário (User Application) é onde realmente a funcionalidade do
equipamento ou das ferramentas ganham os seus espaços. É o nível onde
transmissores, posicionadores, atuadores, conversores, hosts, etc, fazem a interface
com o usuário.Pontos fundamentais do Foundation Fieldbus são a interoperabilidade
e a intercambiabilidade entre os fabricantes e seus dispositivos.Isto é conseguido
com especificações abertas e que definem de maneira uniforme equipamentos e
interfaces padrões.É no nível do usuário que serão definidos os formatos dos dados
e a semântica que permitiram que os equipamento compreendam e ajam com
inteligência no manuseio das informações.O Foundation Fieldbus é baseado no
conceito de blocos funcionais que executam tarefas necessárias às aplicações, como
por exemplo, aquisição de dados(bloco DI, AI), controle PID, cálculos
matemáticos(bloco aritmético), de atuação(bloco DO, AO), etc.As transmissões
programadas(scheduled) são baseadas nos blocos funcionais.Cada bloco tem uma
tarefa associada as suas entradas e/ou saídas.Existem vários blocos funcionais
padrões definidos, tais como AI, AO, CS, DI, DO, PID, etc.A quantidade de blocos
em um equipamento depende do fabricante.O resource block descreve as
características do equipamento de campo, tais como, nome do equipamento,
fabricante, número serial, versões de hardware e software. O transducer block
expande a complexidade e as possibilidades de aplicação de um equipamento. Seus
dados habilitam parâmetros de entradas e/ou saídas dos blocos funcionais. Eles
podem ser usados em calibrações, medidas, posicionamentos, linearizações, etc.
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Figura 22 – Exemplo de controle usando blocos funcionais
Componentes adicionais são adicionados ao modelo de blocos:
• Link Objects: que definem os links entre os diferentes blocos funcionais, quer sejam
internos ou externos.
• Alert Objects: que permitem o reporte de alarmes e eventos na rede fieldbus.
• Trend Objects; que permitem o trend das informações dos blocos funcionais e
análises em alto nível.
• View Objects: que são grupos de parâmetros dos blocos funcionais que podem ser
mostrados rapidamente em tarefas de monitoração, configuração, manutenção e
controle, etc. São divididas em dinâmicas e estáticas, de acordo com os dados.
O grupo de parâmetros nas Views e nos Trends aceleram o acesso às informações.
Durante o comissionamento, start-up e manutenção, assim como ao executar
funções de diagnósticos, um sistema de comunicação aberto deve assegurar que o
sistema de controle possa acessar todas as informações de todos os equipamentos
de campo e ainda ter o controle total dos mesmos. A DD, Device Description, contém
todas as informações que garantem estes requisitos. Ela contém informações
necessárias para compreender a informação que vem do equipamento e para
mostrá-la convenientemente ao usuário. É escrita usando-se a linguagem
DDL(Device Description Language), muito próximada linguagem C, para gerar um
arquivo texto que ao ser convertido pelo Tokenizer(Ferramenta de geração de DDs)
pode ser distribuída com os equipamentos.
 
 
Figura 23– Gerando-se a DD
 
As DDs são usadas em conjunto os capabilities files escritos no formato Common
File Format (CFF), onde é definido os recursos dos equipamentos e que estão
disponíveis.Isto garante que na condição de offline, o host não utilize recursos que
não estarão disponíveis no equipamento.
O System Management de cada equipamento tem as seguintes tarefas:
• Sincronização das atividades de dados relevantes no tempo, isto é de acordo com
o Schedule de transmissão.
• Processamento cíclico da lista de transmissão (somente o LAS) com o pré-definido
Schedule.
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Figura 24 – Processamento cíclico dos blocos funcionais
 
Tarefas adicionais são atribuídas ao System Management:
• Atribuição automática de um Link Master a LAS se uma falha ocorrer ao atual LAS.
• Sincronização do clock da aplicação.
• Endereçamento automático de novas estações conectadas.
 
Figura 25 – Transmissão programada e não-programada. Cada equipamento recebe um Schedule
separado, habilitando o System Management a saber exatamente qual tarefa deve ser executada, quando
deve ser executada e quando deve ser enviado ou recebido dados.
 
A programação da comunicação bem como a parametrização dos equipamentos
devem ser feitas antes do start-up. Basicamente, temos duas fases: Fase de projeto
e Fase de configuração dos equipamentos.
As DDs de todos os equipamentos envolvidos na rede devem estar disponíveis para
a ferramenta de configuração que determinará como as informações segundo as
estratégias de controle serão conectadas através das entradas e saídas dos blocos
funcionais (os chamados links). Esta tarefa é facilmente executada com as interfaces
gráficas de ferramentas avançadas de configuração, por exemplo o Syscon da
SMAR:
 
 
Figura 26 – Conexão dos blocos funcionais para um controle em cascata
 
 
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A figura 26 mostra um controle em cascata onde o valor de pressão, por exemplo,
vindo de um transmissor de pressão é conectado ao bloco funcional PID. Este bloco
pode ser implementado por exemplo, em um posicionador de válvula, que via bloco
AO atua no elemento final. Além da conexão dos blocos funcionais, a ferramenta de
configuração também configura as taxas individuais de execução das malhas
individuais. Finalmente, o LAS e todos os Link Masters recebem a lista de
transmissão segundo o Schedule. A configuração do sistema está completa e o
System Management do LAS e os equipamentos podem cuidar do controle em todo
sistema.
 
 
Figura 27 – Configuração da rede Fieldbus
 
O Foundation Fieldbus ainda possui o HSE, High Speed Ethernet, onde um Link
Device (por exemplo, o DFI302, da SMAR) é usado para conectar equipamentos de
campo a 31.25 kbit/s a uma rede padrão FF a 100 Mbit/s. É aplicável em redes de
alta velocidade com interfaces para sistemas de I/Os, que podem estar conectados a
31.25 kbit/s ou no HSE.
 
 
 
 
Figura 28 – Utilização do HSE em redes densas e envolvendo subsistemas de
I/O.
 
AS-interface
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Em 1990, na Alemanha, um consórcio de empresas bem sucedidas elaborou um
sistema de barramento para redes de sensores e atuadores, denominado Actuator
Sensor Interface (AS-Interface ou na sua forma abreviada AS-i). Esse sistema
surgiu para atender a alguns requisitos definidos a partir da experiência de seus
membros fundadores e para suprir o mercado cujo nível hierárquico é orientado a bit.
Desta forma, a rede AS-i foi concebida para complementar os demais sistemas e
tornar mais simples e rápida as conexões entre sensores e atuadores com os seus
respectivos controladores.
Um sistema industrial formado por redes AS-i é considerado um dos mais
econômicos e ideal para comunicação entre atuadores e sensores. Os benefícios da
utilização de uma rede AS-i vão desde economias de hardware até o
comissionamento de uma rede AS-i propriamente dita.
Vejamos alguns benefícios da rede AS-i:
Simplicidade 
Uma rede AS-i é muito simples, pois requer apenas um único cabo para conectar
módulos de entradas e saídas de quaisquer fabricantes. Usuários de uma rede AS-i
não precisam ter profundos conhecimentos em sistema industriais ou protocolos de
comunicação. Diferentemente de outras redes digitais, a rede AS-i não precisa de
terminadores e de arquivos de descrição de equipamentos. A simplicidade é seu
ponto forte.
Desempenho 
Sistemas AS-i são eficazes e incrivelmente rápidos, o que os tornam aptos a
substituírem sistemas grandes e com altos custos. Existem mestres AS-i,
especialmente, desenvolvidos para comunicarem com sistemas legados de controle
e promoverem uma suave integração entre as tecnologias existentes. O melhor de
tudo é que isto é realizado de forma simples e confiável.
Flexibilidade 
A expansibilidade é muito fácil – apenas conecte um módulo, enderece-o e, então,
conecte o cabo da rede. Verifique se LED de alimentação está ligado e, então, você
já está liberado para a conexão do próximo módulo. A rede AS-i suporta qualquer
topologia de cabeamento: estrela, barramento, árvore, anelar ou qualquer outra
configuração com até 100 metros de cabo. Ou, então, com a adição de repetidores é
possível expandir o sistema até 300 metros. A rede AS-i é de fácil instalação, pois
não há necessidade de terminadores nos pontos finais. 
 
Custo 
Redes AS-i tipicamente reduzem o custo de cabeamento e instalação em torno de
50% em comparação com outras redes convencionais. A utilização de um único cabo
para conexão com equipamentos discretos reduz a necessidade de gabinete,
conduítes e bandejas. As economias geradas na utilização da rede podem ser
realmente significantes, pois a utilização de poucos cabos diminui os custos de
instalação, comissionamento e, por ser uma rede simples, as horas de engenharia.
O nome Actuator Sensor Interface representa o seu próprio conceito. Apesar de
tecnicamente, o "AS-i" ser um barramento, o termo interface mostra que ele fornece
uma interface simples para acesso a sensores e atuadores em campo.
As redes industriais AS-i foram concebidas para serem aplicadas em ambientes
automatizados, substituindo as conexões tradicionais de atuadores e sensores do
tipo "switch" (liga-desliga) por um barramento único. Além desses é possível
conectar ao barramento sensores/atuadores que realizam uma conversão
analógico/digital ou vice-versa. Tradicionalmente essas conexões são feitas por
pares de fios que conectam um a um os atuadores e sensores ao controlador
correspondente, em geral um Controlador Lógico Programável (CLP).
O sistema AS-i é configurado e controlado por um mestre, o qual programa a
interface entre um controlador e o sistema AS-i. Esse mestre troca informações
continuamente com todos os sensores e atuadores ligados ao barramento AS-i de
forma pré-determinada e cíclica.
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A Figura 29 ilustra o sistema AS-i como um todo, evidenciando os seus principais
componentes: cabo, fonte AS-i com seu circuito de desacoplamento, o mestre e o
escravo AS-i.
• Interface 1: entre o escravo e os sensores e atuadores;
• Interface 2: entre os equipamentos (fonte, mestre e escravo) e o meio de
transmissão;
• Interface 3: entre o mestre e o host, ou seja, uma entidade qualquer que acessa a
rede AS-i de um nível superior.
 
 
 
Figura 29 - Componentes e interfaces.
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A rede AS-Interface conecta os dispositivos mais simples das soluções de
automação. Um único cabo une atuadores e sensores com os níveissuperiores de
controle. AS-Interface é um sistema de rede padronizado (EN 50295) e aberto, que
interliga de maneira muito simples atuadores e sensores.
A conexão dos elementos pode ser feita em estrutura de árvore, estrela, linha ou em
uma combinação das anteriores. Não existindo conexões convencionais e reduzindo
o número de interligações em bornes e conectores, não somente reduz custos e
tempo de montagem, como também reduz erros.
Na tecnologia de conexão usando cabos paralelos, cada contato individual de um
equipamento é conectado separadamente para os terminais e bornes de sensores e
atuadores. A rede AS-i substitui o tradicional arranjo de cabos múltiplos, caixas de
passagem, canaletas, dutos de cabos por um simples cabo especialmente
desenvolvido para rede AS-i.
A rede AS-i se caracteriza por somente em um par de fios, caminharem junto a
alimentação dos sensores ou atuadores em 24Vcc e a informação do estado dos
mesmos. A configuração máxima da rede é de 62 participantes (escravos) que são
acessados ciclicamente por um mestre no nível de controle superior. O tempo de
reação é curto, para todos os escravos conectados, o tempo de resposta é de 10ms.
Anteriormente, sensores e atuadores tinham de ser conectados ao controlador via
terminais, conectores e terminais de blocos. AS-i proporciona uma redução nos
custos de instalação e manutenção. Agora, um cabo padronizado com 2 fios habilita
a troca de informações e ao mesmo tempo a alimentação dos equipamentos.
Escravos são conectados diretamente no barramento sem a necessidade de
interligação adicional.
Este cabo de flexível de duas vias é considerado o padrão para a rede AS-i. Existe
ainda um outro cabo com formato circular que deve ser usado somente se for
explicitamente especificado pelo fabricante.
Este cabo flexível de alta tensão está em conformidade com as normas CENELEC
ou DIN VDE 0281, designado por H05VV-F 2X1. 5 e é barato e fácil de se obter.
 
 
 
Figura 30 - Cabos padrões do barramento AS-i 
 
 
DeviceNet
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DeviceNet é um rede digital, multi-drop para conexão entre sensores, atuadores e
sistema de automação industrial em geral. Ela foi desenvolvida para ter máxima
flexibilidade entre equipamentos de campo e interoperabilidade entre diferentes
vendedores.
Apresentado em 1994 originalmente pela Allen-Bradley, o DeviceNet teve sua
tecnologia transferida para a ODVA em 1995. A ODVA (Open DeviceNet Vendor
Association (http://www.odva.org/)) é uma organização sem fins lucrativos composta
por centenas de empresas ao redor do mundo que mantém, divulga e promove o
DeviceNet e outras redes baseadas no protocolo CIP (Common Industrial Protocol).
Atualmente mais de 300 empresas estão registradas como membros, sendo que
mais de 800 oferecem produtos DeviceNet no mundo todo.
A rede DeviceNet é classificada no nível de rede chamada devicebus, cuja
características principais são: alta velocidade, comunicação a nível de byte
englobando comunicação com equipamentos discretos e analógicos e alto poder de
diagnostico dos devices da rede.
A tecnologia DeviceNet é um padrão aberto de automação com objetivo de
transportar 2 tipos principais de informação:
• dados cíclicos de sensores e atuadores, diretamente relacionados ao controle e,
• dados acíclicos indiretamente relacionados ao controle, como configuração e
diagnóstico.
Os dados cíclicos representam informações trocadas periodicamente entre o
equipamento de campo e o controlador. Por outro lado, os acíclicos são informações
trocadas eventualmente durante configuração ou diagnóstico do equipamento de
campo.
A camada física e de acesso da rede DeviceNet é baseada na tecnologia CAN
(Controller Area Network) e as camadas superiores no protocolo CIP, que define uma
arquitetura baseada em objetos e conexões entre eles.
Uma rede DeviceNet pode conter até 64 dispositivos onde cada dispositivo ocupa um
nó na rede, endereçados de 0 a 63. Qualquer um destes pode ser utilizado. Não há
qualquer restrição, embora se deva evitar o 63, pois este costuma ser utilizado para
fins de comissionamento.
Um exemplo de rede DeviceNet é mostrada na figura 31.
 
Figura 31 - Exemplo de Rede DeviceNet
 
Características da rede DeviceNet
•
• Topologia baseada em tronco principal com ramificações. O tronco principal deve ser feito com o cabo
DeviceNet grosso, e as ramificações com o cabo DeviceNet fino ou chato. Cabos similares podem ser usados
desde que suas características elétricas e mecânicas sejam compatíveis com as especificações dos cabos
padrão DeviceNet.
• Permite o uso de repetidores, bridges, roteadores e gateways.
http://www.odva.org/
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• Suporta até 64 nós, incluindo o mestre, endereçados de 0 a 63 (MAC ID).
• Cabo com 2 pares: um para alimentação de 24V e outro para comunicação.
• Inserção e remoção à quente, sem perturbar a rede.
• Suporte para equipamentos alimentados pela rede em 24V ou com fonte própria.
• Uso de conectores abertos ou selados.
• Proteção contra inversão de ligações e curto-circuito.
• Alta capacidade de corrente na rede (até 16 A).
• Uso de fontes de alimentação de prateleira.
• Diversas fontes podem ser usadas na mesma rede atendendo às necessidades da aplicação em termos de
carga e comprimento dos cabos.
• Taxa de comunicação selecionável:125,250 e 500 kbps.
• Comunicação baseada em conexões de E/S e modelo de pergunta e resposta.
• Diagnóstico de cada equipamento e da rede.
• Transporte eficiente de dados de controle discretos e analógicos.
• Detecção de endereço duplicado na rede.
• Mecanismo de comunicação extremamente robusto a interferências eletromagnéticas.
Para mais informação, visite também o site da ODVA: http://www.odva.org/
(http://www.odva.org/)
 
HART/4-20mA
Atualmente muito se fala em termos de redes fieldbus, mas tem-se muitas aplicações
rodando em HART (Highway Addressable Remote Transducer), tendo vantagens
com os equipamentos inteligentes e utilizando-se da comunicação digital de forma
flexível sob o sinal 4-20mA para a parametrização e monitoração das informações.
Introduzido em 1989, tinha a intenção inicial de permitir fácil calibração, ajustes de
range e damping de equipamentos analógicos. Foi o primeiro protocolo digital de
comunicação bidirecional que não afetava o sinal analógico de controle.
Este protocolo tem sido testado com sucesso em milhares de aplicações, em vários
segmentos, mesmo em ambientes perigosos. O HART permite o uso de mestres: um
console de engenharia na sala de controle e um segundo mestre no campo, por
exemplo um laptop ou um programador de mão.
Em termos de performance, podemos citar como características do HART:
• Comprovado na prática, projeto simples, fácil operação e manutenção.
• Compatível com a instrumentação analógica;
• Sinal analógico e comunicação digital;
• Opção de comunicação ponto-a-ponto ou multidrop;
• Flexível acesso de dados usando-se até dois mestres;
• Suporta equipamentos multivariáveis;
• 500ms de tempo de resposta (com até duas transações);
• Totalmente aberto com vários fornecedores;
As especificações continuamente são atualizadas de tal forma a atender todas as
aplicações.
Veremos a seguir alguns detalhes do protocolo HART.
 
A simplicidade: o HART e o loop de corrente convencional
http://www.odva.org/
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https://www.instrumatic.com.br/artigo/redes-industriais 30/39
As figuras 32 e 33 nos mostram como entender o HART facilmente. Na figura 32,
temos um loop de corrente analógica, onde os sinais de um transmissor variam a
corrente que passa por ele de acordo com o processo de medição. O controlador
detecta a variação de corrente através da tensão sob um resistor sensor de corrente.
A corrente de loop varia de 4 a 20mA para freqüências usualmente menores que 10
Hz.
A figura 33 é baseada na figura 32, onde o HART foi acrescido. Agoraambas
terminações do loop possuem um modem e um amplificador de recepção, sendo que
este possui alta impedância de tal forma a não carregar o loop de corrente. Note
ainda que o transmissor possui uma fonte de corrente com acoplamento AC e o
controlador uma fonte de tensão com acoplamento AC.A chave em série com a fonte
de tensão no controlador HART em operação normal, fica aberta.No controlador
HART os componentes adicionais podem ser conectados no loop de corrente, como
mostrado ou através do resistor sensor de corrente.Do ponto de vista AC, o resultado
é o mesmo, uma vez que a fonte de alimentação é um curto-circuito.Note que o sinal
analógico não é afetado, uma vez que os componentes adicionados são acoplados
em AC. O amplificador de recepção freqüentemente é considerado como parte do
modem e usualmente não é mostrado separadamente.Na figura 33 foi desenhado
separadamente para mostrar como se deriva o sinal de tensão de recepção. O sinal
de recepção não é somente AC, nem no controlador ou mesmo no transmissor.
Para enviar uma mensagem, o transmissor ao ligar sua fonte de corrente, fará com
que se sobreponha um sinal de corrente de 1 mA pico-a-pico de alta freqüência
sobre o sinal analógico da corrente de saída. O resistor R no controlador converterá
este sinal em tensão no loop e esta será amplificada no receptor chegando até ao
demodulador do controlador (modem). Do mesmo modo, para enviar uma
mensagem ao transmissor, o controlador fecha sua chave, conectando sua fonte de
tensão que sobrepõe um tensão de aproximadamente 500 mV pico-a-pico através do
loop. Esta é vista nos terminais do transmissor e encaminhada ao amplificador e
demodulador. Note que existe uma implicação na figura 33 que é que o mestre
transmita como fonte de tensão enquanto o escravo, como fonte de corrente.A figura
34 mostra detalhes do sinal HART, sendo que as amplitudes podem variar de acordo
com as impedâncias e capacitâncias de cada equipamento e perdas causadas por
outros elementos no loop.O HART se utiliza do FSK, chaveamento por mudança de
freqüência(Frequency Shift keying), onde a freqüência de 1200 Hz representa o 1
binário e a de 2200 Hz, representa o 0 binário.Note que estas freqüências estão bem
acima da faixa de freqüências do sinal analógico(0 a 10 Hz) de tal forma que não há
interferências entre elas.Para assegurar uma comunicação confiável, o protocolo
HART especifica uma carga total do loop de corrente, incluindo as resistências dos
cabos, de no mínimo 230 Ohms e no máximo 1100 Ohms.
 
 
Figura 32 – Loop de corrente convencional
 
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Figura 33 – Loop de corrente acrescido o HART
 
 
Figura 34 – Modulação e sinal HART
 
Equipamentos de campo e handhelds (programadores de mão) possuem um modem
FSK integrado, onde via port serial ou USB de um PC ou laptop pode-se conectar
uma estação externamente. A figura 35 mostra uma conexão típica HART de campo.
Veremos posteriormente, outros tipos de conexões.
 
 
Figura 35 – Elementos típicos de uma instalação HART
Figura 36 – Conexão HART ponto-a-ponto
 
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Em uma conexão do tipo ponto-a-ponto, como a da figura 36, é necessário que o
endereço do equipamento seja configurado para zero, desde que se use o modo de
endereço na comunicação para acessá-lo.
Em sistemas considerado grandes, pode-se utilizar-se de multiplexadores para
acessar grandes quantidades de equipamentos HART, como por exemplo, na figura
37, onde o usuário deverá selecionar o loop de corrente para comunicar via Host.
Nesta situação em cascata, o host pode comunicar com vários equipamentos(mais
do que 1000), todos com endereços zero.
Ainda podemos ter rede em multidrop e condições de split-range. Na figura 38, na
conexão em multidrop, observe que podem ser ligados no máximo até 15
transmissores em paralelo na mesma linha. A corrente que passa pelo resistor de
250 Ohms (foi ocultado na figura) será alta, causando uma alta queda de tensão.
Portanto, deve-se assegurar que a tensão da fonte de alimentação seja adequada
para suprir a tensão mínima de operação.
No modo multidrop a corrente fica fixa em 4mA, servindo apenas para energizar os
equipamentos no loop.
 
 
Figura 37 - Conexão HART via multiplexador
 
 
 
 
Figure 38 – Conexão HART em Multidrop
 
 
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A condição de split-range é usada em uma situação especial onde normalmente dois
posicionadores de válvulas recebem o mesmo sinal de controle, por exemplo, um
operando com corrente nominal de 4 a 12 mA e o outro de 12 a 20 mA. Nesta
condição, os poscionadores são conectados em série no loop de corrente com
endereços diferentes e o host será capaz de distingui-los via comunicação.Veja
figura 39.
 
 
Figura 39 – Conexão HART via Split Range
 
Como visto anteriormente, o HART se utiliza do sinal de 4-20mA, sobrepondo um
sinal em técnica FSK, chaveamento por mudança de freqüência (Frequency Shift
keying), onde a freqüência de 1200 Hz representa o 1 binário e a de 2200 Hz
representa o 0 binário.Cada byte individual do telegrama do layer 2 é transmitido em
11 bits, usando-se 1200 kHz.
 
Cabeamento
Utiliza-se um par de cabos trançados onde se deve estar atento à resistência total já
que esta colabora diretamente com a carga total, e agindo na atenuação e distorção
do sinal. Em longas linhas e sujeitas a interferências, recomenda-se o cabo com
shield, sendo este aterrado em um único ponto, preferencialmente no negativo da
fonte de alimentação.
 
 
Layer 2
O protocolo HART opera segundo o padrão Mestre-Escravo, onde o escravo
somente transmitirá uma mensagem se houver uma requisição do mestre. A figura
40 mostra de maneira simples o modelo de troca de dados entre mestre e escravo.
Toda comunicação é iniciada pelo mestre e o escravo só responde algo na linha se
houve um pedido para ele.Existe todo um controle de tempo entre envios de
comandos pelo mestre.Inclusive existe um controle de tempo entre mestres quando
se tem dois mestres no barramento.
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Figura 40 – Frame HART
 
A convivência de vários protocolos em uma mesma planta
Daqui para frente é esperado que a convivência entre vários protocolos torne-se uma
constante, principalmente onde o parque instalado for grande e deseja-se preservar
os investimentos feitos. A figura 41 é um exemplo típico de sistema onde se tem em
uma mesma planta os protocolos Foundation Fieldbus e HART.Neste caso, uma
interface HART-FF, o HI302, é utilizado, permitindo conexões ponto-a-ponto e
multidrop. O HI302 é uma ponte entre equipamentos HART e sistemas Foundation
Fieldbus, possui 8 canais HART master e permite ao usuário executar manutenção,
calibração, monitoramento de status do sensor, status geral do equipamento, dentre
outras informações.
 
Figura 41 - Integração Foundation Fieldbus e HART usando o HI302
 
WirelessHART™
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Nos últimos anos, a tecnologia de redes sem fio sofreu grandes avanços
tecnológicos o que hoje pode proporcionar: segurança, confiabilidade, estabilidade,
auto-organização (mesh), baixo consumo, sistemas de gerenciamento de potência e
baterias de longa vida.
Em termos de benefícios podemos citar, entre outros:
• a redução de custos e simplificação das instalações
• a redução de custos de manutenção, pela simplicidade das instalações
• monitoração em locais de difícil acesso ou expostos a situações de riscos
• escalabilidade
• integridade física das instalações com uma menor probabilidade à danos
mecânicos e elétricos (rompimentos de cabos, curto circuitos no barramento, ataque
químico, etc)
Hoje no mercado vemos várias redesproprietárias e também algumas padronizadas.
Existem muitos protocolos relacionados com as camadas superiores da tecnologia
(ZigBee, WirelessHART™, ISA SP100) e o protocolo IEEE 802.15.4 (2006) para as
camadas inferiores. O protocolo IEEE 802.15.4 define as características da camada
física e do controle de acesso ao meio para as LR-WPAN (Low-Rate Wireless
Personal Area Network).
A padronização para redes sem fio mostra que, ainda que existam diferenças, as
normas estão convergindo e a principal dentre elas, a SP100 e WirelessHART™, da
ISA e HCF (HART Foundation e que hoje vem sendo adotado como padrão para a
Foundation Fieldbus e Profibus). Vamos comentar um pouco sobre o
WirelessHART™.
A estrutura de uma rede WirelessHART™ está representada no diagrama da figura
42, onde a comunicação de uma rede WirelessHART™ é feita através de uma
gateway.
Conseqüentemente, o gateway precisa ter a funcionalidade de um roteador de
pacotes para um destino específico (instrumento da rede, aplicação hospedeira ou
gerenciador da rede). O gateway usa o padrão de comandos HART para comunicar
com os instrumentos na rede e aplicações hospedeiras (host applications).
 
 
Figura 42 – Estrutura de uma rede WirelessHART™
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Incluso ao HART 7 está o WirelessHART™, o primeiro padrão aberto de
comunicação sem fio desenvolvido especificamente para atender as necessidades
da indústria de processo.
Opera na freqüência de 2.4 GHz ISM usando o Time Division Multiple Access
(TDMA) para sincronizar a comunicação entre os vários equipamentos da rede. Toda
a comunicação é realizada dentro de um slot de tempo de 10ms. Uma slots de tempo
formam um superframe.
Suporta chaveamento de canais (channel hopping) a fim de evitar interferências e
reduzir os efeitos de esvanecimento multi-percurso (multi-path fadings). O protocolo
HART foi elaborado com base na camada 7 do protocolo OSI. Com a introdução da
tecnologia sem fio ao HART têm-se duas novas camadas de Data Link: token-
passing e TDMA. Ambas suportam a camada de aplicação HART.
 
 
Figura 43- Sistema Wireless com o DF100 (Controlador HSE- WirelessHART™)
23/05/2021 Redes Industriais | Instrumatic
https://www.instrumatic.com.br/artigo/redes-industriais 37/39
Na figura 43 temos o primeiro controlador HSE (High Speed Ethernet)
WirelessHART™. É um controlador da SMAR que traz ao mercado mais uma
inovação. É um controlador com tecnologia digital aberta e integrável em sistemas
baseados em HSE.
Uma rede de comunicação WirelessHART™é estruturada em malhas, onde cada
sensor funciona como um “router” ou como um repetidor. Deste modo, o alcance de
uma rede não depende apenas de uma “gateway” central, o que permite a
configuração de uma ampla estrutura de rede distribuída. É uma forma inteligente de
se garantir que em uma situação de obstrução que possa causar a interrupção de
um caminho de comunicação, o sistema remaneja e consegue rotas alternativas,
aumentando e garantindo assim a disponibilidade da rede.
O WirelessHART™ adota uma arquitetura utilizando uma rede “Mesh” baseado no
IEEE 802.15.4 operando na faixa de 2,4 GHz. Os rádios utilizam o método de DSSS
(espalhamento espectral com seqüenciamento direto) ou salto de canais FHSS
(Spread Spectrum de salto de freqüências) para uma comunicação segura e
confiável assim como comunicação sincronizada entre os dispositivos da rede
utilizando TDMA (Time Division Multiple Access).
As redes “Mesh” permitem que os nós da rede comuniquem entre si estabelecendo
caminhos redundantes até a base, aumentando a confiabilidade, pois se um caminho
esta bloqueado existem rotas alternativas para que a mensagem chegue ao seu
destino final. Este tipo de rede também permite escalabilidade simplesmente
adicionando mais nós ou repetidores na rede. Outra característica é que quanto
maior a rede maior a confiabilidade porque mais caminhos alternativos são
automaticamente criados.
Uma rede WirelessHART™ possui três dispositivos principais:
• Wireless Field devices: equipamentos de campo
• Gateways: permitem a comunicação entre os equipamentos de campo e as
aplicações de controle
• Network Manager: responsável pela configuração da rede, gerenciamento da
comunicação entre os dispositivos, rotas de comunicação e monitoramento do
estado da 
rede. O Network Manager pode ser integrado em um gateway, aplicação no host ou 
em um controlador de processo.
 
Sistema de automação aberto baseado em redes industriais
23/05/2021 Redes Industriais | Instrumatic
https://www.instrumatic.com.br/artigo/redes-industriais 38/39
A figura 44 mostra um exemplo de um sistema verdadeiramente aberto baseado em
redes industriais. O SYSTEM302, sistema de automação e controle da
SMAR, fornece uma plataforma de automação com ampla capacidade de
conectividade com as mais diversas tecnologias (Foundation Fieldbus, Profibus-DP,
Profibus-PA, HART/4-20mA, DeviceNet, AS-i, I/O convencional, Modbus, DNP3,
HSE, etc), criando um ambiente amigável, flexível, escalonável, integrado e
colaborativo. O ambiente integrado facilita a engenharia, comissionamento,
manutenção e gestão de redes de campo. Sua interface intuitiva permite a fácil
operação e diagnóstico de todo o sistema. É uma arquitetura poderosa de
informações e a solução para:
• Sistemas de automação para os mais diversos segmentos industriais
• Aplicações de pequeno, médio e grande porte
• Sistemas híbridos de controle de processo, combinando o melhor dos dois mundos,
SDCD e CLP
• Controle contínuo e discreto, controle avançados, tempos de varreduras menores,
arquiteturas redundantes
• Melhoria da eficácia operacional através de informações integradas
• Gerar soluções eficazes através da engenharia simplificada e integrada
• Gerenciamento de informações e alarmes
• Gerenciamento de Ativos e gestão de Negócios (MES)
• Conectividade, modularidade e facilidade de expansão
• Segurança aliada à confiabilidade de hardware e software
• Excelência operacional
Para mais detalhes, consulte: www.system302.com.br
(http://www.system302.com.br)
 
Figura 13 - SYSTEM302, sistema aberto baseado em redes digitais.
(/Images/index109_system302.jpg)
Zoom
(/Images/index109_system302.jpg)
(http://www.smar.com/Images/index109_system302.jpg)
Figura 44 – Exemplo de um Sistema Digital Aberto, baseado em redes industriais: SYSTEM302, SMAR
 
Conclusão:
As Redes de Comunicação Industrial têm um papel fundamental para as indústrias
em geral. Hoje a automação extrapola o chão de fábrica e chega ao mundo dos
negócios. Vimos vários padrões abertos e suas características.
O fator tecnológico é imprescindível para a sustentabilidade de uma unidade
industrial. A inovação tecnológica é responsável pelo rompimento e/ou
aperfeiçoamento das técnicas e processos de produção. Pode, desta forma, trazer
ganhos em termos de competitividade. Neste caso, deve-se romper com a tecnologia
convencional e ampliar as possibilidades de sucesso com a inovação demandada
pelo mercado, neste caso sistemas de automação verdadeiramente aberto, com
tecnologia digital, baseado em redes industriais e com várias vantagens comparadas
aos convencionais SDCDs:
•
http://www.system302.com.br/
https://www.instrumatic.com.br/Images/index109_system302.jpg
https://www.instrumatic.com.br/Images/index109_system302.jpg
http://www.smar.com/Images/index109_system302.jpg
23/05/2021 Redes Industriais | Instrumatic
https://www.instrumatic.com.br/artigo/redes-industriais 39/39
 
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• Redução do erro de medição com a eliminação da conversão A/D do sinal vindo do transmissor de campo
• Visibilidade acrescida de toda a instrumentação digital, isto é, desde o chão de fábrica até a automação dos
negócios
• Diagnósticos em linha, em qualquer ponto do sistema
• Expansão da rede com o sistema em funcionamento
• Redução de materiais na fase de montagem: eletrocalhas, eletrodutos, condulets, caixas