Instrumentista de Sistemas-Informatica Industrial

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SCHNEIDER, Guilherme Alceu

STEBEL, Sergio Leandro Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR, 2006.

46 p.:il.

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Av. Almirante Barroso, 81 – 17º andar – Centro CEP: 20030-003 – Rio de Janeiro – RJ – Brasil

1 Princípio de comunicação de dados5
1.1 Tipos de sinais5
1.2 Meio físico de transmissão6
1.2.1 Par trançado6
1.2.2 Cabo coaxial6
1.2.3 Cabo de fibra óptica7
1.3 Transmissão de dados8
1.3.1 Comunicação simplex8
1.3.2 Comunicação Half duplex8
1.3.3 Comunicação Full duplex8
1.4 Tipos de redes de computadores9
1.5 Topologia física e lógica9
1.5.1 Estrela10
1.5.2 Anel10
1.5.3 Barramento12
1.5.4 Configurações híbridas12
1.6 Equipamentos de interligação de redes13
1.7 Métodos de acesso ao meio13
1.8 Modelo de referência OSI15
1.9 Protocolos17
2 Redes industriais19
2.1 HART21
2.2 PROFIBUS (Process Field Bus)24
2.3 Foundation Fieldbus29
2.4 Tecnologia Ethernet3
2.5 TCP/IP34
2.5.1 IP35
2.5.2 TCP36
3 Sistemas supervisórios38
3.1 Definições38
3.2 Elementos de um sistema de supervisão39
3.3 Exemplos de sinóticos41

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.

O dados são transmitidos através de dois tipos de sinais: • Banda base;

• Banda larga.

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.

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.

O meio físico de transmissão cai em três categorias genéricas: • Par trançado;

• Cabo coaxial;

• Cabo de fibra óptica.

O par trançado consiste de dois fios condutores elétricos, cada um coberto por isolante. Os dois fios são trançados juntos para garantir que eles estão igualmente expostos aos mesmos sinais de interferência no ambiente. Como os fios transportam corrente em sentidos opostos (par trançado), a interferência elétrica tende a se cancelar no cabo. O par trançado é o cabo mais comum usado em sistemas de automação. Ele é o meio mais barato e fornece adequada imunidade à interferência eletromagnética. Os dois tipos de cabo de pares trançados são:

• Não revestido (comum ou UTP), conforme a Figura 1.1;

• Revestido (comum ou STP), conforme a Figura 1.2.

Figura 1.1. Par trançado UTP Figura 1.2. Par trançado STP

O cabo coaxial consiste de um fio condutor elétrico envolvido por material isolante elétrico e por uma blindagem metálica condutora rígida, em forma de tubo, conforme a Figura 1.3. Em muitos casos, o cabo inteiro é coberto por um isolante. O condutor central e o tubo circular externo são coaxiais, ou seja, ambos compartilham o mesmo eixo central. O cabo coaxial é usado nos sistemas 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

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

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:

• Half duplex;

• Full duplex.

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.

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.

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.

Figura 1.5. Transmissão de dados

As redes podem ser classificadas de várias formas. A mais comum é quanto sua área de abrangência. Dessa forma, podem ser:

LAN (Local Área Networks) - redes locais de computadores: como o próprio nome sugere, são redes que estão restritas a uma única localidade (distâncias geográficas pequenas), como por exemplo, um escritório, fábrica ou prédio. Em geral, as LANs caracterizam-se pela alta taxa de transmissão (acima de 1 Mbps), baixo índice de erros, tempo de atraso pequenos, uso de suportes de transmissão baratos e todos computadores ligados diretamente à rede. As topologias mais utilizadas são: estrela, anel e barramento.

MAN (Metropolitan Area Networks) - redes metropolitanas: são redes que abrangem a área de uma cidade. Utiliza-se de enlaces urbanos para a interconexão das redes que a compõem. As Redes Metropolitanas são intermediárias às LANs e WANs, apresentando características semelhantes às redes locais e, em geral, cobrem distâncias maiores que as LANs. Um bom exemplo de MAN são as redes de TV a cabo. Empregam, normalmente, meios de transmissão como cabos ópticos e coaxiais, operando com taxas típicas de 10Mbps.

WAN (Wide Area Networks) - surgiram da necessidade de se compartilhar recursos por uma comunidade de usuários geograficamente dispersos. São, portanto, redes distribuídas em áreas amplas (distâncias geográficas grandes), como um estado, um país, ou mesmo conectando países. A comunicação para o constituição das WANs pode se dar via satélite, linhas telefônicas, sistemas de microondas, ou seja, o acesso se dá através de nós de rede. Normalmente, caracterizam-se por terem tempos de atraso grandes, baixas velocidades de transmissão (dezenas de kilobits, podendo chegar a Megabits/segundo) sendo redes de propriedade pública.

A topologia física representa a estrutura física do meio de transmissão, ou seja, como os equipamentos estão fisicamente conectados. Já a estrutura lógica descreve a maneira como a rede transmite a informação de um equipamento aos demais. Os equipamentos de interligação de redes

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.

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

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

Nesta topologia, o meio físico de comunicação é composto por um único segmento de transmissão multiponto, chamado backbone, compartilhado pelas diversas estações interconectadas ao backbone usando conectores em forma de T. O backbone é terminado nas extremidades (terminador – circuito RC). Na topologia em barramento também não há a necessidade de decisões de roteamento e armazenamentos intermediários, conforme a Figura 1.8.

Vantagens: • É fácil acrescentar novas estações de trabalho ou novos nós de comunicação;

• É a topologia que necessita da menor quantidade de cabos (suportes de transmissão);

• A falha de uma estação de trabalho ou nó de comunicação não paralisa a rede.

Desvantagens:

• Geralmente deve existir uma distância mínima entre os ramais das estações de trabalho para evitar a interferência de sinais;

• Existem dificuldades para a realização de diagnósticos da rede;

• A segurança da rede pode ser comprometida por um usuário não autorizado pois todas as mensagens são enviadas ao longo de uma pista comum de dados.

Figura 1.8. Topologia em barramento

1.5.4 Configurações híbridas

Resultam da associação de características das topologias básicas (anel, barramento, estrela), com o propósito de superar certas limitações destas últimas, tais como:

• Incompatibilidade tecnológica com o meio de transmissão;

• Dificuldades de operação e manutenção;

• Limitações no número de estações e no alcance das redes;

• Confiabilidade.

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

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- 45.

• 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 1.1. Como conseqüência ocorrem colisões entre mensagens, o número de colisões aumenta geometricamente com o aumento dos equipamentos na rede.

Figura 1.1. Detecção de colisão

Com o objetivo de uniformizar os padrões e modelos adotados pelos protocolos de rede, foi desenvolvido o Modelo de referência OSI (Open Systems Interconnection). Este modelo é baseado na proposta da International Standards Organization (ISO), como um primeiro passo na direção da padronização internacional dos vários protocolos. O modelo trata dos sistemas abertos de conexão, ou seja, sistemas que são abertos para comunicação com outros sistemas. Por comodidade, é chamado de modelo OSI. O sistema OSI tem sete camadas:

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