RI-S9

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REDES INDUSTRIAIS
SEMANA 9 – HISTÓRICO E
ARQUITETURA DE REDES INDUSTRIAIS
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Automação - Objetivos





Uso de computadores e redes na automação
de processos
Realiza o trabalho repetitivo ou que de
alguma forma são nocivos ou perigosos a
saúde.
Realiza medições e gerenciamento
automático de processos.
Deu origem a indústrias como a Eletrônica de
Consumo e Automotiva.
Trouxe um aumento na produção e qualidade
de produtos.
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Histórico das Redes Industriais








Início da década de 60: computadores utilizados de
forma isolada.
1838: Invenção do telégrafo, e a transmissão de
pulsos elétricos (código de Morse) desenvolvido por
Samuel F.B. Morse.
Telefone
Rádio
Televisão
TV a cabo
Internet
A fusão entre o Processamento de Informação e a
comunicação torna os sistemas computacionais mais
eficientes e eficazes.
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A fusão entre o Processamento
de Informação e a comunicação

Permite intercambiabilidade,
interoperabilidade, expansividade
influindo nos custos e modos de gestão
e manutenção.
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SDCD – Sistemas Digitais de Controle
Distribuído

Eram implementados com
componentes digitais específicos para:
O tipo de aplicação no que se refere ao
SO desenvolvido para a aplicação.
 Programas aplicativos de controle e
supervisão destinados a aplicação
específica.
 Hardware e dispositivos de E/S com
configurações específicas voltadas a
aplicação.

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Sistema Digital de Controle Distribuído
antigo (EPY-100-ECIL)
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Exemplo de SDCD EPY-100 da ECIL: (a) sumário de alarmes; (b)
diagrama de produção; (c) visão geral de controladores e (d) gráficos
de tendências.
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Bastidor de um SDCD antigo (EPY-100-ECIL)
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Arquitetura Genérica de um SDCD



Estações locais de interface com o processo
que realiza controle, monitoração e
comunicação com controladores de malha
simples.
Interface homem-máquina interativa, para
supervisão e monitoramento do processo,
com vídeos coloridos e teclados funcionais.
Rede de comunicação redundante com cabo
coaxial ou fibra óptica.
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CD 600 Plus – Controlador Digital MultiLoop - SMAR

O CD600Plus é um controlador versátil e confiável
de módulo único, capaz de controlar
simultaneamente até 4 malhas de controles, com 8
PIDs e estratégias de controle sofisticadas com mais
de 120 blocos de função.
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Painel Frontal
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Arquiteturas Atuais de um SDCD


Devido o crescente desenvolvimento dos
CLP (eficiência e confiabilidade) e das
interfaces homem-máquina os SDCD
passaram a ter uma nova arquitetura,
tornando-se bem mais flexível e com um
custo bem menor.
A maioria das implementações atuais
passaram a ser redes de CLP gerenciadas
por Sistemas de Controle e Aquisição de
Dados (Supervisory Control and Data
Acquisition – SCADA)
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Principais Diferenças entre Arquitetura
Antiga e Atual dos SDCD


Os antigos eram computadores digitais que
faziam controle, monitoramento e supervisão
de sistemas de automação industrial de
grande porte, com grande capacidade de
processamento, grande número de E/S,
interface homem-máquina (monitores) e
programa supervisório.
Os atuais substituem esta tecnologia por
redes de controladores supervisionados
através de programas do tipo SCADA.
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Controlador Lógico Programável


Controlador Lógico Programável Segundo a
ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas),
é um equipamento eletrônico digital com hardware e
software compatíveis com aplicações industriais.
Segundo a NEMA (National Electrical
Manufacturers Association), é um aparelho
eletrônico digital que utiliza uma memória
programável para armazenar internamente
instruções e para implementar funções específicas,
tais como lógica, seqüenciamento, temporização,
contagem e aritmética, controlando, por meio de
módulos de entradas e saídas, vários tipos de
máquinas ou processos.
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CLP



Um CLP é o controlador indicado para lidar com
sistemas caracterizados por eventos discretos ou
seja, com processos em que as variáveis assumem
valores zero ou um (ou variáveis ditas digitais, ou seja,
que só assumem valores dentro de um conjunto finito).
Podem ainda lidar com variáveis analógicas definidas
por intervalos de valores de corrente ou tensão
elétrica.
As entradas e/ou saídas digitais são os elementos
discretos, as entradas e/ou saídas analógicas são os
elementos variáveis entre valores conhecidos de
tensão ou corrente.
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CLP



Os CLP's estão muito difundidos nas áreas de
controle de processos ou de automação
industrial.
No primeiro caso a aplicação se dá nas
industrias do tipo contínuo, produtoras de
líquidos, materiais gasosos e outros produtos,
no outro caso a aplicação se dá nas áreas
relacionadas com a produção em linhas de
montagem, por exemplo na indústria do
automóvel.
Num sistema típico, toda a informação dos
sensores é concentrada no controlador (CLP)
que de acordo com o programa em memória
define o estado dos pontos de saída
conectados a atuadores.
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



CLP E SDCD
Os CLPs tem capacidade de comunicação
de dados via canais seriais. Com isto podem
ser supervisionados por computadores
formando sistemas de controle integrados.
Softwares de supervisão controlam redes de
Controladores Lógicos Programáveis.
Os canais de comunicação nos CLP´s
permitem conectar à interface de operação
(IHM), computadores, outros CLP´s e até
mesmo com unidades de entradas e saídas
remotas.
Cada fabricante estabelece um protocolo
para fazer com que seus equipamentos
troquem informações entre si.
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CLP e PROTOCOLOS DE REDES
INDUSTRIAIS


Os protocolos mais comuns são Modbus
(Modicon - Schneider Eletric), EtherCAT
(Beckhoff), Profibus (Siemens), Unitelway
(Telemecanique - Schneider Eletric) e
DeviceNet (Allen Bradley), entre muitos
outros.
Redes de campo abertas como PROFIBUSDP são de uso muito comum com CLPs
permitindo aplicações complexas na indústria
automobilística, siderurgica, de papel e
celulose, e outras.
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Controlador Lógico Programável
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Painel de Comando Contendo Controlador
Lógico Programável
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Histórico do PLC



O CLP foi idealizado pela necessidade de poder se alterar uma
linha de montagem sem que tenha de se fazer grandes
modificações mecânicas e elétricas.
O CLP nasceu praticamente dentro da industria automobilística,
especificamente na Hydronic Division da General Motors, em
1968, sob o comando do engenheiro Richard Morley e
seguindo uma especificação que refletia as necessidades de
muitas indústrias manufatureiras.
A idéia inicial do CLP foi de um equipamento com as seguintes
características resumidas:
 1. Facilidade de programação;
 2. Facilidade de manutenção com conceito plug-in;
 3. Alta confiabilidade;
 4. Dimensões menores que painéis de Relês, para redução
de custos;
 5. Envio de dados para processamento centralizado;
 6. Preço competitivo;
 7. Expansão em módulos;
 8. Mínimo de 4000 palavras na memória.
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Um pouco deModicon
história 1960s…
Inventora do PLC - 1968 (Richard Morley)
Criadora do primeiro protocolo industrial –bus
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Dick Morley
o Pai do PLC
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CPL de 5ª Geração


5ª Geração: Atualmente existe uma preocupação em
padronizar protocolos de comunicação para os
CLP's, de modo a proporcionar que o equipamento
de um fabricante “converse” com o equipamento
outro fabricante, não só CLP's, como Controladores
de Processos, Sistemas Supervisórios, Redes
Internas de Comunicação e etc., proporcionando
uma integração a fim de facilitar a automação,
gerenciamento e desenvolvimento de plantas
industriais mais flexíveis e normalizadas, fruto da
chamada Globalização.
Existem Fundações Mundiais para o estabelecimento
de normas e protocolos de comunicação. A grande
dificuldade tem sido uma padronização por parte dos
fabricantes.
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CD 600 Plus – Controlador Digital MultiLoop - SMAR

O CD600Plus é um controlador versátil e confiável
de módulo único, capaz de controlar
simultaneamente até 4 malhas de controles, com 8
PIDs e estratégias de controle sofisticadas com mais
de 120 blocos de função.
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Painel Frontal
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CIM – Conceito de Manufatura Integrada por
Computador



Sistemas que se caracterizam pelo gerenciamento de
processos de forma integrada – Manufatura Integrada
por Computador (CIM).
Os CIM possibilitam a interligação dos níveis de
gerenciamento, controle e supervisão dos sistemas de
automação de forma hierárquica com o uso de
complexos algoritmos, distribuição do controle e
centralização de macro decisões, possibilitando o
gerenciamento do processo tanto técnico como
administrativo.
Atualmente a base de um CIM é formada por SDCD
que representa praticamente todos os níveis de
controle e execução do processo.
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Estrutura do CIM
É relevante destacar a importância dos
programas de aquisição de dados,
supervisão e controle (SCADA).
 Das redes de comunicação que utilizam
protocolos industriais (fieldbus),
essenciais ao bom funcionamento do
CIM e do SDCD.

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Comparações entre número e volume de
informações.
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Níveis Hierárquicos de um CIM
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



Arquitetura de Redes Industriais - Histórico
Início: sistemas de controle totalmente baseados em
controladores com malha única de realimentação
(single-loop- controllers SLC)
Década de 1960: Sistemas baseados em Mini e
grandes computadores digitais, os chamados
Controles Digitais Direto – DDC.
Década de 70 e 80: Sistemas de Controle Distribuído
(DCS) aplicados em sistema de automação.
Década de 90: Ocorreu um grande desenvolvimento
na eficiência dos computadores, CLP, sensores,
atuadores e sistemas de comunicação tornando os
Sistemas Digitais de Controle Distribuído (SDCD)
uma realidade.
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Uso dos SDCD

Todos os segmentos da automação:
 Processos Industriais
 Processos não industriais (sistemas de
água e esgoto, energia elétrica,
telecomunicações, etc.)
 Automação predial: controle de utilidades,
detecção e alarme de incêndio, controle de
acesso, etc.
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Particulares do SDCD




Misto entre os Controladores com Malha
Única (SLC) e o DDC.
O DDC implementa um grande número de
malhas em um único computador, que
centraliza todas as informações e funções de
controle.
O SDCD implementa as malhas de controle
em pequenos grupos, cada grupo com o seu
próprio processamento (controlador).
Os controladores são conectados via barra
de comunicação de dados (Data Highway –
BUS), que em alguns casos podem ser
duplicados para aumentar a confiabilidade.
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Estrutura de um SDCD com barramento duplo.
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Vantagens do uso do SDCD




Controle das funções tão independentemente
quanto se deseja, permitindo escolha através
da relação custo/benefício.
Permite monitorar e ajustar as funções de
controle de forma centralizada e com fácil
operação.
Permite sistemas com multiprocessadores
controlados por um único gerenciamento, com
capacidade de executar uma mesma tarefa
compartilhada dinamicamente.
Cada processador tem seu próprio
gerenciamento (programa aplicativo) e realiza
funções especiais.
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Razão para se usar o processamento
distribuído e paralelo (multicomputador) em
sistemas de controle em tempo real:



Tempo de resposta necessário.
Múltiplas cópias dos componentes dos
sistemas levam a uma maior flexibilidade e
redundância.
Algumas aplicações são geograficamente
distribuídas.
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Topologia de Redes: Em Estrela
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Topologia em Anel
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Topologia em Barramento
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Topologia em Árvore
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Resumo Comparativo entre as Topologias
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Redes Digitais: O Modelo OSI da ISO
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Comparação do Modelo OSI com o
Protocolo TCP/IP
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Sistema de Controle Centralizado




Sistemas de controle centralizados com
barramentos paralelos são os favoritos em
aplicações onde uma alta eficiência de
processamento é necessária.
Um sistema de multicomputadores é usado.
O esquema centralizado é feito de forma a
manter os dispositivos juntos em uma única
sala.
Neste sistema, vários computadores
compartilham um barramento comum.
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Soluções para os Barramentos Paralelos




UME
FUTUREBUS
S100: Muito usado na década de 80 na
EUROPA, foi substituído pelo General
Purpose Interface Bus – GPIB 488 da IEEE.
MULTIBUS II
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Um sistema a Multicomputador usado como uma máquina de
controle consiste de um controle principal (mestre-master) e de
controladores escravos (slaves)
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Arquitetura Mestre Escravo


O controlador Mestre toma conta do Sistema
Global de Controle.
O controlador Escravo opera a nível de
atuador.
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Tarefas do Sistema Global de Controle
Comunicação com os níveis de controle
superior
 Interceptação de comandos
 Operação de sincronização M-E
 Coordenação de movimentos
 Cálculos.

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Tarefas do Atuador



Controle ou malha fechada.
Processamento de Sinais.
Medidas para manipular os eventos conforme
pré-determinado.
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A estrutura em Estrela para transferência de informações é aceita de acordo
com a prioridade do controlador principal, no caso o Mestre. Neste tipo de
sistema somente ocorre diálogo entre o controlador Mestre e os
controladores Escravos.
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É possível que em um sistema o multicomputador não utilize a configuração
mestre-escravo, apesar desta continuar espacialmente centralizada. Um
sistema deste tipo consiste de controladores com muiticomputadores
centralizados com prioridades iguais.
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Sistema a Multiprocessador ou um Sistema
Distribuído




Sistema de Computadores com prioridades
iguais.
Tomam conta juntos do sistema global de
controle.
As tarefas do sistema global de controle são
decompostas em subtarefas e repartidas
entre os computadores do controle.
A troca dinâmica das tarefas entre os
computadores também é possível para
equalizar a carga de processamento.
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Sistema global de controle com distribuição
de tarefas iguais entre sistemas e atuadores.
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Sistema de Controle Distribuído



Caracterizado pelos transdutores, atuadores
e controladores espacialmente distribuídos.
Usa uma rede de comunicação serial para
conectar as partes e minimizar a
complexidade do cabeamento em grandes
instalações.
Este tipo de rede é chamado fieldbus
(barramento de campo)
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Sistema de controle distribuído em que o
controlador, sensores e atuadores fazem
parte da rede.
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Neste sistema o controlador coleta informações dos vários transdutores
e, baseado nas informações do sistema (algoritmo dos programas
aplicativos), controla um atuador ou grupo de atuadores. Em relação à
distribuição das tarefas de controle, este sistema é completamente
centralizado . Somente as atuações de baixo nível e as informações dos
sensores são distribuídas.
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Configuração Hierárquica
A figura anterior possui distribuição
hierárquica onde um controlador
controla os níveis mais baixos e todas
as funções associadas.
 A idéia é reduzir a fiação entre o
controlador e os
sensores/transdutores/atuadores
diminuindo os custos com cabeamento.

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Sistema de Controle totalmente distribuído, onde o controle das
tarefas e o sistema físico são descentralizados. (2.14)
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Principais problemas com SDCD
Existência de vários fabricantes
grandes como: Honeywell, Bailey,
Yokogawa, Foxboro, entre outros com
sistemas proprietários.
 Sistemas proprietários de difícil
interconexão.

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