Princípios de Comunicação de Dados: Transmissão e Redes - PROFIBUS, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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SUPERVISOR DE

INSTRUMENTAÇÃO

INFORMÁTICA INDUSTRIAL

SUPERVISOR DE INSTRUMENTAÇÃO

INFORMÁTICA INDUSTRIAL

ÍNDICE

• 1 Princípio de comunicação de dados.........................................................................................
• 1.1 Tipos de sinais
• 1.2 Meio físico de transmissão
• 1.2.1 Par trançado
• 1.2.2 Cabo coaxial
• 1.2.3 Cabo de fibra óptica..................................................................................................................
• 1.3 Transmissão de dados..............................................................................................................
• 1.3.1 Comunicação simplex...............................................................................................................
• 1.3.2 Comunicação Half duplex.........................................................................................................
• 1.3.3 Comunicação Full duplex
• 1.4 Tipos de redes de computadores
• 1.5 Topologia física e lógica
• 1.5.1 Estrela
• 1.5.2 Anel
• 1.5.3 Barramento
• 1.5.4 Configurações híbridas...........................................................................................................
• 1.6 Equipamentos de interligação de redes
• 1.7 Métodos de acesso ao meio
• 1.8 Modelo de referência OSI
• 1.9 Protocolos
• 2 Redes industriais
• 2.1 HART
• 2.2 PROFIBUS (Process Field Bus)
• 2.3 Foundation Fieldbus
• 2.4 Tecnologia Ethernet................................................................................................................
• 2.5 TCP/IP.....................................................................................................................................
• 2.5.1 IP.............................................................................................................................................
• 2.5.2 TCP
• 3 Sistemas supervisórios
• 3.1 Definições
• 3.2 Elementos de um sistema de supervisão
• 3.3 Exemplos de sinóticos
• 3.4 Tipos de telas..........................................................................................................................

CAPÍTULO I

1 Princípio de comunicação de dados

O objetivo da comunicação é transferir a informação de um ponto para outro ou de um sistema para outro, ou seja, o compartilhamento e interconexão de recursos de hardware e software, geograficamente dispersos a nível local. Em controle de processo, esta informação é chamada de dado do processo ou simplesmente, dado. Um entendimento da comunicação de dados é essencial para a aplicação apropriada dos instrumentos digitais.

1.1 Tipos de sinais

O dados são transmitidos através de dois tipos de sinais:

• Banda base;
• Banda larga.

BANDA BASE

Em um sistema de banda base, a transmissão de dados consiste de uma faixa de sinais enviada no meio de transmissão sem ser transladada em freqüência. Uma chamada telefônica é um exemplo de transmissão de banda base. Um sinal de voz humana na faixa de 300 a 3000Hz é transmitida através da linha telefônica na faixa de 300 a 3000Hz. Em um sistema de banda base há somente um conjunto de sinais no meio em um determinado momento.

BANDA LARGA

Uma transmissão em banda larga consiste de múltiplos conjuntos de sinais. Cada conjunto de sinais é convertido para uma faixa de freqüência que não interfere com outros sinais no meio. A televisão por cabo é um exemplo de transmissão por banda larga. Três componentes básicos são requeridos em qualquer sistema de comunicação de dados:

• Transmissor que gera a informação;
• Receptor que detecta os dados;
• Meio para transportar os dados.

O meio pode ser dividido em mais de um canal. Um canal é definido como o caminho através do meio que pode transportar a informação em somente uma direção em um determinado momento.

de comunicação. Os cabos coaxiais são usados em aplicações de automação de processo onde há grandes distâncias envolvidas para melhorar a imunidade aos ruídos eletromagnéticos.

Figura 1.3. Cabo coaxial

1.2.3 Cabo de fibra óptica

O cabo de fibra óptica consiste de pequenas fibras de vidro ou plástico, conforme a Figura 1.4. Em uma extremidade, pulsos elétricos são convertidos em luz por um foto-diodo e enviados através do cabo óptico de fibra. Na outra extremidade do cabo, um detector de luz converte os pulsos de luz de volta para pulsos elétricos. Os sinais de luz podem viajar somente em uma direção, de modo que uma transmissão de dois sentidos requer dois cabos de fibra separados. Um cabo de fibra óptica tem normalmente o mesmo diâmetro que o cabo de par trançado e é imune ao ruído elétrico e não oferece nenhum perigo adicional quando usado em áreas classificadas. O custo do cabo de fibra óptica é da mesma ordem de grandeza que o do cabo coaxial, porém, os conectores são muito caros. Uma desvantagem dos cabos de fibra óptica é ainda a falta de normas industriais.

Figura 1.4. Cabo de fibra óptica

1.3 Transmissão de dados

A comunicação pode ser descrita pelo número de canais usados para efetuar o fluxo de informação. Os três métodos mais comuns de transmissão de dados são:

• Simplex;
• Half duplex;
• Full duplex.

1.3.1 Comunicação simplex

Na comunicação simplex, um único canal é usado e há somente um sentido de comunicação, do transmissor para o receptor. O receptor apenas recebe e não pode transmitir e o transmissor apenas transmite e não pode receber. Na transmissão simplex não é possível enviar sinais de erro ou de controle do receptor, porque o transmissor e o receptor são dedicados a somente uma função. Um exemplo típico de comunicação simplex é a transmissão de rádio. Outro exemplo industrial, é um sistema de aquisição de dados, onde os dados do processo são enviados para um computador, em um único sentido, conforme a Figura 1.5.

1.3.2 Comunicação Half duplex

A comunicação em dois sentidos permite o receptor verificar que os dados foram recebidos. Um tipo de comunicação de dois sentidos é chamado de half duplex. Na comunicação half duplex, um único canal é usado e a comunicação é feita nos dois sentidos, porém, somente em um sentido em um determinado tempo. Nesta configuração, o receptor e o transmissor alternam as funções, de modo que a comunicação ocorre em um sentido, em um tempo e em um único canal. Exemplo de comunicação half duplex é o rádio walkie-talkie: apertando um botão, se fala e não se escuta; sem apertar o botão, escuta-se e não se fala conforme a Figura 1.5.

1.3.3 Comunicação Full duplex

A comunicação em dois sentidos onde os dados podem fluir em ambas as direções ao mesmo tempo é chamada de comunicação full duplex. Neste caso, há dois canais, de modo que a informação pode fluir em ambos os sentidos simultaneamente. Exemplo de comunicação full duplex é o telefone: onde se pode falar e escutar simultaneamente, conforme a Figura 1.5.

podem fazem com que a topologia física seja diferente da lógica, por exemplo, quando se utiliza um Hub, a topologia física é em estrela, porém a lógica é em barramento.

1.5.1 Estrela

É uma das estruturas mais tradicionais. Consiste num nó de comunicação central que toma todas as decisões de roteamento, e por estações ou nós de comunicação secundários ligados fisicamente ponto a ponto ao nó central, conforme a Figura 1.6. Este tipo de topologia pode ser utilizado em outras estrelas para formar topologias de rede hierárquica ou em forma de árvore.

Vantagens:

• Facilita o acréscimo de novas estações de trabalho;
• Fornece análises detalhadas da rede (fácil realização de diagnósticos), pois todas as mensagens passam pelo nó central.

Desvantagens:

• Uma falha no nó de comunicação central resulta em falha geral da rede;
• A complexidade do nó central aumenta com o número de nós que estão interconectados, ou seja, o processador central tem que ser relativamente grande.

Figura 1.6. Topologia em estrela

1.5.2 Anel

Nesta topologia não há a necessidade de decisões de roteamento. As mensagens geradas são transmitidas de nó a nó (ponto a ponto) até atingir o nó de comunicação destinatário. A única

decisão necessária em cada nó de comunicação é a capacidade de reconhecer o seu próprio endereço nas mensagens que circulam pelo anel e copiar as que lhe são destinadas, conforme a Figura 1.7. Entre as características dessa topologia, estão:

• Nós de comunicação ativos (repetidores);
• Canal de transmissão fechado.

Vantagens:

• Em relação à topologia em estrela, permite uma redução considerável quanto ao custo e complexidade de instalação do meio físico de transmissão, pois, na topologia em anel, esses suportes são constituídos de vários segmentos ponto a ponto entre pares de nós de comunicação adjacentes;
• Se a estação de monitoração falha, a rede permanece em operação já que é possível designar outra estação de trabalho para executar essa tarefa;
• Outras redes em anel podem ser interligadas através de pontes que trocam os dados entre um anel e outro.

Desvantagens:

• É relativamente mais difícil acrescentar novas estações de trabalho;
• O fato de cada nó de comunicação participar do processo de transmissão coloca a confiabilidade da rede dependente da confiabilidade individual dos elementos repetidores distribuídos pelos nós de comunicação.

Figura 1.7. Topologia em anel

Algumas dessas redes podem ser: anel-estrela, barramento-estrela, multianel, árvore de barramentos entre outras.

1.6 Equipamentos de interligação de redes

Repetidor: Dispositivo não inteligente que simplesmente copia dados de uma rede para outra, fazendo com que as duas redes se comportem logicamente como uma rede única. São usados para satisfazer restrições quanto ao comprimento do cabo, por exemplo.

• Hubs: Servem para conectar os equipamentos que compõem uma LAN. Os equipamentos interligados a um hub pertencem a um mesmo segmento de rede. Se tivermos 10 usuários em um segmento de 100Mbps, cada usuário usufruirá em média de 10Mbps. Cada hub possui de 4 a 24 portas 10Base-T com conectores RJ-
• Ponte (Bridge): Segmenta uma rede local em sub-redes com o objetivo de reduzir tráfego ou converter diferentes padrões de camadas de enlace (Ethernet para Token Ring por exemplo).
• Switch: São os dispositivos de mais amplo espectro de utilização, para segmentar a rede a baixo custo, sem necessidade de roteamento. Sua maior limitação está em não permitir broadcasting entre segmentos.
• Roteador: Usado para interligar duas redes que possuem a mesma camada de transporte, mas camadas de rede diferentes. Os roteadores decidem sobre qual caminho o tráfego de informações (controle e dados) deve seguir.
• Gateway: Usado para dar acesso à rede a um dispositivo não OSI. É na realidade um conversor de protocolos.

1.7 Métodos de acesso ao meio

Acesso ao meio é o processo de controle da rede que define as regras que determinam quando os equipamentos da rede podem transmitir. Os três métodos de acesso ao meio mais utilizados de são:

• Passagem da Ficha (Token Passing): um conjunto de dados, denominado token, é transmitido de modo ordenado de um equipamento para outro, conforme a Figura 1.9. A passagem do token distribui o controle de acesso entre os dispositivos da rede. Cada um deles sabe de qual dispositivo está recebendo o token e para onde deve passá-lo. Cada equiapamento recebe periodicamente o controle do token, realiza

suas tarefas e retransmite o token para que outro equipamento o utilize. Os protocolos limitam o tempo que cada dispositivo tem para controlar o token.

Figura 1.9. Passagem da ficha

• Polling: este método designa um dispositivo, chamado de mestre, como um controlador de acesso ao meio de transmissão, conforme a figura 1.10. Este dispositivo consulta cada um dos dispositivos, chamados de escravos, numa determinada seqüência preestabelecida.

Figura 1.10. Polling

• Detecção de Colisão: neste método o acesso ao meio deve ser permitido para o primeiro que chegar. O sistema de disputa é projetado para que todos os dispositivos da rede possam transmitir sinais sempre que desejarem, conforme a Figura 1.11. Como conseqüência ocorrem colisões entre mensagens, o número de colisões aumenta geometricamente com o aumento dos equipamentos na rede.

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2. Camada de Apresentação Formata os dados de tal forma a compatibilizá-los com a camada de aplicação. São exemplos de funções implementadas por esta camada: conversão de códigos (ASCII para EBCDIC, por exemplo), criptografia para segurança de dados, compressão de dados, etc. Um dos serviços fornecidos é o de terminal virtual que fornece um mapeamento dos recursos de um terminal real para outro virtual.
3. Camada de Sessão Provê o gerenciamento de diálogos sincronizando conversações, quando um nó fim mantém mais de uma conexão lógica com outro nodo fim. Foi padronizada pela norma ISO 8372. Um exemplo seria quando o estudante A estabelece uma conexão telefônica com o estudante B e várias pessoas em cada casa desejam participar da conversação através de extensões telefônicas. Os estudantes desejam conferir seus trabalhos de casa, as mães querem trocar receitas e os pais falar de negócios. Cada conversação constitui uma sessão.
4. Camada de Transporte É a responsável pela transferência de dados livre de erros entre as entidades fim a fim. Entre as funções implementadas neste nível temos:

• Segmentação da mensagem em unidades menores, controle do seqüenciamento dos pacotes e reagrupamento das mensagens;
• Controle de fluxo de informação;
• Detecção e correção de erros;
• Multiplexação e Demultiplexação de conexões;
• Mapeamento dos endereços de nível de transporte para o nível de rede.

5. Camada de Rede É responsável pelo roteamento e transferência dos dados aqui denominados de pacotes de um nó da rede para outro, via o sub sistema de transmissão. As principais funções são:

• Controle de fluxo;
• Seqüenciamento de pacotes;
• Detecção e correção de erros de pacotes.

O serviço típico oferecido é o de circuito virtual que corresponde a um canal de comunicação dedicado entre as duas estações comunicantes.

6. Camada de Enlace Fornece um canal de comunicação entre duas entidades comunicantes. Os dados são organizados em unidades denominadas “quadros”. Outra função importante desta camada é o controle de acesso ao meio de transmissão compartilhado.
7. Camada Física Responsável pela transferência de bits pelo meio físico de transmissão. Se preocupa com as características mecânicas e elétricas da transmissão. Os meios físicos mais utilizados em automação industrial são o cabo coaxial, o par trançado e a fibra óptica.

1.9 Protocolos

Na comunicação de dados digitais, as coisas acontecem de modo mais complicado que na comunicação analógica, pois se quer usar a capacidade digital de comunicação de:

• Transmitir vários sinais simultaneamente;
• De modo bidirecional;
• Em um único meio (fio trançado, cabo coaxial, cabo de fibra óptica);
• De modo compartilhado por todos os sinais de informação. Em vez de sinal, fala-se de protocolo.

Protocolo é um conjunto de regras semânticas e sintáticas que determina o comportamento de instrumentos funcionais que devem ser interligados para se ter uma comunicação entre eles. Na arquitetura OSI, protocolo é o conjunto de regras que determina o comportamento de entidades na mesma camada para se comunicarem. Muitos protocolos são proprietários, ou seja, o protocolo foi desenvolvido por determinado fabricante isolado ou em conjunto com outros fabricantes. Somente o fabricante pode legalmente fabricar e usar o equipamento com este protocolo. A não ser que sejam desenvolvidas interfaces especiais, instrumentos com diferentes protocolos não podem ser interligados para uso em uma mesma rede. A razão mais óbvia para a variedade de protocolos é que eles têm sido projetados para diferentes aplicações em mente e otimizados para características específicas tais como segurança, baixo custo, alto número de dispositivos conectados. Portanto, cada protocolo pode ter vantagens para atender prioridades de uma determinada aplicação. A não ser que um único protocolo se torne padrão (e isso não vai acontecer), é necessário que os fabricantes forneçam interfaces para os diversos protocolos em uso. Atualmente, é comum o protocolo se tornar aberto, deixando de ser proprietário.

CAPÍTULO II

2 Redes industriais

A estrutura da automação industrial baseia-se na pirâmide organizacional, conforme a Figura 2.1, em que são criadas ilhas restritas de informações. Essas ilhas de informações caracterizam-se por sistemas onde o hardware e o software utilizados são proprietários, isto é, na maioria das vezes são fornecidos por apenas um fabricante, fazendo com que o cliente fique vinculado a esse fornecedor. Esse tipo de solução causa enormes prejuízos às empresas, uma vez que a conectividade e a integração com outros equipamentos, que não os do próprio fornecedor, tornam-se muito complicadas e, muitas vezes, impossíveis de serem realizadas, seja pelo alto custo da solução ou por uma simples incompatibilidade técnica. A criação dos chamados "gargalos de informações" também é uma das complicações geradas por essa estrutura. Muitas vezes a informação necessária para uma total integração já existe na fábrica e o problema ocorre quando os diversos sistemas devem ser integrados. Uma tendência nos sistemas atuais é a integração destas ilhas de informação tanto a nível horizontal quanto vertical. Nesse sentido a utilização de Ethernet e um protocolo padrão como o TCP/IP facilita em muito a integração desses dados.

Figura 2.1 Estrutura da automação industrial

NÍVEL DE

CAMPO

NÍVEL DE

CONTROLE

NÍVEL DE

PLANTA

A outros níveis

Rede de Controle

Rede de Planta

Rede de Campo

Em função dos dispositivos conectados é possível dividir as redes industriais em três tipos, conforme a Figura 2.2:

• Redes de Sensores ou Sensorbus - são redes apropriadas para interligar sensores e atuadores discretos tais como chaves limites (limit switches), contactores. São exemplos de rede Sensorbus: ASI, Seriplex, CAN e LonWorks.
• Redes de Dispositivos ou Devicebus - são redes capazes de interligar dispositivos mais genéricos como CLPs, outras remotas de aquisição de dados e controle, conversores AC/DC, relés de medição inteligentes, drivers dos mais variados. Exemplos: Profibus-DP, DeviceNet, Interbus-S, SDS, LonWorks, CAN, ControlNet, ModbusPlus.
• Redes de Instrumentação ou Fieldbus - São redes concebidas para integrar instrumentos analógicos no ambiente industrial, como transmissores de vazão, pressão, temperatura, válvulas de controle, entre outros instrumentos. Exemplos: Foundation Fieldbus-H1, HART e Profibus-PA.

Figura 2.2 Tipos de redes de campo

Em relação à faixa de aplicação, a ethernet possui a maior faixa das redes existentes, conforme pode ser observado na Figura 2.3. Em função disso, ela tende a ser cada vez mais utilizada em redes de campo. Embora a Ethernet não tenha sido desenvolvida para ser uma rede industrial, pela sua característica de ser não determinística no tempo, ela já possui padrões desenvolvidos para um ambiente industrial, conforme será visto mais adiante.