Protocolos e redes industriais

APOSTILA DE SENSORES, PROTOCOLOS E REDES
INDUSTRIAIS

O PRINCÍPIO DA AUTOMAÇÃO

Introdução

Desde os tempos mais remotos que o homem, através da automatização, tem vindo a
desenvolver estratégias e mecanismos que lhe permitam libertar-se do trabalho de
origem muscular e animal e das tarefas pesadas, rotineiras, perigosas e pouco precisas.
Tem conseguindo, em simultâneo com esta libertação, maiores velocidades na execução
das tarefas, menores tempo de paragem, menor número de acidentes e a obtenção de
produtos cada vez maior e mais uniformes na qualidade. O objetivo foi desde sempre e
em qualquer processo produtivo, efetuar a “mistura” das quantidades ótimas dos 3
fatores fundamentais sempre envolvidos, que são:

x Matéria prima;
x Informação e
x Energia.

A automatização inicial era caracterizada por pequenas ilhas com operações
automatizadas, onde o fator humano era fundamental como elemento integrador e
sincronizador de todas as operações. Este estágio caracterizava-se, entre outros fatores,
por um elevado número de operários, uma grande existência de stocks e “lay-out” não
otimizados.

Caminhou-se depois para soluções de automatização centralizada. Nestas, todas as
informações eram centralizadas em um único local, onde são tomadas todas as decisões
e de onde partem todas as ordens. Com este nível, os “lay-outs” foram melhorados, o
número de operários bastante reduzido, mas continua a existir um nível considerável de
stocks.

Após a década de 60, com o desenvolvimento e a utilização crescente de unidades de
processamento de informação, as funções de condução dos processos foram sendo cada
vez mais distribuídas pelo terreno e junto dos locais onde são necessárias, surgindo
assim o que é atualmente designado de Sistema digital de controle distribuído (SDCD).
Este nível de automatização caracteriza-se por uma gestão global e integrada da
informação, pela redução de stocks a níveis mínimos, pela inserção de máquinas de
controle numérico (CNC), de manipulação (Robôs), manuseamento automático de
materiais, pela redução drástica do número de operários, sendo em alguns setores
praticamente nulo na área diretamente ligada a produção.

Assim com a evolução há a estrutura da automação está baseada na pirâmide
organizacional, em que são criadas áreas restritas de informações. Essas áreas de
informações caracterizam-se por sistemas onde o Hardware e o Software apresentam-se
com características próprias. Nos primórdios estes Software e Hardware eram de um
fabricante, assim o cliente ficava vinculado a este fabricante. Este tipo de solução
causava enormes problemas e prejuízos às empresas, uma vez que a conectividade e a

COLÉGIO IMPACTO – CURSOS TÉCNICOS E TREINAMENTOS PÁGINA 33

INDUSTRIAIS

integração com
outros equipamentos,
não era possível de
ser realizado, ou era
por motivos técnicos
ou por
incompatibilidade de
software.

Com isto houve o que
chamamos de “gargalo de informação” onde ficou complicado a troca de informações
entre os fabricantes, e a interligação entre os equipamentos, já que os mesmos não tinha
a compatibilidade entre os mesmos. Com isto houve a necessidade de uma padronização
para a integração dos fabricantes e o advento dos protocolos de comunicação,
inicialmente com um protocolo padrão TCP/IP, o qual facilitava muito a integração
desses dados. E mais do que isso, possibilitava a integração entre os equipamentos de
fornecedores destintos.

PROTOCOLOS DE COMUNICAÇAÕ E REDES INDUSTRIAIS

MODBUS

Foi criada em 1979 para comunicação entre controladores da MODICON (Schneider),
no qual era totalmente aberta desde seu início com grande facilidade de operação e
manutenção, isto faz com que todos os demais fabricantes adotem este padrão, podendo
até mesmo ser usado em sistemas de supervisão.

Tipos de protocolos Modbus


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O MODBUS TCP/IP é usado para comunicação entre sistemas de supervisão e
controladores lógicos programáveis. O protocolo Modbus é encpsulado no protocolo
TCP/IP e transmitido através de redes padrão ethernet com controle de acesso ao meio
por CSMA/CD.

O MODBUS PLUS é usado para comunicação entre os controladores lógicos
programáveis, módulos de E/S, chaves de partida eletrônica de motores, interface
homem-máquina (IHM) etc. O meio físico é o RS-485 com taxa de transmissão de
1Mbps, controle de acesso ao meio por HDLC (High Level Data Link Control).

O MODBUS PADRÃO é usado para comunicação dos CLPs com os dispositivos de
entrada e saída de dados, instrumentos eletrônicos inteligentes como relés de proteção,
controladores de processo, atuadores de válvulas, transdutores de energia e etc. O meio
físico é o RS-232 ou RS-485 em conjunto com o protocolo mestre-escravo.

MODBUS E O MODELO OSI

O protocolo Modbus padrão pode ser enquadrado na camada de aplicação do modelo
OSI, onde podem ser usados com outros protocolos da camada de enlace e camada
física (RS-232, RS-485 e Ethernet).

Ele define uma estrutura de mensagens de comunicação usadas para transferir dados
discretos e analógicos entre os dispositivos microprocessados com detecção e
informação de erros de transmissão.

PROTOCOLO MODBUS PADRÃO

Escopo do protocolo:

Como o CLP solicita o acesso a outros dispositivos?

Como este responderá?


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Como os erros serão detectados e informados?

Características físicas:

Ponto a ponto com RS-232.

Barramento multiponto com RS-485

Controle de acesso ao meio:

Protocolo mestre-escravo

1. Durante a comunicação em uma rede Modbus, o protocolo determina como o
dispositivo conhecerá seu endereço, como reconhecerá uma mensagem
endereçada para ele, como determinar o tipo de ação a ser tomada e como extrair
o dado ou outra informação qualquer contida na mensagem. Se uma resposta é
necessária, como o dispositivo construirá uma mensagem e a enviará.
2. O mestre pode endereçar mensagens para um escravo individual ou enviar
mensagens para todos (broadcast). Os escravos retornam uma mensagem
somente para as consultas endereçadas especificamente para ele. As mensagens
broadcast não geram respostas.

TRANSAÇÕES ENTRE DISPOSITIVOS

1. Na mensagem de consulta, o código de função informa ao dispositivo escravo
com o respectivo endereço, qual a ação a ser executada. Os bytes de dados
contém informações para o escravo, por exemplo, qual o registrador inicial e a
quantidade de registros a serem lidos. O campo de verificação de erro permite
aos escravos validar os dados recebidos.
2. Na mensagem de resposta, o código de função é repetido de volta para o
mestre. Os bytes de dados contém os dados coletados pelo escravo ou o seu
estado. Se um erro ocorre, o código de função é modificado para indicar que a
resposta é uma resposta de erro e os bytes de dados contém um código que
descreverá o erro. A verificação de erro permite o mestre validar os dados
recebidos.


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CONTEÚDO DA TRANSAÇÃO

Endereçamento (1byte)

0: usado para “broadcast” - 1 a 247: usados pelo escravo

Código da função (1byte)

Estabelece a ação a ser efetuada – 0 a 127: funções – 128 a 255: informe de erro na
transmissão

Bytes de dados

Informação adicional necessárias – Endereços de memória – Quantidade de itens
transmitidos – Quantidade de bytes do campo.

Verificação de erros (2 bytes)

LRC ou CRC

1. A verificação de erro é efetuada opcionalmente pela paridade de cada byte
transmitido e obrigatoriamente pelo método LRC ou CRC sobre toda a
mensagem. O LRC descarta os caracteres de inicio e fim de mensagem. O CRC
descarta os bits de inicio, paridade e parada de cada byte.
2. O dispositivo mestre espera uma resposta por um determinado tempo antes de
abortar uma transação (timeout).
3. O tempo deve ser longo o suficiente para permitir a resposta de qualquer
escravo. Se ocorrer um erro de transmissão, o escravo não construirá a resposta
para o mestre. Será detectado um “timeout” e o mestre tomará as providências
programadas.

CAMADA DE ENLACE

Modo de transmissão:
RTU: cada byte contém dois dígitos hexadecimais
ASCII: cada byte contém um caractere ASCII entre 0 a 9, A a F.
Formação dos quadros:
Definição do inicio e fim da mensagem
RTU: Tempo de silêncio de 3,5 caracteres.
ASCII: Inicia com “:” e termina com “CR” e “LR”
Conteúdos dos quadros:
Conjunto de caracteres hexadecimais de 00 a FF . [LSB...MSB]


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1. Algumas características do protocolo Modbus são fixas, como o formato da
mensagem, funções disponíveis e tratamento de erros de comunicação.
2. Outras características são selecionáveis como o meio de transmissão,
velocidade, timeout, bits de parada e paridade e o modo de transmissão (RTU ou
ASCII).
3. A seleção do modo de transmissão define como os dados serão codificados.

Exemplo: Transmissão do endereço 3Bh

RTU: 0011 1011 ASCII: 3 = 33h = 0011 0011 B = 42h = 0100 0010

4. Nos protocolos Modbus Plus e TCP/IP as mensagens são colocadas em frames,
não sendo necessário a definição do modo de transmissão, usando sempre o
modo RTU.
5. O modo ASCII permite intervalos de tempo de até um segundo entre os
caracteres sem provocar erros, mas suas mensagem típica tem um tamanho duas
vezes maior que a mensagem equivalente usando o modo RTU.
6. O modo RTU transmite a informação com um menor número de bits, mas as
mensagem deve ter todos os caracteres enviados em uma sequência contínua.
7. O modo RTU também é chamado de Modbus-B ou Modbus Binário e é o modo
preferencial.

MODELAGEM DE DADOS


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1. Todo dispositivo em uma rede Modbus deve ter a sua memória dividida em
registradores de 16 bits numerados conforme o modelo apresentado.
2. A divisão é baseada na estrutura de memória de um CLP:
x Saída discretas para os atuados ON-OFF utilizam um bit. Cada
registrador comporta 16 saídas.
x Entradas discretas para os sensores ON-OFF utilizam um bit. Cada
registro comporta 16 entradas.
x Entradas analógicas utilizam registradores de 16 bits para os valores
obtidos por conversores A/D a partir dos sinais dos sensores analógicos.
x Registradores de memória com 16 bits para os valores utilizados
internamente no CLP.
3. A identificação dos comandos (funções) de leitura e escrita são diferentes de
acordo com o tipo de dados a ser lido ou escrito.
a. A função 1 efetua a leitura do estado das saídas discretas.
b. A função 5 efetua a escrita de uma única saída discreta.
c. A função 15 efetua a escrita de múltiplas saídas discretas.
d. A função 2 efetua a leitura do estado das entradas discretas.
e. A função 4 efetua a leitura dos valores das entradas analógicas.
f. A função 3 efetua a leitura dos valores dos registradores de memória.
g. A função 6 efetua a escrita de um valor em um registrador de memória.
h. A função 16 efetua a escrita de múltiplos valores em registradores de
memória.


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1. O primeiro registrador é o “40001”, mas é endereçado como
“0”. Portanto se precisamos da informação do endereço “40108”,
devemos endereça-ló como “107”, que transformado em
hexadecimal será “6B”.
2. Os registradores utilizam 16bits para codificar a informação.
Estes 16 bits são enviados em dois bytes separados (HIGH
BYTE e LOW BYTE).

1. O valor 63h é enviado como um byte no modo RTU (0110 0011).
2. O mesmo valor enviado no modo ASCII necessita de dois bytes, mas são
contabilizados como apenas um. 6 (011 0110) e 3 (011 0011).
3. As respostas indicam:
Registro 40108: 02 2Bh = 555
Registro 40109: 00 00h = 0
Registro 40110: 00 63h = 99

MODBUS/TCP

Lançado em 1999, foi o primeiro protocolo aberto a usar ethernet e TCP/IP.
Apresenta a arquitetura cliente servidor, usando a conexão através da porta 502.


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1. Desde que não há diferença entre mestre e escravo, qualquer nó com uma
porta TCP pode acessar qualquer outro nó, possibilitando a
implementação de comunicação ponto-a-ponto entre os antigos
escravos.
2. A mensagem é encapsulada em um pacote TCP/IP. Os comandos são
enviados por um cliente usando uma mensagem TCP/IP para a porta 502
de um servidor, que responde com o dado desejado encapsulado em um
pacote TCP/IP.

3. O encapsulamento TCP não modificou a estrutura básica da mensagem
original do Modbus. As diferenças estão na interpretação do endereço e
na verificação de erro.
4. No endereçamento, o campo do endereço do escravo foi substituído por
um único byte chamado de identificador único que pode ser usado para
comunicação via dispositivo como gateways e bridge que usam um único
endereço IP para integrar vários dispositivos.
5. Não são usados os campos CRC ou LRC para verificação de erro. São
usados os mecanismos semelhantes do já existente do TCP/IP e
protocolo Ethernet.
6. Ao usar pacotes TCP/IP, o modbus /TCP permite acesso remoto via a
estrutura das redes corporativas e mesmo a internet, o que pode ser uma
vantagem e um risco. LAN e internet permitem operações remotas, mas
requer que salvaguardas sejam usadas para prevenir acesso não
autorizado.
7. O Modbus/TCP tem sido criticado por usar o “tedioso” protocolo TCP
com suas intermináveis configurações para iniciar uma sessão e verificar
a integridade dos pacotes enviados.
8. Os críticos também chamam a atenção para a impossibilidade de
priorização de mensagens, excesso de tráfego devido a impossibilidade
de broadcasts e pelo indeterminismo.

PROTOCOLO HART

Introdução

Este protocolo foi introduzido pela Fisher Rosemount em 1980. Hart é um
acrônimo de “Highway Addressable Remote Transducer”. Em 1990 o protocolo foi
aberto à comunidade e um grupo de usuários foi fundado.


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A grande vantagem oferecida por este protocolo é possibilitar o uso de instrumentos
inteligentes em cima dos cabos 4 a 20mA tradicionais. Como a velocidade é baixa, os
cabos normalmente usados em instrumentação podem ser mantidos. Os dispositivos
capazes de executarem esta comunicação híbrida são denominados smart.

O SINAL HART

O sinal Hart é modulado em FSK (Frequency Shift Key) e é sobreposto ao sinal
analógico de 4 a 20mA. Para transmitir 1 é utilizado um sinal de 1mA pico a pico na
freqüência de 1200Hz e para transmitir 0 a freqüência de 2200Hz é utilizada, além disto
a comunicação é bidirecional.

Este protocolo permite que além do valor da PV outros valores significativos sejam
transmitidos como parâmetros para o instrumento, dados de configuração do
dispositivo, dados de calibração e diagnóstico. O sinal FSK é contínuo em fase, não
impondo nenhuma interferência sobre o sinal analógico, sua padronização obedece ao
padrão Bell 202 Frequency Shift Keying (chaveamento do deslocamento de freqüência).

A topologia pode ser ponto a ponto ou multi-drop. O protocolo permite o uso de até dois
mestres. O mestre primário é um computador ou CLP ou multiplexador. O mestre
secundário é geralmente representado por terminais de mão (Hard-Held) de
configuração e calibração.

Deve haver uma resistência de no mínimo 230Ω entre a fonte de alimentação e o
instrumento para a rede funcionar. O terminal de mão deve ser inserido sempre entre o
resistor e o dispositivo de campo conforme mostra a figura abaixo.


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O resistor em série em geral já é parte integral de cartões de entrada de controladores
single loop e cartões de entrada de remotas e portanto não necessita ser adicionado.
Outros dispositivos de medição são inseridos em série no loop de corrente, o que causa
uma queda de tensão em cada dispostivo.

Para a ligação de dispositivos de saída a uma saída analógica, não é necessário um
resistor shunt.

Por ter uma comunicação bidirecional, o que possibilita a comunicação digital em duas
vias, torna-se possível a transmissão e recepção de informações adicionais, além da
normal que é a variável de processo em instrumentos de campo inteligentes. O
protocolo HART se propaga há uma taxa de 1200bits por segundo, sem interromper o
sinal de 4 a 20mA e assim permite uma aplicação tipo “mestre” possibilitando duas ou
mais atualizações por segundo vindas de um único instrumento de campo.

FLEXIBILIDADE DE APLICAÇÃO

O Hart é um protocolo do tipo mestre/escravo, o que significa que um instrumento de
campo (escravo) somente “responde” quando “ perguntado” por um mestre. Dois
mestres (primário e secundário) podem se comunicar com um instrumento escravo em
uma rede HART. Os mestres secundários, como os terminais portáteis, podem ser
conectados normalmente em qualquer ponto da rede e se comunicar com os
instrumentos de campo sem provocar distúrbios na comunicação com o mestre
primário. O mestre primário é tipicamente um SDCD, um CLP, um controle central
baseado em computador ou um sistema de monitoração. Abaixo mostramos uma
instalação típica com dois mestres.


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Configurador portátil - cortesia SMAR

MODO DE COMUNICAÇÃO

O protocolo HART pode ser usado de diversas maneiras para trocar informações
de/para instrumentos de campo inteligentes à controles centrais ou equipamentos de
monitoração. A comunicação mestre/escravo digital, simultânea com o sinal analógico
de 4-20mA é a mais comum. Este modo, descrito na figura abaixo, permite que a
informação digital proveniente do instrumento escravo seja atualizada duas vezes por
segundo no mestre. O sinal de 4-20mA é contínuo e carrega a variável primária para
controle.

Sinal analógico + sinal digital ou somente comunicação digital, o sinal
analógico não é interrompido. O escravo responde aos comandos
requisitados pelo mestre. Valor típico de 500mS por transação (pergunta e
resposta – 2 valores por segundo)
Comunicação HART – Mestre/Escravo – modo normal


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Uma modalidade opcional de comunicação é o “burst” que permite que um único
instrumento escravo publique continuamente uma mensagem de resposta padrão Hart.
Esse modo libera o mestre de ficar repetindo um comando de solicitação para atualizar a
informação da variável de processo.

A mesma mensagem de resposta HART (PV ou outra) é continuamente publicada pelo
escravo até que o mestre instrua o escravo a fazer outra atividade. A taxa de atualização
de dados de 3-4 por segundo é típica no modo de comunicação do tipo “burst” e poderá
variar de acordo com o comando escolhido. O modo “burst” só pode ser usado quando
existe um único instrumento escravo na rede.

Modo de comunicação digital puro, resposta contínua de uma variável
padrão selecionada como a PV. As janelas existentes entre cada resposta
permite ao mestre mudar o comando ou o modo de comunicação. 3 a 4
atualizações por segundo tipicamente.

O protocolo HART também tem a capacidade de conectar múltiplos instrumentos de
campo pelo mesmo par de fios em uma configuração de rede “multidrop”, como mostra
a figura abaixo. Em aplicações “multidrop”, o sinal de corrente é fixo, ficando somente
a comunicação digital limitada ao mestre/escravo. A corrente de cada instrumento
escravo é fixada no valor mínimo de 4mA somente para alimentação do instrumento.
Lembre-se que esta corrente não tem mais nenhum significado para o processo.

Os equipamentos de campo HART podem ser conectados numa rede
multidrop em algumas aplicações.


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Do ponto de vista da instalação, a mesma fiação usada para os instrumentos analógicos
convencionais de 4-20mA pode carregar os sinais de comunicação digital HART. Os
comprimentos de cabo usados podem variar de acordo com o tipo de cabo e dos
instrumentos conectados, mas em geral chegam a 3000metros para um único par
trançado blindado e 1500metros para múltiplos cabos de par trançado com blindagem
comum. Cabos sem blindagem podem ser usados para distâncias curtas. Barreiras de
segurança intrínseca e isoladores que permitem a passagem de sinais HART são
disponíveis para uso em áreas classificadas.

COMANDOS HART

A comunicação HART é baseada em comandos, como por exemplo, o mestre emite um
comando e o escravo responde. Existem três tipos de comandos HART que permitem
leitura/escrita de informações em instrumentos de campo (figura abaixo). Os comandos
universais e os práticos são definidos nas especificações do protocolo HART. Um
terceiro tipo, os comandos específicos do instrumento, permitem maior flexibilidade na
manipulação de parâmetros ou de funções específicas num determinado tipo de
instrumento.

Os comandos universais asseguram a interoperabilidade entre uma larga e
crescente base de produtos provenientes de diversos fornecedores e permitem o acesso
às informações usuais em operação de plantas, como por exemplo, leitura de variáveis
medidas, aumento ou diminuição dos valores de configuração e outras informações
como: fabricante, modelo, Tag e descrição do processo. Uma regra básica do protocolo
HART é que os instrumentos escravos devem ser compatíveis (interoperáveis) entre si e
precisam responder à todos os comandos universais. Esses comandos são poderosos,
como por exemplo, o comando universal 3, que permite que até quatro variáveis
dinâmicas sejam enviadas em resposta a um único comando solicitado do mestre.

Os comandos práticos, permitem acessar funções que são implementadas em
alguns instrumentos, mas não necessariamente em todos. Esses comandos são
opcionais, mas se implementados, devem atender as especificações da norma. Os
comandos específicos dos instrumentos permitem o acesso a características exclusivas


INDUSTRIAIS

do instrumento e geralmente são usados para configurar os parâmetros de um
instrumento. Por exemplo, estes permitem escrever um novo “set-point” de um
algoritmo PID disponível no instrumento.

As informações de diagnóstico do instrumento está disponível em todas as
respostas aos comandos HART, garantindo uma elevada integridade do sistema para
malhas críticas. Os bits que representam o estado do instrumento em cada mensagem de
resposta, indicam o mau funcionamento ou outro problemas, tais como: saída analógica
saturada, variável fora da faixa ou erros de comunicação. Alguns instrumentos
compatíveis com HART podem monitorar continuamente estes bits do instrumento e
permitem a geração de alarmes ou mesmo o seu desligamento se problemas forem
detectados.

Os comandos HART universais e práticos garantem interoperabilidade
entre equipamentos de vários fabricantes.

A LINGUAGEM DE DESCRIÇÃO DO INSTRUMENTO (DDL)

A linguagem de descrição do dispositivo (instrumento) estende a
interoperabilidade entre os comandos universais e práticos. Um fabricante de
instrumento de campo (escravo) usa a linguagem DDL que contém todas as
características relevantes do instrumento, possibilitando que o “mestre” tenha total
capacidade de comunicação com o instrumento “escravo”. Um arquivo de descrição do
instrumento (DD) para um instrumento HART é semelhante a um driver de impressora


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no ambiente dos microcomputadores, onde o driver habilita uma aplicação para a
impressora, assim como, imprime adequadamente uma página.

Terminais portáteis de programação são capazes de configurar qualquer
instrumento HART através da DD deste instrumento disponibilizada pelo seu
fabricante. Outras aplicações do tipo “host” que aceitam a linguagem DDL estão
surgindo. Uma biblioteca central de todas as descrições de instrumentos HART (DD) é
administrada pela HART Communication Foudation, que mantém o controle de registro
dos mesmos.

EXEMPLO DE APLICAÇÃO INOVADORA

A flexibilidade do protocolo HART é evidente no diagrama de controle da
figura abaixo. Essa aplicação inovadora sua a capacidade inerente ao protocolo HART
de transmitir tanto sinais de 4-20mA analógicos como sinais digitais de comunicação
simultaneamente pela mesma fiação.

Nessa aplicação, o transmissor HART tem um algoritmo interno de controle
PID. O instrumento é configurado de modo que o loop de corrente 4-20mA seja
proporcional à saída de controle PID, executado no instrumento (e não à variável
medida, como por exemplo, a pressão, como na maioria das aplicações de instrumentos
de campo). Uma vez que o loop de corrente é controlado pela saída de controle do PID,
este é utilizado para alimentar diretamente o posicionador da válvula de controle.

A malha de controle é executada inteiramente no campo, entre o transmissor
(com PID) e a válvula. A ação de controle é contínua como no sistema tradicional; o
sinal analógico de 4-20mA comanda a válvula. Através da comunicação digital HART o
operador pode mudar o set-point da malha de controle e ler a variável primária ou a
saída para o posicionador da válvula. Um economia substancial pode ser obtida através
dessa inovadora arquitetura de controle.


INDUSTRIAIS

PROFIBUS

A história do PROFIBUS começa na aventura de um projeto da associação apoiado por
autoridades públicas, que iniciou em 1987 na Alemanha. Dentro do contexto desta
aventura, 21 companhias e institutos uniram forças e criaram um projeto estratégico
fieldbus. O objetivo era a realização e estabilização de um barramento de campo
bitserial, sendo o requisito básico a padronização da interface de dispositivos de campo.
Um primeiro passo foi a especificação do protocolo de comunicação complexas
PROFIBUS FMS (Especificação da mensagem Fildbus), que foi costurado para
exigência de tarefas de comunicação. Um passo mais adiante em 1993, viu-se a
conclusão da especificação para os mais simplesmente configurado e mais rápido
PROFIBUS DP (Periferia Descentralizada). Este protocolo está disponível agora em
três versões funcionais, o DP-V0, DP-V1 e DP-V2.

Baseado nestes dois protocolos de comunicação, acoplado com o
desenvolvimento de numerosos perfis de aplicações orientadas e um número de
dispositivos de crescimento rápido, o PROFIBUS começou seu avanço inicialmente na
automação de manufatura, e desde 1995, na automação de processo. Hoje, o
PROFIBUS é o barramento de campo líder no mercado mundial.

O PROFIBUS é um padrão de rede de campo aberto e independente de
fornecedores, onde a interface entre eles permite uma ampla aplicação em processos,
manufatura e automação predial. Esse padrão é garantido segundo normas EM 50170 e
EM 50254. Em Janeiro de 2000, o PROFIBUS foi firmemente estabelecido com a IEC
61158, ao lado de mais sete outros fieldbuses. A IEC 61158 está dividida em sete
partes, nas quais estão as especificações segundo o modelo OSI. Nessa versão houve a
expansão que inclui o DP-V2. Mundialmente, os usuários podem agora se referenciar a
um padrão internacional de protocolo, cujo desenvolvimento procurou e procura a
redução de custos, flexibilidade, confiança, orientação ao futuro, atendimento as mais
diversas aplicações, interoperabilidade e múltiplos fornecedores.

A tecnologia da informação tornou-se determinante no desenvolvimento da
tecnologia da automação, alterando hierarquias e estruturas no ambiente dos escritórios
e chega agora ao ambiente industrial nos seus mais diversos setores, desde as indústrias
de processo e manufatura até prédios e sistemas logísticos. A capacidade de
comunicação entre dispositivos e o uso de mecanismos padronizados, abertos e
transparentes são componentes indispensáveis no conceito de automação de hoje. A
comunicação expande-se rapidamente no sentido horizontal, nos níveis inferiores (field
level), assim como no sentido vertical integrando todos os níveis hierárquicos de um
sistema. De acordo com as características da aplicação e do custo máximo a ser
atingido, uma combinação gradual de diferentes sistemas de comunicação, tais como:


INDUSTRIAIS

Ethernet, PROFIBUS e AS-Interface, oferece as condições ideais de redes abertas em
processos industriais.

No nível de atuadores/sensores o AS-Interface é o sistema de comunicação de dados
ideal, pois os sinais binários de dados são transmitidos via um barramento
extremamente simples e de baixo custo, juntamente com a alimentação 24Vdc
necessária para alimentar estes mesmos sensores e atuadores. Outra característica
importante é a de que os dados são transmitidos ciclicamente, de uma maneira
extremamente eficiente e rápida.

No nível de campo, a periferia distribuída, tais como: módulos de E/S, transdutores,
acionamentos (drives), válvulas e painéis de operação, trabalham em sistemas de
automação, via um eficiente sistema de comunicação em tempo real, o PROFIBUS DP
ou PA. A transmissão de dados do processo é efetuada ciclicamente, enquanto alarmes,
parâmetros e diagnósticos são transmitidos somente quando necessário, de maneira
acíclica.

No nível de célula, os controladores programáveis, como os CLPs e os PCs,
comunicam-se entre si, requerendo, dessa maneira, que grandes pacotes de dados sejam
transferidas em inúmeras e poderosas funções de comunicação. Além disso, a
integração eficiente aos sistemas de comunicação corporativos existentes, tais como:
Intranet, Internet e Ethernet, são requisito absolutamente obrigatório. Essa necessidade é
suprida pelos protocolos PROFIBUS FMS e PROFINet.

A revolução da comunicação industrial na tecnologia da automação revela um enorme
potencial na otimização de sistemas de processo e tem feito uma importante
contribuição na direção da melhoria no uso de recursos. As informações a seguir
fornecerão uma explicação resumida do PROFIBUS como um elo de ligação central no
fluxo de informações na automação.

O PROFIBUS, em sua arquitetura, está dividido em três variantes principais:


INDUSTRIAIS

PROFIBUS DP

O PROFIBUS DP é a solução de alta velocidade (high-speed) do PROFIBUS.
Seu desenvolvimento foi otimizado especialmente para comunicações entres os sistemas
de automações e equipamentos descentralizados. Voltada para sistemas de controle,
onde se destaca o acesso aos dispositivos de I/O distribuídos. É utilizada em
substituição aos sistemas convencionais 4 a 20 mA, HART ou em transmissão com 24
Volts. Utiliza-se do meio físico RS-485 ou fibra ótica. Requer menos de 2 ms para a
transmissão de 1 kbyte de entrada e saída e é amplamente utilizada em controles com
tempo crítico.

Atualmente, 90% das aplicações envolvendo escravos Profibus utilizam-se do
PROFIBUS DP. Essa variante está disponível em três versões: DP-V0 (1993), DP-V1
(1997) e DP-V2 (2002). A origem de cada versão aconteceu de acordo com o avanço
tecnológico e a demanda das aplicações exigidas ao longo do tempo.

PROFIBUS FMS

O PROFIBUS-FMS provê ao usuário uma ampla seleção de funções quando
comparado com as outras variantes. É a solução de padrão de comunicação universal
que pode ser usada para resolver tarefas complexas de comunicação entre CLPs e DCSs.
Essa variante suporta a comunicação entre sistemas de automação, assim como a troca
de dados entre equipamentos inteligentes, e é geralmente utilizada em nível de controle.
Recentemente, pelo fato de ter como função primária a comunicação mestre-mestre
(peer-to-peer), vem sendo substituída por aplicações em Ethernet.

PROFIBUS PA

O PROFIBUS PA é a solução PROFIBUS que atende os requisitos da
automação de processos, onde se tem a conexão de sistemas de automação e sistemas de
controle de processo com equipamentos de campo, tais como: transmissores de pressão,
temperatura, conversores, posicionadores, etc. Pode ser usada em substituição ao padrão
4 a 20 mA.

Existem vantagens potenciais da utilização dessa tecnologia, onde
resumidamente destacan-se as vantagens funcionais (transmissão de informações
confiáveis, tratamento de status das variáveis, sistema de segurança em caso de falha,
equipamentos com capacidades de autodiagnose, rangeabilidade dos equipamentos, alta
resolução nas medições, integração com controle discreto em alta velocidade, aplicações
em qualquer segmento, etc.). Além dos benefícios econômicos pertinentes às instalações
(redução de até 40% em alguns casos em relação aos sistemas convencionais), custos de
manutenção (redução de até 25% em alguns casos em relação aos sistemas
convencionais), menor tempo de startup, oferece um aumento significativo em
funcionalidade e segurança.


INDUSTRIAIS

O PROFIBUS PA permite a medição e controle por uma linha a dois fios
simples. Também permite alimentar os equipamentos de campo em áreas
intrinsecamente seguras. O PROFIBUS PA permite a manutenção e a
conexão/desconexão de equipamentos até mesmo durante a operação sem interferir em
outras estações em áreas potencialmente explosivas. O PROFIBUS PA foi desenvolvido
em cooperação com os usuários da Indústria de Controle e Processo (NAMUR),
satisfazendo as exigências especiais dessa área de aplicação:

O perfil original da aplicação para a automação do processo e interoperabilidade dos
equipamentos de campo dos diferentes fabricantes.

x Adição e remoção de estações de barramentos mesmo em áreas intrinsecamente
seguras sem influência para outras estações.
x Uma comunicação transparente através dos acopladores do segmento entre o
barramento de automação do processo PROFIBUS PA e do barramento de
automação industrial PROFIBUS-DP.
x Alimentação e transmissão de dados sobre o mesmo par de fios baseado na
tecnologia IEC 61158-2.
x Uso em áreas potencialmente explosivas com blindagem explosiva tipo
"intrinsecamente segura" ou "sem segurança intrínseca".

A conexão dos transmissores, conversores e posicionadores em uma rede PROFIBUS
DP é feita por um coupler DP/PA. O par trançado a dois fios é utilizado na alimentação
e na comunicação de dados para cada equipamento, facilitando a instalação e resultando
em baixo custo de hardware, menor tempo para iniciação, manutenção livre de
problemas, baixo custo do software de engenharia e alta confiança na operação.

Todas as variantes do PROFIBUS são baseadas no modelo de comunicação de
redes OSI (Open System Interconnection) em concordância com o padrão internacional
ISO 7498.

AS-i (INTERFACE DE ATUADORES E SENSORES)

Introdução

A rede As-i é uma rede simples para conexão direta a sensores e atuadores discretos, do
nível mais baixo em automação (nível de entrada e saída) até a comunicação com redes
mais alto e dispositivos de controle. Substituindo painéis e cablagem, permite reduzir o
tempo de projeto e o custo de instalação e manutenção. É usada visando a redução de
custos. Foi desenvolvida por um grupo de fabricantes do setor de sensores e atuadores
discretos e é completamente aberta, independente do fabricante. A As-i define
parâmetros para uma ligação direta por cabo, levando sinal e alimentação a sensores e
dispositivos não inteligentes, operando via estação tipo mestre-escravo. O controlador
central, seja um CLP ou PC, ou o módulo de acesso à rede redes hierarquicamente mais
elevadas, funciona como estação escrava-mestra. Os sensores e atuadores se ligam às
estações escravas que participam de um enlace por meio do cabo As-i. Cada escravo
As-i pode comandar 8 elementos discretos, sendo quatro de entrada e quatro de saída. A


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configuração máxima do enlace é de 31 escravos, ou seja até 248 elementos discretos de
automação. Pode alcançar até 200 metros com a rede As-i usando repetidores, em
configuração árvore ou barramento. O cabo As-i contém um par de fios sem blindagem
e transporta dados e alimentação, com 24Vcc e até oito ampéres, em mestra ou é
escolhido manualmente. O tempo de ciclo de acesso é de 5ms, com 31 escravos, e há
uma detecção de erro de comunicação, com correção automática. A As-i usa o código
Manchester, que lhe possibilita uma boa imunidade à interferência e ao transporte tanto
de dados como de alimentação no mesmo cabo.

A rede AS-i tem que atender as necessidades de uma integração em sistemas de
automação, levando-se em conta que o sistema deve ser aberto e acessível a todos,
promovendo assim o interfaceamento de funções simples em equipamentos industriais.
Para isto o mesmo deve atender normas (EM 50295 e a IEC 62026-2) adotadas
mundialmente. Os componentes AS-i tem incorporado em cada produto um ASIC
(Application Specific Integrated Circuit”) com finalidade de gerenciamento e troca de
dados entre o sistema de controle (mestre) e os dispositivos de campo (escravos), logo
percebe-se que o sistema será do tipo mestre/escravo.

CARACTERÍSTICAS DA REDE AS-i

CLASSIFICAÇÃO: Sensor Bus

TOPOLOGIA: Barramento/Anel/Estrela/Arvore

TEMPO DE CICLO PARA 31 ESCRAVOS: 5ms

MÁXIMO NÚMERO DE NÓS: 248 E/S (31 escravos)

DISTÂNCIA MÁXIMA: 100metros (300 com repetidor)

MESTRE-ESCRAVO COM POOLING CÍCLICO


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Outras características importantes da rede é sua simplicidade, pois o sistema é rápido
para a instalação e expansão, quanto a segurança a rede tem uma alta confiabilidade e
disponibilidade nos equipamentos, reduzindo assim até 40% nos custos com projetos,
comissionamento e instalação.

Todos os dispositivos tem uma indicação através de LED para realizar o diagnóstico,
este diagnóstico também pode ser feito através do CLP. Os parâmetros da instalação são
acessíveis e passíveis de modificação, tornando assim simples a adição ou remoção dos
componentes.

Com a evolução do protocolo foi feito uma evolução natural, onde inicialmente temos a
versão V1 e logo após a versão V2.1, como mostra abaixo, observe que houve uma
evolução de um perfil totalmente digital, e já na versão V2.1 um perfil analógico já é
concebido nesta versão.

Basicamente temos que ter poucos dispositivos para montarmos uma rede AS-i. Um
cabo AS-i, um escravo com os sensores, uma fonte AS-i e um mestre, que geralmente é
um CLP. A partir daí temos somente que configurar, lembrando que os escravos tem 4
entrada e 4 saída. Abaixo mostramos os componentes necessários para a montagem da
rede.

CABO AS-i


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CPU AS-i ESCRAVO FONTE

A rede AS-i necessitam de um software para configuração dos dispositivos e operação
da rede.

UTILIZAÇÃO DO SOFTWARE DA CODESYS PARA A REDE AS-i

Iremos demonstrar como devemos utilizar o software para programação da rede AS-i da
IFM ELECTRONIC, no qual abaixo apresentaremos alguns aspectos físicos.

Inicialmente abriremos o software conforme mostrado abaixo:


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Observe que estamos utilizando a versão instalada CoDeSys V2.3, através da pasta ifm
electronics. Feito isto estaremos já no ambiente de trabalho no qual iremos abrir um
novo programa, no qual iremos inicialmente dar o nome de NONE, pois não temos
ainda definido uma CPU a ser utilizada para implementação. Mas podemos observar
que temos além deste outras CPU’s.

Após feito isto, selecionando a opção None, iremos selecionar o tipo de linguagem a ser
utilizada. Podendo esta ser a linguagem de diversos tipos:

x Lista de instruções (IL)
x Texto estruturado (ST)
x Características seqüenciais de funções (SFC)
x Diagrama de blocos de funções (FBD)
x Diagrama Ladder (LD)
x Características contínua de funções (CFC)

Para nosso exemplo iremos utilizar a linguagem FBD, para programarmos em bloco, e o
nosso POU (Unidade de Organização de programa) cria automaticamente um novo
projeto com o nome de PLC_PRG. Assim podemos dizer que o POU tem por finalidade
organizar todas as tomadas de decisão de um programa, ou seja tele terá todas os objetos
de seu projeto.


INDUSTRIAIS

O nosso primeiro projeto não necessitará da unidade PLC, pois iremos utilizar todos os
recursos do software.

Após escolhido o tipo de linguagem e o tipo de POU, podemos partir para a
programação.


INDUSTRIAIS

Observe que existem uma programação feita através de linguagem e abaixo onde iremos
introduzir nossos blocos. Nas janelas, procure a janela BOX, e ela irá abrir um bloco,
com a função AND, caso necessite mudar a função deve estar fazendo na mesma. Nos
pontos de interrogação (???) escrever por exemplo sensorA e assim que teclar ENTER,
observará que abrirá uma outra janela.

Nesta nova janela você estará observando uma declaração da variável, observe que há
diversas características importantes, como podemos ver. O mesmo procedimento deverá
ser feito para a outra entrada. Para configurarmos a saída iremos fazer o mesmo, mas
agora iremos clicar na janela Assign, e assim dar o nome de Saída.

Após feito isto, podemos simular o referido circuito, para isto iremos LOGIN, através
da respectiva janela. Observando que agora iremos modificar o status das entradas,
clicando sobre elas iremos verificar suas modificações para <TRUE>, isto que dizer que
estão habilitadas. Se fizermos F7, iremos simular a situação presente.


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Se F7 for pressionado irá habilitar a situação. Podemos agora desenvolver outras
atividades relacionadas.

FAZENDO UMA TELA DE SUPERVISÓRIO

Para criarmos uma tela supervisão, iremos modificar para a pasta de visualização,
conforme figura abaixo.


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Feito isto iremos clicar em PROJECT, e criar uma visualização, através de
object, add. Onde, irá abrir uma janela para você colocar o nome da sua visualização.
Dado o nome da visualização, isto fará que tenhamos uma nova tela para realizarmos os
referidos desenhos. Abaixo desenhamos o projeto e assim podemos entrar em cada
parâmetros desejado para podermos realizar a simulação.

Após desenharmos, podemos colocar as cores e os parâmetros necessários para o bom
funcionamento.

Pressionando <F2> podemos obter os parâmetros necessários para serem colocados,
como podemos observar na janela acima. Lembramos que outros parâmetros podemos


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ser modificados conforme sua necessidade. Vamos agora fazer com que possamos
acionar através do supervisório o sensor A e o sensor B.

Na marca Input e em Toggle Variable colocamos o sensor que queremos acionar. Após
feito as modificações, observamos o funcionamento do programa e suas características
juntamente com o supervisório. Lembrando que devemos <F7> para compliar e <F5>
para simular. Fica então ao aluno a oportunidade de se aprofundar seus conhecimentos
sobre equipamentos AS-i.

PROGRAMANDO AGORA COM O EQUIPAMENTO MESTRE + ESCRAVOS.

Lembre-se que agora iremos colocar nosso equipamento para operar, para isto temos
que fazer algumas ligações necessárias, como alimentação 127 ou 220Volts dependendo
da fonte, a mesma
também pode ser
24Volts. Observe abaixo
os detalhes da fonte de
alimentação.

Observe que há uma
indicação para
alimentação que pode ser
127V ou 220V, sempre
antes de ligar, observar
sua rede elétrica. Do lado
oposto tem uma borneira
onde há uma indicação
de Vout ou seja tensão de
saída no nosso caso


INDUSTRIAIS

iremos ter uma tensão de 26Volts. Observe isto através do fio vermelho e preto
superiores na foto. Na borneira inferior temos a alimentação AS-i, lembre-se que nossa
fonte em questão é uma fonte de alimentação convencional para uma alimentação AS-i,
por isto temos uma borneira saindo ASi + e outra saindo ASi-. A saída AS-i +, será
sempre o fio marrom, e a saída AS-i – será o fio azul, como está indicado na foto
superior ao texto. Nunca se esqueça que tais fios são do cabo amarelo AS-i, queremos
dizer que neste mesmo cabo amarelo passa a alimentação para os dispositivos e as
informações digitais compartilhadas pelos mesmos, por isso observamos que os fios
verde e vermelho estão indo para a PLC, como podemos observar na próxima foto.

Se você observar bem, fica claro que temos a
alimentação de 24 Votls e a rede AS-i + e
AS-i – através de um fio vermelho e verde.
Isto quer dizer que estamos como as referidas
ligações da fonte de alimentação e do PLC.
Além disto você irá observar também que há
um conector RS232 para comunicação e
programação do PLC, um display para
visualização de algumas configurações,
teclar para menu e para seleção de
parâmetros, e leds informativos das
condições de funcionamento do
equipamento.

Sobre os led’s:

LED PWR/COM (LED VERMELHO)

Situação = ligado

Fonte de alimentação está OK e Comunicação com escravos está OK

Situação = piscando

Fonte de alimentação está OK mas Comunicação está falha

Situação = desligado

Fonte de alimentação está em falha.


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LED PROJ(LED AMARELO)

Situação = ligado

Está em projeto


Está em proteção (RUN)

LED CONF/PF

Situação = ligado

Erro de configuração dos escravos, tipo endereçamento


Configuração dos periféricos OK e Não há falha em periféricos


Erro em algum periférico.

LED 24 V PWR

Led indicativo de que há tensão de alimentação no PLC

LED PLC RUN

Situação = ligado

Está em funcionamento (RUN PROG)


Esta com Gatware


Está desligado (STOP PROG)


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Abaixo mostramos uma foto dos dois dispositivos juntos :

OBTENÇÃO DE UM PROJETO UTILIZANDO O MESTRE E ALGUNS
ESCRAVOS

Após a ligação de mestre 01 juntamente com 3 escravos que foram detectados
através do auto endreçamento, sendo os escravos:

1. 4 entradas e 4 saídas AC 5209
2. 4 entradas e 4 saídas a rele AC 2258
3. 1 sensor inteligente ASi indutivo

Realizamos a comunicação através do software colocando o equipamento em
comunicação do seguinte modo. Selecionamos a configuração para obtermos a figura
abaixo:


INDUSTRIAIS

Onde devemos obter a configuração: ifm electronic ControllerE_12, e procedendo o
OK.

Com isto haverá esta nova janela onde ira nos informar alguns parâmetros de
configuração no qual também não iremos alterar nenhum dos parâmetros relacionados.
Vamos continuar deixando o default do fabricante. Se observarmos estamos procedendo
do mesmo modo feito anteriormente, mas agora utilizando uma configuração para a
interface em questão que é nosso controlador da IFM. Observe na figura abaixo, já
trabalhamos com as referidas referências.


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Só que agora iremos configurar nosso PLC, através da seleção do Resource, em PLC
configuration, clicando nele teremos acesso a informações dos escravos.

Após selecionar a tela acima será aberta e você irá clicar na configuração do hardware,
onde irá informar a você quais os hardware que estão presentes neste PLC.

Observe que não há ainda nenhum escravo presente, pois você ainda não os detectou,
para isto você deverá detecta-los através do upload da configuração.


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Agora estará aberto uma janela dizendo que o projeto existente no PLC é diferente do
que há no PC e perguntará se você deseja realmente fazer o upload ou download, faça o
upload da referida configuração.


INDUSTRIAIS

Agora você observa que existe 3 escravos para o mestre, sendo um (1) escravo A/B no
endereço 3 A , um escravo no endereço 4 e um escravo no endereço 6, a simbologia
VAR, significa que os mesmos são variados, e os do endereço 4 e 6 são simples.

Se você abrir cada um dos escravos obterá os referidos endereços individuais de cada
entrada ou saída.

OBs. Caso você não consiga comunicação verifique a velocidade através dos
parâmetros de comunicação. Para identificar cada endereço procedemos do seguinte
modo:

%(entrada/saída)(mestre).(endereço).(bit): (tipo);

Exemplo:

%IX1.3.0:BOLL – Entrada, mestre 1, endereço 3, bit 0, informação booleana.

%QX1.4.4:BOLL – Saída, mestre 1, endereço 4, bit 4, informação booleana.


INDUSTRIAIS

Exercícios propostos:

01) Execute um programa para acionamento de uma prensa, na qual dois interruptores
devem ser acionados ao mesmo tempo para haver o movimento do equipamento.

02) Executar um programa que responda a seguinte lógica booleana:

CONCLUSÕES FINAIS SOBRE REDES

Lógico que podemos nos aprofundar em qualquer tipo de rede, seja ela AS-i ou não,
sabendo que para a rede AS-i existem diversos tipos de dispositivos escravos, cada um
com suas características e funcionalidades. Assim como dispositivos próprios para o
segmento de segurança, os quais chamaremos de produtos Safety at Work. Diversos
tipos de mestre para diversos tipos de aplicação.

Lembrando que existem outras redes, as quais não citamos neste material, com a rede
FieldBus, Devicenet e muitas outras que deixamos para você aluno pesquisar sobre as
mesmas. Mas você deve saber que o mercado da automação está aberto para todos e
para todas as redes, cada uma com suas particularidades que irá atender as necessidades.

BIBLIOGRAFIA:

Siemens, Seminário para eng. e técnicos em sensores : São Paulo, 2003

Thomzini, D; Albuquerque,P.U.B Sensores industriais. São Paulo: Ed. Érica, 2007

Smar, Tutorial HART, Sertãozinho: 2003

Filho, C.S Universidade Federal de Minas Gerais. Belo Horizonte: 2006


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