Redes industriais - Marcelo

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

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

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

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 de Aplicação

Sumário
4.4. A PROPOSTA ISA/IEC FIELDBUS (FIELDBUS
FOUNDATION)
– Introdução
– A camada de Aplicação
– Camada do Usuário
– Serviços de Gerenciamento de rede

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.

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.

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

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

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).

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.

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.

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

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

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.

Características e requisitos básicos
das redes industriais
• Comportamento temporal
• Confiabilidade
• Requisitos do meio ambiente
• tipo de mensagens e volume de
informações
• Conectividade/interoperabilidade
(padronização)

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.

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

Arquitetura para Sistemas Tempo-Real

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.

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 ?

• 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

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

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);

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.

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).

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.

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

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

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)

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

CSMA/CD
Probabilidade
de colisão
Tráfego x número
estações

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).

Comando Centralizado: Mestre-
escravos
escravo escravo escravo escravo

Comando Distribuído: Token-bus
receptor
emissorficha

Comando Distribuído: Token-Ring
Estação
Interface
p/ anel
anel unidirecional
TAP
Token

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.

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

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.

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.

Preâmbulo
Frame a enviar
Nó 4
Nó 0 Nó 1 Nó 2 Nó 3
Preambulo do frame

Preâmbulo

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)

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]

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 !

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

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

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

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

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)

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.

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

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

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.

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

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.

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.

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.

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

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.

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.

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

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)

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.

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.

• 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;
para as redes com topologia em barramento e método de acesso
ao meio baseado em "token-passing" (Token-Bus);
para as redes com topologia em anel e método de acesso ao meio
baseado em "token-passing" (Token-Ring);
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;

• 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.

• 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.

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)

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.

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

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)

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.

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.

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)

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

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.

IEEE802.3 – Camada Física 10BASE-T
Placa de rede
Plug RJ-45
Par Trançado
HUB

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

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

IEEE802.3 – Camada Física 10BASE-FB
REPEATER
10BASE-FB
R T
REPEATER
10BASE-FB
R T
Fibra ótica
Max. 2000m
backbone

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.

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

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.

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).

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”).

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

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.

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.

IEEE 802.5
estação
anel
unidirecional
interface
paraanel

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

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.

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.

Networks

A norma IEEE 802.11 - Wireless Networks
Rede fixa
Terminais de RF
AP
Host ou Servidor
de Aplicações

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.

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.

Networks
• Desvanecimento de Rayleigh: qualidade da recepção varia a medida
que estação se move no ambiente.

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)

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

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

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

• 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.

• 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.

• 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.

• 802.11a (também conhecida por Wi-Fi5)
– atua na banda de 5GHz UNII (Unlicensed National
Information Infrastructure);
– usa OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing), sistema de modulação com múltiplas
portadoras.
– largura de banda de 300MHz;
– taxas de 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 e 54Mbps.
– Aprovada em Setembro de 1999.

• 802.11b (também conhecida por Wi-Fi)
– opera na banda de 2.4 GHz ISM
– usa CCK (Complementary Code Keying), sistema de
modulação com uma única portadora;
– taxas de 1, 2, 5.5 e 11 Mbps;
– Usa tecnologia direct sequence spread spectrum (DSSS)
– Aprovada em Setembro de 1999.

• 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;

• 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.

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.

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.

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.

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).

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).

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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

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

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.

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.

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.

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.

Os objetos
MMS
...
Função Executiva
...
...
VMD
Objetos
MMS
Estação
Operador 1
Estação
Operador N

Serviços MMS
• 84 Serviços distribuídos em 9 Classes:
– Gestão de Contexto
» iniciação, liberação, abandono e rejeição de conexão com
outro usuário MMS
– Gestão de Domínio
» transferência de informações (códigos e dados) para serem
carregados num domínio de forma dinâmica: as seqüências
DownLoad e UpLoad são atividades que permitem gerenciar
as transferências entre Cliente e Servidor
– Gestão de Programas
» permitem que um usuário Cliente MMS gerencie a execução
remota de programas num usuário Servidor
– Acesso a Variáveis
» definição e acesso às variáveis de um VMD

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.

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

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.

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

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;

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.

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.

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

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).

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);

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

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

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.

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.

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.

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

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

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

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

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;

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).

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.

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

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.

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.

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.

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

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.

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.

SP50
DIS
(Data Independent Sublayer)
MDS
(Medium Dependent Sublayer)
MAU
(Medium Attachment Unit)
Camada de Enlace
Meio Físico

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

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.

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.

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;

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.

A Camada de Enlace do ISA - SP50
Token de Escalonamento
Token Delegado
Token Circulado
LM
LM
LM
LAS
Estação
qualquer

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

Redes para
Instrumentação

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

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

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.

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.

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.

Redes para Automação de Escritório

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.

- 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

- ARCNET (Attached Resource Computer
Network):
boas características para aplicação industrial
Topologia difusão
MAC determinista
preço baixo.

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.

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.

Redes Locais
Industriais

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.

SINE
C

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).

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).

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

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.

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.

BITBUS
(INTEL)
Buffer
recepção
Buffer
transmissão
8051
8044
DPRAM
SIU

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