M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Introdução
- Primeiros computadores:
• máquinas complexas, grandes, caras
• ficavam em salas isoladas com ar condicionado
• operadas apenas por especialistas
• programas submetidos em forma de jobs seqüenciais
- Anos 60:
• primeiras tentativas
concorrentes
de
interação
entre
tarefas
• surge técnica time-sharing, sistemas multi-usuários
• usuários conectados ao computador por terminais
• comunicação entre terminais e computador central =>
surgem primeiras técnicas de comunicação
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Introdução
- Anos 70:
• surgem microprocessadores
• computadores muito mais baratos => difusão do uso
- Após década de 70:
• computadores cada vez mais velozes, tamanho menor,
preço mais acessível
• aplicações interativas cada vez mais freqüentes
• necessidade crescente de incremento na capacidade de
cálculo e armazenamento
• computadores conectados podem ter desempenho
melhor do que um mainframe, além de custo menor
• necessidade de desenvolver técnicas para interconexão
de computadores => redes
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Introdução
-
Informatização das empresas cria necessidade de troca de
informações entre equipamentos.
-
Métodos iniciais: fitas K7, disquetes, fitas perfuradas, cartões.
-
Método moderno: redes de comunicação (LAN).
-
Requisitos de comunicação fabril:
-
Compartilhamento de recursos;
-
Gerenciamento da heterogeneidade;
-
Gerenciamento de diferentes tipos de diálogo;
-
Garantia de um tempo de resposta médio ou máximo;
-
Confiabilidade dos equipamentos e da informação;
-
Conectividade e interoperabilidade;
-
evolutividade e flexibilidade.
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Introdução
- Necessário definir arquiteturas, topologias e protocolos
apropriados para redes de comunicação industriais.
- Redes do tipo ponto-a-ponto: centralização das funções de
comunicação.
- Redes de difusão: possibilidade de descentralização da
comunicação.
- Idéia do final dos anos 70/ início 80: rede única para toda a
fábrica.
- Idéia atual: não existe uma rede única que atende as
necessidades de todas as atividades existentes em uma
fábrica.
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Introdução
• Nas empresas modernas temos grande quantidade de
computadores operando em diferentes setores.
• Operação do conjunto mais eficiente se estes computadores
forem interconectados:
• possível compartilhar recursos
• possível trocar dados entre máquinas de forma simples e
confortável para o operador
• vantagens gerais de sistemas distribuídos e downsizing
atendidas
• Redes são muito importantes para a realização da filosofia
CIM (Computer Integrated Manufacturing).
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Os Níveis Hierárquicos De Integração Fabril
Administração
Corporativa
SISTEMA DE
COMUNICAÇÃO
Planejamento
(Factory)
CAD, CAE, CAP,
CAPP, CAQ, etc...
Área
(Shop)
FMS
Fieldbus, MAPEPA, Mini-MAP
Célula
(Cell)
FMC
Subsistema
(Subsystem)
Componente
(Component)
Enterprisenetwork
(MAP, TOP)
Torno, Manipulador,
Centro de Usinagem,
etc...
S
A
S
A
S
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A
S
A
Motores, Chaves,
Relés, etc...
RTLAN
Características da comunicação em CIM
Administração Corporativa
Planejamento
Custo
médio
de uma
estação
Tempo
ocioso entre
transmissões
Vida útil e
tamanho
médio dos
dados
Área
Célula
Unidade (subsistema)
Componente
Número
de
estações /
segmento
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Tráfego
médio
Hostilidade
do meio
Quadros /
seg.
Motivação das Redes Industriais
-
Maioria das redes de comunicação existentes concebidas para
automação de escritórios.
-
Ambiente industrial tem características e necessidades que
tornam redes para automação de escritórios mal adaptadas:
-
ambiente hostil para operação dos equipamentos
(perturbações eletromagnéticas, elevadas temperaturas,
sujeira, áreas de segurança intrínseca, etc.);
-
troca de informações se dá entre equipamentos e, as vezes,
entre um operador e o equipamento;
-
tempos de resposta críticos;
-
segurança dos dados crítica;
-
grande quantidade de equipamentos pode estar conectada
na rede => custo de interconexão crítico.
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Características e requisitos básicos
das redes industriais
•
•
•
•
Comportamento temporal
Confiabilidade
Requisitos do meio ambiente
tipo de mensagens e volume de
informações
• Conectividade/interoperabilidade
(padronização)
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a) Comportamento temporal
-
Aplicações Industriais freqüentemente requerem sistemas de
controle e supervisão com características de Tempo-Real.
-
Em aplicações tempo real, importante poder determinar
comportamento temporal do sistema de comunicação.
-
Mensagens em STR podem ter restrições temporais:
– Periódicas: tem que ser enviadas em intervalos
conhecidos e fixos de tempo. Ex.: mensagens ligadas a
malhas de controle.
– Esporádicas: mensagens sem período fixo, mas que tem
intervalo de tempo mínimo entre duas emissões
consecutivas. Ex.: pedidos de status, pedidos de emissão
de relatórios.
– Aperiódicas: tem que ser enviadas a qualquer momento,
sem período nem previsão. Ex.: alarmes em caso de
falhas.
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Sistemas Tempo-Real
INTERFACE
Sistema
estímulo
SENSOR
Sistema
ATUADOR
resposta
Controlar
de
Controle
a
(Ambiente)
• Um STR é um sistema computacional que deve reagir a
estímulos (físicos ou lógicos) oriundos do ambiente dentro de
intervalos de tempo impostos pelo próprio ambiente.
• A correção não depende somente dos resultados lógicos
obtidos, mas também do instante no qual são produzidos.
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Arquitetura para Sistemas Tempo-Real
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A Problemática da Comunicação em Tempo-Real
M1
M2
M3
DL = 10
DL = 15
DL = 50
End. 01
End. 02
End. 03
M4
M5
DL = 25
DL = 5
End. 04
End. 05
• Mensagens pendentes em cada estação devem ser entregues a
seu destino antes de um prazo limite (deadline) associado.
• Problema de comunicação tempo real: como definir
concessão do direito de acesso ao meio de forma a garantir
que todas as mensagens sejam entregues antes de seu
deadline ?
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Comunicação em Tempo-Real
• Protocolo MAC precisa garantir rápido acesso ao
barramento para mensagens esporádicas de alta
prioridade.
• Protocolo MAC deve atender mensagens periódicas com
a maior eficiência possível, respeitando seus deadlines.
• MAC deve ter comportamento determinista e,
idealmente, permitir escalonamento ótimo global de
mensagens.
• LLC (Controle Lógico de Enlace) deve escalonar
mensagens locais pendentes por deadline ou prioridade
associada.
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Arquitetura do software de rede para CTR
Software
AP
AP
Aplicativo
Camada de Aplicação
Controle Lógico de enlace (LLC)
Controle de Acesso ao Meio (MAC)
Camada Física
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Serviços de enlace para CTR
Serviços sem conexão:
• SEND (receptor, mensagem, requisitos TR);
• mensagem = RECEIVE (emissor);
Serviços com conexão:
• rtcid = CONNECT(receptor, requisitos TR);
• SEND (rtcid, mensagem);
• mensagem = RECEIVE (rtcid);
• DISCONNECT(rtcid);
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Classificação dos Protocolos MAC
• Alocação fixa: alocam o meio às estações por determinados intervalos de
tempo, independentemente de haver ou não necessidade de acesso (ex.:
TDMA = Time Division Multiple Access);
• Alocação aleatória: permitem acesso aleatório das estações ao meio (ex.:
CSMA = Carrier Sense Multiple Access). Em caso de envio simultâneo por
mais de uma estação, ocorre uma colisão e as estações envolvidas tem que
transmitir suas mensagens após a resolução do conflito resultante
(protocolos de contenção);
• Alocação controlada: cada estação tem direito de acesso apenas quando de
posse de uma permissão, que é entregue às estações segundo alguma
seqüência predefinida (ex.: Token-Passing, Master-Slaves);
• Alocação por reserva: para poder usar o meio, as estações tem que reservar
banda com antecedência, enviando pedidos a uma estação controladora
durante um intervalo de tempo pré-destinado e este fim (ex.: CRMA =
Cyclic Reservation Multiple Access);
• Híbridos: consistem de 2 ou mais das categorias anteriores.
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Classificação dos Protocolos MAC
• Classificação com relação ao comportamento
temporal:
– protocolos deterministas: caracterizados pela
possibilidade de definir um tempo limite para a
entrega de uma dada mensagem (mesmo que
somente em pior caso);
– protocolos não deterministas: tempo de entrega
não determinável (aleatório ou probabilístico).
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Protocolos MAC não deterministas
CSMA 1-persistente, p-persistente e não persistente
-
CSMA = Carrier Sense Multiple Access (Acesso Múltiplo por
Detecção de portadora) : baseia-se no conceito de escuta do meio
de transmissão para a seleção do direito de acesso a este.
-
CSMA p-persistente: estação que quer enviar dados escuta meio.
Se canal livre, envia quadro com probabilidade “p”. Senão,
aguarda na escuta até que o meio esteja livre. Caso particular:
p=1.
-
CSMA não persistente: idem anterior, mas se canal ocupado,
estação espera um período de tempo aleatório e escuta o canal
novamente.
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CSMA persistente e não persistente
• CSMA 1-persistente: faz melhor uso da banda, mas tem grande
chance de gerar colisões
• CSMA não persistente: faz pior uso da banda, mas tem menor
probabilidade de gerar colisões
• CSMA p-persistente (p<1): compromisso entre as soluções
anteriores.
np
P-p
1-p
tempo
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O protocolo CSMA/CD
-
CSMA/CD = Carrier Sense Multiple Access with
Collision Detection.
-
Se mais de uma estação pronta para emitir uma
mensagem com o meio livre, gera-se uma colisão.
-
A primeira estação que detectar a colisão interrompe
transmissão, reiniciando-a após um tempo aleatório
=> improvável ocorrência de nova colisão.
r e c ep to r
e m is s o r
e m is s o r
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em is s o r
O protocolo CSMA/CD
• Métodos de acesso CSMA convencionais: tempo
de reação não pode ser exatamente determinado
(não determinismo).
• Não se sabe de antemão:
– se haverão colisões;
– quantas colisões seguidas podem ocorrer;
– o tempo (aleatório) de espera em caso de
colisão.
• Tempo de espera é randomizado segundo
algoritmo BEB (Binary Exponential Backoff)
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Randomização de tempo no CSMA/CD
(Binary Exponential Backoff)
start
no
yes
nc = 0
Station
Ready ?
New
Frame ?
Ether
Silent ?
nc = nc+1
no
limit = 2nc-1
Wait=random [0,limit]
transmit
no
Collision ?
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CSMA/CD
Probabilidade
de colisão
Tráfego x número
estações
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Protocolos MAC Deterministas
- Métodos de acesso deterministas: tem tempo de
resposta limitado e determinável (ao menos pior
caso).
- Podem ser classificados em:
- métodos com comando centralizado (ex.:
Mestre-Escravos, árbitro de barramento)
- métodos com comando distribuído (ex.:
Token-Passing, variantes deterministas do
CSMA).
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Comando Centralizado: Mestre-escravos
es c r a v oes c r a v oes c r a v oes c r a v o
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Comando Distribuído: Token-bus
r ec ep to r
f ic h a
em is s o r
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Comando Distribuído: Token-Ring
Estação
TAP
Interface
p/ anel
anel unidirecional
Token
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Comando Distribuído: Forcing Headers
-
Variante determinista de CSMA (CSMA/NBA = CSMA with
Nondestructive Bitwise Arbitration).
-
Estações enviam bit a bit um identificador da mensagem, que
define prioridade da mesma.
-
Cada mensagem tem que ter prioridade diferente das demais.
-
Se todos os bits do identificador são 0, prioridade máxima.
-
Camada física executa AND sobre cada bit enviado ao
barramento (CD ativada ao enviar um 1 e desativado ao
enviar um 0).
-
Transmissão interrompida quando um 1 é enviado e ocorrer
colisão (0 é lido).
-
Se identificador transmitido até o fim sem colisão, resto da
mensagem é enviado.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Comando Distribuído: Forcing Headers
100 dados
Header do frame
Frame a enviar
Nó 4
Nó 0
000 dados
Nó 1
001 dados
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Nó 2
010 dados
Nó 3
011 dados
Comando Distribuído: Forcing Headers
• Para evitar monopólio do meio por nó gerador de
mensagem de alta prioridade, espaço entre quadros
preenchido por campo de bits em 1 inserido no final
de cada quadro.
• O barramento só é considerado livre para o mesmo
nó enviar nova mensagem após ter detectado que o
espaço interframes não foi interrompido por um bit
em 0.
• Estação possuidora da mensagem de alta prioridade
terá que esperar ao menos o envio de uma
mensagem de prioridade menor para tomar o
barramento para si novamente.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Comando Distribuído: Comprimento De Preâmbulo
- Variante determinista de CSMA/CD
- A cada mensagem é associado um preâmbulo
com comprimento diferente, que é transmitido
com CD desativada.
- Após término de envio do preâmbulo, CD
reativada
- Se há colisão, existe outra mensagem mais
prioritária sendo enviada e estação fica a espera
de meio livre.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Comando Distribuído: Comprimento De Preâmbulo
Preambulo do frame
Frame a enviar
Nó 4
Nó 0
Nó 1
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Nó 2
Nó 3
Comando Distribuído: Comprimento De Preâmbulo
Mensagem do nó 4
Mensagem do nó 3
Mensagem do nó 2
Mensagem do nó 1
Mensagem do nó 0
Instantes de inicio de detecção de colisão em cada estação
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Comando Distribuído: CSMA/DCR
-
CSMA with Deterministic Collision Resolution
-
determinismo garantido através de busca em árvore binária
balanceada
-
prioridades são atribuídas a cada estação => “Índices”
-
cada estação deve conhecer:
-
-
status do barramento:
-
livre
-
ocupado com transmissão
-
ocupado com colisão
-
seu próprio índice
-
número total de índices consecutivos alocados às fontes (Q)
tamanho da árvore binária q = menor potência de 2 maior ou igual a
Q (ex.: Q = 12, q = 16)
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
CSMA/DCR
-
operação como CSMA/CD até colisão
-
em caso de colisão, iniciado período de resolução por busca em
árvore binária => “época”
-
estações envolvidas se auto-classificam em dois grupos:
Winners (W) ou Losers (L):
-
W = índices entre [0,q/2[
-
L = índices entre [q/2, q]
-
estações do grupo W tentam nova transmissão
-
se nova colisão, nova divisão em grupos:
-
W = [0,q/4[
-
L = [q/4, q/2]
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
CSMA/DCR
-
se não ocorrer nova colisão (só sobrou uma estação no grupo
W), estação transmite seu frame de dados
-
estações do grupo L desistem e aguardam término de
transmissão bem sucedida de outro nó seguida de meio livre
-
se grupo W vazio, busca revertida => nova subdivisão de nós a
partir do último grupo L:
-
W = [q/2, 3q/4[
-
L = [3q/4, q]
-
Época encerrada quando todas as estações envolvidas na colisão
original conseguiram transmitir seus dados
-
tempo de duração de uma época pode ser calculado =>
determinismo !
-
seqüência de concessão de direito de acesso ao meio = seqüência de
índices crescentes => nós mais prioritários transmitem primeiro !
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
CSMA/DCR - Exemplo
Índice 3
Índice 2
Índice 12
Índice 14
Índice 5
Índice 15
-
6 estações de uma rede com 16 fontes enviam frames
simultaneamente
-
Índices de cada estação conforme figura acima
-
Q = 16
-
q = 16 (24)
-
altura da árvore binária = log2 16 = 4
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
CSMA/DCR - Exemplo
[0,15]
1
[8,15]
[0,7]
9
2
[0,3]
[4,7]
[8,11]
3
6
10
4
5
7
8
[0,1]
[2,3]
[4,5]
[6,7]
[12,15]
13
11
12
[8,9]
[10,11]
14
[12,13] [14,15]
Árvore binária balanceada completa para Q = 16
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
15
CSMA/DCR - Exemplo
0C
2,3,5,12,14,15
W= 2,3,5
L=12,14,15
8C
12,14,15
W=
L=12,14,15
1C
2,3,5
W= 2,3
L=5
2C
2,3
W=
L=2,3
7T
5
4C
2,3
W=2
L=3
3V
5T
2
10 C
12,14,15
W= 12
L=14,15
9V
12 C
14,15
W= 14
L=15
11 T
12
6T
3
Evolução do algoritmo
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
13 T
14
14 T
15
CSMA/DCR
-
-
O tempo até o inicio da transmissão da fonte com índice 5 será:
-
4 colisões + 1 vazio = 5. slot-time
-
2 transmissões = 2.(tamanho quadro em slot-times)
Assumindo que cada quadro tem um tamanho fixo de 6 slot-times e
considerando 1 slot-time como 40 microssegundos, o tempo para início da
transmissão da mensagem da fonte com índice 5 seria:
-
-
-
Tinicio 5 = 5.40 + 2.6.40 = 680 microssegundos (não é ainda pior caso)
O tempo de duração total da época será:
-
7 colisões = 7.slot-time
-
2 vazios = 2. slot-time
-
6 transmissões = 6 .(tamanho do quadro em slot-times)
Assumindo 1 slot-time = 40 microssegundos:
-
T época = 7.40 + 2.40 + 6.6.40 = 1800 microssegundos = 1.8 ms
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
CSMA/DCR
-
Cálculo do tempo de pior caso pode ser formalizado como
segue...
-
Seja:
  (v) = número de ramos da árvore binária percorridos
por uma mensagem proveniente de um nó com índice v
-
q = menor potência de 2 maior ou igual ao maior índice
disponível
 (v) = número de potências de 2 contidas em v
-
s = 1 slot-time (2 vezes o tempo de propagação do sinal
na rede)
 = tempo máximo de transmissão da uma mensagem
no meio físico (depende do comprimento da mensagem
em bits e da taxa de transmissão)
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
CSMA/DCR
-
-
-
Para uma mensagem participando de uma dada época, temos que:

 (v) = log2 q + v - (v)
-
Tespera (v) = (v).s + v.
Para o exemplo anterior, tomando uma mensagem da estação com
índice 5, temos:
-
q =16
-
v =5

(5) = 2

 (5) = log2 16 + 5 - 2 = 7
-
T espera (5) = 7.s + 5.
(5 = 22+20)
Assumindo s = 40 microssegundos e  = 6.s = 240 microssegundos,
obteremos para o pior caso de tempo de espera da mensagem da
fonte com índice 5 o valor de 1480 microssegundos.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
CSMA/DCR
-
O tempo de duração da época, no pior caso, é dado por:
T época =  (q-1).s + Q.
-
Para uma mensagem que chega a fila de emissão de uma
fonte com índice v em um instante qualquer, o pior caso de
tempo de espera é maior, pois a nova mensagem pode
chegar na fila imediatamente após o inicio de uma época,
da qual ela ainda não faz parte.
-
Neste caso, o pior caso do tempo de espera será dado por:
T max espera (v) = T época +  (v).s + v.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Abordagens Para CTR
Abordagem
Atribuição de Prioridades com teste de
escalonabilidade
Off-line (em tempo
de projeto)
Circuito Virtual TR
com escalonamento
On-line de
mensagens
Reserva com
escalonamento
global
Requistos
Ex.de Protocolos
MAC com resolução
de prioridades
Token-Ring c/Pr.
Dif. atrasos
Comp. Preâmbulo
Forcing Headers
(CSMA/CA)
MAC com tempo de
acesso ao meio
limitado
Requer cópias locais
de todas as filas de
mensagens,
difundidas em “slots
times” de reserva
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TDMA
Token-Passing
Waiting Room
CSMA/DCR
PODA
b) Confiabilidade
-
Em aplicações industriais, erro de 1 bit pode ter
conseqüências desastrosas.
-
Para aumentar confiabilidade, enlace usa teste cíclico de
redundância (CRC - Cyclic Redundancy Check) sobre
quadros (técnica polinomial).
-
Em sistemas que necessitem de uma operação contínua,
pode ser utilizado um meio de transmissão e estações
redundantes.
-
Recomenda-se usar cabos blindados em ambientes com
fortes campos magnéticos.
-
Uso crescente de fibra ótica.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
C) Requisitos Do Meio Ambiente
-
Perturbações eletromagnéticas requerem escolha adequada do
meio de transmissão.
-
Fonte: acionamentos de motores elétricos de grande porte,
fontes chaveadas, estações de solda, conversores estáticos, etc.
Sensibilidade à
perturbações
Par trançado (assíncrono)
Par trançado (síncrono)
Cabo coaxial
Fibra Ótica
Distância
Custos
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Taxa
de
transmissão
Meios De Transmissão
- Cabo coaxial:
- Boas características elétricas.
- Requer resistências terminais.
- Conectores BNC fáceis de abrir.
- Par trançado:
- Usualmente usado com HUB/Switcher
- Atualmente solução mais usada para chão fábrica.
- UTP (Unshielded Twisted Pair) CAT-5 / STP (Shielded Twisted Pair).
- Fibra ótica:
- Ótimo para rejeitar perturbações eletromagnéticas.
- Dificuldade de realizar topologia em barramento (bus): derivações ativas x
passivas.
- Mais usado em topologias ponto a ponto: anel, estrela, árvore.
- Emulação de bus com HUB ou Switcher.
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Áreas De Risco (Segurança Intrínseca)
• Sujeitas a incêndio, explosão
• Presença de líquidos ou gases
inflamáveis/explosivos
• Não pode haver faiscamento
• Freqüência de sinais elétricos limitada
• Modelo FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe
Concept): desenvolvido na Alemanha pelo PTB
(Physikalisch Technische Bundesanstalt) e
reconhecido mundialmente como modelo básico
para operação de redes em áreas de risco de
explosão ou incêndio.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Áreas De Risco (Segurança Intrínseca)
• Princípios de transmissão segundo modelo FISCO:
– Cada segmento possui uma única fonte de alimentação.
– Não se alimenta o barramento enquanto uma estação
está enviando.
– Cada dispositivo de campo consome uma corrente
constante em steady-state de pelo menos 10 mA, que
alimenta o dispositivo.
– Os dispositivos de campo funcionam como uma carga
passiva de corrente.
– Existe uma terminação passiva em ambos os extremos da
rede.
– Topologias permitidas: linear, em árvore e em estrela.
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Áreas De Risco (Segurança Intrínseca)
• Norma IEC 1158-2 para camada física:
– Transmissão de dados: digital, bit - síncrona,
Manchester
– Taxa de transmissão: 31,25 kbit/s, modo voltagem
– Cabo: STP com 2 fios
– Alimentação remota: opcional, via linhas de dados
– Classes de proteção contra explosão: Intrinsically safe
(EEx ia/ib) e encapsulation (EEx d/m/p/q)
– Topologias: linha e árvore ou uma combinação
– Numero de estações: até 32 estações por segmento,
máximo de 126 com 4 repeaters
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d) Tipo de mensagens e
volume de informações
-
-
-
Níveis hierárquicos superiores:
- mensagens grandes (KByte);
- podem ter tempos de transmissão longos (seg. até min.);
- longos intervalos entre transmissões.
Aplicações mais próximas ao processo:
- mensagens curtas, tais como:
- ligar ou desligar uma unidade -> 1 bit ;
- fazer leitura de um sensor / medidor -> 8 Bytes ;
- alterar o estado de um atuador -> 8 Bytes ;
- verificar o estado de uma chave ou relê - > 1 bit .
Requisitos: taxa de transmissão de dados não muito elevada; taxa de
ocupação do barramento elevada (grande número de quadros
pequenos transmitidos); tempo de entrega conhecido.
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e) Conectividade / interoperabilidade
(padronização)
• Verifica-se necessidade de uma especificação de redes locais
para aplicações industriais diferente daquela adotada em
automação de escritório.
• Já existem diversas redes proprietárias para ambiente fabril,
mas não permitem a interligação de equipamentos de outros
fabricantes.
• Maior entrave à conectividade e interoperabilidade: não
padronização das interfaces e protocolos de comunicação.
• Grandes esforços tem sido despendidos para solucionar estes
problemas => Projetos de Padronização.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Projetos de Padronização
de redes industriais
• Iniciativas
mais
importantes
padronização para redes industriais:
- Projeto PROWAY
- Projeto IEEE 802
- Projeto MAP (MAP/EPA e MINI-MAP)
- Projeto TOP
- Projeto FIELDBUS
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
de
Projeto PROWAY
-
Proposta PROWAY (Process Data Highway) iniciada em 1975 pela
IEC (International Electrotechnical Commission) para a
normalização de redes de comunicação para controle de processos.
-
Proway passou pelas fases A, B e C.
-
Proway A e B utilizavam o protocolo HDLC da ISO na camada de
enlace, com acesso ao meio tipo Mestre / Escravos.
-
Proway C adotou a técnica de Token-Passing.
-
Arquitetura composta de 4 camadas do modelo OSI:
- "Line" (camada física),
- "Highway" (camada de enlace),
- "Network" (camada de rede) e
- "Application" (camada de aplicação)
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Projeto IEEE 802 (ISO/IEC 8802)
-
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)
iniciou em 1980 o projeto 802, que definiu normas para
as camadas Física e Enlace do modelo de referência OSI.
-
Camada de Enlace subdividida em duas subcamadas:
-
LLC (Logical Link Control): montagem dos quadros,
controle de erros, controle de fluxo, estabelecimento
de conexões, serviços às camadas acima;
-
MAC (Medium Access Control): Controle de acesso
ao meio.
-
Proposta IEEE virou norma internacional: ISO/IEC 8802.
-
Norma atual composta de 12 partes.
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IEEE 802 (ISO/IEC 8802)
 IEEE 802.1: serviços de gerenciamento de redes e
generalidades;
 IEEE 802.2: sub-camada LLC da camada de Enlace. Norma
prevê três tipos de serviços:
 LLC tipo 1: troca de dados sem conexão. Não é feito
controle de erros nem de fluxo e o receptor das mensagens
não envia um quadro de reconhecimento ao emissor;
 LLC tipo 2: antes de trocar dados, estações estabelecem uma
conexão entre si. É feito controle de erros e de fluxo e a
entidade receptora envia um quadro de reconhecimento para
cada mensagem recebida;
 LLC tipo 3: comunicação sem conexão, mas é realizado
controle de fluxo e de erros e o receptor envia um quadro de
reconhecimento ao emissor para cada mensagem recebida.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
IEEE 802 (ISO/IEC 8802)
 IEEE 802.3 : descrição da sub-camada MAC e camada Física
para redes com topologia em barramento e método de acesso ao
meio baseado em CSMA/CD;
 IEEE 802.4 : descrição da sub-camada MAC e camada Física
para as redes com topologia em barramento e método de acesso
ao meio baseado em "token-passing" (Token-Bus);
 IEEE 802.5 : descrição da sub-camada MAC e camada Física
para as redes com topologia em anel e método de acesso ao meio
baseado em "token-passing" (Token-Ring);
 IEEE 802.6 : descrição da sub-camada MAC e camada Física
para as redes metropolitanas com DQDB (Distributed Queue
Dual Bus, barramento dual com filas distribuídas);
 IEEE 802.7 : contém recomendações do IEEE para LANs
usando Broadband. Na versão da ISO/IEC, define uma
subcamada MAC com slotted ring e a camada física
correspondente;
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
IEEE 802 (ISO/IEC 8802)





IEEE 802.8 : o IEEE criou o “Fibre optic technical advisory
group”, cuja meta era propor um padrão de LAN usando fibra
ótica como meio físico em redes com token passing, como
FDDI (Fiber Distributed Data Intarface);
IEEE 802.9 : IS (Integrated Services) para integrar LANs
com RDSI (Rede Digital de Serviços Integrados, ISDN em
inglês) e FDDI (Fiber Distributed Data Interface);
IEEE 802.10 : aborda questões de segurança na interoperação
de LANs e MANs (atualmente define o padrão SDE, Secure
Data Exchange);
IEEE 802.11 : padroniza LANs com MAC sem fio (Wireless)
e a camada física correspondente (transceivers de rádio);
IEEE 802.12 : método de acesso com demanda priorizada
(DPA, Demand Priority Access) e camada física
correspondente.
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IEEE 802 (ISO/IEC 8802)
• Mais recentemente foram acrescentados
ainda:
– IEEE 802.15: Trata de Wireless Personal Area Networks
(Bluetooth);
– IEEE 802.16: aborda Wireless Metropolitan Area
Networks;
– IEEE 802.17: padrão para Resilient Packet Ring;
– IEEE 802.18: comitê de padrões LAN/MAN.
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IEEE 802 (ISO/IEC 8802)
IEEE 802.1 - Aspectos Gerais e Gerenciamento de Rede
IEEE 802.2 - Camada de Enlace
Sub-Camada LLC
(Logical Link Control)
IEEE 802.3
CSMA/CD
(MAC)
Tipo 1 - sem conexão
Tipo 2 - com conexão
Tipo 3 - com reconhecimento
IEEE 802.4
Token Bus
(MAC)
IEEE 802.5
Token Ring
(MAC)
Banda
Larga
Banda
Base
Banda
Larga
Banda
Base
(PHY)
(PHY)
(PHY)
(PHY)
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IEEE 80212
DPA
(MAC)
(PHY)
A norma IEEE 802.3 (CSMA/CD)
-
Origem: rede Ethernet (Xerox, 1976).
-
Ethernet original: protocolo CSMA/CD, cabo coaxial de
1000 metros de comprimento, taxa de transmissão de 3
Mbps, até 100 estações conectadas.
-
Xerox, DEC e Intel definiram um padrão "de fato" para
uma rede Ethernet, com taxa de transmissão de 10 Mbps.
-
IEEE 802.3 define família de protocolos CSMA/CD 1persistentes, para diferentes meios de transmissão, com
taxas de transmissão de 1 a 10 Mbps.
-
Parâmetros iniciais da norma: canal de 10 Mbps em banda
de base, cabo coaxial de 50 ohms, comprimento máximo de
500 m.
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Quadro IEEE 802.3
b y tes
7
1
P RE Â M B U L O
2 -6
2 -6
DE S T
F ON TE
DE L I M I TA DOR
DE QU A DRO
2
0 -1 5 0 0
46
4
DA DOS
PAD
FCS
C OM P RI M E N TO
DOS D A DOS
-
Preâmbulo de 7 bytes (seqüência 10101010).
-
Delimitador de Início de Quadro (seqüência 10101011).
-
Endereços de Destino e de Origem, com formatos de 16 ou 48 bits.
MSB define se endereço é individual (0) ou de grupo (1), permitindo
multicast e broadcast.
-
Tamanho do Campo de Dados, em bytes (max. 1500 bytes).
-
FCS: palavra de 32 bits, para o controle de erros por CRC.
-
Se quadro total menor que 64 Bytes, o quadro deve ser completado
através do campo PAD (padding = enchimento, estofamento).
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IEEE 802.3
LLC (Logical Link Control)
Enlace
MAC (Medium Access Control)
PLS (Physical Layer Signaling)
Física
AUI (Attachment Unit Interface)
MAU (Medium Attachment Unit)
MDI (Medium Dependent Interface)
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
IEEE 802.3 - Camada Física
• PLS (Physical Layer Signaling): interface entre o nível físico
e a subcamada MAC. Fornece à MAC serviços de envio e
recepção de bits e de detecção de colisão.
• AUI (Attachment Unit Interface): cabos tipo par trançado
blindado que permitem conectar à rede estações localizadas a
uma certa distância do meio de transmissão (até 50m). AUI
interliga a placa de rede ao MAU.
• MAU (Medium Attachment Unit): dispositivo eletrônico que
transmite, recebe e detecta a presença de sinais no meio e deve
estar fisicamente muito próximo a este.
• MDI (Medium Dependent Interface): conector que faz
conexão entre o MAU e o meio físico em si.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
IEEE 802.3 - Camada Física
• A norma IEEE 802.3 define várias opções de meio físico e taxa
de transmissão, especificadas da forma:
<taxa em Mbps><técnica de sinalização><tamanho máximo do segmento * 100>
• Exemplo:
– 10BASE5: define uma camada física com taxa de
transmissão de 10Mbps, técnica de sinalização em banda
BASE (baseband) e comprimento máximo do cabo de 500
metros.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
IEEE 802.3 - Camada Física 10BASE5 (thicknet)
MAU
Conector de
pressão MDI
(Vampire tap)
Cabo AUI
Cabo coaxial
grosso 50
Ohms
Placa de rede
Conector AUI
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
IEEE 802.3 - Camada Física 10BASE2 (thinnet)
Cabo coaxial
fino 50 Ohms
Conector BNC
fêmea
Placa de rede
Conector
BNC macho
Conector T
BNC
Terminador BNC
macho 50 Ohms
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
IEEE 802.3 - Camada Física
• 10BROAD36: opera com taxa de transmissão de 10Mbps,
técnica de sinalização em Banda Larga e um cabo de 3600
metros.
• Especificações adicionais de MAU:
 10BASE-T: define MAU para par trançado, usualmente
empregada para conexão com repetidores multiporta (Hubs);
 10BASE-F: MAU para fibra ótica
 10BASE-FL: define MAU para fibra ótica, usada para
conectar uma estação a um Hub;
 10BASE-FB: define MAU para interligar repetidores
entre si, usada em redes backbone;
 10BASE-FP: define MAU para operar como estrela
passiva.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
IEEE802.3 – Camada Física 10BASE-T
HUB
Par Trançado
Placa de rede
Plug RJ-45
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
IEEE802.3 – Camada Física 10BASE-FL
R
Fibra ótica
Max.
2000m
T
MAU
10BASE-FL
Cabo AUI
R
Placa de rede
Conector AUI
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
T
HUB
10BASE-FL
IEEE802.3 – Camada Física 10BASE-FP
R
Fibra ótica
Max.
500m
T
MAU
10BASE-FP
Cabo AUI
R
Placa de rede
Conector AUI
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
T
Estrela
Passiva
10BASE-FP
IEEE802.3 – Camada Física 10BASE-FB
backbone
Fibra ótica
Max. 2000m
R
T
REPEATER
10BASE-FB
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
R
T
REPEATER
10BASE-FB
IEEE 802.3u – Fast Ethernet
• 3 versões com 100 Mbps, sempre com HUB:
– 100BASE-T4: usa 4 pares de cabos UTP
categoria 3 (fio telefônico), com sinalização em
25MHz cada, com até 100m até HUB, modo
half-duplex.
– 100BASE-TX: usa 2 pares de cabos UTP
categoria 5 (usa isolante de teflon), um para o
HUB e outro de retorno, até 100m até o HUB,
modo full-duplex;
– 100BASE-FX: usa 2 fibras óticas multimodo,
uma em cada direção, distância de até 2 Km
até HUB.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
IEEE802.3 – Switched Ethernet
• Melhora de performance da ethernet pode ser obtida com fast
ethernet, porém requer novas placas de rede
• Outra solução: manter placas 10BASE-T e ligar a um switcher
LC
switcher
Placas
10BASE-T
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A norma IEEE 802.4 (Token Bus)
-
define topologia tipo barramento, com
transmissão transmitido por meio de ficha.
-
Inicialização: passagem da ficha se dá segundo ordem
descendente do valor do endereço físico das estações.
-
Estação proprietária da ficha possui o direito exclusivo de
transmissão sobre o barramento.
-
Este direito pode ser exercido durante um certo período de
tempo ("token retention time"), após o qual ela deve ceder a
ficha para a próxima estação do "anel" lógico.
-
Protocolo define mecanismo de prioridades de quatro níveis,
referenciados por 0, 2, 4 e 6 (nível 0 tem a mais baixa
prioridade e o nível 6 a mais alta prioridade).
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
direito
de
IEEE 802.4
-
Periodicamente, a estação que detêm a ficha consulta estações
inativas para verificar se querem fazer parte do anel lógico (quadro
"Procura Sucessor").
-
Este quadro indica endereço da estação que emite o quadro e o da
estação seguinte no anel lógico.
-
Apenas as estações cujos endereços estiverem entre os dois
endereços indicados poderão candidatar-se à participação no anel
lógico.
-
Se nenhuma estação apresenta interesse, a estação proprietária da
ficha retoma a evolução normal do anel.
-
Se uma estação apresenta-se como candidata, ela passa a compor o
anel lógico e torna-se a próxima destinatária da ficha.
-
Se uma estação situada entre duas estações A e B quer abandonar o
anel lógico, ela envia à estação A um quadro indicando que a
sucessora de A será a estação B.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Quadro IEEE 802.4
bytes 1 1 1
2-6
2-6
DEST
FONTE
CONTROLE DE QUADRO
DELIMITADOR DE INÍCIO
PREÂMBULO
0-8182
DADOS
4
1
FCS
DELIMITADOR DE FIM
-
Preâmbulo (sincronização a nível de bit);
-
Delimitador de Início de Quadro;
-
Controle de Quadro: quadros de dados ou de controle;
-
Endereço Destino e Origem codificados em 16 ou 48 bits;
-
campo de Dados (até 8182 bytes de comprimento);
-
FCS: campo de Controle de erros por CRC;
-
Delimitador de Fim de Quadro.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
IEEE 802.4 – Opções De Camada Física
• Rede com canal único e modulação FSK (Frequency Shift
Keying) fase contínua, com topologia em barra bidirecional,
taxa de transmissão de 1Mbps;
• Rede com canal único e modulação FSK fase coerente,
topologia em barra bidirecional, taxas de transmissão de
5Mbps ou 10Mbps;
• Rede em banda larga, topologia em barra bidirecional com
headend (central repetidora com conversor de freqüências do
canal de recepção para o canal de envio), taxas de
transmissão de 1Mbps, 5Mbps ou 10Mbps;
• Rede utilizando fibra ótica, topologia lógica em barra (mas
fisicamente em estrela, com um Hub como elemento central),
requer um par de fibras para cada estação (uma para receber
e outra para transmitir), taxas de transmissão de 5Mbps,
10Mbps ou 20Mbps.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A norma IEEE 802.5 (Token Ring)
-
Rede em anel: conjunto de ligações ponto-a-ponto, em
modo unidirecional.
-
Cada nó do anel é equipado de um acoplador.
-
Cada bit é copiado numa memória de espera do acoplador
antes de ser retransmitido ao nó seguinte.
-
Token fica circulando quando não existe transmissão de
quadro.
-
Quando uma estação quer emitir um quadro, ela deve
adquirir o token e substituí-lo pelo quadro a enviar.
-
Como apenas uma ficha está circulando no anel, a emissão
de um quadro é ação exclusiva de uma única estação.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
IEEE 802.5
estação
interface
para anel
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
anel
unidirecional
Quadro IEEE 802.5
1 11
2-6
2-6
ilimitado
4
DEST
FONTE
DADOS
FCS
CONTROLE DE QUADRO (FC)
CONTROLE DE ACESSO (AC)
DELIMITADOR DE INÍCIO (SD)
11
DELIMITADOR DE FIM (ED)
STATUS QUADRO (FS)
• Status do Quadro: composto de bits A (Ativo) e C (Copiado).
• Valores dos bits A e C:
-
A = 0 e C = 0: o destinatário está inativo e quadro não foi
copiado;
-
A = 1 e C = 0: o destinatário está ativo mas o quadro não
foi copiado;
-
A = 1 e C = 1: o destinatário está ativo e o quadro foi
copiado (serve como acknowledge).
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
IEEE 802.5 - Camada Física
• Segmentos com par trançado blindado (STP):
– 4 ou 16Mbps
– até 250 repetidores no anel
• Segmentos com par trançado comum (UTP):
– 4Mbps
– até 250 repetidores no anel
• Bits codificados em Manchester diferencial.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
• Redes sem fio: pacotes transmitidos através de canais de
freqüência de rádio ou infravermelho.
• Boa alternativa para aplicações onde é difícil instalar cabos.
• Emprego:
– computadores portáteis em um ambiente de rede local
móvel;
– onde rompimento de um cabo pode paralisar todo o
sistema;
– chão de fábrica: AGVs (Automatic Guided Vehicles),
Robôs Autônomos Móveis e Sensores Inteligentes.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
AP
Host ou Servidor
de Aplicações
Terminais de RF
Rede fixa
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
• Bandas de freqüência ISM (Industrial, Scientific and Medical):
podem ser utilizadas sem que seja necessária uma licença.
• IEEE 802.11 especifica bandas 902 até 928 MHz, 2.4 até 2.48 GHz e
5.75 até 5.85 GHz.
• O sinal emitido por uma estação cobre uma área de 500 m2 com uma
potência de 100mW.
• Áreas maiores podem ser cobertas decompondo a rede em várias
subredes, responsáveis pela comunicação em uma BSA (Basic Service
Area).
• Potência do sinal de rádio decai com o quadrado da distância do
emissor. Pode-se reutilizar a mesma freqüência de transmissão para
estações em BSAs diferentes, desde que estejam suficientemente
distantes.
• Para construir redes cobrindo áreas maiores, BSAs são interligadas
por um sistema de distribuição, que consiste de uma rede usando
meio físico convencional.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
• Problema típico das redes de rádio: desvanecimento de
Rayleigh.
• Parte das ondas de rádio são refletidas quando encontram
objetos sólidos.
• Em decorrência desta reflexão, várias cópias de uma
mensagem de rádio podem estar em propagação no meio e
chegar a estação receptora em instantes de tempo diferentes.
• Quando as várias cópias do sinal chegam ao receptor após
percorrerem distancias diferentes, elas se somam
aleatoriamente, podendo resultar em um sinal muito
enfraquecido ou mesmo nulo.
• Se a diferença no comprimento dos caminhos for um múltiplo
do comprimento de onda da portadora do sinal, os vários
componentes podem cancelar-se mutuamente.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
• Desvanecimento de Rayleigh: qualidade da recepção varia a medida
que estação se move no ambiente.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
• Como várias estações compartilham o meio (rede de difusão) é
necessário utilizar um método de acesso.
• Idéia inicial: utilizar CSMA.
• Problema: alcance do sinal de rádio.
• Um sinal oriundo de A pode alcançar B, mas não alcança C nem
D. Um sinal oriundo de B alcança A e C, mas não D, etc.
A
B
C
D
A
B
C
Raio de alcance
(a)
(b)
(a) estação A transmitindo; (b) estação B transmitindo
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
D
A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
• Suponha que A está enviando dados para B:
– Se C escutar o meio, não irá detectar que A esta
enviando.
– C pode tentar enviar um quadro para B, mas como B
está no alcance de C, o quadro enviado por A irá colidir
com o quadro enviado por C a nível de B.
• O fato de uma estação não poder detectar que o meio não
está livre porque o concorrente está fora de alcance é
chamado de "problema da estação escondida" (hidden
station problem).
A
B
Raio de alcance
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
C
D
A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
• Se B estiver transmitindo um quadro para A, C irá detectar a
transmissão e concluir que não pode transmitir um quadro
para D neste momento.
• Mas, como os receptores de A e D não estão na área de
interferência uma da outra, nada impede que C envie dados
para D enquanto B envia para A !
• Esta situação é conhecida como o "problema da estação
exposta" (exposed station problem).
• Em resumo, o que realmente interessa a uma estação
pretendendo enviar um quadro em redes sem fio é saber se há
ou não atividade na área do receptor.
A
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
B
C
D
A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
• DFW-MAC (Distributed Foundation Wireless MAC) usa protocolo
MACA (Multiple Access with Collision Avoidance).
• Emissor deve estimular o receptor a emitir um quadro pequeno que
possa ser detectado pelos seus vizinhos antes de mandar os dados.
• B quer enviar um quadro para C:
– (a) B envia para C quadro RTS (Request To Send), contendo o
tamanho do quadro de dados que deseja enviar a seguir.
– (b) C responde com quadro CTS (Clear To Send), contendo a
mesma informação de tamanho.
• B inicia a transmissão quando recebe o quadro CTS de C.
RTS
A
B
C
CTS
D
A
B
C
D
Raio de alcance de B
Raio de alcance de C
(a)
(b)
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
• Qualquer estação que captar o quadro RTS estará forçosamente
próxima a B e deve se manter em silêncio por tempo suficiente
para que B receba o CTS.
• Qualquer estação que captar o CTS estará forçosamente próxima
a C e deve também se manter em silêncio por tempo suficiente
para que C receba o quadro de dados que B vai enviar a seguir,
cujo tamanho pode ser avaliado examinando o quadro CTS.
• Como se comportam as demais estações ?
– A escuta o RTS de B mas não o CTS de C, de modo que,
desde que não queira mandar dados para B, A pode enviar
seus quadros a qualquer outra estação em seu raio de alcance;
– D escuta o CTS de C mas não o RTS de B, o que indica que
está próxima a uma estação que vai receber um quadro de
dados logo a seguir e portanto deve se manter em silêncio até
que este seja recebido.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
• Apesar destas precauções, colisões ainda podem
ocorrer:
– A e C podem enviar quadros RTS para B ao
mesmo tempo.
– Estes irão colidir e ser perdidos.
• No caso de colisão, o emissor do RTS espera um
certo tempo pelo CTS e, se não receber nada, tenta
novamente mais tarde.
• O tempo de espera é definido pelo algoritmo BEB.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
• Variações:
• 802.11 – WLAN (Wireless Local Area Network)
– Opera na faixa de 2.4GHz ISM (Industrial, Scientific and
Medical)
– taxas de 1 ou 2 Mbps;
– Largura de banda de 83.5MHz;
– Aprovada em Julho de 1997.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
• 802.11a (também conhecida por Wi-Fi5)
– atua na banda de 5GHz UNII (Unlicensed National Information
Infrastructure);
– usa OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing),
sistema de modulação com múltiplas portadoras.
– largura de banda de 300MHz;
– taxas de 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 e 54Mbps.
– Aprovada em Setembro de 1999.
• 802.11b (também conhecida por Wi-Fi)
– opera na banda de 2.4 GHz ISM
– usa CCK (Complementary Code Keying), sistema de modulação
com uma única portadora;
– taxas de 1, 2, 5.5 e 11 Mbps;
– Usa tecnologia direct sequence spread spectrum (DSSS)
– Aprovada em Setembro de 1999.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
• 802.11g
– Opera na banda de 2.4GHz ISM;
– taxas de 1, 2, 5.5, 6, 9, 11, 12, 22, 24, 33, 36 e 54Mbps;
– Compatibilidade com o sistema Wi-Fi (802.11b) para taxas 
11Mbps;
– Em fase de aprovação;
– Opções de modulação:
» CCK/OFDM sistema híbrido de modulação,
preâmbulo/cabeçalho com modulação CCK, dados com
modulação OFDM, opcional.
» PBCC, opcional, permite taxas de até 33Mbps, sistema
híbrido de modulação onde o preâmbulo tem modulação
CCK e os dados PBCC (Packet Binary Convolutional
Coding) modulação com portadora única.
» OFDM, para sistemas com taxas >20Mbps;
» CCK.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
• Apesar de suas vantagens e da crescente difusão nos últimos anos, as
redes sem fio apresentam ainda alguns problemas e resolver.
• Dentre os pontos fracos dessa tecnologia pode-se destacar:
– Interferência:
» estudos mostraram que a influência dos fornos de microondas na performance
dos receptores da WLAN é significativa, uma vez que eles dividem a faixa de
espectro de 2.4GHz.
» Essa banda também é dividida com os telefones sem fio.
» Outro aspecto está relacionado com a proliferação dessas redes em residências
e edifícios de escritórios, o que irá contribuir para aumentar os problemas de
interferência;
– Segurança:
» é a principal preocupação acerca das redes sem fio, pois dados irão trafegar
pelo ar e poderão ser interceptados por pessoas com equipamentos
apropriados.
» o padrão IEEE 802.11 definiu um mecanismo de segurança opcional e
privativo, que provoca uma sobrecarga (overhead) na rede, mas que oferece
certo nível de segurança às redes sem fio.
» Para impedir que usuários não autorizados acessem sua rede sem fio, um valor
de identificação chamado de ESS-ID, é programado em cada AP para
identificar a sub-rede de comunicação de dados e funciona como ponto de
autenticação das estações da rede. Se uma estação não puder identificar esse
valor, não poderá se comunicar com o AP respectivo.
» Outros fabricantes duplicam a tabela de controle de endereços MAC sobre o
AP, permitindo, dessa forma, que apenas estações com o endereço MAC
reconhecido possam acessar a WLAN.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Redes Acústicas
• Comunicação subaquática tradicionalmente limitada a
aplicações militares (submarinos, torpedos teleguiados, sonares).
• Primeiro sistema de comunicação UWA (Under-Water Acoustic):
telefone criado em 1945 para comunicação com submarinos
(águas rasas, modulação FSK de 8 a 11 khz).
• Recentemente surgiram várias aplicações civis:
– Exploração submarina para fins científicos;
– Soldagem e reparação de cascos de navios e dutos por robôs
submarinos;
– Monitoração de poluição;
– Veículos submarinos não tripulados (AUV = Autonomous
Underwater Vehicles);
– Sensores e atuadores submarinos (sismógrafos, válvulas, etc.);
– Comunicação entre mergulhadores;
– Montagem/manutenção/operação de plataformas de
exploração/produção de petróleo.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Redes Acústicas
• Geração de sinais:
– Sinais de rádio: para boa propagação na água, requerem ondas
de baixíssima freqüência (30 a 300 Hz) => antenas grandes e
transmissores de alta potencia.
– Sinais óticos: principal problema não é atenuação, mas
dispersão.
– Sinais acústicos: melhor solução, podem se propagar na água
por milhares de Km.
• Requisitos para tipos de dados mais usuais:
– Sinais de controle (comando de válvulas, solicitação de status,
comandos de navegação para AUV, etc): requerem cerca de
1Kbps;
– Dados telemetria (hidrofones, sismógrafos, sonares, etc):
requerem cerca de 10Kbps;
– Vídeo: requer de 10Kbps a 500Kbps para boa taxa atualização.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Redes Acústicas
• Problemas tecnológicos a superar:
– Perda de transmissão: espalhamento de energia e absorção de som
(proporcional ao quadrado da distância);
– Ruído acústico: pior em águas rasas, portos, etc.
– Reverberação: propagação de sinal por múltiplos caminhos
causada por reflexão em obstáculos (desvanecimento de Rayleigh);
– Variações espaciais e temporais do meio (temperatura/densidade
água, obstáculos móveis, etc.): problema pior se estações móveis.
• Considerações de projeto de sistemas UWA:
– Importante eliminar reverberação (muito pior que rádio).
– Uso de dispositivos direcionados: problemático se estações móveis;
– Técnicas FSK com tempo de espera entre pulsos de mesma
freqüência (espera ecos desaparecerem);
– Técnicas Spread-Spectrum;
– Uso de equalizadores.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Redes Acústicas
• Tipos de sistemas UWA em uso:
– Longo alcance: 20Km até 2.000Km, modulação FSK de 200Hz até
10KHz, taxas de transmissão baixas (típico: 1 bps);
– Médio alcance: 1Km até 20Km, uso em águas rasas, modulação
FSK de 10KHz até 100KHz, 5Kbps;
– Curto alcance: até cerca de 60m, uso para robôs de manutenção e
mergulhadores em águas rasas, modulação FSK de 1MHz, taxa de
500Kbps.
• Pesquisas atuais:
– Uso de PSK e QAM (Quadrature Amplitude Modulation) em lugar
de FSK;
– Testes com sinais capazes de se propagar por todo o planeta
(testado sinal gerado Austrália e lido na Califórnia/USA);
– Desenvolvimento de ALAN (Acoustic LAN): tendência de usar
protocolos MACA e MACAW (IEEE 802.11), multiplexação de
canais por TDM ou CDMA+Spread Spectrum.
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Projeto MAP
-
Manufacturing Automation Protocol: iniciativa da GM
(1980), com a finalidade de definir rede voltada para
automação da manufatura (baseada no RM-OSI).
-
MAP bem adaptada para comunicação entre equipamentos
de chão de fábrica, tais como: Robôs, CNC, CLP, terminais
de coleta de dados, Computadores, etc.
-
Para aplicações com tempos críticos foi definida a versão
MAP/EPA (Enhanced Performance Architecture).
-
MAP/EPA apresenta duas pilhas de camadas: arquitetura
MAP completa (7 camadas) e uma arquitetura simplificada
(camadas 1, 2 e 7).
-
Versão mais simplificada: MINI-MAP implementa somente
as camadas 1, 2 e 7 do RM-OSI.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Projeto TOP
-
Technical Office Protocol: desenvolvido pela BOEING a
partir de 1983.
-
Redes para automação de áreas técnicas e administrativas.
-
Baseado no modelo OSI de 7 camadas.
-
Serviços:
- correio eletrônico;
- processamento de textos;
- acesso a base de dados distribuída;
- transferência de arquivos;
- CAD/CAM distribuído;
- troca de documentos;
- transações bancárias.
-
A partir de 1986: MAP e TOP reunidos (projeto MAP/TOP).
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Projeto FIELDBUS
-
Fieldbus (Barramento de Campo): solução de comunicação
para os níveis hierárquicos mais baixos dentro da hierarquia
fabril.
-
Interconecta dispositivos primários de automação (Sensores,
atuadores, chaves, etc.) e os dispositivos de controle de nível
imediatamente superior (CLP, CNC, RC, PC, etc.).
-
Ainda estão sendo definidos os padrões para o Fieldbus.
-
Principais grupos envolvidos nos trabalhos de padronização:
-
Avaliadores: IEC, ISA, EUREKA, NEMA
-
Proponentes: PROFIBUS, FIP, ISA-SP50.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Manufacturing Automation Protocol
Introdução
• Projeto MAP nasceu no início dos anos 80 por iniciativa
da General Motors.
• Na época, apenas 15% dos equipamentos programáveis
de suas fábricas eram capazes de se comunicar entre si.
• Custos de comunicação muito elevados, avaliados em
50% do custo total da automação.
• Quantidade de equipamentos programáveis deveria
sofrer uma expansão de 400 a 500% num prazo de 5
anos.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
MAP: introdução
• Opções da GM:
-
continuar utilizando máquinas programáveis de
vários fabricantes e solucionar o problema da
maneira como vinha sendo feito;
-
basear produção em equipamentos de um único
fabricante;
-
desenvolver uma proposta padronizada de rede
que
permitisse
interconectar
todos
os
equipamentos.
• Solução adotada: terceira opção.
• Em 1981, a GM uniu-se a outras empresas (DEC, HP e
IBM) definindo solução baseada no RM-OSI.
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A arquitetura MAP
• Camadas 1 e 2: selecionadas normas IEEE 802.4
(barramento com ficha) e IEEE 802.2 (LLC).
• Camada Física: escolhido o suporte de comunicação
em broadband, com cabo coaxial.
• Escolha de broadband baseada nas razões seguintes:
-
possibilidade de uso de vários canais
comunicação sobre um mesmo suporte;
-
permitir a troca de sinais como voz e imagem para
aplicações como supervisão, circuito fechado de
TV, teleconferência, etc.;
-
a GM já possuía muitas instalações operando em
broadband.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
de
A arquitetura MAP
• Camada de Enlace (MAC): escolhido Token-Bus, pois:
- era o único protocolo suportado em broadband;
-
muitos equipamentos programáveis já usavam
broadband e IEEE 802.4;
-
possibilidade
mensagens.
de
atribuir
prioridades
às
• Camada de Enlace (LLC): optou-se por LLC tipo 1 (sem
conexão e sem reconhecimento).
• Camada de Rede: sem conexão, cada mensagem sendo
roteada individualmente através da rede.
• Protocolo de roteamento definido pelo projeto MAP e
normalizado na ISO sob o número 9542.
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A arquitetura MAP
• Camada de Transporte: protocolo classe 4 da ISO
(TP4, ISO 8072/73), orientado à conexão, com
controle de erros.
• Oferece um canal de comunicação confiável, sem
perdas, erros, nem duplicação de mensagens.
• TP4 assegura ainda as funções de fragmentação e
blocagem de mensagens.
• Camada de Sessão: norma ISO 8326/27, modo fullduplex e resincronização.
• Camada de Apresentação: representação de dados
baseada na ASN.1.
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A arquitetura MAP
• Camada de Aplicação:
- MMS: troca de mensagens entre equipamentos de produção;
- FTAM: acesso e a transferência de arquivos;
- ROS: gestão de nomes (diretório);
- Funções de gerenciamento de rede: gestão
dos recursos, medição de desempenho,
modificação dos parâmetros da rede.
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A arquitetura MAP
Espec.
Camadas
Aplicação
TOP
MAP
ACSE, FTAM
VTP
MAP-EPA MiniMAP
MMS, FTAM, ROS
Apresentação
ISO 8822 - ASN.1
Sessão
ISO 8326 e 8327
Transporte
ISO 8072 e 8073 Classe 4
Rede
ISO 8348 s/ conexão
Enlace
Física
VAZIO
LLC 802.2 Tipo1
MAC 802.3 CSMA/CD
LLC 802.2 Tipo 1
MAC 802.4 Token Bus
LLC 802.2 Tipos 1 e 3
MAC 802.4
Banda Base
(10 Mbps)
Banda Larga
(10 Mbps)
Banda Base (5 Mbps)
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A arquitetura MAP-EPA
• Proposta MAP original adequada aos níveis hierárquicos
superiores. A arquitetura a 7 camadas oferece um overhead
indesejável nos níveis mais baixos da hierarquia.
• Solução: Definição de uma versão simplificada denominada
MAP-EPA (Enhanced Performance Architecture).
• Definição de duas pilhas de protocolos: pilha normal FullMAP e pilha MAP-EPA, desprovida das camadas de Rede,
Transporte, Sessão e Apresentação.
• Protocolo IEEE 802.4 (Token-Bus) ainda adotado, porém
sobre um suporte de transmissão em baseband a 5 Mbit/s.
• Um processo de aplicação tem a opção de enviar seus dados
através da pilha normal ou, em casos onde o requisito seja
um tempo de resposta rápida, pela pilha MAP-EPA.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A arquitetura MAP-EPA
MAP
Aplicações
convencionais
EPA
Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace LLC 802.2 Tipos 1 e 3
MAC 802.4 Token Bus
Física Banda Base 5 Mbps
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Aplicações
tempo-real
A arquitetura Mini-MAP
• Arquitetura Mini-MAP composta das camadas 1,
2 e 7.
• Protocolo de Enlace: LLC tipos 1 e 3.
Aplicação
Conexão com LSAPs
LLC Tipos 1 e 3
MAC 802.4
Banda Base
(5 Mbps)
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Os serviços de mensagem industrial (MMS)
• MMS: conjunto de serviços de comunicação
orientados para aplicações industriais.
• MMS organizado em duas partes:
-
Manufacturing Message Services: Serviços;
-
Manufacturing Message Specification: Protocolo.
• Companion Standards específicos para:
-
robôs (RC);
-
máquinas de comando numérico (CNC);
-
sistemas de visão;
-
controladores lógicos programáveis (CLP);
-
sistemas de controle de processos.
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Os objetos MMS
• Serviços MMS manipulam objetos virtuais.
• Usuários dos serviços MMS: Processos
Aplicação (AP - Application Process).
de
• Comunicação entre dois AP realizada segundo um
modelo Cliente-Servidor.
• Objeto básico: Dispositivo Virtual de Manufatura
(VMD, Virtual Manufacturing Device) representa
um equipamento real de produção.
• Todo processo de aplicação modelizado no MMS
possui, no mínimo, um objeto VMD.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Os objetos MMS
• Objetos Domínios (Domains): permitem reagrupar os programas
e os dados necessários à execução no equipamento considerado.
• Objetos Invocação de Programa (Program Invocation):
permitem execução remota de programas.
• Objeto Estação Operador: permite a um operador humano se
comunicar com um equipamento de produção.
• Objetos Semáforos: permitem gerenciar a sincronização de
processos e o acesso concorrente a recursos.
• Objetos Condição de Evento, Ação de Evento e Inscrição de
Evento: detecção e o tratamento de eventos.
• Objetos Variáveis: leitura e escrita de variáveis remotas.
• Objetos Jornais: produção de relatórios de produção.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Os objetos MMS
VMD
O b jeto s
MMS
Função Executiva
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
...
...
...
Es taç ão
O p er a do r 1
Es taç ão
O p er a do r N
Serviços MMS
• 84 Serviços distribuídos em 9 Classes:
– Gestão de Contexto
» iniciação, liberação, abandono e rejeição de conexão com
outro usuário MMS
– Gestão de Domínio
» transferência de informações (códigos e dados) para serem
carregados num domínio de forma dinâmica: as seqüências
DownLoad e UpLoad são atividades que permitem gerenciar
as transferências entre Cliente e Servidor
– Gestão de Programas
» permitem que um usuário Cliente MMS gerencie a execução
remota de programas num usuário Servidor
– Acesso a Variáveis
» definição e acesso às variáveis de um VMD
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Serviços MMS
– Gestão de Semáforos
» sincronização e controle do acesso aos recursos de um
VMD
– Estação Operador
» entrada e saída de informações via estações de operador
– Gestão de Eventos
» definição e tratamento de eventos via serviços MMS
– Gestão de VMD
» oferece serviços de VMD (informações sobre os objetos)
– Gestão de Jornal
» salvamento de informações de estado de um VMD,
particularmente no que diz respeito à ocorrência de
eventos e à afetação de variáveis.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Classe
Gestão de
Contexto
Gestão de
VMD
Gestão de
Domínio
Gestão de
Programas
Acesso a
Variáveis
Primitivas de Serviço
Initiate
Conclude
Abort*
Cancel
Reject*
Status
UnsolicitedStatus*
GetNameList
Identify
Rename
InitiateDownLoadSequence
DownLoadSegment
TerminateDownLoadSequence
InitiateUpLoadSequence
UpLoadSegment
TerminateUpLoadSequence
RequestDomainDownLoad
RequestDomainUpLoad
LoadDomainContent
StoreDomainContent
DeleteDomain
GetDomainAttribute
DomainFile
CreateProgramInvocation
DeleteProgramInvocation
Start
Stop
Resume
Reset
Kill
GetProgramInvocationAttributes
Read
Write
InformationReport
GetVariableAccessAttributes
DeleteNamedVariable
DefineScatteredAccessAttributes
DeleteVariableAccess
DefineNamedVariableList
GetNamedVariableListAttributes
DeleteNamedVariableList
DefineNamedType
GetNamedTypeAttributes
DeleteNamedType
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Comentários
iniciação, liberação,
abandono e rejeição de
conexão com outro usuário
MMS
oferece serviços de VMD,
particularmente informações
sobre os objetos
permitem transferir
informações, tais como
códigos e dados de programa,
para serem carregados num
domínio de forma dinâmica:
as seqüências DownLoad e
UpLoad são atividades que
permitem gerenciar as
transferências entre Cliente e
Servidor
permitem que um usuário
Cliente MMS gerencie a
execução remota de
programas num usuário
Servidor
permitem a definição e o
acesso às variáveis de um
VMD e estabelecer a relação
entre as variáveis de um
VMD (objetos) e as variáveis
real de um equipamento de
produção
Classe
Gestão de
Semáforos
Estação
Operador
Gestão de
Eventos
Gestão de
Jornal
Primitivas de Serviço
TakeControl
RelinquishControl
DefineSemaphore
DeleteSemaphore
ReportSemaphoreStatus
ReportPoolSemaphoreStatus
ReportSemaphoreEntryStatus
Input
Output
DefineEventCondition
DeleteEventCondition
GetEventConditionAttribute
ReportEventConditionStatus
AlterEventConditionMonitoring
TriggerEvent
DefineEventAction
DeleteEventAction
GetEventActionAttributes
ReportEventActionStatus
DefineEventEnrollment
DeleteEventEnrollment
GetEventEnrollment
ReportEventEnrollment
AlterEventEnrollment
EventNotification*
AcknowledgeEventNotification
GetAlarmSummary
GetAlarmEnrollmentSummary
AttachToEventModifier
ReadJournal
WriteJournal
InitializeJournal
ReportJournalStatus
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Comentários
são encarregados da
sincronização e do controle
do acesso aos recursos de um
VMD pelos processos de
aplicação
controlam a entrada e saída
de informações via estações
de operador
permitem a definição e o
tratamento de eventos via
serviços MMS. A
possibilidade de associar a
execução de um serviço
MMS àocorrência de um
evento é um aspecto
interessante, implementado
pelo Modificador
AttachToEvent
permitem o salvamento de
informações sobre a execução
de um VMD, particularmente
no que diz respeito à
ocorrência de eventos e à
afetação de variáveis.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Redes Fieldbus
TENDÊNCIA
Decentralizado / Digital
Keyboard
Keyboard
Placa de
aquisição de
dados
D
D
RS 232C
A
A
4..20 mA
0..10 v
MUX
P
P
Decentralizado / Digital /
Multipontos
RS 449 (422/423)
Centralizado /
Analógico
Keyboard
FIELDBUS
P
P
Sample/
Holder
A
D
C
D
A
0..10 v
4..20 mA
A
P
D
C
P
D
A
Amp.
Potência
Adaptador
/Amp.
X
Y
X
Y
sensores
X
atuador
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Y
X
Y
sensores
inteligentes
atuador
inteligente
X
Y
X
Y
sensores
inteligentes
atuador
inteligente
Vantagens de uso do Fieldbus
-
redução da cablagem pela utilização de um meio físico
compartilhado;
-
redução do número de canais de comunicação com o
processo;
-
redução do tempo e complexidade do projeto de lay-out;
-
facilidade de instalação e manutenção, pela manipulação
de um menor número de cabos e conexões;
-
facilidade de detecção, localização e identificação de
falhas, através de funções de monitoração automática;
-
maior modularidade no projeto e instalação, aumentando
a flexibilidade de expansão de funções e módulos;
-
melhor consistência e confiabilidade da informação,
através da digitalização e pré-processamento;
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Vantagens de uso do Fieldbus
-
possibilidade de sincronização
amostragem de Entrada/Saída;
-
melhoria do desempenho global da aplicação pela
descentralização do processamento;
-
maior facilidade de interconexão
hierárquicos diferentes de automação;
-
redução dos custos de sistemas através da aquisição
seletiva de dispositivos compatíveis de diferentes
fornecedores, eliminando a dependência de somente um
fornecedor;
-
desacoplamento do software de supervisão da
dependência de um fornecedor específico de Hardware.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
dos
instantes
entre
de
níveis
Motivações e requisitos do Fieldbus
• MAP-EPA e Mini-MAP permitem a realização de
tempos de resposta de cerca de 100 ms.
• Fieldbus reduz este tempo para abaixo de 10 ms.
• Fieldbus define somente as camadas 1, 2 e 7 do
modelo de referência OSI.
• Funções das camadas 3 a 6 indispensáveis para a
comunicação absorvidas pelas camadas 2 ou 7.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Motivações e requisitos do Fieldbus
- Aspecto de custo assume grande importância
- dispositivos a serem interligados tem em geral custo inferior ao
da própria interface MAP.
- São requeridos nós a um custo da ordem de U$ 50 ou inferior.
Componente MAP
Cabo Coaxial
Controlador
Demodulador
Componente
Ethernet / IBM
Nó CSMA/CD
Nó Token-Ring
Preço médio
U$ 2,5 / m
U$ 5.000
U$ 1.500
Preço médio
Elemento Campo
CLP
Controle Robô
PC
Sensor/Atuador
Preço médio
U$ 3.000
$20.000
U$ 2.000
U$ 50 a 1000
U$ 500 - 1500
U$ 750 - 1500
I/O Binária
U$ 50 a 1000
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Motivações e requisitos do Fieldbus
• Três classes distintas de aplicação:
- sistemas "Stand-Alone": transações ocorrem
somente entre dispositivos ligados em um mesmo
segmento de rede (ex.: sensores e atuadores ligados
a um CNC dentro de uma máquina).
- sistemas em cascata: dispositivos conectados a
segmentos distintos podem trocar informações por
meio de uma "bridge" (ex.: SDCD - Sistema
Distribuído de Controle Digital).
- sistemas hierárquicos: Fieldbus está interligado via
"gateway" a um nível hierárquico superior da
automação fabril (ex.: estrutura CIM).
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Motivações e requisitos do Fieldbus
• Em função do tipo de aplicações que se propõe a atender, um
conjunto de requisitos básicos são impostos ao Fieldbus:
-
elevado desempenho para atender as aplicações com
requisitos de tempo críticos;
-
método de transmissão simples e barato;
-
meio de transmissão de preço acessível;
-
necessidade de consistência de dados;
-
serviços compatíveis com redes dos níveis hierárquicos
superiores (compatibilidade com MMS);
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Motivações e requisitos do Fieldbus
•
Existem várias soluções proprietárias para o Fieldbus.
•
Esforços para padronização do Fieldbus:
ESPRIT CNMA/Fieldbus
Sistema Fieldbus para Processos de Fabricação
PROFIBUS
D
Norma nacional em abril 91
Siemens
Foxboro
Rosemount
ISA/ IEC
USA
ISA SP50
Iniciou definição de Pré-Norma
Fieldbus Foundation
MIL 1553
industrial
outros
FIP
F
Norma nacional inicio 1988
EUREKA "Fieldbus"
Desenvolvimento e teste de um Fieldbus
para Processos Unitários ( Ex. )
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Motivações e requisitos do Fieldbus
•
sistemas fieldbus atuais adequados para o acoplamento direto
de sensores e atuadores em processos com dinâmica elevada
(RTLAN) ?
P r o c e s s a d o r Ce n t r a l
Cont.
Atuador
Processo
Sensor
F ie l d b u s
P r o c e s s a d o r Ce n t r a l
Cont.
Atuador
Processo
Sensor
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A proposta FIP
(Factory Instrumentation Protocol)
Introdução:
• FIP elaborado por um conjunto de empresas
européias (principalmente francesas), órgãos do
governo francês e centros de pesquisa.
• Criadores conglomerados em torno do chamado
“Club FIP” (http://www.worldfip.org).
• Procurou levar em consideração as restrições de
tempo real impostas por aplicações de chão de
fábrica.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A camada Física do FIP
• Meios de transmissão: fibra ótica ou par trançado.
• Par trançado: previstas três velocidades de transmissão:
-
S1: 31.25 Kbps (segurança intrínseca)
-
S2: 1 Mbps (padrão)
-
S3: 2.5 Mbps (processos de elevada dinâmica)
• Fibra ótica: velocidade de 5 Mbps.
• Bits codificados segundo o código Manchester, que permite
o envio simultâneo do sinal de sincronização e dos dados.
• Suporta segmentos com comprimento de até 2000 m e até
256 estações.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A camada de Enlace do FIP
•
Método de acesso ao meio baseado na difusão ("Broadcasting").
•
A difusão é organizada por uma entidade centralizada
denominada "árbitro de barramento".
•
Dados representados por objetos (variáveis).
•
Cada objeto é representado por um "nome" único no sistema.
•
Cada objeto é elaborado por um único transmissor (produtor) e
lido por qualquer número de receptores (consumidores).
•
A comunicação transcorre da seguinte forma:
-
árbitro difunde na rede o nome da variável (objeto) a ser
transmitida;
-
O produtor da variável difunde a informação ligada ao
identificador;
-
todos os consumidores interessados lêem a variável
difundida.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A camada de Enlace do FIP
I D _ D AT
Árbitro
C
P
C
R P_ DAT
Árbitro
C
P
C
• A varredura das variáveis periódicas é feita a partir de uma
lista implementada no árbitro na inicialização.
• A transmissão de mensagens não periódicas é feita
conforme a norma IEEE 802.2, LLC tipos 1 e 3.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Formato do quadro do FIP
•
PRE: preâmbulo, utilizado para sincronização.
•
FSD/FED: delimitadores de início e fim de quadro.
•
EB: Bits de equalização, operam como bits de interface entre os
delimitadores e os dados codificados em Manchester.
•
DFS (Data Frame Sequence):
-
Controle: tipo de quadro (quadro de identificação de informação
ou de envio de informação).
-
Dados: contém endereço lógico ou valor de uma variável,
mensagem, reconhecimento ou lista de identificadores.
-
FCS: controle de erros com técnica polinomial (polinômio gerador
proposto pela CCITT).
PRE
FSD
EB
FSS
FSS — Frame Start Sequence
FES — Frame End Sequence
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
DFS
EB
FED
FES
EB
Serviços oferecidos pela camada de enlace FIP
Classe
Primitiva
Comentários
L_PUT.req/cnf
L_SENT.ind
L_GET.req/cnf
L_RECEIVED.ind
atualiza dados
sinaliza envio
busca de dados
sinaliza recepção
Atualização não
periódica de dados
L_PARAM.req/cnf
requisita dados
Transmissão de
mensagem com ACK
L_MESSAGE_ACK.req/ind/cnf
c/ reconhecimento
Transmissão de
mensagem sem ACK
L_MESSAGE.req/ind
s/ reconhecimento
Atualização cíclica de
dados
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A Camada de Aplicação do FIP
-
FIP adota sub-conjunto do MMS para aplicações não
críticas no tempo.
-
Para aplicações críticas no tempo, adota família de
serviços MPS ("Message Periodic/Aperiodic Services").
Classe
Leitura de variáveis
Escrita de variáveis
Leitura do tipo de
variável
Acesso à listas de
variáveis
Serviços de
sincronização
Primitiva de serviço
A_READ.req/cnf
A_READFAR.ind
A_WRITE.req/cnf
A_WRITEFAR.ind
A_GETOBJECT_DESCRIPTION.req/cnf
Comentários
lê nomes de variáveis,
estruturas, status, valores
escreve especificação, valor,
status
lê especificação
A_READLIST.req/cnf
A_WRITELIST.req/cnf
A_SEND.ind
A_RECEIVE.ind
lê e escreve atributos,
valores
sincronização local e remota
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Funções De Gerenciamento da Rede no FIP
• O projeto FIP definiu uma série de funções de
gerenciamento de rede:
– Definição e atualização das listas de objetos;
– Definição e atualização das tabelas de
varredura;
– Gerenciamento das operações de partida e
parada;
– Detecção e correção de falhas;
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A proposta PROFIBUS
(PROcess FIeld BUS)
Introdução
•
PROFIBUS desenvolvido na Alemanha, inicialmente pela
Siemens em conjunto com a Bosch e Klockner-Moeller em 1987.
•
Em 1988 tornou-se um "Trial Use Standard" no contexto da
norma DIN (DIN V 19245, parte 1), que define as camadas Física
e Enlace.
•
Posteriormente, grupo de 13 empresas e 5 centros de pesquisa
propuseram alterações nas camadas Física e Enlace e definiram
a camada de Aplicação (norma DIN V 19245, parte 2).
•
Esta proposta é atualmente apoiada por mais de 300 empresas
européias e internacionais (www.profibus.com).
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A camada física do PROFIBUS
• A camada física do PROFIBUS baseia-se no padrão EIA
RS-485 (Electronic Industries Association).
• Topologia barramento, utilizando como meio um par
trançado blindado.
• Permite a interligação de até 32 elementos (estações ativas,
passivas ou repetidoras) por segmento. São permitidos até 4
segmentos, totalizando um máximo de 128 estações.
• Codificação NRZ, podendo ser implementada com uma
USART simples (assíncrona).
• Taxas de transmissão: 9.6, 19.2, 93.75, 187.5, 500 Kbps, 1.5
Mbps, 12 Mbps.
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A camada de enlace do PROFIBUS
• O PROFIBUS combina dois métodos deterministas de
acesso ao meio: "Master/Slave" e "Token-Passing".
a n el ló g ic o
Me s t r e 1
Me s t r e 2
to ke n
Es cr avo
1
Es cr avo
2
Es cr avo
3
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Es cr avo
N
A camada de enlace do PROFIBUS
• O PROFIBUS agrupa quadros em duas classes:
-
quadros longos: para transmissão entre estações
mais complexas (ativas, mestres);
-
quadros curtos: para dispositivos
simples (passivas, escravos).
de
• Os quadros previstos incluem:
-
quadro longo sem campo de dados;
-
quadro longo com campo de dados fixo;
-
quadro longo com campo de dados variável;
-
quadro curto sem campo de dados;
-
quadro curto com campo de dados;
-
quadro curto de passagem de token.
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campo
Serviços de enlace do PROFIBUS
• Protocolo de enlace: FDL ("Fieldbus Data Link").
Classe
SDN (Send Data with No
Acknowledge)
SDA (Send Data with
Acknowledge)
RDR (Request Data with
Reply)
CRDR (Cyclic Request Data
with Reply)
CSRD (Cyclic Send and
Request Data)
SRD (Send and Request
Data)
Primitiva de serviço
FDL_DATA
FDL_DATA_ACK
FDL_REPLY
FDL_REPLY_UPDATE
FDL_CYC_REPLY
FDL_CYC_DEACT
FDL_REPLY
FDL_REPLY_UPDATE
FDL_SEND_UPDATE
FDL_CYC_DATA_REPLY
FDL_CYC_DEACT
FDL_DATA_REPLY
FDL_DATA_UPDATE
FDL_DATA_REPLY
FDL_REPLY_UPDATE
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Comentários
envio de dados sem
reconhecimento
envio de dados com
reconhecimento
requisição de dados com
reconhecimento
estação local requisita
ciclicamente dados ao usuário
remoto.
estação local envia ciclicamente
e requisita simultaneamente
dados de resposta.
estação local envia e requisita
dados.
A camada de Aplicação do PROFIBUS
• Definido um subconjunto do MMS.
• Camada de Aplicação
subcamadas:
dividida
em
- Fieldbus Message Specification
protocolo propriamente dito;
três
(FMS):
- Lower Layer Interface (LLI): interface com a
camada de Enlace;
- Application Layer Interface (ALI): interface
com as aplicações do usuário.
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Classe
Serviços de
Acesso a
variáveis
Serviços de
Notificação de
Eventos
Primitivas de serviço
READ
WRITE
INFORMATION_REPORT
PHY_WRITE
PHY_READ
DEFINE_VARIABLE_LIST
DELETE_VARIABLE_LIST
INITIATE_DOWNLOAD_SEQUENCE
DOWNLOAD_SEGMENT
TERMINATE_DOWNLOAD_SEQUENCE
INITIATE_UPLOAD_SEQUENCE
UPLOAD_SEGMENT
TERMINATE_UPLOAD_SEQUENCE
REQUEST_DOMAIN_DOWNLOAD
REQUEST_DOMAIN_UPLOAD
CREATE_PROGRAM
INVOCATION_DELETE_PROGRAM
INVOCATION_START
INVOCATION_STOP
INVOCATION_RESUME
INVOCATION_RESET
ALTER_EVENT_COND._MONITORING
EVENT_NOTIFICATION
ACK_EVENT_NOTIFICATION
Serviços de
Leitura de
Status
STATUS
UNSOLICITED_STATUS
STATUS_IDENTIFY
Serviços de
Gerenciamento
de Dicionário
de Objetos
Serviços de
Gerenciamento
de Contexto
GET_OV
PUT_OV
INITIATE_PUT_OV
TERMINATE_PUT_OV
INITIATE
REJECT
ABORT
Serviços de
Acesso a
Domínios
Serviços de
Invocação de
Programas
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Comentários
leitura e escrita de
variáveis contidas
em dispositivos
servidores
transferência de
dados ou programas
de dispositivo cliente
para dispositivo
servidor e vice-versa
partida, parada,
retorno da execução,
retorno ao estado
inicial e deleção de
programas
servidor notifica
cliente a ocorrência
de um evento
(alarme)
informações acerca
do estado dos
dispositivos
servidores
descrição de todos os
objetos na rede
(nomes, endereços,
tipos de dados, etc)
estabelecimento e
encerramento de
associação entre dois
dispositivos e a
rejeição de
mensagens recebidas
A Proposta ISA SP-50
Introdução:
• Proposta iniciada pela ISA (Instrumentation Society
of America), pelo comitê "Standards and Practices
50".
• Hoje em elaboração pela ISA e IEC para definir
padrão mundial para Fieldbus.
• Trabalhos de padronização ainda em andamento.
• Fieldbus Foudation: suporte aos usuários e
fabricantes (interoperabilidade, conformidade, etc).
• Home-page: http://www.fieldbus.org.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A Camada Física Do ISA-SP50
• Camada física compõe-se de três subcamadas:
- DIS (data Independent Sublayer): interface
com camada de enlace (DTE);
- MDS (Medium Dependent Sublayer): codifica
dados para formato compatível com o meio
físico. Especificação para par trançado:
codificação Manchester bifásica;
- MAU (Medium Attachment Unit): descreve o
transceptor para o meio físico.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A Camada Física Do ISA-SP50
Camad a d e E nlace
D IS
( Da t a In d ep en d en t S u b la y er )
MD S
( Med iu m D ep en d en t S u b la y er )
MA U
( Med iu m A t ta c h m en t U n it )
Meio Físico
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A Camada Física Do ISA-SP50
- Tipos de meio:
– Meio H1 (áreas de segurança intrínseca):
» Par trançado
» Taxa de transmissão de 31,25 Kbps
» Até 32 estações se meio não é utilizado para a
alimentação dos dispositivos de campo ou 6
estações com alimentação pelo fio
» Topologias barramento, árvore e estrela;
» Distância até 1900m sem repetidores
» Até 4 repetidores
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A Camada Física Do ISA-SP50
– Meio H2 (aplicações de alta velocidade):
» Par trançado.
» Taxa de transmissão de 1 Mbps ou 2,5 Mbps.
» Topologia em barramento e estrela.
» Distância máxima de 750 m para 1 Mbps e 500m
para 2,5 Mbps, 30 estações (sem repetidores).
– Propostas alternativas:
» Fibra ótica.
» Sinais de rádio.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A Camada De Enlace Do ISA - SP50
Classes de serviços:
-
Serviços de gerenciamento de Buffers e filas: permitem
alocar buffers e filas para a transferência de dados;
-
Serviços de transferência de dados com conexão;
-
Serviços de transferência de dados sem conexão: úteis no
envio de telegramas de difusão (multicast e broadcast);
-
Serviços de escalonamento de transações: permitem
programar o LAS, definindo a seqüência de passagem de
token.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A camada de Enlace do ISA - SP50
Classes de funções para estações:
-
Responder: estação só transmite dados em resposta a
uma solicitação (estação "escrava");
-
Initiator: estação pode se apoderar do direito de acesso
ao meio (token), podendo enviar e requisitar dados a
outras estações por iniciativa própria;
-
Linkmaster: estação pode exercer o papel de escalonador
de enlace, administrando o token e gerenciando o tempo
interno do sistema;
-
Bridge: estação capaz de interligar entidades de enlace
diferentes;
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A camada de Enlace do ISA - SP50
• Se há mais de um "Linkmaster" no sistema, estes disputam
entre si na inicialização o papel de escalonador de enlace.
• A estação vencedora é chamada LAS (Link Active Scheduler).
• Existem três tipos de token:
-
Token de escalonamento: disputado na inicialização por
todas as estações Linkmaster, define a estação LAS.
-
Token circulado: distribuído pela estação LAS às demais
estações com funcionalidade de Initiator ou Linkmaster,
que formam um anel lógico.
-
Token delegado: enviado pela estação LAS a uma estação
qualquer por solicitação desta ou para atender às
necessidades de um serviço de comunicação escalonado
pela LAS.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A Camada De Enlace Do ISA - SP50
LA S
Es t aç ão
q u al q u er
LM
T o ke n d e E s c a l o n a m e n t o
T o ke n D e l e g a d o
T o ke n Ci r c u l a d o
LM
LM
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A Camada De Enlace Do ISA - SP50
• Formas de acesso ao meio:
– Token passing: segue seqüência predefinida na
qual o token sempre é recebido da LAS por um
“Initiator” e devolvido a ela após uso do meio.
– Resposta imediata: um “Initiator” ou o LAS
solicita um dado a um “Responder”, que emite um
frame em resposta (relação mestre-escravo).
– Requisição de token: uma estação envia um
pedido de token embutido em uma mensagem
qualquer. O LAS delega o token a ela quando tem
tempo disponível. Após o uso, token é devolvido a
LAS.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A Camada De Enlace Do ISA - SP50
• Modelos de comunicação suportados:
– Peer-to-Peer (P2P): pressupõe que cada estação na rede
possui capacidades e responsabilidades equivalentes (isto
difere do modelo cliente/servidor, no qual algumas
estações são dedicadas a prestar serviços às demais).
Neste modelo, cada frame contém o endereço do emissor
e do(s) receptor(es). A comunicação envolve 1 emissor e
1 ou mais receptores.
– Produtor / consumidor: frame gerado pelo produtor
(gerador de um dado) é difundido para todas as estações
(broadcasting) e contém, no campo de endereço, a
identificação de uma variável. Todas as estações
interessadas (consumidoras) podem ler o frame.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A Camada De Enlace Do ISA - SP50
• Camada de Enlace subdividida em quatro subcamadas:
-
Subcamada de acesso a Enlace: interface com a camada
física, gerencia token e serviços de resposta imediata;
-
Subcamada de escalonamento de Enlace: faz
escalonamento de atividades da entidade de enlace.
Mais complexa em estações Linkmaster (podem assumir
a função de LAS);
-
Subcamada de gerenciamento de conexões: estabelece e
rompe conexões;
-
Subcamada de gerenciamento de Ponte: só existe em
estações tipo Bridge.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A Camada De Enlace Do ISA-SP50
Cama d a d e
Aplica çã o
S u b c a m a d a d e G e r e n c ia m e n t o d e P o n t e
S u b c a m a d a d e G e r e n c ia m e n t o d e
C on ex õ es
S u b c a m a d a d e E s c a lo n a m e n t o
S u b c a m a d a d e A c e s s o a E n la c e
Cama d a Física
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
A Camada De Aplicação Do ISA-SP50
• Camada de aplicação ainda em discussão.
• Procura conjugar MMS, para aplicações sem restrições
temporais, com MPS (serviços tipo READ/WRITE inspirados
no FIP) para atender tráfego cíclico e acíclico com requisitos
de tempo real "duro".
• Camada de aplicação prevê os seguintes serviços:
-
MCSE (Message Common Service Element): estabelece e
interrompe conexões entre processos de aplicação
(Correspondem aos serviços ACSE da ISO).
-
IMSE (Industrial Message Service Element): serviços
semelhantes aos oferecidos pelo MMS do projeto MAP.
-
DDM (Distributed Database Maintenance): Serviços de
acesso à bases de dados distribuídas.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Camada Do Usuário Do ISA-SP50
• SP-50 define User Layer, situada acima da camada de
aplicação
• Oferece serviços adequados a diversos tipos de
aplicações (como "companion standards" do MAP).
• Trabalhos atuais: PCUL - Process Control User Layer.
• Outros trabalhos deverão atender as áreas de:
-
automação da manufatura;
-
controle predial (imótica);
-
eletrônica embarcada (automóveis),
-
aplicações domésticas (domótica),
-
etc.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Serviços De Gerenciamento De Rede Do ISA-SP50
• SP-50 inclui funções de gerenciamento de rede:
- Gerenciamento de configuração de rede:
» carregamento;
» inicialização de endereços;
» configuração de comunicação e aplicação;
» partida, etc.;
- Controle
de
operação:
ferramentas
sincronização, escalonamento, etc.;
de
- Monitoração de desempenho: detecção, diagnose
e recuperação de erros, avaliação e otimização de
desempenho, etc.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Fieldbus: Conclusões
-
Uma vez definido um padrão internacionalmente aceito, o
Fieldbus deverá revolucionar o setor de instrumentação.
-
Esta tecnologia permite que a inteligência seja totalmente
distribuída pelo campo e favorece o surgimento de
dispositivos com capacidades locais de processamento cada
vez mais sofisticadas.
-
A integração total dos equipamentos permitirá alterações
nos procedimentos de operação das plantas industriais.
-
O Fieldbus deverá também propiciar a intercambiabilidade
a nível de sensores, atuadores, transmissores e
controladores, trazendo ao usuário uma maior flexibilidade
na compra de produtos e abrindo espaço para novos
fabricantes.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
GPIB
• Interface de rede padrão para instrumentação: GPIB (General
Purpose Interface Bus).
• Origem: HP-IB (Hewlet-Packard Interface Bus).
• Hoje norma IEEE 488.1 e IEC 625-1.
• Características:
– barramento paralelo,
– 16 linhas com sinal ativo baixo referenciado a um terra
comum.
– tensão acima de 2V considerada como lógico 0 e abaixo de
0.8V como lógico 1.
– 8 linhas de dados
– 3 linhas para operações de handshake
– 5 linhas para gerenciamento da interface
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
GPIB
Categoria
8 Data lines
3 Handshake lines
5 Interface Management lines
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Linha
DIO 1-8
DAV
NRFD
NDAC
REN
IFC
SRQ
EOI
ATN
Nome
Data I/O
Data Valid
Not Ready For Data
Not Data Accepted
Remote Enable
Interface Clear
Service Request
Endo or Identify
Attention
GPIB
• Linhas de controle NRFD e NDAC operam no modo “wiredOR”
• Só assumem o valor lógico TRUE no barramento quando todas
as estações ligadas ao GPIB setam a linha correspondente local
em TRUE (ativo baixo).
• GPIB requer estação controladora (mestre) do barramento, que
define quem será a estação emissora (talker) e quem serão as
estações receptoras (listeners) em cada instante.
• A linha ATN distingue mensagens de dados (ATN=0) de
mensagens dedicadas de gerenciamento da interface (ATN=1)
como, por exemplo, mensagens para definir o talker e os
listeners.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
GPIB
• Após a definição, pela estação controladora, de quem serão o talker e os
listeners, são executados os seguintes passos:
– Se o talker tem um novo byte de dados a enviar, coloca seu valor nas
linhas DIO 1-8;
– Talker seta linha DAV (Data Valid) em TRUE;
– Listeners setam NRDF (Not Ready For Data) em FALSE;
– Listeners recebem o dado e setam NDAC (Not Data Accepted) em
FALSE (esta linha só assume o valor FALSE quando todos os
listeners receberem o dado, devido ao uso de wired-OR);
– Talker seta DAV (Data Valid) em FALSE e remove dados das linhas
DIO 1-8;
– Listeners setam NDAC (Not Data Accepted) em TRUE;
– Se listeners estiverem prontos para receber um novo byte de dados,
setam NRFD (Not Ready For Data) em FALSE;
– Talker pode reiniciar processo do passo 1, enviando o byte de dados
seguinte.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
GPIB
• GPIB pode ter até 15 estações (entre controladora, talkers e
listeners) no barramento.
• comprimento máximo de cabo de 20 metros.
• taxa de transmissão de até 1Mbps.
• boa aceitação na área de instrumentação.
• GPIB não é uma interface bem adaptada às necessidades de
automação de chão de fábrica (sensores, atuadores, robôs,
CLPs, CNCs, etc.), pois:
– cabos de 16 condutores são caros;
– sinal referenciado ao terra é sensível à perturbações
eletromagnéticas;
– comprimento máximo do barramento é uma limitação
física indesejável.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Redes para Automação de Escritório
- Redes locais para automação industrial
são seriais.
- Tipos mais difundidos:
- ETHERNET (DEC, INTEL e XEROX),
- ARCNET (Datapoint),
- TOKEN-RING (IBM).
- Produtos definem camadas Física e Enlace
do modelo OSI.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Redes para Automação de Escritório
Acesso ao Meio
Velocidade
Número de nós
Meio de
transmissão
Topologia
ETHERNET
CSMA/CD
10 Mbps
1024
Par trançado
Fibra ótica
Cabo coaxial
Star/Bus
ARCNET
Token-passing
2.5 Mbps
254
Par trançado
Fibra ótica
Cabo coaxial
Star/Bus
TOKEN-RING
Token-passing
4 ou 16 Mbps
255
Par trançado
Cabo coaxial
Ring
-
ARCNET (Attached Resource Computer Network): boas características para
aplicação industrial, devido a topologia, técnica de acesso ao meio e preço
baixo.
-
Ethernet: rede mais popular, tem como desvantagem o método não
determinista de acesso ao meio (CSMA/CD). Originalmente desenvolvida
para aplicação em escritório, possui a maior quantidade de unidades
instaladas no mercado.
-
Rede Token-Ring: é a mais popular entre os produtos da IBM e apresenta
como desvantagem o seu alto custo de instalação e baixa flexibilidade. Em
contrapartida trabalha com elevada taxa de transmissão e inclui um grande
M.número
R. Stemmer
- LCMI / entre
DAS /os
UFSC
de soluções
produtos IBM.
Softwares comerciais para rede
•
Novell Netware:
O SO para rede NOVELL NETWARE já foi o mais difundido no mercado e pode
operar sobre diferentes bases de hardware para rede (suporta as redes ARCNET,
Ethernet e Token-Ring). Oferece serviços a nível das camadas de Sessão e
Apresentação.
•
LAN-Manager:
O SO para redes da MICROSOFT era o maior concorrente do Novell-Netware. A
versão inicial operava sobre OS/2 no servidor. Há versões para MVS (IBM) e VMS
(DEC). O LAN-Manager oferece serviços a nível da camadas de Sessão e
Apresentação. Foi embutido no Windows 95/98/NT/Me/2000.
•
LAN-Server:
SO para redes da IBM, inicialmente desenvolvido em conjunto com o LAN-Manager
da Microsoft. Opera sobre o sistema operacional OS/2.
•
PC-LAN:
SO para rede Token-Ring da IBM, interligando computadores PC. Requer o NetBios
para funcionar.
•
NetBios:
O NetBios é uma API desenvolvida pela IBM que provê serviços a nível das camadas
de Rede e Transporte.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
DDE/NetDDE
• DDE (Dynamic Data Exchange): protocolo de
comunicação entre aplicações que rodam em
ambiente windows (Microsoft).
• Permite troca dinâmica de dados entre
Supervisórios (SCADA), Excel, Lotus, Access, etc.
• Um aplicativo é configurado como cliente e o
outro como servidor.
• No DDE, Servidor e Cliente estão na mesma
máquina.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
DDE/NetDDE
• NetDDE: implementa a mesma facilidade que DDE
através de portas seriais ou rede.
• Opera sobre o Netbios (que pode usar TCP/IP).
• Agente NETDDE.EXE deve estar rodando no
servidor e no cliente.
• Ambos os processos (servidor e cliente) devem estar
ativos (instanciados) para operação do NetDDE.
• Comunicação assíncrona: processo cliente não fica
bloqueado se servidor não responder.
• http://angelfire.com/biz/rhaminisys/ddeinfo.html.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
COM / DCOM
• COM (Component Object Model): suporta
comunicação entre processos no Windows
(Microsoft), semelhante a DDE.
• Servidor é instanciado pelo cliente no momento do
pedido de serviço.
• Cliente pode manipular objetos no servidor.
• Comunicação síncrona: cliente fica bloqueado até
receber resposta do servidor.
• Distributed COM: versão distribuída do COM.
• http://www.sei.cmu.edu/descriptions/com_body.html
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
OPC
• OPC (OLE for Process Control): API baseada em
OLE (Object Linking and Embedding), agora
substituído pelo Active X, e COM/DCOM.
• Define interface comum para intercâmbio de dados
entre aplicativos Windows, particularmente
sistemas supervisórios (SCADA), e dispositivos de
campo (CLP), permitindo padronizar os drivers.
• Padrão definido por um grupo de empresas sobre
sistemas da Microsoft (OPC em si não é um sistema
proprietário da Microsoft).
• http://www.opcfoundation.org
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
TCP/IP
-
Os protocolos TCP e IP foram desenvolvidos pela UCB
(University of Califórnia at Berkeley) para a ARPA
("Advanced Research Projects Agency") em 1969,
muito antes da definição do modelo de referência
ISO/OSI.
-
Sua aplicação original era militar (a ARPA é vinculada
ao DoD, Departamento de Defesa dos EUA). O par de
protocolos conhecido como TCP/IP é uma herança do
projeto ARPANET.
-
Os serviços oferecidos pelo protocolo ARPANET
permitem transferir arquivos (ftp), executar comandos
remotamente (telnet), enviar e receber correio eletrônico
(mail), entre outros.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
TCP/IP
-
O protocolo TCP ("Transmission Control Protocol") é usado
para implementar o sequenciamento e o controle de fluxo de
informações e corresponde aproximadamente à camada de
transporte do modelo OSI.
-
O protocolo IP ("Internet Protocol") é um protocolo não
orientado a conexão cujas funções correspondem
aproximadamente às da camada de rede do modelo ISO/OSI.
-
Este par de protocolos adquiriu uma grande importância, pois
é hoje a base de funcionamento da INTERNET.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
TCP/IP
-
TCP e IP costumam ser utilizados em uma arquitetura de rede
diferente da proposta pela ISO (RM-OSI)
-
O TCP/IP se estabeleceu como um padrão de fato para
ligações de redes heterogêneas.
-
O TCP/IP foi originalmente desenvolvido para interconectar
máquinas de diversos fabricantes, ou seja, se tornar um
protocolo universal.
-
Na arquitetura TCP/IP, as aplicações são implementadas de
forma isolada, sem um padrão que defina sua estrutura. As
aplicações trocam dados utilizando diretamente a camada de
transporte (TCP).
-
Foram disponibilizados diversos serviços de aplicação sobre
TCP/IP. Alguns deles serão apresentados a seguir.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Gerenciamento de redes
-
DNS (Domain Name System): é um esquema de
gerenciamento de nomes, hierárquico e distribuído, que define
a sintaxe dos nomes usados na Internet.
-
Os endereços TCP/IP são numéricos (com uma formação
dividida em classes), compostos uma parte destinada a
endereçamento de rede e uma parte destinada a endereçamento
de hosts (máquinas).
-
O DNS contém um banco de dados distribuído, mantido por
um conjunto de Servidores de Nomes (Name Servers), que
permite fazer a resolução de endereços IP (numéricos) para o
nome de uma máquina. Cada nível hierárquico de um nome é
denominado um domínio (domain).
-
Ex.: atlas.lcmi.ufsc.br é um nome composto de 4 domínios,
que equivale ao endereço IP 150.162.14.1.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Gerenciamento de redes
-
SNMP (Simple Network Management Protocol): É uma
aplicação TCP/IP, que providencia uma maneira de gerenciar
objetos dentro de uma rede TCP/IP.
-
Os processos que realizam o gerenciamento são denominados
agentes e gerentes e tem por objetivo detectar a presença de
falhas no funcionamento dos componentes da rede.
-
O gerente envia comandos aos agentes, solicitando
informações sobre o estado dos objetos gerenciados
(comandos get e response) ou modificando este estado
(comando put). Um agente pode também notificar o gerente
da ocorrência de um evento específico (comando trap).
-
Os objetos gerenciados podem ser estações de trabalho,
gateways, modems, bridges, concentradores, processos, etc.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Gerenciamento de redes
- Finger: providencia uma maneira de se verificar os users que
estão conectados a um determinado host.
-
Por default, finger mostra informações sobre cada user logado na
máquina, incluindo: login name, full name, terminal name, idle
time, login time, e location.
-
Se o nome de um determinado user é especificado, finger retorna
informações sobre aquele user em particular, incluindo: login
name, full name, se user esta logado neste momento e de onde,
etc.
atlas:~> finger stemmer
Login name: marcelo
In real life: Marcelo Ricardo Stemmer
Directory: /home/professores/marcelo Shell: /bin/tcsh
On since Nov 7 15:48:54 on ttyp7 from goedel
No unread mail
Project: Professor do LCMI
Plan:
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Gerenciamento de redes
-
Ping: providencia uma maneira de se verificar se um
determinado host está ativo na rede. Funciona enviando uma
mensagem para o host e aguardando uma resposta. Se o host
não responde, significa que não está conectado à rede.
atlas:~> ping polaris
host polaris is alive
-
Netstat: providencia uma maneira de se verificar as conexões
que estão ativas na rede TCP/IP. Informa as conexões TCP no
host, estado dos servidores TCP/IP neste host, bem como os
Sockets utilizados, dispositivos e links, e a tabela de
roteamento que está ativa.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Correio eletrônico
-
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): providencia um serviço
de correio eletrônico entre os usuários TCP/IP.
-
Este correio permite a troca de mensagens entre dois ou mais users
e hosts.
-
As mensagens a enviar são guardadas no SPOOL do serviço de
mail. As mensagens recebidas são armazenadas em caixas postais.
-
Processos servidores fazem o recebimento e envio das mensagens
em background.
-
Existem diversas versões de interfaces com o usuário (SMI Mail,
Eudora, etc).
-
Usualmente, quando o usuário se conecta ao host, o sistema de
correio eletrônico é ativado e avisa se existem mensagens na sua
caixa postal.
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
Correio eletrônico
-
Recepção de mail:
atlas:~> mail
Mail version SMI 4.0 Thu Jul 23 13:52:20 PDT 1992 Type ? for help.
"/var/spool/mail/marcelo": 2 messages 2 new
>N 1 [email protected] Thu Nov 7 15:55 26/1254 lista
N 2 [email protected] Thu Nov 7 16:02 224/8330 Reuniao
-
Envio de mail:
atlas:~> mail [email protected]
Subject: aula de redes
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Compartilhamento de arquivos
-
NFS (Network File System): providencia uma maneira de se
compartilhar arquivos de um servidor a partir de vários hosts
de modo integrado e transparente através de uma rede TCP/IP.
-
O NFS realiza um mapeamento dos discos de um determinado
servidor na rede TCP/IP, permitindo que os hosts desta rede
enxerguem estes arquivos como locais.
-
Com o NFS, máquinas sem disco rígido (diskless) podem
armazenar arquivos no disco de outra máquina de forma
transparente.
-
O NFS cria um sistema de arquivos virtual que estende o
sistema de arquivos local. Um mecanismo chamado
redirecionador diferencia arquivos locais de remotos e desvia
chamadas a arquivos remotos para um servidor NFS.
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Comunicação
-
SLIP (Serial Line IP): é um protocolo muito simples, utilizado para
conectar dois hosts através de uma linha serial, configurando uma
ligação ponto-a-ponto. Não providencia endereçamento; cada um
dos hosts tem que ser conhecido pelo outro; não identifica pacotes e
não possui correção de erros. É muito usado em conexões via
modem entre um servidor e uma máquina remota.
-
PPP (Point-to-Point Protocol): protocolo desenvolvido para
substituir o SLIP e que contém as implementações que não são
oferecidas pelo SLIP. Também muito usado em conexões via
modem.
-
Aplicativos baseados no PPP ou SLIP (ex.: trumpet) permitem
negociar um endereço IP para a máquina remota, possibilitando a
execução de programas como mail, ftp, telnet e browsers (netscape,
mosaic, etc) a partir dela.
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Emulação de terminais
-
Telnet: providencia um interface padrão através do qual um
programa em um host (cliente Telnet) acessa recursos em
outro host (servidor Telnet) como se fosse um terminal local
conectado ao servidor de terminais.
-
O usuário tem que possuir uma conta na máquina remota
para poder operar o sistema.
atlas:~> telnet polaris.lcmi.ufsc.br
Trying 150.162.14.4 ...
Connected to polaris.lcmi.ufsc.br.
Escape character is '^]'.
SunOS UNIX (polaris)
login:
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APIs (Application Program Interfaces)
-
RPC (Remote Procedure Call): providencia uma interface de
aplicação que permite a comunicação entre dois programas
executando em dois hosts diferentes (processamento cooperativo).
-
mecanismo projetado para facilitar o desenvolvimento de aplicações
distribuídas baseadas no modelo cliente/servidor.
-
No módulo cliente, o programador define alguns procedimentos
como sendo “remotos” e faz com que o compilador incorpore no
programa chamadas a um processo servidor RPC.
-
No módulo servidor, os procedimentos compartilhados são
declarados como procedimentos “servidores”.
-
Chamadas aos procedimentos remotos são repassadas ao servidor
RPC, que troca mensagens necessárias a execução do serviço
remoto via rede.
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Transferência de arquivos
-
FTP (File Transfer Protocol): permite realizar a
transferência de arquivos entre hosts. O usuário tem que se
identificar para o host de onde (ou para onde) o arquivo
será transferido. O FTP estabelece 2 conexões entre os
hosts: uma conexão de controle (comandos) e uma
conexão de transferência de dados. Podem ser transferidos
arquivos dos tipos texto (ASCII ou EBCDIC) e binário.
-
TFTP (Trivial File Transfer Protocol): é um protocolo
mais simples para transferir arquivos entre dois hosts. Não
leva em consideração nenhuma proteção e autenticação de
usuário e estabelece uma única conexão entre hosts.
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Transferência de arquivos
atlas:~> ftp lcmi.ufsc.br
Connected to lcmi.ufsc.br.
220 atlas FTP server (Version wu-2.4(2) Tue Jan 3 17:40:32 EDT
1995) ready.
Name (lcmi.ufsc.br:marcelo): anonymous
331 Guest login ok, send your complete e-mail address as password.
Password: <digitar meu endereço de mail>
230230- Welcome, user at atlas ! You are in the FTP server of the
230230Laboratório de Controle e Microinformatica - LCMI
230Departamento de Engenharia Eletrica
- DEEL
230Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC
23088.040-900 Florianópolis SC - Brasil +55.482.231.9202
230230- At this moment there are 3 user(s) here (maximum 10).
230230 Guest login ok, access restrictions apply.
ftp> <dir, bin, get, put, etc...>
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Impressão remota
-
LPR (Line Printer Redirection): executa o redirecionamento de
arquivos de impressão para um host através de uma rede
TCP/IP.
- LPD (Line Printer Daemon): servidor de impressão para hosts
remotos em uma rede TCP/IP.
Execução remota
-
RSH (Remote Shell Protocol): executa um shell remotamente em
outro host através de uma rede TCP/IP.
-
REXEC (Remote Execution Command Protocol): é um servidor
que permite a execução de um comando REXEC de um host remoto
através de uma rede TCP/IP. O servidor realiza um login automático
incluindo a verificação do usuário. A parte cliente é realizada pelo
processo REXEC.
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Arquitetura TCP/IP
Modelo de Referência ISO/OSI
Aplicação
Modelo Arquitetura TCP/IP
SMTP
(mail)
FTP
TELNET
...
Apresentação
Sessão
Transporte
TCP (Transmission Control Protocol)
Rede
Enlace
IP (Internet protocol)
LLC
MAC
Física
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LLC + Driver ( ex.:UNIX)
Controle de acesso ao meio (MAC)
Meio Físico
}
Placa
Softwares comerciais para rede
Ap l i c a ç ã o
Ap r e s e n t a ç ã oA r pa n e t
Sessão
Tr anspor te
R ed e
En l ace
Fís ic a
L AN
Ma na g e r
N o v e ll
N e twa re
T C P / IP
Ether n et
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L A N M a na ge r
Nov e l Ne t wa r e
PC LAN
LAN Server
L A N M a na ge r
PC LAN
LAN Server
N e t BIO S
T o ke n R in g
A RC n et
SINEC
 Redes SINEC (SIEMENS) incluem:
– SINEC H1: rede compatível com a norma
IEEE 802.3 (Ethernet).
– SINEC H2: rede compatível com o padrão
MAP.
– SINEC L1: sistema fieldbus proprietário da
Siemens.
– SINEC L2: rede fieldbus compatível com a
norma alemã PROFIBUS. Oferecida em 3
versões: DP, FMS, PA.
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SINEC
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SINEC
 SINEC L2-DP
 desenvolvido para aplicações que exijam respostas rápidas,
sistemas remotos de I/O (como CLPs ligados a sensores e
atuadores).
 Utiliza o padrão RS485 ou fibra ótica na camada física.
 Para RS485: cabo de 1200 metros com uma taxa de transmissão
de 93.75 Kbps, 1000 metros com taxa de 187.5 Kbps, 200 metros
com taxa de 1.5 Mbps ou 100 metros com taxa de 12 Mbps.
 até 127 estações em 4 segmentos de rede ligados por repetidores.
 operação com mestre único (single master) e escravos, adotando
somente MAC Mestre/Escravos.
 Usa serviços sem conexão e sem reconhecimento (LLC tipo 1).
 serviços de aplicação voltados para leitura e escrita de variáveis
remotas (READ/WRITE).
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SINEC
 SINEC L2-FMS
 concebido para a troca de dados entre sistemas
inteligentes autônomos em sistemas de manufatura,
como CNCs, CLPs, RCs, PCs, etc.
 Utiliza RS485 ou fibra ótica na camada física.
 Como as estações podem ser autônomas, utiliza MAC
Token-Passing e Mestre/Escravos.
 suporta 127 estações em 4 segmentos de rede
 Usa serviços LLC tipos 1 e 3.
 Os serviços de aplicação seguem o padrão FMS
(Fieldbus Message Services, subconjunto do MMS da
rede MAP).
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SINEC
• Aplicação típica SINEC L2-FMS:
PC- Visão
PC - Gerente FMC
Rede Profibus
RC
Câmara
CCD
CNC
Torno
Romi-Mazak
tcd
Esteira transportadora
Robô IPSO
SP-50
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Micrômetro
Laser
SINEC
 SINEC L2-PA
 Permite interligar instrumentos da área de processos unitários a
um sistema de comunicação.
 Adota o padrão IEC 1158-2 na camada física, que utiliza o
próprio cabo de transmissão de dados para energizar os
dispositivos de campo.
 Taxa de transmissão de 31.25 Kbps (áreas de segurança
intrínseca).
 Comprimento máximo do cabo depende do número de estações
conectadas e é função de seu consumo de energia.
 Um segmento (sem repetidores) suporta no máximo 32 estações.
 MAC utiliza o protocolo Mestre/Escravos.
 Usa LLC tipo 1.
 Serviços de aplicação semelhantes a L2-DP.
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BITBUS (INTEL)
-
topologia: barramento.
-
Método de acesso ao meio: Mestre/Escravos.
-
integração de sensores,
instrumentos de medição.
-
arquitetura de apenas três camadas (1, 2 e 7).
-
Camada física: interface padrão RS-485 com par trançado
e taxas de transmissão de até 2.4 Mbps (modo síncrono).
-
Camada de enlace: protocolo SDLC (Synchronous Data
Link and Control), um sub-conjunto do protocolo HDLC.
-
Processador Intel 8044 implementa este protocolo a nível
de hardware.
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atuadores,
controladores
e
BITBUS (INTEL)
8044
Buffer
recepção
8051
Buffer
transmissão
DPRAM
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SIU
BITBUS (INTEL)
Camada de aplicação: serviços RAC (Remote Access and Control)
Serviço
Função de Acesso
Função de Comando
Reset_Slave
X
Create_Task
X
Delete_Task
X
Get_Function_ID
X
RAC_Protect
X
Read_IO
X
Write_IO
X
Update_IO
X
Upload_Memory
X
Download_Memory
X
OR_IO
X
AND_IO
X
XOR_IO
X
Status_Read
X
Status_Write
X
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CAN
• rede CAN (Controller Area Network) desenvolvida pela
BOSCH para integrar elementos inteligentes em veículos
autônomos (eletrônica embarcada).
• Automóvel pode possuir mais de 200 microprocessadores:
-
carburação eletrônica
-
frenagem anti-bloqueante (ABS)
-
controle e supervisão da temperatura do óleo e do
radiador, pressão de óleo de freio, etc.
-
ajuste automático de espelhos retrovisores, banco do
motorista, etc.
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CAN
• CAN lançado em 1984.
• Em 1987 lançado chip 82526 (INTEL).
• A partir de 1991 outros fabricantes licenciados:
– Phillips/Signetics (chips 82C200, 87C592, 82CE598 e
82C150).
– Motorola (chip 68HC05).
– NEC (chip 72005).
– Siemens, Thompson, National, Hitachi.
• Cia (CAN in Automation): entidade constituída de usuários e
fabricantes de produtos para automação industrial baseados
no protocolo. Até 1993, a cia já tinha 64 associados fora da
industria automobilística.
• CAN vendeu mais de 5 milhões de chips só em 1995.
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CAN
• Camada física (padrão ISO/DIS 11898):
 Topologia: barramento
concentrador);
ou
estrela
(com
 Taxa de transmissão: 125 Kbps até 1 Mbps;
 Comprimento máximo do barramento: 40 m
para 1 Mbps; até 1 Km para 125 Kbps;
 Número máximo de nós: 64;
 Codificação de bits: NRZ (Non Return to Zero);
 Meio de transmissão: não especificado na
norma, mas usualmente usado par trançado ou
fibra ótica.
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CAN
• Subcamada MAC:
 Método de acesso ao meio: Forcing Headers
com prioridades para mensagens.
• Subcamada LLC:
 Comprimento máximo dos quadros de
dados: 8 Bytes;
 Controle de erro por CRC de 16 bits.
• Camadas 3 até 6 do RM-OSI foram
suprimidas.
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CAN – Enlace
• CSMA/NBA - Carrier Sense Multiple access with Nondestructive Bitwise Arbitration (Forcing Headers)
• Qualquer nó pode acessar o meio se estiver livre
• NBA garante 100% de utilização do meio e priorização de
mensagens baseada no identificador de 11 bits do frame
Frame CAN
S
O
F
11 bit
IDENTIFIER
Control Length
Field
Arbitration
Field
0 to 8 bytes Data
CRC
A E
C O
K F
Data Field
SOF - Start of Frame
EOF – End of Frame
CRC - Cyclic Redundancy Check (CRC 16)
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ACK - Acknowledgment
CAN – Exemplo De Arbitragem
Nó 1 Transmite:
0
10110110100
0
0
0
1
00000001
E
xxxx 11 O
F
Nó 2 Transmite:
0
Nó 2 perde arbitragem
e pára transmissão!
10110111
No meio:
0
10110110100
0
0
0
1
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00000001
E
xxxx 01 O
F
CAN
• Modelos de comunicação:
– Frame não contém campos específicos para
endereço destino/origem.
– Campo IDENTIFIER pode conter endereço de
uma estação, grupo de estações (multicasting) ou
mensagens são difundidas para todas as estações
(broadcasting).
– Campo IDENTIFIER pode identificar o
conteúdo da mensagem (dados), que é difundida
para todas as estações.
» Gerador da mensagem: PRODUTOR.
» Estações interessadas no conteúdo da
mensagem: CONSUMIDORES.
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CAN
• Norma CAN não define especificação para a camada de Aplicação
• Grupo CiA definiu uma especificação para aplicações em
automação:
 CMS (CAN Message Services): serviços de leitura e escrita
de variáveis remotas e tratamento de eventos, baseados no
MMS;
 NMT (Network Menagement): serviços de inicialização e
gerenciamento da rede;
 DBT (Distributor): provê uma distribuição dinâmica de
nomes definidos pelo usuário para identificar as mensagens.
• O sistema suporta até 2032 objetos, aos quais é associado um
número de identificação único na aplicação.
• O tempo para leitura de dados a nível da camada de enlace é da
ordem de 420 µs para o objeto de maior prioridade.
• CAN tornou-se norma internacional definida pela ISO em 1993 sob
a designação ISO 11898.
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VAN
• A rede VAN (Vehicle Area Network) foi
normalizada em 1990 na França pelo “Bureau de
Normalisation de l'Automobile” para operar em
eletrônica embarcada.
• A partir de 1992 passou a ser adotada pela
Renault e pela Peugeot.
• Apesar das semelhanças com a rede CAN, não se
conhecem aplicações da rede VAN em automação
industrial.
• Os chips disponíveis estão implementados na
forma de ASICs projetados especificamente para
a indústria automobilística.
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VAN
• Propriedades a nível da camada física:
 Topologia: barramento;
 Taxa de transmissão: de 100 Kbps até 250
Kbps;
 Número máximo de nós: 16;
 Comprimento máximo do barramento: 20
metros;
 Codificação de bits: Manchester ou NRZ.
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VAN
 Subcamada MAC:
 Método de acesso ao meio: Forcing Headers (como
CAN);
 Controle de erros: assumido pela subcamada MAC, que
usa a técnica de CRC;
 Subcamada LLC:
 Quadro de dados: 8 bytes ou 28 bytes (versão FullVAN);
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Outras redes para veículos




J1850 (definida nos Estados Unidos pela SAE)
C2D (Chrysler Collision Detection)
MIL-STD-1553B (para aviônica militar)
todas com uso restrito à eletrônica embarcada.
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DeviceNet
• DeviceNet é uma rede industrial de baixo custo
para conectar dispositivos como chaves fim de
curso, células fotoelétricas, válvulas, motores,
drives, displays de CLP e PC, etc.
• DeviceNet foi desenvolvida tendo CAN como base.
• DeviceNet oferece manipulação robusta e eficiente
de dados e é baseada na técnica produtor /
consumidor.
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DeviceNet
• A ODVA (open DeviceNet Vendor Association) é uma
organização independente que supervisiona e gerencia
as especificações da DeviceNet.
• Seu objetivo é promover a adoção mundial de
DeviceNet como rede aberta.
• A ODVA trabalha conjuntamente com os membros
vendedores, usuários finais e distribuidores.
• Possui 320 membros (até julho de 2001).
• Home-pages:
– http://www.odva.org
– http://www.ab.com/catalogs/b113/comm/dnet.html
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DeviceNet – Arquitetura
Camada 7
Camada 2
{
{
Application Layer
Data Link Layer
Physical Signaling
Camada 1
Transceiver
Transmission Media
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}
DeviceNet
}
}
CAN
DeviceNet
DeviceNet - Camada Física
Ramificações
Daisy-chain
•
•
•
•
•
•
•
Configuração em barra (daisy-chain ou ramificações)
Nós podem ser removidos sem interromper linha
Até 64 nós endereçáveis
Sinal e alimentação de 24vdc no mesmo cabo
Taxas transmissão: 125kbps, 250kbps, 500kbps
Conectores selados ou abertos
Terminador de 121 ohms nas extremidades
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DeviceNet – Alimentação e Sinal
24vdc
PS
• Par trançado com dois fios:
– Par Sinal: baixa perda, alta velocidade.
– Par Alimentação: até 8A corrente.
• Sensores alimentados da linha.
• Opto-isolamento para dispositivos com alimentação própria
(Ex.: drive, PLC, etc.).
• Pode-se usar várias fontes de alimentação.
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DeviceNet - Conectores
Selados:
T - Tap
Multiport Tap
Drop lines
- 0 a 6m
Abertos:
Droplines
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Droplines
DeviceNet - Daisy-Chaining
Tap
Tap
Dropline
Até 6 metros do Tap
Conector plug-in
para dispositivo
Usar em painéis de
controle que
agrupam
dispositivos
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DeviceNet – Distâncias e Velocidades
Data
Rate
Barramento
Ramificações
Dist. TAP
Cumulativo
125K
500m
26 x 6m
156m
250K
250m
13 x 6m
78m
500K
100m
6 x 6m
36m
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DeviceNet - Enlace
• Enlace segue sistema CAN.
• Formas de comunicação suportadas através do modelo
produtor/consumidor:
– Master/Slave: escravos só enviam dados em resposta
a varredura do mestre.
– Peer-to-Peer: comunicação livre entre fontes /
destinos quaisquer (par a par).
– Multi-master: vários mestres e vários escravos.
– Mudança de estado dos dados: envio de dados entre
estações predefinidas sempre que houver alteração de
estado.
– Produção cíclica de dados: estações enviam dados
entre si em intervalos fixos de tempo.
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Uso Do Campo Identifier
IDENTIFIER BITS
10
9
8
7
6
0
Group 1 Msg ID
1
0
MAC ID
1
1
Group 3
Message ID
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
5
4
3
2
1
0
IDENTITY USAGE
000-3ff
Message Group 1
400-5ff
Message Group 2
Source MAC ID
600-7bf
Message Group 3
Group 4 Message ID
(0-2f)
7c0-7ef
Message Group 4
7f0-7ff
Invalid CAN Identifiers
Source MAC ID
Group 2
Message ID
1
HEX RANGE
1
X
X
M. R. Stemmer - LCMI / DAS / UFSC
X
X
Grupos 1 e 2 – Master/Slave
IDENTIFIER BITS
10 9
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
8 7 6
Group 1
Message ID
1 1 0 1
1 1 1 0
1 1 1 1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
5
4
DESCRIPTION
3
2
1
0
Source MAC ID
Source MAC ID
Source MAC ID
Source MAC ID
MAC ID
Source MAC ID
Source MAC ID
Source MAC ID
Source MAC ID
Destination MAC ID
Destination MAC ID
Destination MAC ID
Destination MAC ID
Group 2
Message ID
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
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Group 1 Messages
Slave's I/O Change of State or CyclicMessage
Slave's I/O Bit-Strobe Response Message
Slave's I/O Poll Response Message
Group 2 Messages
Master's I/O Bit-Strobe Command Message
Reserved for Master's Use -- Use is TBD
Master'sChg of state/cyclic acknowledge msgs
Slave's Explicit Response Messages
Master's Connected Explicit Request Messages
Master's I/O Poll Cmd/Chg of State/Cyclic Msgs
Group 2 Only Unconnected Explicit Req.. Msgs
Duplicate MAC ID Check Messages
DeviceNet – Camada de Aplicação
• Definição do campo Identifier
– Estabelece prioridade no processo de arbitragem
– usado pelos nós receptores para identificar mensagens
• Dois tipos de mensagens
– Mensagens de I/O para dados de controle críticos no tempo
– Mensagens explicitas para funções cliente/servidor
– Fragmentação para dados maiores que 8 bytes
• Detecção de identificadores duplicados
• Verificação de consistência dos dados de
aplicação
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ControlNet
• ControlNet International é uma organização independente
criada em 1997 que mantém e distribui a especificação
ControlNet e gerencia is esforços de marketing dos
membros associados.
• Home-page: www.controlnet.org
• Mais infos: www.ab.com/catalog/b113/comm/cnet.html
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ControlNet
• Onde usar: níveis intermediários (célula, área)
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ControlNet
• Camada física:
–
–
–
–
Topologias: barramento, árvore, estrela
Taxa transmissão: 5 Mbps
Estações endereçáveis: até 99
Distâncias:
» Cabo coaxial RG-6: 1.000 m com 2 nós, 500 m com 32 nós,
250 m com 48 nós (sem repetidores), máximo de 5.000 m
com 5 repetidores
» Fibra: 3.000 m sem repetidores, até 30 km com 5
repetidores
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ControlNet
• Camada de enlace:
– Controle de erros no frame por Cyclic Redundancy Check,
polinômio CCITT modificado com 16 bits.
– Campo de dados com até 510 bytes.
– MAC: CTDMA (Concurrent Time Domain Multiple Access), que
regula a oportunidade de transmitir de cada nó em intervalos de
tempo ajustáveis chamados NUT (Network Update Time). A menor
NUT é de 2ms.
– Informações com restrições temporais são enviadas na parte
escalonada da NUT. Dados sem restrições temporais (ex.: Dados de
configuração) são enviados nos intervalos restantes de tempo.
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ControlNet
• Camada de aplicação:
– Orientação a objetos
– Modos de comunicação:
» Master/Slave
» Multi-Master
» Peer-to-Peer
» Produtor/consumidor
– Leitura de dados:
» Mudança de estado
» Cíclico
» Por solicitação
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HART
•
HART (Highway Addressable Remote Transducer): protocolo de
transição entre tecnologia analógica e digital.
•
“HUG”: HART User Group (inclui Siemens, Hitachi, Toshiba,
Yokogawa, ABB, Endress+Hauser, Fischer & Porter, Rosemount Inc.,
Camile Bauer, Smar International e outras).
•
HART Communication Foundation (www.hartcomm.org)
•
Camada física:
-
Meio físico: par trançado com até 3.000 m;
-
Taxa de transmissão: 1.200 bps;
-
Transmissão assíncrona com caracteres UART (1 start bit, 8 bits
de dados, 1 bit de paridade e 1 stop bit);
-
Topologia: barramento ou árvore;
-
Modulação: FSK (padrão Bell 202, lógico 1 => sinal de 1.200 Hz,
lógico 0 => 2.200 Hz).
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HART
• Camada de enlace:
- mestre-escravos e token-passing;
- Tempo médio de resposta: 378.5 ms;
• Camada de aplicação:
- comandos, respostas, definição de tipos de dados e emissão de
relatórios de status.
• Possível transmitir sinais de 4 a 20 mA (analógicos) e quadros digitais
simultaneamente.
• Os chips HT2012 (Smar Research) e SYM20C15 (Symbios Logic)
servem como modems de baixa potência para uso em equipamentos de
campo.
• O chip requer a adição de filtros e comparadores para a operação do
protocolo.
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HART
CLP
Bell
202
Sensor
digital
Sensor
digital
I
Bell
202
FPA
FPA
FPA
FPA
Sensor
digital
Atuador
digital
FPA
Sensor
analógico
FPB
...
4..20
mA
t
4..20
mA
FPB
Atuador
digital
Bell
202
Atuador
analógico
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INTERBUS-S
• Interbus-S desenvolvido na Alemanha pela empresa Phoenix
Contact.
• Obteve ampla aceitação industrial (mais de 5.000 aplicações).
• Interbus-S concebido para integração de sensores a atuadores
a um elemento de tomada de decisão (CLP, CNC, RC, etc.).
• Elemento de tomada de decisão opera como estação mestre.
• Sensores e atuadores são estações escravas que executam
operações de entrada/saída.
• Interbus-S adotou uma topologia em anel
• Método de varredura denominado "Quadro Concatenado"
ou "Quadro Somado" (do alemão "SummenrahmenVerfahren").
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INTERBUS-S
• Mestre monta um quadro único contendo campos
reservados para cada um dos escravos.
• Mestre preenche o campo reservado àquele escravo com os
dados de processo ou parâmetros a enviar.
• O quadro então é enviado ao primeiro escravo no anel.
• O primeiro escravo reconhece no quadro o início de sua
janela de dados e verifica o conteúdo somente do campo
reservado a ele.
• Escravo lê a informação contida no seu campo reservado e
substitui o conteúdo do campo pelos dados de resposta.
• Em seguida, o primeiro escravo envia o quadro completo
para o próximo escravo no anel.
• O processo se repete até que o quadro tenha percorrido
todos os escravos do anel e retornado ao mestre.
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INTERBUS-S
• Analogia com um trem (quadro somado) que pára em diversas
estações (escravos), deixando alguns passageiros e pegando
outros.
Master
Slave 1
Slave 2
Slave 3
Slave 4
C FCS M4 M3 M2 M1 H
Frame
Lê
M1
At.
M1
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Lê
M2
At.
M2
Lê
M3
At.
M3
Lê
M4
At.
M4
INTERBUS-S
• O tempo que o quadro somado leva para percorrer o anel (ciclo
de varredura) depende do número de escravos e é determinista.
• O número máximo de entradas e saídas suportadas pelo
Interbus-S é de 2048, que podem ser varridas em 7.2 ms.
• Distância entre estações consecutivas no anel: até 400 metros.
• Número máximo de estações: 256 (anel pode ocupar 13 Km sem
repetidores).
• Taxa de transmissão: 500 Kbps.
• As informações que o mestre envia para os escravos podem ser:
– dados de processo: comandos a executar ou valores a
colocar em uma saída (sujeitos à restrições de tempo real);
– parâmetros de configuração do escravo (sem restrições de
tempo): enviados em time slots reservados no quadro
somado.
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INTERBUS-S
• Camada de aplicação: define serviços PMS (Peripherals
Message Services), subconjunto do MMS.
• Os serviços PMS incluem:
 gerenciamento de conexões;
 identificação e verificação de status;
 gerenciamento de objetos;
 acesso a variáveis (read, write, update, etc.);
 gerenciamento de programas (dowload, upload,
start, stop, resume, etc.).
• Organizações de empresas DRIVECOM e ENCOM
ocupadas de definir padrões de utilização e configuração
para INTERBUS-S.
• Sistema candidato à padronização pela IEC e DIN.
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ASI-BUS
• ASI (Actuator/Sensor Interface) desenvolvido por
11 empresas (Balluf, Baumer, Elesta, Festo, IFM,
Peperl+Fuchs, Sick, Siemens, Leuze, Turck e
Visolux) e introduzido no mercado em 1993.
• concebido para interligar elementos periféricos
(sensores e atuadores) binários, tais como chaves
fim-de-curso, sensores de proximidade indutivos e
capacitivos, relês, válvulas, etc.
• Estes elementos requerem informação mínima
para operar (na maioria dos casos, 1 bit com
comandos tipo ON/OFF).
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ASI-BUS
• ASI foi concebido como um sistema Mestre/Escravos com
topologia em barramento.
• O mestre executa uma varredura cíclica dos escravos,
enviando quadros de solicitação de dados e aguardando um
quadro de resposta.
• Os quadros enviados pelo mestre ASI tem um campo de dados
de apenas 4 bits e um campo de parâmetros de mais 4 bits.
• O quadro tem 17 bits no total.
1
1
5 bit slave addr.
4 bit parameter
Command-bit
Start bit
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4 bit data
1
1
Test bit
Stop bit
ASI-BUS
• O quadro de resposta do escravo composto de apenas 7
bits.
• Como todas as respostas são destinadas ao mestre, não é
necessário um campo de endereço neste quadro.
1
4 bit data
1
1
Test bit
Start bit
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Stop bit
ASI-BUS
• quadros utilizados sempre iguais
• a varredura de cada escravo implica no envio e recepção de um
total de apenas 24 bits
• Cada escravo recebe 4 bits de dados e 4 bits de parâmetros, e
responde, se for o caso, também com 4 bits de dados.
• Um escravo ASI possui até 4 portas de I/O conectadas a
dispositivos periféricos
• Cada porta de saída recebe o valor de 1 dos 4 bits do campo de
dados do quadro enviado pelo mestre.
• Se as portas estão configuradas como entradas, seu valor é
copiado nos 4 bits correspondentes do campo de dados do
quadro de resposta do escravo.
• Desta forma, o mestre pode ler ou escrever em qualquer uma
das portas remotas dos escravos.
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ASI-BUS
ASI
Master
Slave 1
Slave 2
I/O 1
...
Slave 31
I/O 120
I/O 4
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I/O 124
ASI-BUS
• ASI suporta até 31 escravos em um barramento.
• Como cada escravo pode ter 4 E/S, o número máximo
de elementos binários que podem ser integrados aos
31 escravos é de 124.
• A varredura completa dos 31 escravos, atualizando
todas as 124 entradas e saídas, requer cerca de 5 ms.
• Esta configuração permite ligar os sensores e
atuadores binários convencionais atuais à rede ASI.
• Os 4 bits de parâmetros recebidos do mestre podem
ser enviados para 4 portas de saída adicionais,
podendo ser utilizados para configurar um
dispositivo mais sofisticado conectado ao escravo.
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ASI-BUS
• Esta configuração permite conectar sensores e atuadores
inteligentes à rede ASI.
Dados I/O
Slave
ASI
Sensor
inteligente
parâmetros
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ASI-BUS
• O cabo de rede ASI é composto de 2 condutores
não blindados.
• cabo é utilizado também para a alimentação dos
escravos (24V DC, 100 mA por escravo).
• Um segmento de rede ASI pode ter até 100
metros de comprimento.
• A grande vantagem de ASI sobre outras rede
tipo fieldbus é o custo baixo e simplicidade de
implementação, operação e manutenção.
• Sua aplicação em automação industrial vem
crescendo muito desde seu lançamento em 1993.
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FAIS
• FAIS (Factory Automation Interconnection System):
desenvolvida no Japão por 30 empresas e o International
Robotics and Factory Automation Center (IROFA).
• Primeiros produtos lançados em 1992.
• FAIS é uma versão atualizada da rede Mini-MAP.
• Foi concebida para uso em automação fabril no nível
hierárquico de célula (FMC).
• Arquitetura FAIS composta das camadas 1, 2 e 7.
• Camada física:
– cabo coaxial com técnica de transmissão em CarrierBand com 5 ou 10 Mbps.
– fibra ótica com 10 Mbps.
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FAIS
• Camada de enlace de dados:
– subcamada MAC: protocolo Token-Bus, conforme IEEE
802.4.
– subcamada
LLC:
serviço
sem
conexão
com
reconhecimento (LLC tipo 3), conforme IEEE 802.2.
• Camada de aplicação:
– MMS (Manufacturing Message Services);
– serviços de gerenciamento de rede NM (Network
Menagement);
– dicionário de objetos OD (Object Dicionary).
• Alterações básicas em relação a mini-MAP: camada física
com fibra ótica e serviços de aplicação NM e OD.
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FAIS
• Especificação FAIS 2.0
Aplicação
MMS
NM
OD
Apresentação
Sessão
VAZIO
Transporte
Rede
LLC 802.2 tipo 3
Enlace
Física
MAC 802.4 Token bus
Baseband 5 / 10 Mbps
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Fibra ótica 10 Mbps
LON
• LON (Local Operating Network): desenvolvida pela empresa
Echolon em 1990
• Aplicações alvo:
– automação predial (imótica)
– automação doméstica (domótica)
– automação de escritórios
– automação industrial.
• Protocolo de comunicação LonTalk é implementado no
processador dedicado NeuronChip, produzido pela Motorola e
Toshiba.
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LON
• O NeuronChip é composto dos seguintes elementos:
 3 processadores de 8 bits (1° executa MAC, 2° serviços
gerais de comunicação, 3° aplicações do usuário);
 Porta de conexão ao transceiver, através do qual o
NeuronChip se conecta ao meio;
 Pinos de entrada e saída, reset, clock e alimentação (5V);
 Acesso a um número de série de 48 bits definido pelo
fabricante;
 Um timer programável;
 Sistema de memória, contendo 10 Kbyte ROM, 1 Kbyte
RAM e 512 Bytes EEPROM para parâmetros de rede;
 3 temporizadores Watch-Dog (1 para cada processador);
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LON
• LonTalk é baseado no RM-OSI e implementa 7 camadas.
• Ferramentas de suporte LonWorks incluem:
 NeuronChip;
 Protocolo LonTalk;
 Transceivers que permitem ligar o NeuronChip ao
meio físico;
 LonBuilder Developer's Workbench: sistema de
desenvolvimento orientado a objetos para projeto,
implementação e teste de nós LON.
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LON
• Camada física: transceivers oferecidos pela Echolon:
 FTT-10: par trançado, taxa de 78 Kbps, 127 nós em um
barramento de até 2.700 metros ou segmentos de até 500
metros com topologia em estrela ou anel;
 LPT-10: par trançado, taxa 78 Kbps, 32 nós com 100 mA
cada, 64 nós com 50 mA ou 128 nós com 25 mA,
barramento de 2.200 metros ou segmentos de até 500
metros com topologia em estrela ou anel, alimentação
pelo fio da rede;
 TPT/XF-78: par trançado, taxa de 78 Kbps, barramento
com 2.000 metros, 64 nós;
 TPT/XF-1250: semelhante ao anterior, mas com taxa de
transmissão de 1.25 Mbps para distâncias de até 500
metros;
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LON
• Camada física: transceivers oferecidos pela Echolon:
 PLT-10A: utiliza como meio físico a rede elétrica por meio
da tecnologia spread spectrum (técnica especial de
transmissão usada em sistemas com elevados níveis de
interferência), operando na faixa de freqüência de 100
KHz até 450 KHz com taxa de transmissão de 10 Kbps;
 PLT-20: idem ao anterior, mas com freqüência de 125 KHz
a 140 KHz com taxa de transmissão de 5.4 Kbps;
 PLT-30: idem aos anteriores, mas com freqüência de 9 a 95
KHz e taxa de 2 Kbps.
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LON
• Transceivers de outros fabricantes:
 RF-300: usa sinais de rádio freqüência de 300MHz, taxa
de transmissão de 1.200 bps (rede sem fio);
 RF-450: idem, com 450 MHz e taxa de 4800 bps;
 RF-900: idem, com 900 MHz e taxa de 39 Kbps;
 IR: usa sinais em infravermelho, com taxa de transmissão
de 78 Kbps;
 Fibra ótica: taxa de transmissão de 1.25 Mbps;
 Cabo coaxial: taxa de transmissão de 1.25 Mbps.
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LON
• Camada de enlace:
– subcamada MAC: CSMA preditivo ppersistente com detecção de colisão e
atribuição de prioridades às mensagens
(comportamento preditivo quando é usado
serviço com reconhecimento)
– subcamada LLC: serviços sem conexão (com
ou sem reconhecimento) e oferece funções de
montagem de quadros e checagem de erros
com CRC.
• Elementos para interconexão de subredes LON:
– roteadores (ex.: RTR-10)
– pontes
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LON
Nó
Nó
Fibra ótica
Nó
Nó
Router
Par trançado
Nó
Nó
Nó
Router
Nó
Rede elétrica
Nó
Nó
Nó
Nó
Router
Nó RF
Nó RF
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Nó RF
LON
• NeuronChip programado em Neuron C (orientação a
objetos, suporte a programação concorrente, 37 novos
tipos de dados definidos na especificação SNVT (Standard
Network Variable Types) e mecanismos de passagem de
mensagem).
• LON ainda pouco conhecido no Brasil.
• Mais de 1 milhão de nós de rede LON instalados nos
Estados Unidos.
• Em 1994 criado grupo "LonMark Interoperability
Association” (inclui empresas como Honeywell, Detriot
Edison, IBM, Microsoft e Leviton).
• Esta associação executa testes e certificação de
conformidade para produtos que queiram ter o logotipo
LonMark e define diretivas para interoperabilidade.
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LON
• A maioria dos nós LON instalados estão em aplicações de
automação predial e residencial.
• Existem estações baseadas no NeuronChip para:
– controle de lâmpadas e eletrodomésticos;
– termostatos e sistemas HVAC (Heating, Ventilation and Air
Conditioning, ou calefação, ventilação e ar condicionado);
– sensores de presença e segurança em geral;
– sensores de luminosidade ambiente;
– equipamentos de áudio e vídeo (por exemplo, Home
Theaters);
– gerenciamento de energia;
– controle otimizado de elevadores;
– subsistemas de água e gás (válvulas, sensores de nível e
outros componentes), etc.
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P-NET
• P-NET desenvolvida na Dinamarca pela empresa Ultrakust.
• Aplicação alvo: automação industrial.
• Camada física:
– topologia em anel
– taxa de transmissão de 76.8 Kbps
– em um anel podem estar no máximo 125 estações.
– meio físico tipo par trançado blindado, com até 1.200
metros de comprimento, sem repeaters.
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P-NET
• subcamada MAC:
– método de acesso ao meio tipo Multi-mestre / Escravos.
– Em um anel podem estar até 32 estações mestras.
– Entre as estações mestras e escravas é realizada uma
varredura cíclica através de quadro pré-definidos.
– A varredura de cada escravo requer 30 slot times, ou
cerca de 390µs.
– Entre as estações mestras, o controle de acesso ao meio é
do tipo token-passing.
– A passagem de token entre mestres requer no máximo 10
slot times, ou cerca de 130µs.
– Apesar do token passar pelas estações escravas, uma vez
que elas estão também no anel, estas não podem retê-lo.
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P-NET
Anel P-NET:
PC
Pressão
M
E
Temperatura
Motor
E
E
CLP
M
M
Vazão
E
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E
Peso
Controller
P-NET
• Vários anéis interligados por meio de P-NET-Controllers,
que executam a função de roteadores ou gateways.
M
E
E
E
M
Controller
M
M
E
E
E
E
M
E
M
M
E
E
E
M
Controller
M
E
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E
P-NET
• O P-NET-Controller pode ser usado para conectar
dispositivos não desenvolvidos para a P-NET que possuam
uma interface RS-232C, ou ainda estações para outro tipo de
rede (por exemplo, Profibus).
• O Controller é programado em Process Pascal, que suporta
programação concorrente e primitivas de comunicação.
• Diversos sistemas baseados em P-NET estão em operação na
Europa.
• Foi criada para a P-NET uma organização de fabricantes e
usuários que dão suporte ao produto, denominada
"International P-NET User Organization".
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SERCOS
• SERCOS (SErial Real-time COmmunication
System) apresentada ao mercado na EMO de 1989.
• conecta servo-acionamentos a um CNC em
máquinas operatrizes, implementando malhas
fechadas de controle.
• No interior de uma máquina-ferramenta existem
campos eletromagnéticos fortes.
• Por isto, foi proposta uma rede com topologia em
anel utilizando como meio físico a fibra ótica.
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SERCOS
• Anel SERCOS
Acionamentos
CNC
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SERCOS
• O sistema tem uma estrutura com comando centralizado.
• CNC exerce o papel de estação mestre e os servo-acionamentos
o papel de estações escravas.
• podem ser executados ciclos de varredura dos escravos em
tempos ajustáveis de 62µs, 125µs, 250µs, 500µs, e múltiplos de 1
ms até o limite de 65 ms.
• SERCOS permite a interligação de até 254 escravos em um
anel.
• O comprimento do cabo é de no máximo 40 metros para fibra
ótica plástica e de até 1000 metros para fibra ótica de vidro.
• CNC executa o controle de posição enquanto o controle de
velocidade e de corrente é executado no próprio acionamento.
• Rede usada para enviar valores de referência de velocidade do
CNC aos acionamentos e receber valores atualizados dos
mesmos.
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SERCOS
• Na camada de enlace, SERCOS faz distinção entre dois tipos de
dados:
– Dados cíclicos, com características de tempo real, usados
para controle em malha fechada;
– Dados de serviço, usados para configuração, envio de
parâmetros, etc.
• Para dados de serviço é usada uma pilha com 3 camadas
(física, enlace e aplicação).
• Para os dados cíclicos é ainda incluída uma camada de
sincronização (sincronização dos timers das estações)
• A subcamada LLC usa um serviço sem conexão e sem
reconhecimento (quadros errados não são retransmitidos).
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SERCOS
• Camada de aplicação: composta de serviços tipo
leitura e escrita de variáveis remotas (READ/
WRITE).
• SERCOS vem sendo utilizada também para
interligar dispositivos em outras aplicações além das
máquinas-ferramenta.
• Entre as aplicações mais usuais estão o controle de
eixos de robôs industriais e conexão de sensores e
atuadores binários.
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MODBUS
• O protocolo MODBUS® foi criado em 1978 pela Modicon (hoje
Schneider Automation).
• O protocolo visava originalmente implementar uma maneira
simples de transferir dados entre controladores, sensores e atuadores
usando uma porta RS232 (serial convencional).
• Após sua criação, tornou-se padrão industrial “de-facto” adotado
por muitas empresas com uma segunda opção para intercâmbio de
dados.
• MODBUS® é um protocolo proprietário da Schneider Automation.
No entanto, a Schneider Automation optou por uma licença sem
royalties e as especificações do protocolo estão disponíveis em seu
web-site gratuitamente.
• Home-Page: http://modbus.org/
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MODBUS
• MODBUS® é uma estrutura de troca de mensagens usada para
comunicação tipo mestre/escravos entre dispositivos inteligentes.
• Como o protocolo MODBUS é somente uma estrutura de troca de
mensagens, ele é independente da camada física subjacente.
• MODBUS é usualmente implementado usando RS232, RS422, ou
RS485 sobre uma variedade de meios de transmissão (fibra, rádio,
celular, etc.).
• Algumas variantes do protocolo original foram criadas
posteriormente.
– MODBUS PLUS: é um protocolo de maior velocidade baseado
em token passing e que usa a estrutura de mensagens do
MODBUS original. Os chips MODBUS
PLUS são
disponibilizados pela Schneider Automation através de um
programa chamado MODCONNECT.
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MODBUS
– MODBUS TCP/IP: usa TCP/IP e Ethernet para transportar a
estrutura de mensagens MODBUS. MODBUS/TCP requer uma
licença, mas as especificações são de acesso público e não há
royalties. MODBUS TCP está disponível na página:
http://www.modicon.com/openmbus.
• MODBUS suporta dois modos de transmissão:
 ASCII: cada byte da mensagem é enviado como 2 caracteres
ASCII.
 RTU: cada byte da mensagem é enviado como 2 caracteres
hexadecimais de 4 bits.
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Quadro MODBUS
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CHECKSUM
• Address: contém 2 caracteres ASCII ou 8 bits RTU. Endereços
válidos de escravos estão na faixa de 0 a 247 decimal. Endereços
individuais estão na faixa de 1 a 247 (0 para broadcasting).
• Function: contém 2 caracteres (ASCII) ou 8 bits (RTU). Códigos
válidos vão de 1 a 255 decimal. Este campo indica ao escravo que
ação este deve executar. Exemplos: ler grupo de entradas; ler
dados de um grupo de registradores; ler status do escravo para
diagnóstico; escrever em um grupo de saídas ou registros; permitir
carregamento, gravação ou verificação do programa no escravo.
Quando o escravo responde ao mestre, este campo indica se a
operação ocorreu sem erros (ecoa dado recebido) ou se é uma
resposta de exceção (ecoa dado recebido com Msb em 1).
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MODBUS
• Data: usa 2 dígitos hexadecimais na faixa de 00 a FFh. Estes
podem ser 2 caracteres ASCII ou um RTU. Contém dados
adicionais para uso do escravo (endereços de portas de I/O ou
registros, quantidades de itens a manipular, etc.). Se não
houverem erros, este campo retorna o valor solicitado ao
escravo. Se houver erro, este campo retorna um código de
exceção. Este campo pode ser vazio.
• Checksum: são usados 2 tipos de checagem de erros (LRC ou
CRC), dependendo do modo de transmissão (ASCII ou RTU)
• Mais detalhes: MODBUS protocol guide na página
http://www.modicon.com/techpubs/toc7.html.
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Redes IBM
-
A IBM oferece uma série de soluções para a
interconexão de equipamentos de chão de fábrica,
incluindo, entre outros:
-
Redes compatíveis com o modelo OSI, tais como
MAP
-
Rede Token-Ring (IEEE 802.5)
-
Rede Token-Bus (IEEE 802.4)
-
Diversos softwares para redes (NetBios, PC-LAN,
LAN-Server, etc.)
-
Redes baseadas em uma arquitetura própria
denominada SNA (Systems Network Architecture)
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Redes IBM - SNA
Aplicação
Usuário
Apresentação
serviços NAU
Sessão
Transporte
Fluxo Dados
Controle
Transmissão
Rede
Controle
Caminho
Enlace
Controle
Enlace
Física
Ligação
Física
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Produtos: Conclusão
• Grande variedade de produtos para redes de
comunicação no mercado
• A maioria dos produtos comerciais existentes
foram desenvolvidos para aplicações em
automação de escritórios
• Já há produtos específicos para automação
• Consenso sobre a necessidade de definir sistemas
de comunicação padronizados
• Metas:
– Interoperabilidade
– Intercambiabilidade
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