Redes de Comunicação Industrial: Conceitos e Protocolos

Tecnologias substituídas e principais vantagens

P: Diga que tecnologia as redes de comunicação industrial vieram substituir e quais as principais vantagens que apresentam.

R: Anteriormente, a primeira tecnologia de comunicação industrial era o controlo centralizado, cuja principal desvantagem era a existência de quilómetros de cabos e milhares de conexões com pontos de falha. Devido à maior competitividade e à revolução da informática, houve a substituição por controladores programáveis (PLCs) e por PCs de supervisão.

A introdução do microprocessador e de microcontroladores de baixo custo, fiáveis e com interfaces que permitem suportar um largo espectro de funcionalidades, trouxe várias vantagens. Nas comunicações digitais há capacidade de transferir vários tipos de informação, suporte para deteção de erros e interligação de um elevado número de pontos de produção e consumo de informação. Um fator chave destes sistemas é a facilidade de transferir a informação para diferentes locais, a alta velocidade de processamento, hardware cada vez mais confiável e ampla oferta de recursos de programação.

Pirâmide de redes: razão da variedade

P: A estrutura de comunicação de uma empresa pode ser representada através de uma pirâmide que inclui diferentes tipos de rede. Diga qual a razão para a existência desta variedade de redes ao longo da estrutura da empresa.

R: A variedade de redes existe porque cada nível hierárquico tem requisitos diferentes em termos de quantidade de dados, tempo de resposta e finalidade das comunicações. Exemplos típicos:

• Nível mais baixo — Rede de Campo: nestas redes transferem-se apenas poucos bytes de informação; aplicam-se à execução do processo de produção, com requisitos temporais muito exigentes (milissegundos ou microssegundos).
• Rede de Célula: situam-se nos níveis intermédios da estrutura hierárquica. Fazem a ligação dos equipamentos responsáveis pela ordenação das operações de produção. Têm um volume de informação na ordem de Kbytes, tempos de transmissão em segundos e frequência de transações em horas ou minutos. Estabelecem comunicações com o nível mais baixo e com o nível mais alto.
• Rede de Fábrica: é o nível mais alto; possui megabytes de dados e, geralmente, não apresenta requisitos temporais rígidos, residindo num intervalo que varia desde minutos até horas. Interliga os principais centros de decisão estratégica.

Tais diferenças (tempo de resposta, quantidade de dados, criticidade temporal) definem os critérios para escolher o tipo de rede a adotar.

RS-232 em instrumentação distribuída?

P: A interface RS-232 foi durante muito tempo uma interface de comunicações série fortemente implantada para troca de dados entre dispositivos. Considere que a RS-232 apresenta características para ser uma interface indicada para utilização em instrumentação distribuída? Justifique.

R: Não, em geral a RS-232 não é indicada para instrumentação distribuída moderna. O protocolo RS-232 tem sido suprimido em muitas aplicações locais pelo USB, que é mais rápido, possui conectores mais simples de usar e tem melhor suporte de software. A maior parte das motherboards destinadas ao uso em escritórios são produzidas sem circuitos RS-232. Ainda assim, o RS-232 continua a ser utilizado em periféricos para pontos de venda e na área industrial (dispositivos de controlo remoto). Computadores com esses fins ainda contêm portas RS-232, tanto on-board como em placas para barramentos PCI/ISA. As limitações do RS-232 incluem alcance reduzido, falta de tolerância a ruído industrial e comunicação ponto-a-ponto, o que o torna menos adequado para redes distribuidas e ambientes ruidosos.

KNX: definição, aplicações e vantagens

P: Diga o que é o KNX, campo de aplicação para que está direcionado e as principais vantagens tecnológicas que introduz nessa área.

R: KNX é uma rede baseada em modelo OSI e num conjunto de protocolos de comunicação para edifícios inteligentes (automação predial). O KNX está direcionado para o conforto e versatilidade na gestão de sistemas como:

• Iluminação
• Estores e persianas
• Sistemas de segurança
• Gestão de energia
• Sistemas AVAC
• Sistemas de monitorização
• Controlo remoto
• Contagem e medição
• Controlo áudio/vídeo e eletrodomésticos

As principais vantagens tecnológicas incluem interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes, flexibilidade na configuração, protocolos padronizados e robustez para aplicações de automação de edifícios.

Acesso ao meio: PROFIBUS, CAN e ASI

P: Apresente as diferenças que entende existir no controlo de acesso ao meio entre a rede PROFIBUS-DP e uma rede de CAN e ASI.

R:

• PROFIBUS: é uma rede de campo aberta, independente de fabricantes, adequada a uma larga variedade de aplicações de manufatura e processos de automação. Permite comunicação entre dispositivos de diferentes fabricantes sem ajustes especiais e pode ser usada em aplicações de tempo real que exigem alta velocidade e tarefas de comunicação complexas. Tipicamente usa mecanismos de acesso centralizado (masters) e ciclos de comunicação definidos na rede PROFIBUS-DP.
• ASI (Actuator-Sensor Interface): propicia a interligação de sensores e atuadores via uma rede de baixo custo, capaz de operar em ambientes industriais com ruído electromagnético. No nível de comando mais baixo, esta rede interliga sensores, contadores, chaves de partida, sinalizadores e botoeiras.
• CAN (Controller Area Network): é um protocolo muito utilizado na indústria em geral, principalmente pela sua abertura e baixo custo. CAN é um bus de comunicação multi‑mestre que permite topologia livre (bus ou com derivações). Identifica mensagens e não equipamentos: cada nó pode transmitir sempre que o bus estiver livre. A arbitragem é feita sem destruição de mensagens, através de prioridades definidas nas identificações das mensagens.
• CANopen: é uma especificação de perfil de dispositivo sobre CAN que inclui esquema de endereçamento, protocolos de comunicação e uma pequena camada de aplicação definida por perfis de dispositivo. Suporta gestão de redes, monitorização de dispositivos e comunicação entre nós, permitindo interoperabilidade entre aparelhos de diferentes fabricantes.

Codificações NRZ e Manchester: efeito no sincronismo

P: A nível da camada física é comum a codificação dos dados em NRZ ou em Manchester. Do ponto de vista do receptor, diga qual o efeito de cada uma destas codificações no seu sincronismo.

R: A codificação NRZ (Non-Return-to-Zero) é usada em interfaces de comunicação com baixa velocidade, tanto para transmissão assíncrona como síncrona. É denominada assim porque o sinal não retorna ao nível zero após uma transição provocada pelos dados a transmitir. Em NRZ, longas sequências de bits iguais podem levar à perda de sincronismo, pelo que são frequentemente usados métodos suplementares (bit stuffing, códigos de linha) para garantir transições suficientes para recuperação do relógio.

A codificação Manchester, por outro lado, integra o relógio nos próprios dados: cada bit contém uma transição no meio do intervalo de bit, o que facilita a extração do relógio no receptor e melhora o sincronismo. A Manchester é a técnica especificada para a Ethernet clássica (10BASE-T) e é muito útil em transmissões síncronas, pois cria referência temporal clara sem necessidade de um canal separado para o relógio.

Na transmissão síncrona é desejável ter uma única referência de tempo entre receptor e emissor durante cada transmissão; uma forma é enviar o relógio separadamente, outra é usar codificações que embarquem o relógio, como a Manchester. Na transmissão assíncrona, usam-se bits especiais (start e stop) que permitem ao receptor sincronizar a receção de cada carácter; o bit de start marca o início com uma transição, segue-se o carácter, um bit opcional de paridade para deteção de erros e o(s) bit(s) de stop que indicam o fim do carácter e permitem ao receptor preparar-se para o próximo.

Arbitragem do barramento CAN

P: Arbitragem do bus sem destruição da mensagem (CAN)

R: No CAN, pode ocorrer que mais do que um nó tente transmitir ao mesmo instante. Para evitar colisões e perda de mensagens, a comunicação é monitorizada durante o início da transmissão e existe um mecanismo de arbitragem que permite que apenas a mensagem com maior prioridade (identificador mais dominante) continue a ser transmitida. A arbitragem é non-destructive: os nós que perdem a arbitragem deixam de transmitir imediatamente, não há destruição da mensagem vencedora.

Descrição do CRC

P: Descrição do CRC?

R: CRC (Cyclic Redundancy Check) são códigos de deteção de erros. Princípios básicos:

• Cadeias de bits são tratadas como polinómios.
• k bits correspondem ao polinómio x^k + x^{k-1} + ... + x^0.
• A aritmética polinomial é feita em módulo 2 (soma e subtração = XOR).
• Transmissor e recetor devem concordar quanto ao polinómio gerador G(x).

O CRC deteta todos os erros simples e duplos, todos os erros com número ímpar de bits, e todos os erros em burst até um certo comprimento (dependente de G(x)). Com um simples circuito de deslocamento pode ser implementado eficientemente o cálculo do CRC.

Transmissor e recetor: uso do polinómio

P: transmissor e recetor

R: Transmissor e recetor devem concordar em relação ao polinómio gerador G(x). No receptor, T(x) é dividido por G(x). Caso haja erros, o pacote recebido será T(x) + E(x) (onde E(x) representa o erro). O resultado da divisão será E(x)/G(x); para que erros possam ser detetados, E(x)/G(x) deve ser diferente de zero (ou seja, a divisão não deve ser exata).

Códigos de redundância cíclica

P: Diga o que entende por códigos de redundância cíclica

R: (Nota: manter conteúdo original adaptado) A expressão "códigos de redundância cíclica" refere-se a mecanismos de verificação como o CRC que usam propriedades polinomiais cíclicas para deteção de erros. Em contextos de rede, há também transmissões cíclicas de dados entre mestres e escravos: lê-se ciclicamente as entradas de informação dos escravos e escreve-se neles a informação de saída. O tempo de ciclo da rede deve ser menor que o tempo de ciclo de programa do sistema de automação central (PLC), que para muitas aplicações é aproximadamente 10 ms. Para a transmissão cíclica de dados definidos pelo utilizador, o PROFIBUS DP disponibiliza funções para diagnóstico. A comunicação de dados é vigiada por funções de monitorização em ambas as partes (mestre e escravo).

Troca de mensagens na PROFIBUS-DP

P: Descreva como se processa a troca de mensagens de dados na rede PROFIBUS-DP?

R: A troca de informação entre um master e um slave está organizada em três fases principais:

1. Parametrização: responsável pela criação/definição de parâmetros dos dispositivos.
2. Configuração: organização do sistema e mapeamento das comunicações entre dispositivos (topologia, endereçamento, parâmetros de rede).
3. Troca de dados: comunicação de dados operacionais conforme configurado, incluindo mecanismos de diagnóstico e monitorização.

Configuração prática de uma rede PROFIBUS-DP

P: (Para quem tem o trabalho PROFIBUS DP) Diga como procedeu para configurar a rede em que trabalhou, descrevendo as ferramentas e os procedimentos efectuados.

R: Do passo 1 ao passo 5 realizou-se a configuração para o autómato Siemens S7-300, onde foram introduzidos a fonte de alimentação, a CPU e as entradas e saídas (neste caso digitais). Para a escolha no catálogo das entradas e saídas foi necessário ter em atenção à sua referência, colocada entre parêntesis. Também foi configurado um Siemens S7-200, que funcionará como um dos escravos — é nele que se observou o programa a funcionar.

Foi igualmente preparada a configuração para a ilha PROFIBUS; apenas foi configurada e efectuada a comunicação, uma vez que nessa ilha não se visualizou o programa. Para a configuração foi necessário criar uma GSE, visto não existir no catálogo disponibilizado. A mesma foi criada recorrendo ao software Twido Suite e depois instalada no Simatic.

Observação: todo o conteúdo foi mantido e corrigido quanto a ortografia, gramática e capitalização, preservando a informação original e a sua estrutura temática.