Introdução às Redes Industriais AS-i, Devicenet e PROFIBUS

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Introdução
Introdução às
às Redes
Redes Industriais
Industriais
Introdução
Introdução às
às Redes
Redes Industriais
Industriais
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Pirâmide
Pirâmide da Automação
da Automação

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AS
AS-
-i
i -
- Definição e Pontos Chave
Definição e Pontos Chave
AS
AS-
-i
i -
- Definição e Pontos Chave
Definição e Pontos Chave
• Actuator Sensor Interface (AS-i) . . .
– Barramento que interconecta produtos binários de
custo baixo tais como atuadores, sensores (chaves
limite, botoeiras, relés, válvulas solenoides), etc.
– Substituição digital para cabos tradicionais
– A tecnologia AS-I pertence e é administrada pela AS-
International
– Padrão definido pela CENELEC, norma EN 50295

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Aplicações AS-i
Aplicações AS-i
• Partida de Motores
• Variadores de Frequência
• Válvulas On-Off
• Ilhas de Valvulas
• Blocos de E/S discretas

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Benefícios AS
Benefícios AS-
-i
i
Benefícios AS
Benefícios AS-
-i
i
• Tempo de scan Rápido (max. 5 ms)
• Auto - Sensing & Auto - Addressing
• Comunicação Mestre - Escravo
• Economia de Hardware
– Fiação simples e segura
– Tecnologia de instalação rápida
– Instrumentos “baratos”
• Padrão Aberto
– Independente de Fabricante e Interoperavel
– Produtos Certificados, Aceitação iternacional

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Cabo AS-Interface:
Alimentação CC no mesmo
par de comunicação
Características Básicas
Características Básicas
Fonte ASI
30,5 Vcc
100m Max.
62 Escravos Max.

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Topologias aplicáveis
Topologias aplicáveis
Topologia livre, somente há limitações no
comprimento do cabo

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Aplicações
Aplicações
Aplicações
Aplicações
• linha de transporte de processo
de empacotamento,
• Silos de Granulados
• Módulos Compactos para
aplicação em Cervejarias

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• Originalmente desenvolvido pela BOSH para o
mercado automobilístico europeu no início dos anos
80;
• Substituiu a fiação custosa e trabalhosa por cabos
de rede de baixo custo;
• Resposta rápida e alta confiabilidade (Freios Anti-
travantes e airbags);
• Substituiu a fiação custosa e trabalhosa por cabos
de rede de baixo custo DeviceNet tem uma camada
de software de aplicação sobre o CAN.
Devicenet
Devicenet
Devicenet
Devicenet

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Devicenet
Devicenet
Devicenet
Devicenet
Rede industrial de padrão aberto de comunicação para conexão entre :
– Sensores de proximidade indutivos,capacitivos,fotoelétricos,
– Painéis e interfaces de operação,
– sensores de processos,
– leitores de código de barras,
– variadores de frequência,
– motores de partida,
– válvulas solenóides

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Especificações da rede DeviceNet
• Projetado para sinais simples
• Até 64 instrumentos
• Cabos par-trançado ou fibra
• Cabos até 500m
• Topologia de barramento com derivações (bus with spurs)
• Cabos e conectores especiais
• Modelo Produtor/Consumidor – Qualquer device pode iniciar
um processo de comunicação

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Topologias
Topologias
Topologias
Topologias
A topologia da rede Devicenet é baseada em um
tronco principal com ramificações
O tronco principal deve ser sempre terminado nas duas
pontas com resistores de 121, 1%, ¼ W.
Topologias em Estrela e anel não são permitidas !!

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Cabos DeviceNet
Cabos DeviceNet
Cabos DeviceNet
Cabos DeviceNet
São 4 tipos de cabos padronizados:
cabo redondo grosso, fino, médio e flat.
Mais Utilizado: cabo grosso para o tronco.
cabo fino para as derivações.
Tipo
de cabo
Bitola
Bitola
dreno
Bitola
comum
I (A) Dim Resist
Grosso 15AWG 18AWG 18AWG 8A 12,5mm 0,015Ω/m
Fino 22AWG 22AWG 24AWG 3A 7,0mm 0,069Ω/m
Flat 16AWG - 16AWG 8A 5,3x19,3mm 0,019Ω/m

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Comprimentos máximos
dos cabos
dos cabos
dos cabos
dos cabos
Tipo de cabo Função do cabo
Taxa de transmissão
125 Kbits/s 250 Kbits/s 500 Kbits/s
Grosso Tronco 500m 250m 100m
Fino Tronco 100m
Flat Tronco 380m 200m 75m
Fino Derivação 6m
Fino ∑ Derivações 156m 78m 39m
• Ramificação na rede não pode ser maior que 6 m
• A soma dos comprimentos de todas as ramificações deve
ser menor que o máximo permitido para a taxa de
comunicação desejada.

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Exemplo de rede Devicenet

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Aplicações DeviceNet
Solda Robótica

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PROFIBUS
PROFIBUS -
- Comunicação Transparente
Comunicação Transparente

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H1
H1
 

H1
BS
Estação
Engenharia
Estação
Manutenção
Estação
Operação
Arquitetura
Arquitetura –
– PROFIBUS DP
PROFIBUS DP
Internet Firewall

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• Par-trançado com 2 fios (RS-485)e blindagem somente para sinal,
• Até 128 dispositivos divididos em 4 segmentos com repetidores,
• Velocidades ajustáveis de 9.600 a 12 Mbits/s
• De 100 a 1.200m conforme a velocidade;
• Sistema de comunicação mestre - escravo.
Profibus
Profibus -
- DP (
DP (Descentralized
Descentralized Peripheria
Peripheria)
)

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Aplicações Profibus DP
• Partida de Motores
• Variadores de Frequência
• Balanças
• Controle Discreto de Válvulas
• E/S em Zone 1

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Comunicação Multi Mestre
Passagem de “token”
PLC / DCS / PC
Industrial PC
token
token
token
token
token
token
Profibus-PA
31.25 kbit/s
24 V
Drives
I/O Remota
Equipamento PA
Muitos masters podem
acessar os escravos para
funções de leitura,
Velocidade até 12Mbps
Um sistema Multi-master consiste de:
- múltiplos mestres (classe 1 ou 2)
- 1 a 124 DP-Escravos no máximo.
- max. de 126 dispositivos no mesmo
battamento

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PROFIBUS
PROFIBUS-
-DP:
DP:
Distâncias Max. Permitidas
Distâncias Max. Permitidas
• Verificação das distâncias máximas permitidas
– Distâncias limites dependem do tipo do cabo assim como
da taxa de comunicação;
– Expansível até 10km com uso de repetidores ou 80km com
fibra Ótica
– 32 estações por segmento
Baud rate (kbit/s) 9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 12000
Comprimento Total (m)
ou Segmento (m)
1200 1200 1200 1000 400 200 100
Tronco Máximo (m) 500 500 900 967 380 193.4 100
Ramos (Spur) Máximo (m) 500 500 100 33 20 6.6 0
Nota: Distâncias basedas em velocidade de transmissão
utilizando cabo type A e comunicação RS485.

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PROFIBUS
PROFIBUS-
-DP: Aplicações
DP: Aplicações
PROFIBUS
PROFIBUS-
-DP: Aplicações
DP: Aplicações
Cervejarias

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H1
H1
 

H1
BS
Estação
Engenharia
Estação
Manutenção
Estação
Operação
Arquitetura
Arquitetura –
– PROFIBUS PA
PROFIBUS PA
Internet Firewall

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• É um protocolo de comunicação dedicado a Automação de
Processos e otimizado para dispositivos de campo.
• Transmissores, Válvulas, Atuadores, Convertersores, etc
• Internconectado e alimentado pelo barramento
• Cada dispositivo de campo tem um endereço físico e único no
barramento.
• A aplicação em áreas classificadas (zonas 0, 1 e 2) em modo
Intrisincamente Seguro (ia/ib).
• Mesmas características físicas (elétricas) do protocolo FF
PROFIBUS
PROFIBUS -
- PA
PA

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• Dispositivos usados para traduzir as características físicas
entre PROFIBUS DP (RS485) e o PROFIBUS PA : H1
(31,25kbits/s);
• Eles são transparentes para os mestres e não tem endereço no
lado Profibus DP;
• Eles atendem aplicações intrinsecamente seguras(Ex) e
(Non-Ex), definindo e limitando o máximo numero de
equipamentos em cada segmento PA;
• Eles são alimentados por 24VDC;
• Exemplos: Acopladores Pepperl+Fuchs (93.75 kbits/s) SK2
(12Mbits/s) e Siemens (45.45 kbits/s).
ACOPLADORES (COUPLERS):
Elementos da Rede PROFIBUS

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PLC / DCS / PC
DP/PA
acoplador
PROFIBUS-PA
31.25 kbit/s
Slaves
24V
PROFIBUS-DP
45.45 kbit/s ou 93.75 kbit/s SK2 12Mbit/s
Class 1 PROFIBUS Master
Acopladores (COUPLERS
24 V
DP/PA
Acoplador
OUPLER
PROFIBUS-PA
31.25 kbit/s
4
3
2
1

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• Os dispositivos são usados como escravos na rede PROFIBUS
DP (RS485 até 12Mbits/s) e mestres na PROFIBUS PA
(H1:31,25kbits/s);
• Permitem velocidades até 12Mbits/s em Profibus DP;
• É permitido até 5 acopladores (couplers), com um número
máximo de dispositivos variando de 30 a 64 equipamentos
conforme, dependendo do modelo;
• Eles tem endereço específico para a rede PROFIBUS DP;
• Ex: IM157 – Siemens.
Links:
Elementos da rede PROFIBUS
Elementos da rede PROFIBUS

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PLC / DCS / PC
DP/PA Link +
Couplers
PROFIBUS-PA
31.25 kbit/s
Slaves
PROFIBUS-DP até 12Mbit/s
Classe 1 Master PROFIBUS
24 V
PROFIBUS-PA
31.25 kbit/s
24 V
Max. 5 DP/PA acopladores
por link IM157
DP/PA Link +
Acop´ladores
Max. 32 equipmentos
por link IM157 – Ex ia *
Max. 64 equipmentos
por link IM157 - Non-Ex *
(*) dependendo do consumo de corrente do
dispositivo e do numero de slots/dispositivos
ocupados.
2
3
2
1
2 3
1
1

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Function Blocks
PID-Control
Analog Input Analog Output Discrete Input Discrete Output
Totalisator Counter
Nicht Bestandteil des Profils
Bestandteil des Profils
• Blocos de Funções são interfaces padrões (normalmente 4
bytes para o valor medido e 1 byte para o status), que
ciclicamente trocam informações com um master classe 1;
• Eles podem oferecer funçoes básicas como caracterização,
escalas, etc;
Blocos de
Blocos de Funcões
Funcões

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Tanques de Armazenagem e Fermentação
TMD 834
Cerabar S
Samson
Control
Valve
Promag 33
Deltapilot S
Mycom L
PROFIBUS-PA IEC 1158-2
Segment
coupler
Siemens
ET 200
Remote I/O
Engineering
COMMUWIN II
Visualisation
SISTAR
Control
SIMATIC S5
PROFIBUS-DP RS 485
fibre optical industrial Ethernet
Danfoss
AC Motor
Speed
Controller
Festo
Valve
control
PROFIBUS PA:Aplicações

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HART
HART -
- Histórico
Histórico
HART
HART -
- Histórico
Histórico
1. Sistema 4 a 20mA
4 a 20mA
Se Resistor = 250Ω, a tensão variará de 1 a 5V
para corrente entre 4 a 20mA
Comporta-se como uma
Fonte de corrente.
Programador Portátil
(Handheld)
2. Sistema 4 a 20mA e
digital proprietário
4 a 20mA
3. Sistema HART
Programador Portátil
(Handheld)
4 a 20mA

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Introdução
Introdução
Introdução
Introdução
• HART
– Highway Addressable Remote Transducer
• Origem
– Fischer Rosemount
– 1980
• Protocolo Aberto
• HCF – HART Communication Foundation 1989

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 Simultaneos 4-20 mA e comunicação digital
 Dois Mestres de rede possíveis: DCS e HHT (programador de mão)
 Comunicação Multidrop (bus) até 15 devices. Mestre-Escravo
 Compativel com cabos convencionais, controladores, registradores,
indicadores, etc.
 Padrão Bell 202 (modem)
1200 Hz
“1”
2200 Hz
“0”
1 mA
4 mA
20 mA
Tempo
Protocolo HART
Protocolo HART
Protocolo HART
Protocolo HART
Sinal Físico HART

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Flexibilidade operacional
• Uso de dois mestres (primário e secundário)
– Interoperabilidade entre dispositivos

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Aplicações
Aplicações
Aplicações
Aplicações

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Wireless HART
Wireless HART -
- Arquitetura
Arquitetura
Wireless HART
Wireless HART -
- Arquitetura
Arquitetura
• Network Manager:
– distribui chaves de segurança;
– configura e coordena equipamentos e rede.
• Gateways interfaceiam os equipamentos sem fio com os hospedeiros:
– Serial, Ethernet e Wi-Fi, por exemplo, podem ser usadas.
• Adaptadores integram equipamentos HART existentes à rede.
• Programadores Portáteis sem fio.

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Rede
Rede Mesh
Mesh (Malha)
(Malha)
Rede
Rede Mesh
Mesh (Malha)
(Malha)
DSSS
(Direct Sequence
Spread Spectrum)
FHSS
(Frequency Hopping)
Blacklisting

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Time
Time Division
Division Multiple
Multiple Access
Access
Time
Time Division
Division Multiple
Multiple Access
Access
• Utilização de Time Slots:
– A comunicação entre dois instrumentos acontece num time slot.
– Uma coleção de time slots, que se repete ciclicamente, compõe um
Superframe.

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Rede
Rede Mesh
Mesh
Rede
Rede Mesh
Mesh

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Aplicações
Aplicações
Aplicações
Aplicações
• Substituição da conexão através de cabos entre computadores
pessoais e periféricos;
• Implementação de Redes Locais (LANs) em ambientes onde
uma rede cabeada não é viavel ou desejável;
• Extensão de Redes Cabeadas para usuários que requerem
mobilidade;
• Conexão entre prédios ou situações onde o uso de uma linha
privada ou enlace óptico não é viável;
• Acesso a Redes IP a partir de celulares ou PDAs;
• As aplicações envolvendo Wireless HART são orientadas à
sistemas de Monitoração ou Controle em Malha Aberta, dados
os tempos envolvidos em todo o scan da rede (segundos);
• Não se aplica diretamente a controle em malha fechada.

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Evolução
Evolução: HSE WIO
: HSE WIO –
– Wireless and Remote I/O
Wireless and Remote I/O
Evolução
Evolução: HSE WIO
: HSE WIO –
– Wireless and Remote I/O
Wireless and Remote I/O

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Foundation Fieldbus é um protocolo digital que oferece
comunicação digital de via dupla em modo multi-ponto entre os
equipamentos de chão-de-fábrica, sistemas de automação e
de visualização.
FF é essencialmente uma rede local (LAN) para os
equipamentos de campo utilizados em automação industrial.
Fieldbus
Sistemas de Automação e Visualização
P
L
F
Processo
Foundation Fieldbus
Foundation Fieldbus
Foundation Fieldbus
Foundation Fieldbus

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Rede Local
DCS
CAMPO
DPT101 PT101 FCV101 DPT102 PT102 FCV102
4 - 20 mA
E/S
DCS Tradicional
DCS Tradicional
DCS Tradicional
DCS Tradicional

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Rede Local
SISTEMA
SUPERVISÓRIO
FIELDBUS
CAMPO
DPT101 PT101 FCV101 DPT102 PT102 FCV102
Sistema de Controle FF

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SCADA
BRIDGE
Fieldbus H1
ANALIZADOR
PLC
H1… Fieldbus de baixa velocidade
• 31.25 Kbps
• substitui 4 a 20 mA
• 2 - 32 Equipamentos (não alim. barramento)
• 2 - 16 Equipamentos (alim. barramento)
• Potência & Comunicação
• Intrinsecamente Seguro
• par trançado
• comprimento 1900 m
PLC
SERVIDOR GATEWAY
ETHERNET
Backbone HSE
HSE - Fieldbus de alta velocidade
• FAST ETHERNET - 100Mbps
Meios Físicos
Meios Físicos
Meios Físicos
Meios Físicos

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Topologia Fieldbus
Topologia Fieldbus -
- HSE
HSE
Topologia Fieldbus
Topologia Fieldbus -
- HSE
HSE
H1
P
L
Planta
P
L
Planta
P
L
Planta
H1 H1
P
L
Plant
H1
100 metros no par trançado
2000 metros na fibra ótica
CLIENTE HSE
100 Mbit/s
Switch
Linking
Device
Linking
Device
Equipamento de campo
Ethernet
Gateway
I/O Network

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REDE DA PLANTA /HSE
BRIDGE
JUNCTION
BOX
H1 LEVEL
Ponto a Ponto
Barramento com
derivações (spurs)
Barramento ponto a
ponto (Daisy Chain)
Árvore
(Terminadores não são
mostrados)
Topologias Fieldbus
Topologias Fieldbus –
– H1
H1
Topologias Fieldbus
Topologias Fieldbus –
– H1
H1

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DCS
TRADICIONAL
CONTROLE NOS EQUIPAMENTOS DE CAMPO !
CONTROLE NOS EQUIPAMENTOS DE CAMPO !
SUBSISTEMA
E/S
CONTROLADOR
Redução de hardware
AO
AI
AI
PID
SISTEMA
FIELDBUS
Economia
Economia
Economia
Economia

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AI
OUT
OUT
IN
PID
IN AO
TRANSMISSOR
EQUIPAMENTO FIELDBUS
VÁLVULA
EQUIPAMENTO FIELDBUS
INTERCONEXÃO ENTRADA / SAÍDA
“PILHA”
COMUNICAÇÃO
CAMADA
USUÁRIO
CAMADA FÍSICA
Tecnologia FOUNDATION Fieldbus

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Analog Alarm
Analog Input
Arithmetic
Constant
Density
Input Selector
Characterization
Advanced PID
Integrator
Lead Lag
Output Signal Selector
and Dynamic Limiter
PID
Set Point Generator
Splitter
Timer / Logic
Blocos de Funções no Campo

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USER
APPLICATION
FIELDBUS MESSAGE
SPECIFICATION
FIELDBUS ACCESS
SUBLAYER
DATA LINK
LAYER
PHYSICAL LAYER
FIELDBUS
PROTOCOL CONTROL INFORMATION
PROTOCOL DATA UNIT
THERE MAY BE MORE THAN 1 OCTET OF
PREAMBLE IF REPEATERS ARE USED
*
**
***
PREAMBLE
END
DELIMITER
START
DELIMITER
DLL PDU**
5-15 5 to 256 2
1 4 to 255
4 0 to 251
DLL
PCI*
FAS PDU**
FAS
PCI*
FMS PDU**
FRAME CHECK
SEQUENCE
FMS PCI* USER ENCODED DATA
USER DATA
1*** 1 8 to 273 1
Codificação
Codificação da
da Camada
Camada Física
Física
Codificação
Codificação da
da Camada
Camada Física
Física

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DCS/PLC Sistema
FIELDBUS
Visão Expandida
Visão Expandida
Visão Expandida
Visão Expandida

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HMI / CLIENTE OPC
OLE
.
.
.
. . .
Servidor OLE
SOMENTE UM DRIVER
CLIENTE OPC
Padrão OPC
Padrão OPC
Padrão OPC
Padrão OPC

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Distribuição de Tarefas
Distribuição de Tarefas
Funções de tempo
crítico no campo:
– Controle
– Lógica
– Seqüencial
– Computacional
– Seleção
– Alarme
– Diagnóstico
Funções do host:
– Visualização
– Operação
– Supervisório do
Controle
– Aplicação de Usuários
– Otimização
– Batelada
– Receita
– Tendência
– Alarme
– Relatórios
– Banco de Dados
– Sinótico Fluxo do
Processo
– Gerenciamento de
Instrumentos

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Aplicações FF
Aplicações FF
Modbus
Ethernet
Trm
Pressão
Trm Temperatura
Trm Nível
(Radar)
Caixa Junção
(JM400)
Foundation Fieldbus H1
Instalação dos
Controladores no Campo
ou na Sala de controle
Válvula
Motorizada
Trm
BSW

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Demokit
Demokit Smar
Smar FF
FF
Demokit
Demokit Smar
Smar FF
FF

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Demokit
Demokit PROFIBUS
PROFIBUS Smar
Smar
Demokit
Demokit PROFIBUS
PROFIBUS Smar
Smar

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Introdução às Redes Industriais

Introdução às Redes Industriais AS-i, Devicenet e PROFIBUS

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