Treinamento em Redes de Automação - Petrobras - Parte 1

Treinamento em Redes de Automação - Petrobras - Parte 1

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Sinais digitais:

São aqueles para os quais a variação de tensão é permitida dentro de certos valores discretos, ou seja, uma quantidade finita de valores entre dois instantes, como um sinal elétrico proveniente da leitura de um disco laser, por exemplo.

Os sinais digitais podem ser binários, caso os valores discretos de tensão possíveis de serem assumidos sejam apenas dois, como é o sinal elétrico utilizando em Lógica Digital TTL que admite apenas dois níveis de tensão, 0v e 5v.

Tipos de sinais.

As vantagens de se utilizar um tipo de sinal sobre outro, para a transmissão de dados, irá depender apenas da aplicação. Em telecomunicação, utiliza-se muito a transmissão analógica; já em automação industrial é mais comum encontrar-se a transmissão digital. Entretanto, com o avanço tecnológico, existe uma certa tendência a se utilizarem sinais digitais mesmo em sistemas que exibem naturalmente uma característica analógica, como telefone e TV, com o emprego de conversores analógicos - digitais e digitais - analógicos.

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História da transmissão de sinais

Nos alvores pré-história o Homem não dispunha senão da voz para comunicar à

A dispersão do Homem sobre o planeta Terra e a necessidade de se sentir acompanhado conduziu à invenção de meios de comunicação à distância. distância. Depressa se constatou que o alcance da voz era muito reduzido e lançou-se mão da percussão do tambor, segundo um código simples, perdendo qualidade na transmissão, mas ganhando um alcance maior. A utilização de fogueiras permitia a comunicação a distâncias superiores a 20 quilômetros, mas o código era muito elementar e o conteúdo da mensagem muito incipiente. Uma solução de compromisso entre qualidade e alcance foi conseguida pela utilização de estafetas.

Em 1794, Chappe inventa o telégrafo óptico que, utilizando um código elaborado, permitiu a ligação telegráfica regular entre Paris e Lille transmitindo mensagens completas num intervalo relativamente curto, isto se não houvesse nevoeiro, se não fosse noite ou se o encarregado do posto de retransmissão estivesse presente e não se enganasse.

A descoberta da eletricidade permitiu a Samuel Morse inventar o telégrafo "por fios" em 1832. A mensagem completa era transmitida a grandes distâncias e instantaneamente, segundo um código binário (impulsos longos e curtos = traços e pontos), denominado alfabeto Morse. A recepção da mensagem apenas dependia da presença do telegrafista de serviço junto do aparelho receptor. O quantitativo de erros estava diretamente correlacionado com a aptidão profissional de cada um dos telegrafistas que atuavam como emissor e receptor da mensagem.

Em 1844 é construída a primeira linha telegráfica ligando Baltimore e Nova York.

Em 1850 realiza-se uma tentativa para lançar um cabo telegráfico submarino entre a França e a Inglaterra e, em 1866, a Nova Inglaterra e a Irlanda são ligadas através de um cabo telegráfico submarino encurtando-se assim a distância entre o continente Americano e a Europa.

Em 1876, Graham Bell inventa o telefone permitindo a transmissão da voz à distância sob a forma de impulsos elétricos analógicos. Os utentes passam a emissores e receptores de mensagens em alternância sobre uma linha telefônica. Cedo se verificou que a distância a que se podia estabelecer a comunicação telefônica era inferior à disponível no telégrafo de Morse. Esta restrição era devida a fenômenos de auto-indução elétrica e geração de correntes parasitas que, progressivamente, foram sendo eliminados pela utilização de novas técnicas.

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Características de sistemas de comunicação de dados digitais

Sistemas de comunicação de dados digitais estão baseados no envio de informações (letras, números ou símbolos especiais) de um ponto a outro através da utilização de sistemas binários de codificação.

Sinais digitais possuem “protocolos”, os quais devem possibilitar a correta conversação entre o equipamento emissor e receptor. Essa linguagem comum é dada por uma interface, um conjunto de normas e especificações que determinam as características do sinal.

Um componente intrínseco sem o qual um sistema de comunicação não se constitui é sua via de comunicação. Hoje em dia, em sistemas industriais são utilizadas basicamente três tipos de vias: · Fios ou pares condutores.

· Rádio transmissão.

· Fibra óptica.

Transmissão através de par condutor

Os cabos elétricos são, em geral, os meios mais utilizados na comunicação de sinais digitais. Possuem características de construção diferenciada de forma a atender as diversas características de impedância exigidas pelos diversos equipamentos disponíveis no mercado.

Cabo de pares trançados não blindados ( UTP ):

Quando sinais CA ou pulsantes são transmitidos em um par de fios de um cabo multipar, é possível que se sobreponham sinais em pares adjacentes. Isto é chamado cross-talk. Para prevenir isto, cada par no cabo deve ser trançado. A trança cancelará os sinais não desejados.

Cabo UTP.

Cabo de pares trançados blindados ( STP ):

Tem a mesma característica do cabo UTP, com o acréscimo de um malha de fios metálicos ou material poliéster metalizado, normal mente combinado com fio de dreno

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Redes de Automação – Treinamento Petrobrás com terminação para terra, para se prevenir contra correntes induzidas por componentes elétricos.

Cabo STP. Cabos coaxiais:

Possuem um condutor central envolvido por um condutor externo, tipo tubo. Tem vantagens nítidas sobre pares trançados quando altas freqüências e bandas largas são características do sistema de transmissão (largura de banda é função do número de sinais que devem ser manipulados por uma rede em um dado período).

Cabo coaxial.

Cabos coaxiais devem ser manipulados cuidadosamente quando instalados; se o tubo externo for dobrado ou achatado a impedância do cabo pode mudar, degradando o sinal. Instalado apropriadamente, tem vida longa e útil, transportando grande quantidade de informação, por longas distâncias.

Cabos que conduzem sinal elétrico sempre interagem com o mesmo. Não importa o tipo de cabo, ou o material que o compõem (cobre, prata, ouro, carbono, etc.), não existe cabo elétrico que seja verdadeiramente neutro, que não interfira no sinal. Sinais elétricos são transmitidos através das vibrações dos elétrons que compõem o cabo. O número de elétrons pelo caminho, grau de pureza do material, arranjo molecular, freqüência do sinal e temperatura ambiente são fatores que afetam a propagação em cabos elétricos.

Além de fatores intrínsecos à construção dos cabos, a transmissão pode ser afetada também por componentes externos. A todos estes componentes que afetam uma transmissão damos o nome de ruído.

Ruído pode ser definido como um sinal indesejável que está sempre presente em um sistema de comunicação. Pode ser classificado como:

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Redes

Isolador galvânico.

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Os acopladores ópticos têm a função básica de proteger partes sensíveis de um dispositivo contra surtos que possam exceder o valor máximo suportável pelo equipamento, comprometendo assim sua integridade. Em geral, utilizam-se acopladores ópticos para proteção de entradas discretas (digitais) de equipamentos. Os acopladores ópticos são constituídos basicamente de um foto transistor e um diodo emissor de luz, de forma que o sinal acoplado é isolado completamente da fonte emissora.

Placa com acopladores ópticos. Transmissão através de sistemas de rádio

Um sistema de rádio comunicação é constituído basicamente por equipamentos de rádio transcepção e antenas. Em geral, os dados transmitidos modulam portadoras analógicas de faixas de freqüência distintas. Por isto, também são utilizados moduladores e demoduladores de dados que muitas vezes são partes integrantes de um mesmo equipamento, constituindo o que podemos chamar de rádio-modem.

Rádio modem industrial.

Através de sistemas de comunicação de dados podemos desenvolver muitas topologias, que irão definir algumas características do sistema de rádio comunicação como velocidade e imunidade a ruído. Basicamente podemos ter as seguintes topologias:

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Sistema de rádio comunicação convencional:

O sistema de rádio comunicação convencional possibilita transmissão e recepção de forma alternada, nunca simultânea. Esta característica deve-se ao fato de os transmissores e receptores do equipamento transceptor trabalharem em uma mesma freqüência. Uma vez emitida uma portadora através de um canal de freqüência, este canal não poderá ser ocupado, sob o risco de interferência, até que a transmissão emitida seja concluída. É um sistema de transmissão simples, mas que devido a sua simplicidade, exige que o protocolo utilizado trate os sinais de controle para que seja possível um gerenciamento da transmissão e recepção. O canal de freqüência utilizado não poderá ser compartilhado por uma outra rede, o que limita sua extensão de atuação.

Sistema de rádio comunicação com utilização de duas freqüências:

É constituído basicamente pelas mesmas componentes do sistema convencional, porém, os transceptores utilizam freqüências distintas para transmissão e recepção o que possibilita transmissão e recepção simultânea dos dados. Um sistema de rádio comunicação com utilização de duas freqüências acrescenta velocidade quando comparado aos sistema convencional e também demanda um tratamento menos sofisticado dos sinais de controle do protocolo utilizado. Porém, os canais de freqüência utilizados, continuam não podendo ser compartilhados por outras redes, o que limita mais ainda a sua extensão de atuação.

Protetor de surtos para antenas. Sistema de espalhamento espectral:

Também conhecido como spread-spectrum. O sistema de espalhamento espectral tem como principal vantagem o compartilhamento de canais de freqüência com um índice de interferência reduzido. Isto é conseguido devido ao fato de que o sistema transceptor alterna continuamente os canais de transcepção permanecendo em cada canal por um tempo bem reduzido, o que possibilita que outras redes compartilhem este mesmo canal através de um sistema semelhante. Basicamente são utilizadas duas técnicas:

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· Seqüência direta : Onde a o sinal a ser emitido é multiplicado por um código pseudo-aleatório, todos os transceptores do sistema possuem esta mesma tabela de códigos o que possibilita a codificação do sinal no sistema transmissor e sua posterior decodificação no sistema receptor. Esta técnica diminui sensivelmente as possíveis interferências por possuir um sistema de correção de erros intrínseco.

· Salto de freqüência (frequency hooping): A portadora que carrega o sinal a ser transmitido é orientada a saltar através de uma única seqüência entre diferentes freqüências, esta alternância é simultânea entre todos os transceptores do sistema.

Dispositivos que utilizam o espalhamento espectral para difusão de informações geralmente possuem baixa potência de transmissão.

Sistema híbrido:

São desenvolvidos a partir da junção de componentes dos sistemas já citados, procurando-se integrar as características de cada um à necessidade do sistema de comunicação.

Um sistema de comunicação através de rádios possui uma grande susceptibilidade a surtos, principalmente de origem atmosférica que podem, ocasionalmente, atingir a antena do equipamento, para minimizar as perdas em casos como este, fazemos uso de protetores específicos para antenas, que devem ser adquiridos levando-se em conta entre outros fatores, a faixa de freqüência em que o equipamento opera.

Transmissão através de fibras ópticas

A fibra óptica é um filamento de vidro com diâmetro bastante reduzido, feito de quartzo de alta pureza, com duas partes principais: o núcleo, por onde se propaga a luz, e a casca, que serve para manter a luz confinada no núcleo. As duas camadas têm índices de refração diferentes, permitindo que o feixe de luz que entra por uma das extremidades (emitido por um dispositivo externo como, por exemplo, um laser), seja confinado no núcleo e conduzido, com baixíssimas perdas, até a extremidade oposta (onde é detectado por outro dispositivo externo (como por exemplo, um foto-diodo), que fará a conversão da energia luminosa, em corrente elétrica). O tamanho do cabo de fibra óptica determina seu modo de operação e suas perdas. Fibras single-mode têm um diâmetro muito pequeno em relação à casca. Fibras multi-mode têm um núcleo largo em relação à casca. Os termos single-mode e multi-mode referem-se ao número de caminhos que a luz pode tomar para alcançar o outro lado.

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Modo Núcleo (m) Casca (m)

Single-mode 8 125 Multi-mode 50 125 Multi-mode 62.5 125 Multi-mode 100 140

Relação entre núcleos e cascas de fibras ópticas.

A fibra óptica é praticamente imune às influências do meio ambiente por onde está passando (água, irradiações, interferências com outros cabos e com outras fibras). Imunidade total a interferência eletromagnética (EMI) e interferência por radiofreqüência (RFI). Não gera campos magnéticos e eletromagnéticos. Insensível a relâmpagos e descargas atmosféricas. Segura mesmo em contato com condutores de alta voltagem, pois é totalmente dielétrica. Muito segura contra grampeamento (roubo de informações) e suporta grandes distâncias entre repetidores.

A fibra óptica surgiu para ser a resposta para a maioria das aplicações industriais.

Porém,

As desvantagens do uso dessa topologia: · Qualquer problema no cabo ou em alguma placa da rede, fatalmente irá paralisar totalmente o tráfego. · Sua manutenção nesse caso fica ainda comprometida pelo fato de não se saber exatamente a localização do ponto do cabo ou qual placa da rede com defeito.

Topologia bus.

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Topologia em anel

Neste tipo de topologia, todos os equipamentos são interligados entre si no formato físico de um anel.

As vantagens do uso dessa topologia: · Se houver algum problema com a rede local, poderá existir uma rota alternativa, dependendo da implementação, como para o acesso a uma determinada CPU.

As desvantagens do uso dessa topologia: · Dificuldade no acréscimo ou retirada de estações de trabalho devido ao fato de ter que se abrir o anel.

Topologia em anel.

Topologia em estrela

Este tipo de rede possui sua configuração como uma combinação das configurações das redes tipo Bus e Anel.

As vantagens do uso dessa topologia: · Alta confiabilidade e segurança, já que cada uma das estações da rede possui seu próprio cabo de acesso a rede. · Qualquer problema num ramo irá paralisar somente a ele mesmo, não interferindo no restante da rede. · Facilidade no acréscimo de novas estações de trabalho.

· Manutenção simplificada, devido ao fato que qualquer problema em determinado

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Redes de Automação – Treinamento Petrobrás conjunto de cabo, placa ou CPU, será facilmente detectado.

As desvantagens do uso dessa topologia: · Maior quantidade (comprimento) de cabos para interligar um determinado grupo de estações de trabalho do que na topologia Bus. · Necessidade do uso de um concentrador de fiação ( HUB ).

Topologia em estrela.

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3 Redes – Dispositivos de Conexão

Uma rede de computadores é basicamente um conjunto de dispositivos microprocessados ligados entre si de forma a possibilitar o armazenamento, recuperação, e partilha de informação pelos seus utilizadores. Os dispositivos envolvidos são: Computadores, servidores, impressoras e dispositivos de armazenamento de dados, entre outros. Numa rede, um nó é um ponto de ligação, distribuição ou ponto terminal. De forma geral, um nó tem a capacidade de processar, reconhecer ou transmitir os dados para outros nós.

As redes trouxeram novas facilidades de processamento de informação, permitem utilizar as potencialidades de diversos equipamentos, assim como as capacidades dos seus utilizadores independentemente da sua localização geográfica. Uma rede local permite o processamento de informação de uma forma mais rápida e econômica que anteriormente. É possível reduzir o dinheiro gasto na aquisição de hardware, pois a partilha de periféricos possibilita ter menos e melhores periféricos, desta forma, o tempo necessário à gestão e manutenção do sistema também é reduzido. Uma rede bem concebida permite controlar os acessos aos recursos da rede, desta forma, é possível defender níveis de acesso para os diversos recursos.

As redes podem classificar-se quanto à topologia de organização que apresentam, podendo ter uma topologia em barramento, anel, ou estrela. É ainda possível caracterizar as redes quanto à distribuição espacial como sendo redes locais vulgarmente designadas de LAN ( Local Area Network ), redes metropolitanas também designadas de MAN( Metropolitan Area Network ), e por último as redes de grande distribuição geográfica também designadas de WAN ( Wide Area Network ).

Uma rede é também caracterizada pela tecnologia que utiliza na transmissão física dos dados, pode utilizar a tecnologia Ethernet, ARCNET, FDDI, Token Ring, etc. Pode ainda caracterizar-se uma rede pelo tipo de dados que transporta (voz, dados, ou ambos), por quem pode utilizar a rede (pública, ou privada), qual a natureza das ligações (telefone, comutação dedicada, sem comutação, ou ligações virtuais), tipos de ligações físicas (fibra óptica, cabo coaxial e fio de cobre).

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Consideramos dispositivos de conexão todo equipamento envolvido na transmissão da informação de um ponto a outro da rede, como exemplo de dispositivos de conexão podemos citar: HUB’s, roteadores, bridges, repetidorese e gateways.

O HUB é uma parte importante de um sistema de cabeamento estruturado. Os primeiros tinham o mesmo nível de funcionalidade. Sua principal função era implementar uma configuração em estrela. Os HUB’s atuais permitem, inclusive, gerenciamento de fluxo de dados na rede.

Repetidor: Quando deseja-se distâncias superiores as permitidas por um padrão elétrico de transmissão utiliza-se um repetidor, sua função é ligar dois segmentos de rede, regenerando o sinal e permitindo que distâncias maiores sejam atingidas.

Bridge:

A bridge (ponte) é um dispositivo utilizado para interligar duas redes para que elas atuem como se fossem uma única rede. Atuam no controle de fluxo, detecção e opcionalmente correção de erros de transmissão e endereçamento físico. Sua aplicação está na segmentação de redes extensas de diferentes topologias ou simplesmente para interligação de redes com diferentes tipos de cabos.

Roteador:

O roteador tem uma função parecida com a da bridge (interligar redes). A diferença é que os roteadores trabalham de maneira mais inteligente. Um roteador conhece os endereços de todos os dispositivos interligados na rede, inclusive de outros roteadores. A principal vantagem deste dispositivo é que ele consegue traçar a melhor rota de envio de dados na rede, diminuindo assim o tráfego intenso.

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Gateway: Um gateway é um dispositivo que faz a interligação de duas redes que utilizam protocolos diferentes.

Proxy: O proxy é um intermediário que atua como cliente/servidor e que permite acesso a redes exteriores a nossa rede. Um proxy funciona como um gateway, a diferença, é que para o usuário, o acesso a rede externa através do proxy é mascarado, ou seja, na realidade, o usuário acessa o servidor e o servidor é que acessa a rede externa.

Firewall:

É um sistema informático constituído por hardware e software específico, cuja função é reforçar a segurança entre duas redes. O objetivo principal é evitar que dispositivos externo

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