Arquiteturas e Tecnologias das Redes Industriais

Arquiteturas e Tecnologias das Redes Industriais Núcleo de Educação a Distância wwwunigranriocombr Rua Prof José de Souza Herdy 1160 25 de Agosto Duque de Caxias RJ Reitor Arody Cordeiro Herdy PróReitoria de PósGraduação e Pesquisa PROPEP Emilio Antonio Francischetti PróReitoria de Administração Acadêmica PROAC Carlos de Oliveira Varella Núcleo de Educação a Distância NEAD Márcia Loch Produção Fábrica de Soluções Unigranrio Desenvolvimento do material Leonardo Resende Copyright 2019 Unigranrio Nenhuma parte deste material poderá ser reproduzida transmitida e gravada por qualquer meio eletrônico mecânico por fotocópia e outros sem a prévia autorização por escrito da Unigranrio PróReitoria de Graduação PROGRAD Virginia Genelhu de Abreu Francischetti PróReitoria de PósGraduação Lato Sensu e Extensão PROPEX Nara Pires Sumário Arquiteturas e Tecnologias das Redes Industriais Objetivo 04 Introdução 05 1 Redes de Computadores Industriais 06 12 Redes LAN Redes Locais 07 13 Redes WAN Redes de Longa Distância 08 14 Rede Fieldbus 09 15 Rede Devicebus 12 2 Rede Sensorbus 12 3 Demais Redes 13 Síntese 16 Referências 17 4 Automação Industrial Objetivo Entender as arquiteturas e tecnologias das redes industriais Introdução Uma rede industrial apresenta uma variedade de domínios Podemos citar como exemplos as fábricas que trabalham com linha de produção e são automatizadas e os sistemas de supervisão de equipamentos automáticos Esses domínios utilizam redes industriais que atuam diretamente na produção e em função disso devem levar em consideração todas as necessidades do processo de automação devendo ser sua arquitetura elaborada de acordo com suas especificidades Diversas redes de computadores são utilizadas em sistemas de automação industrial Nesta unidade serão definidos conceitos básicos da rede LAN Local Area Network que é uma rede em âmbito local MAN Metropolitan Area Network que é uma rede metropolitana e WAN Wide Area Network que é definida como um rede geograficamente distribuída Assim as redes industriais mais utilizadas em automação são Devicebus e Fieldbus que são chamadas redes de campo efetivas e Sensorbus que é uma rede de campo considerada de nível mais baixo 6 Automação Industrial 1 Redes de Computadores Industriais Em redes industriais temos vários equipamentos e dispositivos que trabalham juntos e são agrupados para que sejam estabelecidas coexistências de acordo com correlações específicas Especialistas atribuem quatro níveis para operações em uma rede industrial Gestão Nível mais alto Existe um computador central responsável pelo processamento da produção da planta de controle que realiza o monitoramento estatístico normalmente utilizase o protocolo TCPIP Controle Local onde são localizados os PLCs e PCs A informação deve ser transmitida em tempo real para que os dados estejam sempre atualizados pois neste nível é atribuída a supervisão do processo Campo e Processo Realiza a integração dos dispositivos de entrada e saída em subredes Entrada e Saída Nível que se localiza mais próximo do processo Destacamse os sensores atuadores nos quais recebem a informação e desempenham a evolução e o funcionamento do sistema Dois tipos de divisões podem ser caracterizados em redes industriais Automação de manufatura e automação de processos 1 Automação de Manufatura Representam ambientes industriais como indústrias automobilísticas e bebidas em que a maioria das variáveis manipuladas é de natureza discreta Nesses ambientes necessitamos de redes que sejam responsáveis por transportar pequenos pacotes de informação como ligar e desligar dispositivos de pequeno porte Para esse tipo de operação recomendase a rede Profibus entre outras essas redes são denominadas redes de barramento de dispositivo 2 Automação de Processos Nesse ambiente que é representado por indústrias de petróleo as variáveis são de natureza analógica que realizam a troca de informações via valores de parâmetros de variáveis dos instrumentos conectados no sistema Para este tipo de automação recomendase a rede Fieldbus entre outras sendo essa a mais importante portanto daremos uma maior ênfase 7 Automação Industrial Veja a seguir as redes mais utilizadas em automação industrial Figura 1 Exemplo de uma rede industrial Fonte Soluções Industriais 12 Redes LAN Redes Locais Rede LAN ou rede local industrial representa uma interconexão de computadores localizados em uma pequena distância são pequenas redes que envolvem computadores em uma mesma sala ou no máximo no mesmo prédio Uma rede LAN possui a estrutura mais simples e básica de interligação entre computadores Ela pode ser construída até sem um servidor e tem restrição física via localização dos computadores Figura 2 Modelo de uma rede LAN Fonte Comunicação de Dados CPU 3172 PNDP WIRESHARK Ethernet Analisador Profinet SIMCODE PAC3200 ET200S SCALANCE Rede de área local LAN 8 Automação Industrial 13 Redes WAN Redes de Longa Distância Uma rede WAN pode ser definida como uma junção de várias redes LAN Tecnicamente falando é uma rede de comunicação de dados que funciona além de uma rede local O exemplo mais consistente de uma rede WAN é a internet As redes WAN diferem das redes locais em muitos pontos Uma rede local conecta computadores acessórios periféricos e demais dispositivos em uma área geográfica bem menor um prédio por exemplo Para comunicações mais distantes devese utilizar um provedor de serviço de grande porte para atender transmissões de longa distância As redes WA N têm três características principais Figura 3 Três características da rede WAN Fonte Adaptado de Dreamstime Conectam dispositivos separados por uma área geográfica maior do que pode ser atendida por uma rede LAN Precisam de serviços mais completos como operadoras de companhia telefônica sistemas de satélites provedores de rede etc Utilizam conexões seriais para obterem acesso a larguras de banda para grandes regiões geográficas 9 Automação Industrial Uma rede WAN para uma empresa de grande porte possui uma grande importância pelo fato de precisar de compartilhamento de informações diversas Até no âmbito residencial a rede WAN é importante pois sempre precisamos enviar e receber email além de nos divertirmos com jogos digitais online efetuarmos pagamento de contas e consultas a procedimentos bancários entre outros exemplos Esse tipo de rede tem grande importância também na automação Como exemplo podemos citar um processo que tenha um controlador que realiza determinado controle de temperatura Se o processo tiver de ser monitorado ou analisado de forma remota podese usar a internet para esse tipo de procedimento Figura 4 Modelo de uma rede WAN Fonte Palpite Digital 14 Rede Fieldbus Um sistema Fieldbus pode ser definido segundo a Foundation Fieldbus 1999 p1 como Um sistema distribuído composto por dispositivos de campo e equipamentos de controle e de monitoramento integrados em um LAN LAN LAN LAN WAN 10 Automação Industrial ambiente físico de uma planta ou de uma fábrica Os dispositivos do Fieldbus trabalham juntos para realizar IO e controle em operações e sistemas automáticos Uma rede Fieldbus é aplicada em vários processos na indústria e necessita de incorporação às estratégias de controle Ela interliga os equipamentos de IO mais inteligentes e pode cobrir distâncias maiores que a Sensorbus e a Devicebus Os dispositivos e equipamentos conectados nessa rede possuem inteligência para desempenho de funções específicas como controle de fluxo de informações loops de PID e processos automatizados diversos Mesmo que o tempo de transferência de informações seja longo a rede deve se comunicar por meio de vários tipos de dados sejam eles discretos analógicos programas etc Podemos citar como exemplos de redes Fieldbus IECISA SP50 Fieldbus Foundation e HART No processo de comunicação digital de uma indústria de processos automáticos as redes Fieldbus encontramse no nível de instrumentação e controle de processos industriais de acordo com a Figura 5 Figura 5 Representação da estrutura de comunicação industrial Fonte Adaptado de Dreamstime A rede industrial pode ser representada por sistemas de integração de gestão e centrais de processamento de dados A rede local pode ser representada por PLCs e sistemas de supervisão Já a rede Fieldbus representa a instrumentação e controle de forma mais ampla atuando nos sensores industriais atuadores e válvulas de acionamento de sistemas de maior complexidade Rede Industrial Rede Local Rede Fieldbus 11 Automação Industrial Figura 6 Exemplo de uma rede Fieldbus Fonte Chaya Automação A rede Fieldbus apresenta uma evolução pois tem a capacidade de transferir dados em modo digital além de suportar aplicações em controle de processos A transmissão de dados é no formato de pacotes de dados Os protocolos fieldbus podem se restringir às três camadas do modelo OSI pois não precisam de rede transporte sessão e apresentação Tais protocolos utilizam apenas três camadas do modelo Figura 7 Comparação do modelo OSI com o modelo de protocolo Fieldbus Fonte Adaptado de Pantoni Brandão 2009 IEC 11582 Standard Local Operador Interface Terminator Junction boxes Power Supply 932v Operator Interface Power Filter Some devices may be polarity sensitive Configurator Power Filter Modelo ISOOSI 7 Camada de Aplicação 6 Camada de Apresentação 5 Camada de Seção 4 Camada de Transporte 3 Camada de Rede 2 Camada de Enlace 1 Camada Física Modelo de Protocolos Fieldbus Camada de Aplicação 7 Camada de Enlace 2 Camada Física 1 12 Automação Industrial 15 Rede Devicebus A rede Devicebus pode ser considerada como uma intermediária entre as redes Fieldbus e a Sensorbus Ela atende distâncias de até 500m e os dispositivos conectados nesta rede terão mais pontos discretos e também dados analógicos podendo trabalhar com os dois ao mesmo tempo Para reforçar o seu entendimento leia o texto indicado que explica o modelo padrão dos protocolos de comunicação chamado de modelo OSI Interconexão de Sistemas Abertos Ele interliga diversos sistemas de comunicação com características diversas e apresenta ainda o modelo OSI que é dividido em sete camadas Física Ligação de Dados Rede Transporte Sessão Apresentação e Aplicação Ela apresenta uma transferência de dados rápida e gerencia uma maior quantidade de dados e equipamentos A transmissão de dados é no formato de bytes Exemplos Devicenet Smart Distributed System SDS Profibus DP Lonworks e InterbusS 2 Rede Sensorbus Essa rede tem como utilização a conexão de equipamentos e dispositivos mais simples para serem ligados de forma direta Sua comunicação deve ser rápida pois os dispositivos ligados a ela são mais simples e de baixo custo como os sensores e atuadores O principal objetivo desta rede é manter os custos de conexão os mais baixos possíveis Exemplos Seriplex ASI e Interbus Loop A transmissão de dados é no formato de bits Saiba Mais Leia mais 13 Automação Industrial Figura 8 Grupos de produtos por classes de redes Fonte Adaptado de Natale 2018 3 Demais Redes Rede Profibus Tratase de uma rede de campo aberta independente dos fabricantes ao alcance de uma gama muito grande de aplicações em automação industrial A aplicação da rede Profibus tem interação da tecnologia transmitida a ser utilizada com o seu protocolo de comunicação As características técnicas são definidas em função dos controladores programáveis distribuídos que podem ser ligados em todos os níveis O sistema apresenta múltiplos mestres que operam em sintonia com vários sistemas de automação que tenham seus periféricos distribuídos na rede Um dispositivo mestre determina a comunicação de dados na rede e envia Agrupamento de Produtos Devicebus Fieldbus Sensorbus Analítico SLCs Temporizadores Controladores Válvulas de controle DCSs PCs PLCs Interfaces de Operação Drives Controles de Movimento Chaves Sensores e Válvulas Motores de Partida Botões de Acionamento 14 Automação Industrial informações sem interferência externa Um dispositivo escravo não pode acessar a rede ele só recebe mensagens determinadas pelo mestre enviando as da mesma forma Figura 9 Modelo de uma rede Profibus Fonte Profibus A rede Profibus respeita normas internacionais Sua arquitetura é baseada no modelo OSI Open System Interconnection de acordo com a norma internacional ISO 7498 Todas as camadas têm tarefas bemdefinidas A camada 1 é responsável pelas características físicas de transmissão já a camada 2 define o protocolo de acesso à rede e a camada 7 define as funções de aplicação Para saber mais leia o texto indicado Nele é possível ver que além dessas tecnologias também existem as redes que utilizam a comunicação sem fio As mais conhecidas são bluetooth e wifi Console de Engenharia Ponto de conexão com ProfibusView DF73 DF73 Acoplador PA LD303 PROFIBUSPA PROFIBUS PA até 12 Mbits Ponto de conexões possíveis do SIMATIC PDM Versões Integradas e isoladas Link PA Acoplador de Alta Velocidade Módulos Acoplador PA TT303 FY303 PROFIBUSPA FP303 FK303 TT303 IF303 420mAHART Rede Profibus InterfaceMultímetro HART LD301 TT301 PROFIBUSDP 4545 kbits Saiba Mais Leia mais 15 Automação Industrial Rede Ethernet Não precisa de utilização de protocolos Ela foi criada pelas empresas Xerox DEC e Intel e tem funcionalidade tanto para indústria quanto para escritório Uma grande vantagem dessa rede é a compatibilidade de fabricantes que usam produtos com essa tecnologia A rede Ethernet apresenta as seguintes características a Camada Física Seu barramento apresenta uma taxa de 10Mbs quando ligada a um cabo coaxial utilizando transmissão em Banda base As estações são ligadas e desligadas sem que a operação do sistema seja interrompida b Camada do Link de Dados Nessa camada o controle da rede é feito utilizando múltiplo acesso para todos os nós de forma distribuída Existe um protocolo específico chamado CSMACD as camadas não seguem o modelo padrão ISOOSI no entanto existe um software disponível que realiza o gerenciamento dos dados 16 Automação Industrial Síntese Nesta unidade de aprendizagem apresentamos as redes de computadores e o princípio de funcionamento e vimos também as redes industriais mais utilizadas em automação e a estrutura básica de suas configurações Aprendemos a importância dos protocolos de comunicação e das redes em automação dando ênfase no processo de automação de sistemas em que a troca de dados e a análise de informações se fazem necessárias Diante disso podemos concluir que um sistema automatizado industrial deve ter uma rede de controle para monitorar os procedimentos analisar as variáveis enviar dados a uma central de controle e acompanhar a evolução das etapas em uma planta industrial na elaboração das arquiteturas e Tecnologias das Redes Industriais 17 Automação Industrial Referências CHAYA AUTOMAÇÃO Redes Industriais Fieldbus Disponivel em httpwwwchayaautomacaocombrredesindustriaisfieldbus Acesso em 22 fev 2019 COMUNICAÇÃO DE DADOS LAN Rede Local Disponivel em httpscddiogowordpresscomlanredelocal Acesso em 22 fev2019 FIELDBUS FOUNDATION Foundation specification 3125 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