M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
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Sumário
  “A INTEGRAÇÃO DA PRODUÇÃO ATRAVÉS DAS
REDES DE COMUNICAÇÃO: AS REDES LOCAIS
IND...
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Sumário
II — AS REDES LOCAIS INDUSTRIAIS
2.1. MOTIVAÇÕES
2.2. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DAS...
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Sumário
III — O PROJETO MAP
3.1. MOTIVAÇÃO E HISTÓRICO
3.2. A ARQUITETURA MAP
3.3. A PROP...
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Sumário
IV — O PROJETO FIELDBUS
4.1. MOTIVAÇÕES E REQUISITOS DO FIELDBUS
4.2. A PROPOSTA ...
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Sumário
4.4. A PROPOSTA ISA/IEC FIELDBUS (FIELDBUS
FOUNDATION)
– Introdução
– A camada Fí...
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Sumário
V — ALGUNS PRODUTOS EXISTENTES E SUA
APLICABILIDADE EM AUTOMAÇÃO
5.1. INTRODUÇÃO
...
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Introduçã
o
- Primeiros computadores:
• Máquinas complexas, grandes, caras
• Requeriam sa...
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Introduçã
o• Anos 60:
– Esforços para melhorar interação entre computador e usuários.
– S...
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Introduçã
o- Anos 70:
• surgem microprocessadores
• computadores muito mais baratos => di...
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Introduçã
o- Informatização crescente das empresas
- Sistemas de Bancos de Dados muito út...
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Introduçã
o- Requisitos de comunicação fabril:
Compartilhamento de recursos;
Gerenciame...
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Introduçã
o
- Necessário definir arquiteturas, topologias e protocolos
apropriados para r...
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Os Níveis Hierárquicos de Integração
FabrilAdministração
Corporativa
Planejamento
(Factor...
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Características da comunicação em
CIM
Vida útil e
tamanho
médio dos
dados
Tráfego
médio
Q...
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Motivação das Redes
Industriais- Na década de 80, maioria das redes de comunicação existe...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Características e requisitos básicos
das redes industriais
• Comportamento temporal
• Con...
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a) Comportamento temporal
- Aplicações Industriais freqüentemente requerem sistemas de
co...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Sistemas Tempo-
Real
• Um STR é um sistema computacional que deve reagir a
estímulos (fís...
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Arquitetura para Sistemas Tempo-Real
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A Problemática da Comunicação em Tempo-
Real
M1
DL = 10
End. 01
M2
DL = 15
End. 02
M3
DL ...
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Comunicação em Tempo-
Real
• Problema de comunicação tempo real:
– Queremos garantir que ...
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• Protocolo MAC deve atender mensagens periódicas
com a maior eficiência possível, respei...
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Arquitetura de rede para CTR
Camada de Aplicação
Controle Lógico de enlace (LLC)
Controle...
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Serviços de enlace para CTR
Serviços sem conexão:
• SEND (receptor, mensagem, requisitos ...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Classificação dos Protocolos
MAC
• Alocação fixa: alocam o meio às estações por determina...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Classificação dos Protocolos
MAC
• Classificação com relação ao comportamento
temporal:
–...
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Protocolos MAC não
deterministas- CSMA 1-persistente, p-persistente e não persistente
- C...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
CSMA persistente e não
persistente
• CSMA 1-persistente: faz melhor uso da banda, mas tem...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
O protocolo CSMA/CD
- CSMA/CD = Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection.
-...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
O protocolo CSMA/CD
• Métodos de acesso CSMA convencionais:
– Simplicidade;
– Autonomia d...
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Randomização de tempo no CSMA/CD
(Binary Exponential Backoff)
start
Station
Ready ?
New
F...
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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 lim...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Comando Centralizado: Mestre-
escravos
escravo escravo escravo escravo
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Comando Distribuído: Token-bus
receptor
emissorficha
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Comando Distribuído: Token-Ring
Estação
Interface
p/ anel
anel unidirecional
TAP
Token
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Comando Distribuído: Forcing
Headers
- Variante determinista de CSMA (CSMA/NBA = CSMA wit...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Comando Distribuído: Forcing
Headers
100 dados
000 dados 001 dados 010 dados 011 dados
Fr...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Comando Distribuído: Forcing
Headers
• Para evitar monopólio do meio por nó gerador de
me...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Comando Distribuído: Comprimento de
Preâmbulo
- Variante determinista de CSMA/CD
- A cada...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Comando Distribuído: Comprimento de
Preâmbulo
Frame a enviar
Nó 4
Nó 0 Nó 1 Nó 2 Nó 3
Pre...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Comando Distribuído: Comprimento de
Preâmbulo
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Comando Distribuído: CSMA/DCR
- CSMA with Deterministic Collision Resolution
- determinis...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
CSMA/DCR
- operação como CSMA/CD até colisão
- em caso de colisão, iniciado período de re...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
CSMA/DCR
- se não ocorrer nova colisão (só sobrou uma estação no grupo
W), estação transm...
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CSMA/DCR - Exemplo
- 6 estações de uma rede com 16 fontes enviam frames
simultaneamente
-...
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CSMA/DCR - Exemplo
[0,15]
[0,7]
[0,3]
[0,1] [2,3]
[4,7]
[4,5] [6,7]
[8,15]
[8,11] [12,15]...
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12 C
14,15
W= 14 
L=15
CSMA/DCR - Exemplo
0 C
2,3,5,12,14,15
W= 2,3,5
L=12,14,15
1 C
2,3,...
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CSMA/DCR
- O tempo até o inicio da transmissão da fonte com índice 5 será:
- 4 colisões +...
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CSMA/DCR
- Cálculo do tempo de pior caso pode ser formalizado como segue...
- Seja:
− ϕ (...
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CSMA/DCR
- Para uma mensagem participando de uma dada época, temos que:
− ϕ (v) = log2 q ...
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CSMA/DCR
- O tempo de duração da época, no pior caso, é dado por:
T época = ϕ (q-1).s + Q...
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Abordagens Para CTR
Abordagem
Atribuição de Prio-
ridades com teste de
escalonabilidade
O...
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b) Confiabilidade
- Em aplicações industriais, erro de 1 bit pode ter
conseqüências desas...
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C) Requisitos do Meio
Ambiente- Perturbações eletromagnéticas requerem escolha adequada d...
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Meios de Transmissão
- Cabo coaxial:
- Boas características elétricas, porém caro.
- Requ...
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Áreas de Risco (Segurança
Intrínseca)
• Sujeitas a incêndio, explosão
• Presença de líqui...
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Áreas de Risco (Segurança
Intrínseca)
• Princípios de transmissão segundo modelo FISCO:
–...
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Áreas de Risco (Segurança
Intrínseca)• Norma IEC 1158-2 para camada física:
– Transmissão...
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d) Tipo de
mensagens- Níveis hierárquicos superiores da fábrica:
- mensagens grandes (KBy...
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e) Conectividade / interoperabilidade
(padronização)
• Identificou-se necessidade de uma ...
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Projetos de Padronização
de redes industriais
• Iniciativas mais importantes de padroniza...
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Projeto
PROWAY- Proposta PROWAY (Process Data Highway) iniciada em 1975 pela
IEC (Interna...
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Projeto IEEE 802 (ISO/IEC
8802)
- IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers...
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IEEE 802 (ISO/IEC 8802)
• IEEE 802.1: serviços de gerenciamento de redes e
generalidades;...
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IEEE 802 (ISO/IEC 8802)
• IEEE 802.3 : descrição da sub-camada MAC e camada Física
para r...
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IEEE 802 (ISO/IEC 8802)
• IEEE 802.8 : o IEEE criou o “Fibre optic technical advisory
gro...
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IEEE 802 (ISO/IEC 8802)
• Mais recentemente foram acrescentados
ainda:
– IEEE 802.15: tra...
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IEEE 802 (ISO/IEC 8802)
IEEE 802.1 - Aspectos Gerais e Gerenciamento de Rede
IEEE 802.2 -...
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A norma IEEE 802.3 (CSMA/CD)
- Origem: rede Ethernet (Xerox, 1976).
- Ethernet original: ...
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Quadro IEEE 802.3
- Preâmbulo de 7 bytes (seqüência 10101010).
- Delimitador de Início de...
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IEEE 802.3 - Arquitetura
Enlace
Física
LLC (Logical Link Control)
MAC (Medium Access Cont...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
IEEE 802.3 - Camada
Física
• PLS (Physical Layer Signaling): interface entre o nível físi...
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IEEE 802.3 - Camada
Física
• A norma IEEE 802.3 define várias opções de meio físico e tax...
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IEEE 802.3 - Camada Física 10BASE5
(thicknet)
Placa de rede
Conector AUI
Cabo AUI
Conecto...
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IEEE 802.3 - Camada Física 10BASE2 (thinnet)
Placa de rede
Conector BNC
fêmea
Conector
BN...
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IEEE 802.3 - Camada
Física
• 10BROAD36: opera com taxa de transmissão de 10Mbps,
técnica ...
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IEEE802.3 – Camada Física 10BASE-T
Placa de rede
Plug RJ-45
Par Trançado
HUB
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IEEE802.3 – Camada Física 10BASE-FL
Placa de rede
Conector AUI
Cabo AUI
MAU
10BASE-FL
HUB...
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IEEE802.3 – Camada Física 10BASE-FP
Placa de rede
Conector AUI
Cabo AUI
MAU
10BASE-FP
Est...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
IEEE802.3 – Camada Física 10BASE-FB
REPEATER
10BASE-FB
R T
REPEATER
10BASE-FB
R T
Fibra ó...
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IEEE 802.3u – Fast Ethernet
• 3 versões com 100 Mbps, sempre com HUB:
– 100BASE-T4: usa 4...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
IEEE802.3 – Switched Ethernet
• Melhora de performance da ethernet pode ser obtida com fa...
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Gigabit
Ethernet
• IEEE802.3z 1000BASE-F: opera a 1 Gbps, em
banda base sobre fibra ótica...
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A norma IEEE 802.4 (Token Bus)
- define topologia tipo barramento, com direito de
transmi...
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IEEE 802.4 – Inserção e Remoção de Nós
- Periodicamente, a estação com token consulta est...
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Quadro IEEE 802.4
- Preâmbulo (sincronização a nível de bit);
- Delimitador de Início de ...
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IEEE 802.4 – Opções de Camada
Física
• Rede com canal único e modulação FSK (Frequency Sh...
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A norma IEEE 802.5 (Token Ring)
- Rede em anel: conjunto de ligações ponto-a-ponto, em
mo...
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IEEE 802.5
estação
anel
unidirecional
interface
paraanel
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Quadro IEEE 802.5
• Status do Quadro: composto de bits A (Ativo) e C (Copiado).
• Valores...
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IEEE 802.5 - Camada
Física
• Segmentos com par trançado blindado (STP):
– 4 ou 16Mbps
– a...
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A norma IEEE 802.11 - Wireless
Networks
• Redes sem fio: pacotes transmitidos através de ...
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A norma IEEE 802.11 - Wireless
Networks
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
Rede fixa
Terminais de RF
AP
Host ou Servidor
de ...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
A norma IEEE 802.11 - Wireless
Networks
• Bandas de freqüência ISM (Industrial, Scientifi...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
A norma IEEE 802.11 - Wireless
Networks
• Problema típico das redes de rádio: desvanecime...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
A norma IEEE 802.11 - Wireless
Networks
• Desvanecimento de Rayleigh: qualidade da recepç...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
A norma IEEE 802.11 – Acesso ao Meio
• Como várias estações compartilham o meio (rede de ...
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A norma IEEE 802.11 – Hidden Station
• Suponha que A está enviando dados para B:
– Se C e...
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A norma IEEE 802.11 – Exposed Station
• Se B estiver transmitindo um quadro para A, C irá...
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A norma IEEE 802.11 - MAC
• DFW-MAC (Distributed Foundation Wireless MAC) usa protocolo
M...
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A norma IEEE 802.11 - MAC
• Qualquer estação que captar o quadro RTS estará forçosamente
...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
A norma IEEE 802.11 - MAC
• Apesar destas precauções, colisões ainda podem
ocorrer:
– A e...
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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
• Variantes:
• 802.11 – WLAN (Wireless Local Area...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
• 802.11a (também conhecida por Wi-Fi5)
– atua na...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
• 802.11b (também conhecida por Wi-Fi)
– opera na...
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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
• 802.11g
– Opera na banda de 2.4GHz ISM;
– taxas...
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A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
• 802.11n
– Em fase final de homologação.
– Tem s...
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A norma IEEE 802.11 – Pontos Fracos
• Interferência:
– fornos de microondas dividem a fai...
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IEEE 802.11 – Pontos
Fracos• Segurança:
– Dados irão trafegar pelo ar e poderão ser inter...
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Projeto MAP
- Manufacturing Automation Protocol: iniciativa da GM
(1980), com a finalidad...
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Projeto TOP
- Technical Office Protocol: desenvolvido pela BOEING a
partir de 1983.
- Red...
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Projeto FIELDBUS
- Fieldbus (Barramento de Campo): solução de comunicação
para os níveis ...
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M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Introdução
• Projeto MAP nasceu no início dos anos 80 por iniciativa
da General Motors.
•...
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MAP:
introdução
• Opções da GM:
- continuar utilizando máquinas programáveis de vários
fa...
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A arquitetura
MAP
• Camadas 1 e 2: selecionadas normas IEEE 802.4
(barramento com ficha) ...
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A arquitetura
MAP
• Camada de Enlace (MAC): escolhido Token-Bus, pois:
- era o único prot...
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A arquitetura
MAP
• Camada de Transporte: protocolo classe 4 da ISO
(TP4, ISO 8072/73), o...
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A arquitetura
MAP
• Camada de Aplicação:
- MMS: troca de mensagens entre equipa-
mentos d...
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A arquitetura MAP-EPA
• Proposta MAP original adequada aos níveis hierárquicos
superiores...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
A arquitetura MAP-EPA
convencionais
Aplicações
MAP EPA
Aplicação
Apresentação
Sessão
Tran...
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A arquitetura Mini-
MAP• Composta das camadas 1, 2 e 7 (só tem a pilha simplificada).
• P...
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A arquitetura
MAP/TOP
Banda Base
(10 Mbps)
Banda Larga
(10 Mbps)
Banda Base (5 Mbps)
VAZI...
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Os Serviços de Mensagem da Manufatura
(MMS)
• MMS: conjunto de serviços de comunicação
or...
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MMS e Companion
Standards
• Companion Standards oferecem funções de mais alto
nível, cons...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Os objetos
MMS
• Serviços MMS manipulam objetos virtuais.
• Usuários dos serviços MMS: Pr...
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Os objetos
MMS• Objetos Domínios (Domains): permitem reagrupar os programas
e os dados ne...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Os objetos
MMS
...
Função Executiva
...
...
VMD
Objetos
MMS
Estação
Operador 1
Estação
Op...
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Serviços MMS
• 84 Serviços distribuídos em 9 Classes:
– Gestão de Contexto
» iniciação, l...
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Serviços MMS
– Gestão de Semáforos
» sincronização e controle do acesso aos recursos de u...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Classe Primitivas de Serviço Comentários
Gestão de
Contexto
Initiate
Conclude
Abort*
Canc...
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Classe Primitivas de Serviço Comentários
Gestão de
Semáforos
TakeControl
RelinquishContro...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Redes
FieldbusTENDÊNCIA
Keyboard
A
D
D
A
X
Y
X
Y
MUX
Sample/
Holder
Adaptador
/Amp.
senso...
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Vantagens de uso do Fieldbus
- redução da cablagem pela utilização de um meio físico
comp...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Vantagens de uso do Fieldbus
- possibilidade de sincronização dos instantes de
amostragem...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Motivações e requisitos do
Fieldbus
• Redes MAP tinham tempo de resposta de cerca
de 500 ...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Motivações e requisitos do
Fieldbus
- Aspecto de custo assume grande importância.
- dispo...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Motivações e requisitos do
Fieldbus
• Três classes distintas de aplicação:
- sistemas "St...
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Motivações e requisitos do
Fieldbus
• Em função do tipo de aplicações que se propõe a ate...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Motivações e requisitos do
Fieldbus• Existem várias soluções proprietárias para o Fieldbu...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Motivações e requisitos do
Fieldbus• sistemas fieldbus atuais adequados para o acoplament...
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A proposta FIP
(Factory Instrumentation Protocol)
Introdução:
• FIP elaborado por um conj...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
A camada Física do
FIP
• Meios de transmissão: fibra ótica ou par trançado.
• Par trançad...
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A camada de Enlace do FIP
• Método de acesso ao meio baseado na difusão ("Broadcasting")....
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
A camada de Enlace do FIP
• A varredura das variáveis periódicas é feita a partir de
uma ...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Formato do quadro do FIP
• PRE: preâmbulo, utilizado para sincronização.
• FSD/FED: delim...
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Serviços oferecidos pela camada de enlace
FIP
Classe Primitiva Comentários
Atualização cí...
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A Camada de Aplicação do FIP
- FIP adota sub-conjunto do MMS para aplicações não
críticas...
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Funções de Gerenciamento da Rede no
FIP
• O projeto FIP definiu uma série de funções de
g...
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A proposta PROFIBUS
(PROcess FIeld BUS)
Introdução
• PROFIBUS desenvolvido na Alemanha, i...
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A camada física do PROFIBUS
• A camada física do PROFIBUS baseia-se no padrão EIA
RS-485 ...
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A camada de enlace do PROFIBUS
• O PROFIBUS combina dois métodos deterministas de
acesso ...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
A camada de enlace do PROFIBUS
• O PROFIBUS agrupa quadros em duas classes:
- quadros lon...
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Serviços de enlace do
PROFIBUS
• Protocolo de enlace: FDL ("Fieldbus Data Link").
Classe ...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
A camada de Aplicação do PROFIBUS
• Definido um subconjunto do MMS.
• Camada de Aplicação...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Classe Primitivas de serviço Comentários
Serviços de
Acesso a
variáveis
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INFORM...
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A Proposta ISA SP-50 /
FFIntrodução:
• Proposta iniciada pela ISA (Instrumentation Societ...
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A Camada Física do ISA-
SP50
• Camada física compõe-se de três subcamadas:
- DIS (data In...
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A Camada Física do ISA-
SP50
DIS
(Data Independent Sublayer)
MDS
(Medium Dependent Sublay...
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A Camada Física do ISA-
SP50- Tipos de meio:
– Meio H1 (áreas de segurança intrínseca):
»...
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A Camada Física do ISA-
SP50– Meio H2 (aplicações de alta velocidade):
» Par trançado.
» ...
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A Camada de Enlace do ISA -
SP50Classes de serviços:
- Serviços de gerenciamento de Buffe...
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A camada de Enlace do ISA - SP50
Classes de funções para estações:
- Responder: estação s...
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A camada de Enlace do ISA - SP50
• Se há mais de um "Linkmaster" no sistema, estes disput...
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A Camada de Enlace do ISA - SP50
Token de Escalonamento
Token Delegado
Token Circulado
LM...
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A Camada De Enlace Do ISA - SP50
• Formas de acesso ao meio:
– Token passing: segue seqüê...
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A Camada de Enlace do ISA - SP50
• Camada de Enlace subdividida em quatro subcamadas:
- S...
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A Camada de Enlace do ISA-SP50
Subcamada de Gerenciamento de Ponte
Subcamada de Gerenciam...
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A Camada de Aplicação do ISA-SP50
• Camada de aplicação ainda em discussão.
• Procura con...
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A Camada do Usuário do ISA-SP50
• SP-50 define User Layer, situada acima da camada de
apl...
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A camada de aplicação no FF
• Baseada em Blocos.
• Blocos são representações de diferente...
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Serviços de Gerenciamento de Rede do ISA-
SP50
• SP-50 inclui funções de gerenciamento de...
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Fieldbus:
Conclusões- Uma vez definido um padrão internacionalmente aceito, o
Fieldbus de...
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Redes para
Instrumentação
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GPIB
• Interface de rede padrão para instrumentação: GPIB (General
Purpose Interface Bus)...
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GPIB
Categoria Linha Nome
8 Data lines DIO 1-8 Data I/O
DAV Data Valid
3 Handshake lines ...
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GPIB
• Linhas de controle NRFD e NDAC operam no modo “wired-
OR”
• Só assumem o valor lóg...
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GPIB
• Após a definição, pela estação controladora, de quem serão o talker e os
listeners...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
GPIB
• GPIB pode ter até 15 estações (entre controladora, talkers e
listeners) no barrame...
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Redes para Automação de Escritório
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Redes para Automação de
Escritório
- Existe grande variedade de produtos.
- Tipos mais di...
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Redes para Automação de Escritório
- Características básicas:
ETHERNET ARCNET TOKEN-RING
...
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Redes para Automação de Escritório
- ARCNET (Attached Resource Computer
Network):
boas c...
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Redes para Automação de
Escritório
- Ethernet:
rede mais popular e de mais baixo custo.
...
M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
Redes para Automação de
Escritório
- Token-Ring:
- é a mais popular entre os produtos da ...
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Redes Locais
Industriais
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SINE
C• Redes SINEC (ou SIMATIC NET, SIEMENS) incluem:
– SINEC H1: rede compatível com a ...
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SINE
C
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SINE
C• PROFIBUS DP (SINEC L2-DP = Distributed Peripherie)
− desenvolvido para aplicações...
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SINE
C• PROFIBUS FMS (SINEC L2-FMS = Fieldbus Message
Services)
− concebido para a troca ...
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SINE
C• Aplicação típica SINEC L2-FMS:
RC
RedeProfibus
tcd
Micrômetro
Laser
CNC
Robô IPSO...
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SINE
C• PROFIBUS PA (SINEC L2-PA = Process Automation)
− Permite interligar instrumentos ...
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BITBUS
(INTEL)- topologia: barramento.
- Método de acesso ao meio: Mestre/Escravos.
- int...
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BITBUS
(INTEL)
Buffer
recepção
Buffer
transmissão
8051
8044
DPRAM
SIU
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  • Important: CAN as well as the existing DeviceNet specifications allow multi-master, change-of-state, cyclic data production, and peer-to-peer paradigms. (System behavior still needs to be defined). A-B will NOT have to “rev. the specs” to accommodate any of these paradigms..
  • Redes industriais - Marcelo

    1. 1. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
    2. 2. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Sumário   “A INTEGRAÇÃO DA PRODUÇÃO ATRAVÉS DAS REDES DE COMUNICAÇÃO: AS REDES LOCAIS INDUSTRIAIS”    I — AS REDES E OS NÍVEIS HIERÁRQUICOS DA INTEGRAÇÃO FABRIL 1.1. O MODELO CIM 1.2. A INTEGRAÇÃO NO MODELO CIM: TIPOS DE REDE » DEVICEBUS/CONTROLBUS, FIELDBUS, ENTERPRISE  NETWORK
    3. 3. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Sumário II — AS REDES LOCAIS INDUSTRIAIS 2.1. MOTIVAÇÕES 2.2. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DAS REDES INDUSTRIAIS:  – COMPORTAMENTO TEMPORAL  – CONFIABILIDADE – REQUISITOS DO MEIO AMBIENTE – TIPO DE MENSAGENS  – INTERCONECTIVIDADE/INTEROPERABILIDADE 2.3. PROJETOS DE PADRONIZAÇÃO DAS REDES INDUSTRIAIS – PROWAY – IEEE802 E ISO/IEC 8802 » IEEE 802.3: Ethernet, switched ethernet, fast ethernet » IEEE 802.4: Token-bus » IEEE 802.5: Token-ring » IEEE 802.11: Redes sem fio – MAP/TOP – FIELDBUS
    4. 4. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Sumário III — O PROJETO MAP 3.1. MOTIVAÇÃO E HISTÓRICO 3.2. A ARQUITETURA MAP 3.3. A PROPOSTA MAP-EPA 3.4. A PROPOSTA MINI-MAP 3.5. O PADRÃO DE MENSAGENS MMS – Objetos MMS – Serviços MMS
    5. 5. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Sumário IV — O PROJETO FIELDBUS 4.1. MOTIVAÇÕES E REQUISITOS DO FIELDBUS 4.2. A PROPOSTA FRANCESA FIP – Introdução – A camada Física – A camada de Enlace – A Camada de Aplicação – Funções de gerenciamento da rede 4.3. A PROPOSTA ALEMÃ PROFIBUS – Introdução – A camada Física – A camada de Enlace – A camada de Aplicação
    6. 6. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Sumário 4.4. A PROPOSTA ISA/IEC FIELDBUS (FIELDBUS FOUNDATION) – Introdução – A camada Física – A camada de Enlace – A camada de Aplicação – Camada do Usuário – Serviços de Gerenciamento de rede
    7. 7. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Sumário V — ALGUNS PRODUTOS EXISTENTES E SUA APLICABILIDADE EM AUTOMAÇÃO 5.1. INTRODUÇÃO 5.2. REDES PARA INSTRUMENTAÇÃO: GPIB 5.3.  REDES PARA AUTOMAÇÃO DE ESCRITÓRIOS:  ETHERNET, TOKEN-RING, ARCNET 5.4.  REDES INDUSTRIAIS, PREDIAIS E OUTRAS:  PROFIBUS  DP/PA/FMS,  BITBUS,  CAN,  VAN,  HART,  INTERBUS-S, ASI-BUS, FAIS, LON, P-NET, SERCOS,  MODBUS,  REDES  IBM  (TOKEN-RING,  TOKEN-BUS,  SNA), UCA, etc.
    8. 8. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Introduçã o - Primeiros computadores: • Máquinas complexas, grandes, caras • Requeriam salas isoladas com ar condicionado • Operadas apenas por especialistas • programas submetidos em forma de “jobs” seqüenciais • Usuário inseria programa por meio de cartões perfurados • Várias idas ao NPD eram necessárias para rodar um programa, mesmo pequeno.
    9. 9. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Introduçã o• Anos 60: – Esforços para melhorar interação entre computador e usuários. – Surge técnica de time-sharing, primeiros sistemas multi-usuários – Usuários conectados ao computador por terminais – Cada terminal atendido por um interpretador de comandos – Comunicação entre terminais e computador central: » Definição de uma interface (serial, paralela), conectores, cabos, etc. » Definição de unidade básica de informação (bit = binary unit) – definir duração, sinais 0 e 1, sincronização, etc. » Definição de códigos para representar letras, números e outros símbolos alfanuméricos – ASCII, EBCDIC » Definição de protocolos para envio, recepção, detecção de erros, etc. – Surgem primeiras técnicas de comunicação
    10. 10. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Introduçã o- 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 • Surgem novas aplicações • Incremento na capacidade de cálculo e armazenamento • Aplicações mais complexas requerem computadores cada vez mais poderosos (PC, Workstation, Mini, Mainframe, Supercomputador, etc.) • Computadores conectados podem ter desempenho melhor do que um mainframe, além de custo menor => Sistemas Distribuídos • Necessidade de desenvolver técnicas para interconexão de computadores => redes
    11. 11. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Introduçã o- Informatização crescente das empresas - Sistemas de Bancos de Dados muito úteis - Primeiros setores a serem informatizados: - Finanças, folha de pagamento, compras, vendas, setor de pessoal - Posterior informatização do chão de fábrica: - CNC, CLP, RC, IC, Sistemas de aquisição de dados, etc. - Mais recente: Sensores e Atuadores microprocessados. - Métodos iniciais de comunicação de dados: - fitas K7, cartões, fitas perfuradas, disquetes. - Método moderno: redes de comunicação (LAN).
    12. 12. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Introduçã o- 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.
    13. 13. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Introduçã o - Necessário definir arquiteturas, topologias e protocolos apropriados para redes de comunicação industriais. - Redes do tipo ponto-a-ponto: falha em uma máquina pode afetar comunicação entre outras máquinas (centralização das funções de comunicação). - Redes de difusão: falha em uma máquina não necessariamente afeta comunicação entre outras máquinas (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.
    14. 14. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Os Níveis Hierárquicos de Integração FabrilAdministração Corporativa Planejamento (Factory) Área (Shop) Célula (Cell) Subsistema (Subsystem) Componente (Component) S A S A S A S A CAD, CAE, CAP, CAPP, CAQ, etc... FMS FMC Torno, Manipulador, Centro de Usinagem, etc... Motores, Chaves, Relés, etc... SISTEMA DE COMUNICAÇÃO Enterprise- network (MAP, TOP) Fieldbus, MAP- EPA, Mini-MAP RTLAN
    15. 15. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Características da comunicação em CIM Vida útil e tamanho médio dos dados Tráfego médio Quadros / seg. Tempo ocioso entre transmissões Número de estações / segmento Administração Corporativa Planejamento Área Célula Unidade (subsistema) Componente Custo médio de uma estação Hostilidade do meio
    16. 16. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Motivação das Redes Industriais- Na década de 80, 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.
    17. 17. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Características e requisitos básicos das redes industriais • Comportamento temporal • Confiabilidade • Requisitos do meio ambiente • tipo de mensagens e volume de informações • Conectividade/interoperabilidade (padronização)
    18. 18. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 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.
    19. 19. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Sistemas Tempo- Real • 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. Sistema a Controlar (Ambiente) Sistema de Controle SENSOR ATUADOR INTERFACE estímulo resposta
    20. 20. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Arquitetura para Sistemas Tempo-Real
    21. 21. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A Problemática da Comunicação em Tempo- Real M1 DL = 10 End. 01 M2 DL = 15 End. 02 M3 DL = 50 End. 03 M4 DL = 25 End. 04 M5 DL = 5 End. 05 • Mensagens pendentes em cada estação devem ser entregues a seu destino antes de um prazo limite (deadline) associado.
    22. 22. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Comunicação em Tempo- Real • Problema de comunicação tempo real: – Queremos garantir que todas as mensagens sejam entregues antes de seu deadline – Como atribuir prioridades: » priorizar mensagens individuais ou estações? – Como escalonar uso do meio (recurso compartilhado)? – Como verificar se escalonamento está correto? – Escalonar com base em eventos (event trigger) ou no tempo (time trigger)? – como definir concessão do direito de acesso ao meio entre estações diferentes de forma e respeitar prioridades ?
    23. 23. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC • Protocolo MAC deve atender mensagens periódicas com a maior eficiência possível, respeitando seus deadlines. • Protocolo MAC precisa garantir rápido acesso ao barramento para mensagens esporádicas de alta prioridade. • 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. Comunicação em Tempo-Real
    24. 24. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Arquitetura de rede para CTR Camada de Aplicação Controle Lógico de enlace (LLC) Controle de Acesso ao Meio (MAC) Camada Física AP APSoftware Aplicativo 1 2 7
    25. 25. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 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);
    26. 26. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 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.
    27. 27. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 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).
    28. 28. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Protocolos MAC não deterministas- CSMA 1-persistente, p-persistente e não persistente - CSMA = Carrier Sense Multiple Access (Acesso Múltiplo por Detecção de portadora) - Placa suporta dois modos não simultâneos: escuta ou transmissão. - Inicio: estação escuta o meio de transmissão para ver se está livre - Se meio livre: envia mensagem - Se meio ocupado: espera na linha (1-persistente) ou tenta mais tarde (não persistente) - CSMA p-persistente: estação 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: se canal ocupado, estação espera um período de tempo aleatório e escuta o canal novamente.
    29. 29. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 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. tempo np P-p 1-p
    30. 30. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC O protocolo CSMA/CD - CSMA/CD = Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection. - Inovação: escuta e envio podem estar ativos ao mesmo tempo! - Se mais de uma estação pronta para emitir uma mensagem com o meio livre, gera-se uma colisão. - Estação que detectar a colisão interrompe transmissão, reiniciando-a após um tempo randômico => improvável ocorrência de nova colisão. emissor emissor receptor emissor
    31. 31. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC O protocolo CSMA/CD • Métodos de acesso CSMA convencionais: – Simplicidade; – Autonomia das estações; – tempo de reação não pode ser exatamente determinado (não determinismo). • Não se sabe de antemão: – se haverá uma colisão ou não; – quantas colisões seguidas irão ocorrer; – o tempo (aleatório) de espera em caso de colisão. • Tempo de espera é randomizado segundo algoritmo BEB (Binary Exponential Backoff)
    32. 32. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Randomização de tempo no CSMA/CD (Binary Exponential Backoff) start Station Ready ? New Frame ? Ether Silent ? transmit Collision ? nc = nc+1 limit = 2nc -1 Wait=random [0,limit] nc = 0 no no no yes
    33. 33. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC CSMA/CD Probabilidade de colisão Tráfego x número estações
    34. 34. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Protocolos MAC Deterministas - Métodos de acesso deterministas: tem tempo de resposta limitado e determinável (ao menos em 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).
    35. 35. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Comando Centralizado: Mestre- escravos escravo escravo escravo escravo
    36. 36. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Comando Distribuído: Token-bus receptor emissorficha
    37. 37. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Comando Distribuído: Token-Ring Estação Interface p/ anel anel unidirecional TAP Token
    38. 38. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Comando Distribuído: Forcing Headers - Variante determinista de CSMA (CSMA/NBA = CSMA with Nondestructive Bitwise Arbitration – usado em CAN). - 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.
    39. 39. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Comando Distribuído: Forcing Headers 100 dados 000 dados 001 dados 010 dados 011 dados Frame a enviar Nó 4 Nó 0 Nó 1 Nó 2 Nó 3 Header do frame
    40. 40. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 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.
    41. 41. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    42. 42. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Comando Distribuído: Comprimento de Preâmbulo Frame a enviar Nó 4 Nó 0 Nó 1 Nó 2 Nó 3 Preambulo do frame
    43. 43. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Comando Distribuído: Comprimento de Preâmbulo
    44. 44. M. R. Stemmer – S2i / 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)
    45. 45. M. R. Stemmer – S2i / 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]
    46. 46. M. R. Stemmer – S2i / 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 !
    47. 47. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC CSMA/DCR - Exemplo - 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 Índice 2 Índice 3 Índice 5 Índice 12 Índice 15Índice 14
    48. 48. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC CSMA/DCR - Exemplo [0,15] [0,7] [0,3] [0,1] [2,3] [4,7] [4,5] [6,7] [8,15] [8,11] [12,15] [8,9] [10,11] [12,13] [14,15] 3 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Árvore binária balanceada completa para Q = 16
    49. 49. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 12 C 14,15 W= 14  L=15 CSMA/DCR - Exemplo 0 C 2,3,5,12,14,15 W= 2,3,5 L=12,14,15 1 C 2,3,5 W= 2,3 L=5 2 C 2,3 W=  L=2,3 3 V 4 C 2,3 W=2  L=3 5 T 2 6 T 3 7 T 5 8 C 12,14,15 W=  L=12,14,15 9 V 10 C 12,14,15 W= 12  L=14,15 11 T 12 13 T 14 14 T 15 Evolução do algoritmo
    50. 50. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 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
    51. 51. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC CSMA/DCR - Cálculo do tempo de pior caso pode ser formalizado como segue... - Seja: − ϕ (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 − σ (v) = número de potências de 2 contidas em v - s = 1 slot-time (2 vezes o tempo de propagação do sinal na rede) − µ = tempo máximo de transmissão da uma mensagem no meio físico (depende do comprimento da mensagem em bits e da taxa de transmissão)
    52. 52. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC CSMA/DCR - Para uma mensagem participando de uma dada época, temos que: − ϕ (v) = log2 q + v - σ(v) - Tespera (v) = ϕ (v).s + v.µ - Para o exemplo anterior, tomando uma mensagem da estação com índice 5, temos: - q =16 - v =5 − σ (5) = 2 (5 = 22 +20 ) − ϕ (5) = log2 16 + 5 - 2 = 7 - T espera (5) = 7.s + 5.µ - Assumindo s = 40 microssegundos e µ = 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.
    53. 53. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC CSMA/DCR - O tempo de duração da época, no pior caso, é dado por: T época = ϕ (q-1).s + Q.µ - 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 + ϕ (v).s + v.µ
    54. 54. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Abordagens Para CTR Abordagem Atribuição de Prio- ridades com teste de escalonabilidade Off-line (em tempo de projeto) Circuito Virtual TR com escalonamento On-line de mensagens Reserva com escalonamento global Requistos MAC com resolução de prioridades MAC com tempo de acesso ao meio limitado Requer cópias locais de todas as filas de mensagens, difundidas em “slots times” de reserva Ex.de Protocolos Token-Ring c/Pr. Dif. atrasos Comp. Preâmbulo Forcing Headers (CSMA/CA) TDMA Token-Passing Waiting Room CSMA/DCR PODA
    55. 55. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC b) Confiabilidade - Em aplicações industriais, erro de 1 bit pode ter conseqüências desastrosas => dispositivos ON/OFF. - 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.
    56. 56. M. R. Stemmer – S2i / 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. Par trançado (assíncrono) Par trançado (síncrono) Cabo coaxial Fibra Ótica Custos Sensibili- dade à pertur- Taxa de transmissão Distância bações
    57. 57. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Meios de Transmissão - Cabo coaxial: - Boas características elétricas, porém caro. - Requer impedâncias 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.
    58. 58. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 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.
    59. 59. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    60. 60. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 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
    61. 61. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC d) Tipo de mensagens- Níveis hierárquicos superiores da fábrica: - mensagens grandes (KByte); - podem ter tempos de transmissão longos; - longos intervalos entre transmissões (meio ocioso). - Níveis hierárquicos mais próximos ao processo: - mensagens curtas, tais como: - ligar ou desligar uma unidade ON/OFF -> 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 . - Taxa de ocupação do barramento elevada (grande número de quadros pequenos transmitidos). - Requisitos: - Taxa de transmissão de dados na camada física não precisa ser muito elevada; - Desejável protocolo MAC que não permita colisões; - Importante ter tempo de entrega conhecido.
    62. 62. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC e) Conectividade / interoperabilidade (padronização) • Identificou-se necessidade de uma especificação de redes locais para aplicações industriais diferente daquela adotada em automação de escritório. • 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.
    63. 63. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
    64. 64. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Projetos de Padronização de redes industriais • Iniciativas mais importantes de padronização para redes industriais: - Projeto PROWAY - Projeto IEEE 802 - Projeto MAP (MAP/EPA e MINI-MAP) - Projeto TOP - Projeto FIELDBUS
    65. 65. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 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)
    66. 66. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 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.
    67. 67. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 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 (Sem Conexão e Sem Reconhecimento): 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 (Com Conexão): 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 (Sem Conexão mas com Reconhecimento): 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.
    68. 68. M. R. Stemmer – S2i / 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;
    69. 69. M. R. Stemmer – S2i / 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 Interface); • IEEE 802.9 : IS (Integrated Services) para integrar LANs com RDSI (Rede Digital de Serviços Integrados, ISDN em inglês) e FDDI; • 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.
    70. 70. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC IEEE 802 (ISO/IEC 8802) • Mais recentemente foram acrescentados ainda: – IEEE 802.15: trata de Wireless Personal Area Networks (como 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.
    71. 71. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC IEEE 802 (ISO/IEC 8802) IEEE 802.1 - Aspectos Gerais e Gerenciamento de Rede IEEE 802.2 - Camada de Enlace Tipo 1 - sem conexão Tipo 2 - com conexão Tipo 3 - com reconhecimento Sub-Camada LLC (Logical Link Control) IEEE 802.3 CSMA/CD (MAC) IEEE 802.4 Token Bus (MAC) IEEE 802.5 Token Ring (MAC) IEEE 802.11 MACA (MAC) Banda Larga (PHY) Banda Base (PHY) (PHY) Banda Larga (PHY) Banda Base (PHY)
    72. 72. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 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 1- persistentes, para diferentes meios de transmissão, com taxas de transmissão de 1 a 10 Mbps. - Parâmetros iniciais da norma: canal de 10 Mbps em banda base, cabo coaxial de 50 ohms, comprimento máximo 500 m.
    73. 73. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Quadro IEEE 802.3 - 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). PREÂMBULO DEST FONTE DADOS PAD FCS 7 1 2-6 2-6 2 0-1500 46 4 DELIMITADOR DE QUADRO COMPRIMENTO DOS DADOS bytes
    74. 74. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC IEEE 802.3 - Arquitetura Enlace Física LLC (Logical Link Control) MAC (Medium Access Control) PLS (Physical Layer Signaling) AUI (Attachment Unit Interface) MAU (Medium Attachment Unit) MDI (Medium Dependent Interface)
    75. 75. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    76. 76. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    77. 77. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC IEEE 802.3 - Camada Física 10BASE5 (thicknet) Placa de rede Conector AUI Cabo AUI Conector de pressão MDI Cabo coaxial grosso 50 Ohms MAU (Vampire tap)
    78. 78. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC IEEE 802.3 - Camada Física 10BASE2 (thinnet) Placa de rede Conector BNC fêmea Conector BNC macho Conector T BNC Cabo coaxial fino 50 Ohms Terminador BNC macho 50 Ohms
    79. 79. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    80. 80. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC IEEE802.3 – Camada Física 10BASE-T Placa de rede Plug RJ-45 Par Trançado HUB
    81. 81. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC IEEE802.3 – Camada Física 10BASE-FL Placa de rede Conector AUI Cabo AUI MAU 10BASE-FL HUB 10BASE-FL R T R T Fibra ótica Max. 2000m
    82. 82. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC IEEE802.3 – Camada Física 10BASE-FP Placa de rede Conector AUI Cabo AUI MAU 10BASE-FP Estrela Passiva 10BASE-FP R T R T Fibra ótica Max. 500m
    83. 83. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC IEEE802.3 – Camada Física 10BASE-FB REPEATER 10BASE-FB R T REPEATER 10BASE-FB R T Fibra ótica Max. 2000m backbone
    84. 84. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 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.
    85. 85. M. R. Stemmer – S2i / 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
    86. 86. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Gigabit Ethernet • IEEE802.3z 1000BASE-F: opera a 1 Gbps, em banda base sobre fibra ótica com concentrador. • IEEE802.3ab 1000BASE-T: idem para par trançado. • IEEE 802.3ae: define uma rede de 10 Gbps.
    87. 87. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A norma IEEE 802.4 (Token Bus) - define topologia tipo barramento, com direito de transmissão transmitido por meio de ficha/bastão. - 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).
    88. 88. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC IEEE 802.4 – Inserção e Remoção de Nós - Periodicamente, a estação com token consulta estações inativas para verificar se querem fazer parte do anel lógico (quadro “Solicit_Sucessor"). - Quadro indica endereço da estação emissora e o da estação seguinte no anel lógico. Apenas as estações cujos endereços estiverem entre os dois endereços podem candidatar-se à participação no anel lógico. - Se houver mais de um candidato, haverá colisão, resolvida por um algoritmo de arbitragem executado pelo detentor do token (quadro “Resolve_Contention”). - Se nenhuma estação apresenta interesse, a estação proprietária da ficha retoma a evolução normal do anel. - Se só uma estação apresenta-se como candidata, ela passa a compor o anel lógico e torna-se a próxima destinatária da ficha. - Se uma estação B situada entre duas estações A e C quer abandonar o anel lógico, ela envia à estação A um quadro indicando que a sucessora de A será a estação C (quadro “Set_Sucessor”).
    89. 89. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Quadro IEEE 802.4 - 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. DEST FONTE DADOS FCS 1 2-6 2-6 0-8182 4 CONTROLE DE QUADRO DELIMITADOR DE INÍCIO bytes 11 PREÂMBULO 1 DELIMITADOR DE FIM
    90. 90. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    91. 91. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    92. 92. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC IEEE 802.5 estação anel unidirecional interface paraanel
    93. 93. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Quadro IEEE 802.5 • 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). DEST FONTE DADOS FCS 1 2-6 2-6 ilimitado 4 CONTROLE DE QUADRO (FC) CONTROLE DE ACESSO (AC) 1 DELIMITADOR DE INÍCIO (SD) 1 DELIMITADOR DE FIM (ED) 1 STATUS QUADRO (FS) 1
    94. 94. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    95. 95. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    96. 96. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
    97. 97. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks Rede fixa Terminais de RF AP Host ou Servidor de Aplicações
    98. 98. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    99. 99. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    100. 100. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks • Desvanecimento de Rayleigh: qualidade da recepção varia a medida que estação se move no ambiente.
    101. 101. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A norma IEEE 802.11 – Acesso ao Meio • 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) estação A transmitindo; (b) estação B transmitindo A B C D A B C D Raio de alcance (a) (b)
    102. 102. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A norma IEEE 802.11 – Hidden Station • 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 C D Raio de alcance
    103. 103. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A norma IEEE 802.11 – Exposed Station • 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). • O que interessa ao emissor é saber se há ou não atividade na área do receptor. A B C D
    104. 104. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A norma IEEE 802.11 - MAC • 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. (a) (b) A B C D A B C D Raio de alcance de B RTS Raio de alcance de C CTS
    105. 105. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A norma IEEE 802.11 - MAC • 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.
    106. 106. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A norma IEEE 802.11 - MAC • 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.
    107. 107. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks • Variantes: • 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.
    108. 108. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    109. 109. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks • 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.
    110. 110. M. R. Stemmer – S2i / 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;
    111. 111. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks • 802.11n – Em fase final de homologação. – Tem sua largura de banda de 104 Mbps e opera nas faixas de 2,4 Ghz e 5 Ghz. – Promete ser o padrão wireless para distribuição de mídia, pois oferecerá, através de configurações MIMO, taxas mais altas de transmissão (até 500 Mbps), maior eficiência na propagação do sinal e ampla compatibilidade reversa com demais protocolos. – O 802.11n atende tanto as necessidades de transmissão sem fio para o padrão HDTV, como de um ambiente altamente compartilhado, empresarial ou não.
    112. 112. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A norma IEEE 802.11 – Pontos Fracos • Interferência: – fornos de microondas dividem a faixa de espectro de 2.4GHz; – Essa banda também é dividida com os telefones sem fio; – A proliferação dessas redes em residências e edifícios de escritórios aumenta os problemas de interferência.
    113. 113. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC IEEE 802.11 – Pontos Fracos• Segurança: – Dados irão trafegar pelo ar e poderão ser interceptados por pessoas com equipamentos apropriados. – o padrão IEEE 802.11 definiu um mecanismo de segurança que provoca uma sobrecarga (overhead) na rede. – Para impedir acesso não autorizado, um valor de identificação chamado de ESS-ID, é programado em cada AP para identificar a sub-rede de comunicação de dados. – Se uma estação não puder identificar esse valor, não poderá se comunicar com o AP respectivo. – Alternativa: duplicar a tabela de controle de endereços MAC sobre o AP, permitindo que apenas estações com o endereço MAC reconhecido possam acessar a WLAN.
    114. 114. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 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), que 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.
    115. 115. M. R. Stemmer – S2i / 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).
    116. 116. M. R. Stemmer – S2i / 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 existe ampla discussão em torno do padrão mundial para o Fieldbus. - Principais grupos envolvidos nos trabalhos de padronização: - Avaliadores: IEC, ISA, EUREKA, NEMA - Proponentes: PROFIBUS, FIP, ISA-SP50 (FF).
    117. 117. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
    118. 118. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 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. Manufacturing Automation Protocol
    119. 119. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    120. 120. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 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 de 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.
    121. 121. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 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 de atribuir prioridades às mensagens. • 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.
    122. 122. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 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 full- duplex e resincronização. • Camada de Apresentação: representação de dados baseada na ASN.1.
    123. 123. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A arquitetura MAP • Camada de Aplicação: - MMS: troca de mensagens entre equipa- mentos 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.
    124. 124. M. R. Stemmer – S2i / 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 Full- MAP 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.
    125. 125. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A arquitetura MAP-EPA convencionais Aplicações MAP EPA Aplicação Apresentação Sessão Transporte Enlace LLC 802.2 Tipos 1 e 3 MAC 802.4 Token Bus Rede Física Banda Base 5 Mbps Aplicações tempo-real
    126. 126. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A arquitetura Mini- MAP• Composta das camadas 1, 2 e 7 (só tem a pilha simplificada). • Protocolo de Enlace: LLC tipos 1 e 3. Aplicação LLC Tipos 1 e 3 MAC 802.4 Banda Base (5 Mbps) Conexão com LSAPs
    127. 127. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A arquitetura MAP/TOP Banda Base (10 Mbps) Banda Larga (10 Mbps) Banda Base (5 Mbps) VAZIO Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Física Camadas Espec. 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 ISO 8072 e 8073 Classe 4 ISO 8326 e 8327 ISO 8348 s/ conexão ISO 8822 - ASN.1 ACSE, FTAM VTP MMS, FTAM, ROS TOP MAP MAP-EPA MiniMAP
    128. 128. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Os Serviços de Mensagem da Manufatura (MMS) • MMS: conjunto de serviços de comunicação orientados para aplicações industriais. • MMS organizado em duas partes: - Manufacturing Message Services: Serviços; - Manufacturing Message Specification: Protocolo.
    129. 129. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC MMS e Companion Standards • Companion Standards oferecem funções de mais alto nível, construídas a partir das funções básicas do MMS. • Existe Companion Standards específicos para: - robôs (RC); - máquinas de comando numérico (CNC); - sistemas de visão; - controladores lógicos programáveis (CLP); - sistemas de controle de processos.
    130. 130. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Os objetos MMS • Serviços MMS manipulam objetos virtuais. • Usuários dos serviços MMS: Processos de Aplicação (AP - Application Process). • 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.
    131. 131. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    132. 132. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Os objetos MMS ... Função Executiva ... ... VMD Objetos MMS Estação Operador 1 Estação Operador N
    133. 133. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 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
    134. 134. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    135. 135. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Classe Primitivas de Serviço Comentários Gestão de Contexto Initiate Conclude Abort* Cancel Reject* iniciação, liberação, abandono e rejeição de conexão com outro usuário MMS Gestão de VMD Status UnsolicitedStatus* GetNameList Identify Rename oferece serviços de VMD, particularmente informações sobre os objetos Gestão de Domínio InitiateDownLoadSequence DownLoadSegment TerminateDownLoadSequence InitiateUpLoadSequence UpLoadSegment TerminateUpLoadSequence RequestDomainDownLoad RequestDomainUpLoad LoadDomainContent StoreDomainContent DeleteDomain GetDomainAttribute DomainFile 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 Gestão de Programas CreateProgramInvocation DeleteProgramInvocation Start Stop Resume Reset Kill GetProgramInvocationAttributes permitem que um usuário Cliente MMS gerencie a execução remota de programas num usuário Servidor Acesso a Variáveis Read Write InformationReport GetVariableAccessAttributes DeleteNamedVariable DefineScatteredAccessAttributes DeleteVariableAccess DefineNamedVariableList GetNamedVariableListAttributes DeleteNamedVariableList DefineNamedType GetNamedTypeAttributes DeleteNamedType 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
    136. 136. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Classe Primitivas de Serviço Comentários Gestão de Semáforos TakeControl RelinquishControl DefineSemaphore DeleteSemaphore ReportSemaphoreStatus ReportPoolSemaphoreStatus ReportSemaphoreEntryStatus são encarregados da sincronização e do controle do acesso aos recursos de um VMD pelos processos de aplicação Estação Operador Input Output controlam a entrada e saída de informações via estações de operador Gestão de Eventos DefineEventCondition DeleteEventCondition GetEventConditionAttribute ReportEventConditionStatus AlterEventConditionMonitoring TriggerEvent DefineEventAction DeleteEventAction GetEventActionAttributes ReportEventActionStatus DefineEventEnrollment DeleteEventEnrollment GetEventEnrollment ReportEventEnrollment AlterEventEnrollment EventNotification* AcknowledgeEventNotification GetAlarmSummary GetAlarmEnrollmentSummary AttachToEventModifier 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 Gestão de Jornal ReadJournal WriteJournal InitializeJournal ReportJournalStatus 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.
    137. 137. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
    138. 138. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Redes FieldbusTENDÊNCIA Keyboard A D D A X Y X Y MUX Sample/ Holder Adaptador /Amp. sensores atuador 0..10 v 4..20 mA 4..20 mA 0..10 v Amp. Potência Keyboard A D X Y X Y sensores inteligentes atuador inteligente P C P P D A Keyboard A D X Y X Y sensores inteligentes atuador inteligente P C P P D A FIELDBUS Centralizado / Analógico Decentralizado / Digital Decentralizado / Digital / Multipontos RS232C RS449(422/423) Placa de aquisição de dados
    139. 139. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 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;
    140. 140. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Vantagens de uso do Fieldbus - possibilidade de sincronização dos instantes de amostragem de Entrada/Saída; - melhoria do desempenho global da aplicação pela descentralização do processamento; - maior facilidade de interconexão entre níveis 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.
    141. 141. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
    142. 142. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Motivações e requisitos do Fieldbus • Redes MAP tinham tempo de resposta de cerca de 500 ms. • 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 (como Mini-MAP). • Funções das camadas 3 a 6 indispensáveis para a comunicação absorvidas pelas camadas 2 ou 7.
    143. 143. M. R. Stemmer – S2i / 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 Preço médio Elemento Campo Preço médio Cabo Coaxial U$ 2,5 / m CLP U$ 3.000 Controlador U$ 5.000 Controle Robô $20.000 Demodulador U$ 1.500 PC U$ 2.000 Componente Ethernet / IBM Preço médio Sensor/Atuador U$ 50 a 1000 Nó CSMA/CD U$ 500 - 1500 I/O Binária U$ 50 a 1000 Nó Token-Ring U$ 750 - 1500
    144. 144. M. R. Stemmer – S2i / 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).
    145. 145. M. R. Stemmer – S2i / 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);
    146. 146. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Motivações e requisitos do Fieldbus• Existem várias soluções proprietárias para o Fieldbus. • Esforços para padronização do Fieldbus: ISA/ IEC Fieldbus Foundation ESPRIT CNMA/Fieldbus Sistema Fieldbus para Processos de Fabricação EUREKA "Fieldbus" Desenvolvimento e teste de um Fieldbus para Processos Unitários ( Ex. ) ISA SP50 Iniciou definição de Pré-Norma USA PROFIBUS Norma nacional em abril 91 D FIP Norma nacional inicio 1988 F Siemens Foxboro Rosemount MIL 1553 industrial outros
    147. 147. M. R. Stemmer – S2i / 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) ? Processo Cont. Atuador Sensor Processo Processador Central Cont. Sensor Processador Central Atuador Fieldbus
    148. 148. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    149. 149. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    150. 150. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    151. 151. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A camada de Enlace do FIP • 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. Árbitro C P C ID_DAT Árbitro C P C RP_DAT
    152. 152. M. R. Stemmer – S2i / 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 DFS EB FED EB FSS FES FSS — Frame Start Sequence FES — Frame End Sequence
    153. 153. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Serviços oferecidos pela camada de enlace FIP Classe Primitiva Comentários Atualização cíclica de dados 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
    154. 154. M. R. Stemmer – S2i / 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 Primitiva de serviço Comentários Leitura de variáveis A_READ.req/cnf A_READFAR.ind lê nomes de variáveis, estruturas, status, valores Escrita de variáveis A_WRITE.req/cnf A_WRITEFAR.ind escreve especificação, valor, status Leitura do tipo de variável A_GETOBJECT_DESCRIPTION.req/cnf lê especificação Acesso à listas de variáveis A_READLIST.req/cnf A_WRITELIST.req/cnf lê e escreve atributos, valores Serviços de sincronização A_SEND.ind A_RECEIVE.ind sincronização local e remota
    155. 155. M. R. Stemmer – S2i / 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;
    156. 156. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A proposta PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) Introdução • PROFIBUS desenvolvido na Alemanha, inicialmente pela Siemens, 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 5.000 empresas européias e internacionais (www.profibus.com).
    157. 157. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 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 (STP). • 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 e 500 Kbps, mais tarde incluídas 1.5 Mbps, 12 Mbps.
    158. 158. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A camada de enlace do PROFIBUS • O PROFIBUS combina dois métodos deterministas de acesso ao meio: "Master/Slave" e "Token-Passing". Escravo 1 Escravo 2 Escravo 3 Escravo N anel lógico Mestre 1 Mestre 2 token ativas passivas
    159. 159. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC 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 de campo simples (passivas, escravos). • 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.
    160. 160. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Serviços de enlace do PROFIBUS • Protocolo de enlace: FDL ("Fieldbus Data Link"). Classe Primitiva de serviço Comentários SDN (Send Data with No Acknowledge) FDL_DATA envio de dados sem reconhecimento SDA (Send Data with Acknowledge) FDL_DATA_ACK envio de dados com reconhecimento RDR (Request Data with Reply) FDL_REPLY FDL_REPLY_UPDATE requisição de dados com reconhecimento CRDR (Cyclic Request Data with Reply) FDL_CYC_REPLY FDL_CYC_DEACT FDL_REPLY FDL_REPLY_UPDATE estação local requisita ciclicamente dados ao usuário remoto. CSRD (Cyclic Send and Request Data) FDL_SEND_UPDATE FDL_CYC_DATA_REPLY FDL_CYC_DEACT FDL_DATA_REPLY FDL_DATA_UPDATE estação local envia ciclicamente e requisita simultaneamente dados de resposta. SRD (Send and Request Data) FDL_DATA_REPLY FDL_REPLY_UPDATE estação local envia e requisita dados.
    161. 161. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A camada de Aplicação do PROFIBUS • Definido um subconjunto do MMS. • Camada de Aplicação dividida em três subcamadas: - Fieldbus Message Specification (FMS): protocolo propriamente dito; - Lower Layer Interface (LLI): interface com a camada de Enlace; - Application Layer Interface (ALI): interface com as aplicações do usuário.
    162. 162. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Classe Primitivas de serviço Comentários Serviços de Acesso a variáveis READ WRITE INFORMATION_REPORT PHY_WRITE PHY_READ DEFINE_VARIABLE_LIST DELETE_VARIABLE_LIST leitura e escrita de variáveis contidas em dispositivos servidores Serviços de Acesso a Domínios INITIATE_DOWNLOAD_SEQUENCE DOWNLOAD_SEGMENT TERMINATE_DOWNLOAD_SEQUENCE INITIATE_UPLOAD_SEQUENCE UPLOAD_SEGMENT TERMINATE_UPLOAD_SEQUENCE REQUEST_DOMAIN_DOWNLOAD REQUEST_DOMAIN_UPLOAD transferência de dados ou programas de dispositivo cliente para dispositivo servidor e vice-versa Serviços de Invocação de Programas CREATE_PROGRAM INVOCATION_DELETE_PROGRAM INVOCATION_START INVOCATION_STOP INVOCATION_RESUME INVOCATION_RESET partida, parada, retorno da execução, retorno ao estado inicial e deleção de programas Serviços de Notificação de Eventos ALTER_EVENT_COND._MONITORING EVENT_NOTIFICATION ACK_EVENT_NOTIFICATION servidor notifica cliente a ocorrência de um evento (alarme) Serviços de Leitura de Status STATUS UNSOLICITED_STATUS STATUS_IDENTIFY informações acerca do estado dos dispositivos servidores Serviços de Gerenciamento de Dicionário de Objetos GET_OV PUT_OV INITIATE_PUT_OV TERMINATE_PUT_OV descrição de todos os objetos na rede (nomes, endereços, tipos de dados, etc) Serviços de Gerenciamento de Contexto INITIATE REJECT ABORT estabelecimento e encerramento de associação entre dois dispositivos e a rejeição de mensagens recebidas
    163. 163. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A Proposta ISA SP-50 / FFIntrodução: • Proposta iniciada pela ISA (Instrumentation Society of America), pelo comitê "Standards and Practices 50". • Depois em elaboração pela ISA e IEC para definir padrão mundial para Fieldbus. • Trabalhos de padronização ainda em andamento. • Fieldbus Foudation criada em 1994 : suporte aos usuários e fabricantes (interoperabilidade, conformidade, etc) - http://www.fieldbus.org.
    164. 164. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    165. 165. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A Camada Física do ISA- SP50 DIS (Data Independent Sublayer) MDS (Medium Dependent Sublayer) MAU (Medium Attachment Unit) Camada de Enlace Meio Físico
    166. 166. M. R. Stemmer – S2i / 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 menos (mínimo de 6) estações com alimentação pelo fio » Topologias barramento, árvore e estrela; » Distância até 1900m sem repetidores » Até 4 repetidores
    167. 167. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A Camada Física do ISA- SP50– Meio H2 (aplicações de alta velocidade): » Par trançado. » Sem alimentação pela linha. » 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.
    168. 168. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A Camada de Enlace do ISA - SP50Classes 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.
    169. 169. M. R. Stemmer – S2i / 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;
    170. 170. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    171. 171. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A Camada de Enlace do ISA - SP50 Token de Escalonamento Token Delegado Token Circulado LM LM LM LAS Estação qualquer
    172. 172. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    173. 173. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    174. 174. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A Camada de Enlace do ISA-SP50 Subcamada de Gerenciamento de Ponte Subcamada de Gerenciamento de Conexões Subcamada de Escalonamento Camada de Aplicação Camada Física Subcamada de Acesso a Enlace
    175. 175. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    176. 176. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A 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.
    177. 177. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC A camada de aplicação no FF • Baseada em Blocos. • Blocos são representações de diferentes tipos de funções de aplicação. • Dividida em funções que formam a estratégia de controle da aplicação. • Os blocos utilizados são bloco de recurso, bloco transdutor e bloco funcional. – Bloco de Recurso: descreve as características do dispositivo fieldbus. – Bloco Transdutor: assume a função de entrada/saída local. – Bloco Funcional: fornece o comportamento do sistema de controle.
    178. 178. M. R. Stemmer – S2i / 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 de sincronização, escalonamento, etc.; - Monitoração de desempenho: detecção, diagnose e recuperação de erros, avaliação e otimização de desempenho, etc.
    179. 179. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    180. 180. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC
    181. 181. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Redes para Instrumentação
    182. 182. M. R. Stemmer – S2i / 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
    183. 183. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC GPIB Categoria Linha Nome 8 Data lines DIO 1-8 Data I/O DAV Data Valid 3 Handshake lines NRFD Not ReadyFor Data NDAC Not Data Accepted REN Remote Enable IFC Interface Clear 5 Interface Management lines SRQ Service Request EOI Endo or Identify ATN Attention
    184. 184. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC GPIB • Linhas de controle NRFD e NDAC operam no modo “wired- OR” • 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.
    185. 185. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    186. 186. M. R. Stemmer – S2i / 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.
    187. 187. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Redes para Automação de Escritório
    188. 188. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Redes para Automação de Escritório - Existe grande variedade de produtos. - Tipos mais difundidos: - ETHERNET (DEC, INTEL e XEROX), - ARCNET (Datapoint), - TOKEN-RING (IBM). - Produtos definem camadas Física e Enlace do modelo OSI.
    189. 189. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Redes para Automação de Escritório - Características básicas: ETHERNET ARCNET TOKEN-RING Acesso ao Meio CSMA/CD Token-passing Token-passing Velocidade 10 Mbps 2.5 Mbps 4 ou 16 Mbps Número de nós 1024 254 255 Meio de transmissão Par trançado Fibra ótica Cabo coaxial Par trançado Fibra ótica Cabo coaxial Par trançado Cabo coaxial Topologia Star/Bus Star/Bus Ring
    190. 190. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Redes para Automação de Escritório - ARCNET (Attached Resource Computer Network): boas características para aplicação industrial Topologia difusão MAC determinista preço baixo.
    191. 191. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Redes para Automação de Escritório - Ethernet: rede mais popular e de mais baixo custo. MAC não determinista (CSMA/CD). Ampla aplicação onde não há requisitos de Hard Real Time. Uso do Switcher (tecnologia posterior) torna aplicável onde há restrições de tempo.
    192. 192. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Redes para Automação de Escritório - Token-Ring: - é a mais popular entre os produtos da IBM - alto custo de instalação e baixa flexibilidade. - elevada taxa de transmissão - MAC determinista.
    193. 193. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC Redes Locais Industriais
    194. 194. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC SINE C• Redes SINEC (ou SIMATIC NET, SIEMENS) incluem: – SINEC H1: rede compatível com a norma IEEE 802.3 (Ethernet). Versão H1-MAP tem camada de aplicação compatível com MAP. – SINEC H3-MAP: rede FDDI com camada de aplicação compatível com o padrão MAP. – SINEC L1: sistema fieldbus proprietário da Siemens. – SINEC L2 (PROFIBUS): rede fieldbus compatível com a norma alemã PROFIBUS. Oferecida em 3 versões: DP, FMS, PA.
    195. 195. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC SINE C
    196. 196. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC SINE C• PROFIBUS DP (SINEC L2-DP = Distributed Peripherie) − 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).
    197. 197. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC SINE C• PROFIBUS FMS (SINEC L2-FMS = Fieldbus Message Services) − 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).
    198. 198. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC SINE C• Aplicação típica SINEC L2-FMS: RC RedeProfibus tcd Micrômetro Laser CNC Robô IPSO SP-50 Torno Romi-Mazak PC - Gerente FMC Esteira transportadora Câmara CCD PC-Visão
    199. 199. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC SINE C• PROFIBUS PA (SINEC L2-PA = Process Automation) − Permite interligar instrumentos da área de processos unitários (área química, petroquímica) 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.
    200. 200. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC BITBUS (INTEL)- topologia: barramento. - Método de acesso ao meio: Mestre/Escravos. - integração de sensores, atuadores, controladores e 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 em hardware.
    201. 201. M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC BITBUS (INTEL) Buffer recepção Buffer transmissão 8051 8044 DPRAM SIU

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