Redes Industriais

M. R. Stemmer – S2i / DAS / UFSC


Sumário“A INTEGRAÇÃO DA PRODUÇÃO ATRAVÉS DAS

REDES DE COMUNICAÇÃO: AS REDES LOCAISINDUSTRIAIS”

I — AS REDES E OS NÍVEIS HIERÁRQUICOS DA INTEGRAÇÃOFABRIL

1.1. O MODELO CIM1.2. A INTEGRAÇÃO NO MODELO CIM: TIPOS DE REDE

» DEVICEBUS/CONTROLBUS, FIELDBUS, ENTERPRISENETWORK


SumárioII — AS REDES LOCAIS INDUSTRIAIS2.1. MOTIVAÇÕES2.2. 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 MAP3.1. MOTIVAÇÃO E HISTÓRICO3.2. A ARQUITETURA MAP3.3. A PROPOSTA MAP-EPA3.4. A PROPOSTA MINI-MAP3.5. O PADRÃO DE MENSAGENS MMS

– Objetos MMS– Serviços MMS


Sumário

IV — O PROJETO FIELDBUS4.1. MOTIVAÇÕES E REQUISITOS DO FIELDBUS4.2. A PROPOSTA FRANCESA FIP

– Introdução– A camada Física– A camada de Enlace– A Camada de Aplicação– Funções de gerenciamento da rede

4.3. A PROPOSTA ALEMÃ PROFIBUS– Introdução– A camada Física– A camada de Enlace– A camada de Aplicação


Sumário

4.4. A PROPOSTA ISA/IEC FIELDBUS (FIELDBUSFOUNDATION)

– Introdução– A camada Física– A camada de Enlace– A camada de Aplicação– Camada do Usuário– Serviços de Gerenciamento de rede


SumárioV — ALGUNS PRODUTOS EXISTENTES E SUA

APLICABILIDADE EM AUTOMAÇÃO5.1. INTRODUÇÃO5.2. REDES PARA INSTRUMENTAÇÃO: GPIB5.3. REDES PARA AUTOMAÇÃO DE ESCRITÓRIOS:

ETHERNET, TOKEN-RING, ARCNET5.4. 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.


Introdução

- 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.


Introdução• Primeiros computadores:

1946: ENIAC (Electrical Numerical Integrator and Calculator)

1948: UNIVAC, primeiro computador comercial

1953: IBM 701

ENIAC pesava 30toneladase ocupava 180 m² deárea construída


Introdução

• Anos 60:– usuários conectados ao computador por terminais– terminais necessitavam técnicas de comunicação de dados com

computador central => inicio das redes

teleprinterTelevideo 925


Introdução

• 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


Sistemas Multiuser

Terminal 2

Terminal 3

Terminal 4

Terminal 1

Mainframe comtime-sharing OS

st1

st2

st4

st3

RR


Introdução

• Anos 60:– Comunicação entre terminais e computador central requer:

» Definição de uma interface (serial, paralela), conectores,cabos, etc.

» Definição de unidade básica de informação (bit = binaryunit) – definir duração, sinais 0 e 1, sincronização, etc.

» Definição de códigos para representar letras, números eoutros símbolos alfanuméricos – ASCII, EBCDIC

» Definição de protocolos para envio, recepção, detecção deerros, etc.

– Surgem técnicas de comunicação precursoras das redes.


Introdução- Anos 70:

• surgem microprocessadores• computadores muito mais baratos => difusão do uso

- Após década de 70:• Computadores cada vez mais velozes, tamanho menor, preço mais

acessível• 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 ummainframe, além de custo menor => Sistemas Distribuídos

• Necessidade de desenvolver técnicas para interconexão decomputadores => redes


Introdução- 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).


Introdução- 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.


Introdução• Necessário definir arquiteturas, topologias e protocolos

apropriados para redes industriais.• Topologias x Redes Industriais:

- Redes do tipo ponto-a-ponto: falha em umamáquina pode afetar comunicação entre outrasmáquinas (centralização das funções decomunicação).

- Redes de difusão: falha em uma máquina nãonecessariamente afeta comunicação entre outrasmáquinas (possibilidade de descentralização dacomunicação).


Introdução

Fonte Intermediáriodefeituoso

Destino

a) ponto-a-ponto

Fonte

Máquinadefeituosa

Destino

b) barramento


Introdução

• Fabrica decomposta em sub-redes por questões de desempenho:

– Conforme estrutura gerencial nos níveis mais altos (setores decompras, vendas, financeiro, pessoal, etc.)

– Conforme estrutura lógica funcional nos níveis mais baixos(células, áreas, linhas de produção e montagem, etc.)

• Idéia do final dos anos 70/ início 80: definir um tipo de rede únicapara toda a fábrica.

• Idéia atual: não existe uma rede única que atende as necessidadesde 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 DECOMUNICAÇÃO

Enterprise-network

(MAP, TOP)

Fieldbus, MAP-EPA, Mini-MAP

RTLAN


Características da comunicação em CIM

Vida útil etamanho

médio dosdados

Tráfegomédio

Quadros /seg.

Tempoocioso entretransmissões

Númerode

estações /segmento

Administração Corporativa

Planejamento

Área

Célula

Unidade (subsistema)

Componente

Customédio

de umaestação

Hostilidadedo 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 básicosdas 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 determinarcomportamento temporal do sistema de comunicação.

• Mensagens em STR podem ter restrições temporais:

– Periódicas: tem que ser enviadas em intervalos conhecidos efixos de tempo. Ex.: mensagens ligadas a malhas decontrole.

– Esporádicas: mensagens sem período fixo, mas que temintervalo de tempo mínimo entre duas emissõesconsecutivas. Ex.: pedidos de status, pedidos de emissão derelatórios.

– Aperiódicas: tem que ser enviadas a qualquer momento, semperíodo nem previsão. Ex.: alarmes em caso de falhas.


Sistemas Tempo-Real

• Um STR é um sistema computacional que deve reagir aestímulos (físicos ou lógicos) oriundos do ambiente dentro deintervalos 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

M1DL = 10

End. 01

M2DL = 15

End. 02

M3DL = 50

End. 03

M4DL = 25

End. 04

M5DL = 5

End. 05

• Mensagens pendentes em cada estação devem ser entregues aseu 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 amaior eficiência possível, respeitando seus deadlines.

• Protocolo MAC precisa garantir rápido acesso aobarramento 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 escalonarmensagens locais pendentes por deadline ou prioridadeassociada.

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 APSoftwareAplicativo

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 detempo, 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 pormais de uma estação, ocorre uma colisão e as estações envolvidas tem quetransmitir suas mensagens após a resolução do conflito resultante(protocolos de contenção);

• Alocação controlada: cada estação tem direito de acesso apenas quando deposse de uma permissão, que é entregue às estações segundo algumaseqüência predefinida (ex.: Token-Passing, Master-Slaves);

• Alocação por reserva: para poder usar o meio, as estações tem que reservarbanda com antecedência, enviando pedidos a uma estação controladoradurante 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 comportamentotemporal:

– protocolos deterministas: caracterizados pelapossibilidade de definir um tempo limite para aentrega de uma dada mensagem (mesmo quesomente em pior caso);

– protocolos não deterministas: tempo de entreganão determinável (aleatório ou probabilístico).


Protocolos MAC não deterministas - CSMA

• CSMA: Carrier Sense Multiple Access = AcessoMúltiplo por Detecção de Portadora

• Método não determinista com controle distribuído• Variantes:

– CSMA não persistente:» emissor escuta o meio» se meio livre, transmite frame» se meio ocupado, tenta retransmitir mais tarde



– CSMA 1-persistente:» Emissor escuta meio» Se meio livre, transmite com probabilidade 1

(100%)» Se meio ocupado, espera na escuta (persiste) até

o canal ficar livre e transmite



– CSMA p-persistente:» Emissor escuta meio» Se meio ocupado, aguarda liberação e reinicia» Se meio livre, transmite com probabilidade p

ou atrasa a transmissão em um dado tempocom probabilidade (1-p);

» Se optar por atraso, após espera, se canal aindalivre, repete procedimento; se ocupado,aguarda liberação e reinicia


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


CSMA

- Todas as variantes: não impedem colisão => escuta só no início

- Se LLC tipo 1 ou 3, estação receptora envia quadro dereconhecimento (ACK) a emissora se msg Ok

- Em caso de colisão ou erro de tx: msg retransmitida após Time-out no emissor


CSMA/CD (ETHERNET)• CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Colision Detection =

Acesso Múltiplo por Detecção de Portadora com Detecção de Colisão• Método de acesso não determinista com controle distribuído• Operação:

– Emissor escuta meio– Se meio livre, enviar primeiro byte do quadro– Emissor escuta meio durante sua tx e compara com byte enviado

» Se igual, não houve colisão => enviar resto da mensagem» Se diferente, houve colisão => parar tx, esperar tempo randômico e

reiniciar operação (repetida no máximo 16x)• limite tempo de espera na i-esima colisão= 2i - 1 [time slots]

– Se tx bem sucedida (sem colisão), emissor espera ACK do receptor (seLLC tipo 1 ou 3)


O protocolo CSMA/CD- Inovação: escuta e envio podem estar ativos ao mesmo tempo!

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).• Tempo de espera é randomizado segundo algoritmo

BEB (Binary Exponential Backoff)


Randomização de tempo no CSMA/CD(Binary Exponential Backoff)

start

StationReady ?

NewFrame ?

EtherSilent ?

transmit

Collision ?

nc = nc+1

limit = 2nc-1Wait=random [0,limit]

nc = 0

no

no

no

yes


CSMA/CD

Probabilidadede colisão

Tráfego x númeroestações


CSMA/CD

- Desempenho muito melhor que CSMA, pois:

• não perde tempo enviando dados após colisão

• ocorrência da colisão detectada logo no início da tx

- Razões do não-determinismo:

• não se sabe se haverão colisões

• não se sabe quantas colisões seguidas podem ocorrer

• não se conhece de antemão tempo aleatório de esperaem caso de colisão

- CSMA e CSMA/CD ruins para aplicações de tempo real.


Protocolos MAC Deterministas

- Métodos de acesso deterministas: tem tempo deresposta limitado e determinável (ao menos em piorcaso).

- 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

Interfacep/ anel

anel unidirecionalTAP

Token


Comando Distribuído: Forcing Headers

- Variante determinista de CSMA (CSMA/NBA = CSMA withNondestructive Bitwise Arbitration – usado em CAN).

- Estações enviam bit a bit um identificador da mensagem, quedefine 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 aobarramento (CD ativada ao enviar um 1 e desativado ao enviarum 0).

- Transmissão interrompida quando um 1 é enviado e ocorrercolisão (0 é lido).

- Se identificador transmitido até o fim sem colisão, resto damensagem é enviado.



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



• Para evitar monopólio do meio por nó gerador demensagem de alta prioridade, espaço entre quadrospreenchido por campo de bits em 1 inserido no final decada quadro.

• O barramento só é considerado livre para o mesmo nóenviar nova mensagem após ter detectado que o espaçointerframes não foi interrompido por um bit em 0.

• Estação possuidora da mensagem de alta prioridade teráque esperar ao menos o envio de uma mensagem deprioridade menor para tomar o barramento para sinovamente.


Comando Distribuído: Comprimento de Preâmbulo

- Variante determinista de CSMA/CD

- A cada mensagem é associado um preâmbulo comcomprimento diferente, que é transmitido com CDdesativada.

- Após término de envio do preâmbulo, CD reativada

- Se há colisão, existe outra mensagem maisprioritária sendo enviada e estação fica a espera demeio livre.



Frame a enviar

Nó 4

Nó 0 Nó 1 Nó 2 Nó 3

Preambulo do frame



Mensagem do nó 4

Mensagem do nó 3

Mensagem do nó 2

Mensagem do nó 1

Mensagem do nó 0

Instantes de inicio de detecção de colisão em cada estação


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 árvorebinária => “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 transmissãobem sucedida de outro nó seguida de meio livre

- se grupo W vazio, busca revertida => nova subdivisão de nós apartir do último grupo L:

- W = [q/2, 3q/4[

- L = [3q/4, q]

• Época encerrada quando todas as estações envolvidas na colisãooriginal conseguiram transmitir seus dados

• tempo de duração de uma época pode ser calculado => determinismo !

• seqüência de concessão de direito de acesso ao meio = seqüência deíndices 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 C14,15W= 14L=15

CSMA/DCR - Exemplo

0 C2,3,5,12,14,15W= 2,3,5L=12,14,15

1 C2,3,5W= 2,3L=5

2 C2,3W=L=2,3

3 V 4 C2,3W=2L=3

5 T2

6 T3

7 T5

8 C12,14,15W=L=12,14,15

9 V 10 C12,14,15W= 12L=14,15

11 T12

13 T14

14 T15

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 1slot-time como 40 microssegundos, o tempo para início da transmissão damensagem 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:

(v) = número de ramos da árvore binária percorridos por umamensagem proveniente de um nó com índice v

q = menor potência de 2 maior ou igual ao maior índicedisponível

(v) = número de potências de 2 contidas em v

s = 1 slot-time (2 vezes o tempo de propagação do sinal na rede)

= tempo máximo de transmissão da uma mensagem no meiofísico (depende do comprimento da mensagem em bits e da taxade transmissão)


CSMA/DCR

• Para uma mensagem participando de uma dada época, temos que:

(v) = log2 q + v - (v)

- Tespera (v) = (v).s + v.

(5) = log2 16 + 5 - 2 = 7

• Para o exemplo anterior, tomando uma mensagem da estação com índice 5, temos:

- q =16

- v =5

(5) = 2 (5 = 22+20)

- T espera (5) = 7.s + 5.

• Assumindo s = 40 microssegundos e = 6.s = 240 microssegundos:

- T espera (5) = 1480 microssegundos.


• O tempo de duração da época, no pior caso, é dado por:

• T época = (q-1).s + Q.

• Para uma mensagem que chega a fila de emissão de uma fonte comíndice v em um instante qualquer, o pior caso de tempo de espera émaior, pois a nova mensagem pode chegar na fila imediatamente apóso inicio de uma época, da qual ela ainda não faz parte.

• Neste caso, o pior caso do tempo de espera será dado por:

T max espera (v) = T época + (v).s + v.

CSMA/DCR


Abordagens Para CTR

AbordagemAtribuição de Prio-

ridades com teste deescalonabilidade

Off-line (em tempode projeto)

Circuito Virtual TRcom escalonamento

On-line demensagens

Reserva comescalonamento

global

Requistos

MAC com resoluçãode prioridades

MAC com tempo deacesso ao meio

limitado

Requer cópias locaisde todas as filas de

mensagens,difundidas em “slots

times” de reserva

Ex.de ProtocolosToken-Ring c/Pr.

Dif. atrasosComp. PreâmbuloForcing Headers

(CSMA/CA)

TDMAToken-PassingWaiting RoomCSMA/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 deredundância (CRC - Cyclic Redundancy Check) sobre quadros(técnica polinomial).

• Em sistemas que necessitem de uma operação contínua, podeser utilizado um meio de transmissão e estações redundantes.

• Recomenda-se usar cabos blindados em ambientes com fortescampos 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, fonteschaveadas, estações de solda, conversores estáticos, etc.

Par trançado (assíncrono)

Par trançado (síncrono)

Cabo coaxial

Fibra Ótica Custos

Sensibili-dade àpertur-

Taxade

transmissão

Distância

bações


Suportes de Transmissão• Com guia físico

- Cabos elétricos

- Par trançado

- Cabo coaxial

- Fibra ótica

• Sem guia físico:

- Ondas de rádio

- Ondas de luz (laser, infravermelho)


Par Trançado (Twisted Pair)• Forma mais barata e clássica de conexão

• Cabo composto de “n” pares de fios de cobreisolados e arranjados de forma helicoidal

• Efeito do arranjo helicoidal => reduzir induçõeseletromagnéticas parasitas => fios paralelosformam antena !

• Categoria 3: telefone, LAN

• Categoria 5: isolamento teflon, LAN

• Usados com HUBs, Switchers


Par Trançado (Twisted Pair)• Servem para transmissão analógica e digital

• Usados na rede telefônica e em LANs

• Taxas de transmissão de dezenas de Kbps até ~100 Mbps(distâncias pequenas)

• Banda passante depende de:

- diâmetro fios

- pureza cobre

- isoladores

- comprimento do cabo


Par Trançado (Twisted Pair)

Conector RJ45

UTP


Par Trançado Blindado (STP)


Cabos Coaxiais• 2 tipos mais usados: impedância de 50 Ohms (sinais

digitais, baseband versões thin e thick) e 75 Ohms(sinais analógicos, broadband)

• Constituídos de 2 condutores concêntricos separadospor isolante

Capaprotetora

Trançametálica

Capaisolante

Alma de cobre


Cabos Coaxiais

- Possuem melhores características elétricas do que par trançado =>menos sensíveis a interferências eletromagnéticas

- Usados para distâncias de até 1Km => taxas de transmissão de 1 a2 Gbps em banda base possíveis

- Usados para distâncias maiores (100Km) se usada transmissãoanalógica (broadband com modulação ASK, FSK ou PSK)

- Muito usados para transmissão em banda larga => vários canaissimultâneos de comunicação em faixas de freqüência diferentes

- Requerem terminadores => impedâncias terminais para impedirressonâncias na rede


Cabos Coaxiais

Cabo com conectores BNC (British NavalConnector ou Bayonet Neil Concelman ouBayonet Nut Connector)


Fibras Óticas

- Sinais binários transmitidos como impulsos luminosos:

- lógico 1 => presença de luz

- lógico 0 => ausência de luz

- Pode transmitir sinais com taxas de vários Gbps (109 bps) adistâncias de até 100Km sem repetidores.

- Imune a perturbações eletromagnéticas => fóton sem cargaelétrica

- Fibra => fio de silício (núcleo) com capa externa para retençãode luz


Fibras Óticas

E

i

Rfibra

i

- sistema de transmissão composto de 3 elementos:

- Fibra: transmite sinal ótico

- Emissor: converte sinal elétrico em ótico (LED ou diodo Laser)

- Receptor: converte sinal ótico em elétrico (Fotodiodo ouFototransistor)


Fibras Óticas- Princípio de transmissão na fibra:

- ângulo de incidência grande => reflexão e refração

- ângulo de incidência pequeno => reflexão total

Silício

Ar

fonte deluz

multimodo monomodo


Fibras Óticas• Fibra multimodo com índice degrau:

– Núcleo constituído de um único tipo de material (plástico, vidro) e temíndice de refração constante.

– Os raios de luz refletem no cladding em vários ângulos, resultando emcomprimentos de caminhos diferentes para o sinal.

– Causa espalhamento do sinal ao longo da fibra (dispersão modal).– A atenuação é maior que 5 dB/km, fazendo com que essas fibras sejam

utilizadas em transmissão de dados em curtas distâncias (até 2 km).


Fibras Óticas• Fibra multimodo com índice gradual:

– A interface núcleo/cladding é alterada para proporcionar índices derefração diferentes dentro do núcleo e do cladding.

– Os raios que viajam na direção do cabo tem um índice de refraçãomenor e são propagados mais rapidamente. O objetivo é ter todos osmodos do sinal à mesma velocidade no cabo, de maneira a reduzir adispersão modal.

– Essa fibra pode ter larguras de banda de até 500 Mhz.km.– O núcleo tem, tipicamente, entre 125 e 50 μm e a atenuação é baixa (3

dB/km), sendo por esse motivo empregada em telecomunicações.


Fibras Óticas• Fibras monomodo:

– O núcleo de 8 µm de diâmetro e o índice núcleo/cladding permite queapenas um modo seja propagado através da fibra, diminuindo adispersão do pulso luminoso.

– A emissão de sinais monomodo só é possível com laser, podendoatingir taxas de transmissão na ordem de 100 GHz.km, com atenuaçãoentre 0,2 dB/km e 0,7 dB/km.

– O equipamento como um todo é mais caro que o dos sistemasmultimodo.

– Essa fibra é muito usada em sistemas telefônicos.


Fibras Óticas

Feixe de fibras óticas Conectores STpara fibra ótica

Cabo multimodo62.5/125 micrometros


Fibras Óticas

- Muito usadas em WAN, MAN e CAN

- Uso crescente em LAN, com topologia ponto-a-ponto => difícilrealizar derivações (bifurcações) em T para barramento

- Técnicas de realização de derivações:

- derivação passiva: usa princípios óticos (p.ex. prismas) =>problemas de perda de intensidade luminosa

-derivação ativa: converte sinal ótico para elétrico nospontos de derivação => aumenta custo, requer alimentação,perde velocidade e introduz pontos sensíveis à perturbaçõeseletromagnéticas

-Muito usadas com HUBs e Switchers


Transmissão Sem Guia Físico- Sistemas com guia físico implicam na construção decanalização ou postes para condutores => caro para grandesdistâncias

- Técnicas com emissor e receptor de luz direcionados:

- Laser

- Infravermelho

- Bom para distâncias médias

- Técnicas com sinal de rádio:

- antena / antena => distâncias médias ou grandes

- antena / satélite / antena => distâncias muito grandes


Transmissão Sem Guia FísicoSinais de Rádio:

Vantagens:

- Flexibilidade

- Interconexão completa

- Estações móveis

Desvantagens:

- Problema de autenticação

- Privacidade

- Dependência de regulamentaçãopública

Limitações / compromissos:

- Banda passante

- área de cobertura

- interferências

- regulamentações

- custos


Meio de Transmissão

1000 Km50 Km100 m

50 Mbps (telecom.)50 Kbps (celular)54 Mbps (rede)

VLF, LF, MFMicrowave

Rádio

100 Km1 Km

1 Gbps1 Tbps

DigitalFibra ótica

1 Km100 Km

2 Gbps3 Mbps

DigitalAnalógica

Cabo coaxial

100m100m100m100m

10Mbps (CAT-3)16Mbps (CAT-4)100Mbps (CAT-5)300 Mbps (STP)

DigitalPar trançado

Distancia*(p. Bitrate max.)

Bitrate (max.)SinalizaçãoMeio

* Sem repetidores


Meios de Transmissão• Cabo coaxial:

- Boas características elétricas, porém caro.

- Requer impedâncias terminais.

- Conectores BNC fáceis de abrir.

- Usado para distâncias maiores.


Meios de Transmissão• Par trançado:

- Meio mais barato.

- Usualmente usado com HUB/Switcher

- Atualmente solução mais usada para chão fábrica.

- UTP (Unshielded Twisted Pair) CAT-5 / STP (Shielded Twisted Pair).


Meios de Transmissão• Fibra ótica:

- Ótimo para rejeitar perturbações eletromagnéticas.

- Dificuldade de realizar topologia em bus.

- 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)– reconhecido mundialmente como modelo básico para

operação de redes em áreas de risco de explosão ouincêndio.



• 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 odispositivo.

– Os dispositivos de campo funcionam como uma cargapassiva de corrente.

– Existe uma terminação passiva em ambos os extremos darede.

– Topologias permitidas: linear, em árvore e em estrela.



• 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 dequadros pequenos transmitidos).


d) Tipo de mensagens

• Requisitos:- Taxa de transmissão de dados na camada física não precisa ser

muito elevada

- Mais importante ter tempo de entrega conhecido

- Desejável protocolo MAC que não permita colisões

- Desejável que o frame seja pequeno (envelope grande paracarta pequena não é eficiente!). Por exemplo:

Frame Ethernet pode ter até 1500 Bytes de dados, mais 14Bytes de outros campos

Frame CAN pode ter até 8 Bytes de dados, mais 8 Bytes deoutros campos


e) Conectividade / interoperabilidade(padronização)

• Identificou-se na década de 80 necessidade de uma especificaçãode redes locais para aplicações industriais diferente daquelaadotada em automação de escritório.

• Surgiram diversas redes proprietárias para ambiente fabril, masnão permitem a interligação de equipamentos de outrosfabricantes.

• Maior entrave à conectividade e interoperabilidade: nãopadronização das interfaces e protocolos de comunicação.

• Grandes esforços tem sido despendidos para solucionar estesproblemas => Projetos de Padronização.



Projetos de Padronizaçãode redes industriais

• Iniciativas mais importantes de padronização pararedes 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 deredes 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 deenlace, 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 em1980 o projeto 802, que definiu normas para as camadas Física eEnlace do modelo de referência OSI.

• Camada de Enlace subdividida em duas subcamadas:

- LLC (Logical Link Control): montagem dos quadros, controlede 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 egeneralidades;

IEEE 802.2: sub-camada LLC da camada de Enlace. Normaprevê três tipos de serviços: LLC tipo 1 (Sem Conexão e Sem Reconhecimento): não é

feito controle de erros nem de fluxo e o receptor dasmensagens não envia um quadro de reconhecimento aoemissor;

LLC tipo 2 (Com Conexão): antes de trocar dados, estaçõesestabelecem uma conexão entre si. É feito controle de erros ede fluxo e a entidade receptora envia um quadro dereconhecimento para cada mensagem recebida;

LLC tipo 3 (Sem Conexão mas com Reconhecimento):comunicação sem conexão, mas é realizado controle de fluxoe de erros e o receptor envia um quadro de reconhecimentoao emissor para cada mensagem recebida.


IEEE 802 (ISO/IEC 8802) IEEE 802.3 : descrição da sub-camada MAC e camada Física

para redes com topologia em barramento e método de acesso aomeio baseado em CSMA/CD;

IEEE 802.4 : descrição da sub-camada MAC e camada Físicapara as redes com topologia em barramento e método de acessoao meio baseado em "token-passing" (Token-Bus);

IEEE 802.5 : descrição da sub-camada MAC e camada Físicapara as redes com topologia em anel e método de acesso ao meiobaseado em "token-passing" (Token-Ring);

IEEE 802.6 : descrição da sub-camada MAC e camada Físicapara as redes metropolitanas com DQDB (Distributed QueueDual Bus, barramento dual com filas distribuídas);

IEEE 802.7 : contém recomendações do IEEE para LANsusando Broadband. Na versão da ISO/IEC, define umasubcamada MAC com slotted ring e a camada físicacorrespondente;



IEEE 802.8 : o IEEE criou o “Fibre optic technical advisorygroup”, cuja meta era propor um padrão de LAN usando fibraótica como meio físico em redes com token passing, comoFDDI (Fiber Distributed Data Interface);

IEEE 802.9 : IS (Integrated Services) para integrar LANscom RDSI (Rede Digital de Serviços Integrados, ISDN eminglês) e FDDI;

IEEE 802.10 : aborda questões de segurança na interoperaçãode LANs e MANs (atualmente define o padrão SDE, SecureData 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 físicacorrespondente.



• Mais recentemente foram acrescentadosainda:

– IEEE 802.15: trata de Wireless Personal Area Networks(como Bluetooth e Zigbee);

– 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 EnlaceTipo 1 - sem conexãoTipo 2 - com conexãoTipo 3 - com reconhecimento

Sub-Camada LLC(Logical Link Control)

IEEE 802.3CSMA/CD

(MAC)

IEEE 802.4Token Bus

(MAC)

IEEE 802.5Token Ring

(MAC)

IEEE 802.11MACA(MAC)

BandaLarga

(PHY)

BandaBase

(PHY) (PHY)

BandaLarga

(PHY)

BandaBase

(PHY)


A norma IEEE 802.3 (CSMA/CD)

- Origem: rede Ethernet (Xerox, 1976), criada por Robert Metcalf.

- Ethernet original: protocolo CSMA/CD, cabo coaxial de 1000metros de comprimento, taxa de transmissão de 3 Mbps, até 100estações conectadas.

- Xerox, DEC e Intel definiram um padrão "de fato" para uma redeEthernet, com taxa de transmissão de 10 Mbps.

- IEEE 802.3 (1985) define família de protocolos CSMA/CD 1-persistentes, para diferentes meios de transmissão, com taxas detransmissão originalmente de 1 a 10 Mbps (depois ampliada para100Mbps, 1Gbps e agora 10Gbps).

- 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. MSBdefine se endereço é individual (0) ou de grupo (1), permitindo multicaste 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 completadoatravés do campo PAD (padding = enchimento, estofamento).

PREÂMBULO DEST FONTE DADOS PAD FCS

7 1 2-6 2-6 2 0-1500 46 4

DELIMITADORDE QUADRO

COMPRIMENTODOS 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 físicoe a subcamada MAC. Fornece à MAC serviços de envio erecepção de bits e de detecção de colisão.

• AUI (Attachment Unit Interface): cabos tipo par trançadoblindado que permitem conectar à rede estações localizadas auma certa distância do meio de transmissão (até 50m). AUIinterliga a placa de rede ao MAU.

• MAU (Medium Attachment Unit): dispositivo eletrônico quetransmite, recebe e detecta a presença de sinais no meio e deveestar fisicamente muito próximo a este.

• MDI (Medium Dependent Interface): conector que fazconexão entre o MAU e o meio físico em si.



• A norma IEEE 802.3 define várias opções de meio físico e taxade 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 bandaBASE (baseband) e comprimento máximo do cabo de 500metros.


IEEE 802.3 - Camada Física 10BASE5 (thicknet)

Placa de rede

Conector AUI

Cabo AUI

Conector depressão MDI

Cabo coaxialgrosso 50

Ohms

MAU(Vampire tap)


IEEE 802.3 - Camada Física 10BASE2 (thinnet)

Placa de rede

Conector BNCfêmea

ConectorBNC macho

Conector TBNC

Cabo coaxialfino 50 Ohms

Terminador BNCmacho 50 Ohms



• 10BROAD36: opera com taxa de transmissão de 10Mbps,técnica de sinalização em Banda Larga e um cabo de 3600metros.

• 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 paraconectar uma estação a um Hub;

10BASE-FB: define MAU para interligar repetidoresentre si, usada em redes backbone;

10BASE-FP: define MAU para operar como estrelapassiva.


IEEE802.3 – Camada Física 10BASE-T

Placa de rede

Plug RJ-45

Par Trançado

HUB

Lançada em 1987


IEEE802.3 – Camada Física 10BASE-FL

Placa de rede

Conector AUI

Cabo AUI

MAU10BASE-FL

HUB10BASE-FL

R T

R T

Fibra óticaMax.

2000m


IEEE802.3 – Camada Física 10BASE-FP

Placa de rede

Conector AUI

Cabo AUI

MAU10BASE-FP

EstrelaPassiva

10BASE-FP

R T

R T

Fibra óticaMax.500m


IEEE802.3 – Camada Física 10BASE-FB

REPEATER10BASE-FB

R TREPEATER10BASE-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 categoria5 (usa isolante de teflon), um para o HUB e outrode retorno, até 100m até o HUB, modo full-duplex;

– 100BASE-FX: lançada em 1995, usa 2 fibras óticasmultimodo, uma em cada direção, distância de até 2Km até HUB.


IEEE802.3 – Switched Ethernet

• Melhora de performance da ethernet pode ser obtida com fastethernet, porém requer novas placas de rede

• Outra solução: manter placas 10BASE-T e ligar a um switcher(lançado em 1997)

LC switcher

Placas10BASE-T

(hoje100BASE-TX)


IEEE802.3 – Switched Ethernet

• Ainda pode haver colisão no SW se mensagens temmesmo destino

• Solução adotada hoje: alocar buffers para enfileirarmensagens que tem mesmo destino

• Cálculo de tempo ainda problemático se porta de saídasobrecarregada (overflow)

• Novos SW enviam pacote PAUSE para emissores sebuffer de saída lotado

• Ok para pacotes unicast (só um destinatário)• Ainda há problemas de não determinismo em pacotes de

multicast e broadcast!


Gigabit Ethernet

• IEEE802.3z 1000BASE-F: lançada em 1998, opera a1 Gbps, em banda base sobre fibra ótica comconcentrador.

• IEEE802.3ab 1000BASE-T: idem para par trançado.• IEEE 802.3ae: em andamento, define uma rede de 10

Gbps.


A norma IEEE 802.4 (Token Bus)

- Define topologia tipo barramento, com direito de transmissãotransmitido por meio de ficha/bastão.

- Inicialização: passagem da ficha se dá segundo ordemdescendente do valor do endereço físico das estações.

- Estação proprietária da ficha possui o direito exclusivo detransmissão sobre o barramento.

- Este direito pode ser exercido durante um certo período detempo ("token retention time"), após o qual ela deve ceder aficha 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 prioridadee o nível 6 a mais alta prioridade).


IEEE 802.4 – Inserção de Nós

- Periodicamente, a estação com token consulta estações inativas paraverificar se querem fazer parte do anel lógico (quadro“Solicit_Sucessor").

- Quadro indica endereço da estação emissora e o da estação seguinteno anel lógico. Apenas as estações cujos endereços estiverem entreos dois endereços podem candidatar-se à participação no anellógico.

- Se houver mais de um candidato, haverá colisão, resolvida por umalgoritmo de arbitragem executado pelo detentor do token (quadro“Resolve_Contention”).

- Se nenhuma estação apresenta interesse, a estação proprietária daficha retoma a evolução normal do anel.

- Se só uma estação apresenta-se como candidata, ela passa a comporo anel lógico e torna-se a próxima destinatária da ficha.


IEEE 802.4 – Remoção de Nós

- Se uma estação B situada entre duas estações A e C querabandonar o anel lógico, ela envia à estação A um quadroindicando que a sucessora de A será a estação C (quadro“Set_Sucessor”).

A B C


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 QUADRODELIMITADOR DE INÍCIO

bytes 11

PREÂMBULO

1

DELIMITADOR DE FIM


IEEE 802.4 – Opções de Camada Física

• Rede com canal único e modulação FSK (Frequency ShiftKeying) fase contínua, com topologia em barra bidirecional, taxade transmissão de 1Mbps;

• Rede com canal único e modulação FSK fase coerente, topologiaem barra bidirecional, taxas de transmissão de 5Mbps ou10Mbps;

• Rede em banda larga, topologia em barra bidirecional comheadend (central repetidora com conversor de freqüências docanal de recepção para o canal de envio), taxas de transmissão de1Mbps, 5Mbps ou 10Mbps;

• Rede utilizando fibra ótica, topologia lógica em barra (masfisicamente em estrela, com um Hub como elemento central),requer um par de fibras para cada estação (uma para receber eoutra para transmitir), taxas de transmissão de 5Mbps, 10Mbpsou 20Mbps.


A norma IEEE 802.5 (Token Ring)

• Rede em anel: conjunto de ligações ponto-a-ponto, em modounidirecional.

• Cada nó do anel é equipado de um acoplador.

• Cada bit é copiado numa memória de espera do acopladorantes de ser retransmitido ao nó seguinte.

• Token fica circulando quando não existe transmissão dequadro.

• Quando uma estação quer emitir um quadro, ela deve adquiriro token e substituí-lo pelo quadro a enviar.

• Como apenas uma ficha está circulando no anel, a emissão deum quadro é ação exclusiva de uma única estação.


IEEE 802.5

estação

anelunidirecionalinterface

para anel


IEEE 802.5


IEEE 802.5• Token-ring com wire center (hub) – parece topologia

em estrela (mas não é)!


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 foicopiado;

- A = 1 e C = 0: o destinatário está ativo mas o quadro não foicopiado;

- 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



• 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.


IEEE 802.11 - Introdução

• Redes sem fio podem usar:– Rádio

– Laser

– Infravermelho

• Boa alternativa para aplicações onde édifícil instalar cabos.


Introdução

• Emprego:

– computadores portáteis em um ambientede rede local móvel;

– onde rompimento de um cabo podeparalisar todo o sistema;

– chão de fábrica: AGVs (Automatic GuidedVehicles), Robôs Autônomos Móveis eSensores Inteligentes.


Introdução

• Em 1986 o FCC (Federal CommunicationsCommission) autorizou utilização datecnologia de transmissão em rádio freqüência"Spread Spectrum"

• Até então esta tecnologia era de uso exclusivoMilitar.

• Foi desenvolvida para utilização em casos deGuerra por sua alta imunidade a interferênciase por ser difícil de interceptar transmissão.


Arquitetura Wireless e o RM-OSI


Conceitos básicos• Redes sem fio dividem a área coberta pela rede em

células.• Células são denominadas BSA (Basic Service Area).• O tamanho da BSA (célula) depende das características

do ambiente e da potência dos transmissores/receptoresusados nas estações.

• O sinal emitido por uma estação com uma potência de100mW cobre uma área de 500 m2.

• Áreas maiores podem ser cobertas decompondo a redeem várias células.


Conceitos básicos

• Em uma célula podemos identificar doistipos de dispositivos:– Estação remota ou Cliente: é a unidade

móvel, onde o usuário se instala– Ponto de acesso (AP): possui a função de

gerenciar o transporte de informação “das epara as” estações remotas.


Conceitos básicos• BSS (Basic Service Set) – representa um grupo de estações

comunicando-se por radiodifusão ou infravermelho em uma BSA.• Ponto de acesso (Access Point – AP) – são estações especiais

responsáveis pela captura das transmissões realizadas pelasestações de sua BSA, destinadas a estações localizadas em outrasBSAs, retransmitindo-as, usando um sistema de distribuição.

• Sistema de distribuição – representa uma infra-estrutura decomunicação que interliga múltiplas BSAs para permitir aconstrução de redes cobrindo áreas maiores que uma célula.

• ESA (Extend Service Area) – representa a interligação de váriosBSAs pelo sistema de distribuição através dos APs.

• ESS (Extend Service Set) – representa um conjunto de estaçõesformado pela união de vários BSSs conectados por um sistema dedistribuição.


Conceitos básicos


Conceitos básicos

• Potência do sinal de rádio decai com o quadrado dadistância do emissor.

• Pode-se reutilizar a mesma freqüência de transmissãopara estações em BSAs diferentes, desde que estejamsuficientemente distantes.

• Para construir redes cobrindo áreas maiores, BSAs sãointerligadas por um sistema de distribuição, que consistede uma rede usando meio físico convencional.


Conceitos básicos

Rede fixa

Wireless Clients

AP

Host ou Servidorde Aplicações


Modos de operação

• Ad Hoc mode: rede sem infra-estruturaonde estações se comunicam numa mesmacélula, sem necessidade dos APs.

• Infrastructure mode: quando existe umAP coordenando a comunicação entre asestações de uma célula.


Modos de operação


Serviços do Sistema de Distribuição (DSS)

• Associação: Antes da estação poder transmitir oureceber quadros, sua identidade e endereço devem serconhecidos. Para tal, a estação deve estabelecer umaassociação com o AP de uma BSS em particular.

• Reassociação: habilita uma associação estabelecidapara ser transferida de um AP para outro, permitindoque a estação móvel possa se mover de uma BSS paraoutra (handoff ou roaming);

• Dissociação: notificação oriunda do AP ou da estaçãode que a associação existente está terminada. Estanotificação deve ser feita antes da estação deixar o ESSou ser desligada;


Serviços do Sistema de Distribuição (DSS)

• Distribuição: serviço primário usado pelas estaçõespara trocar quadros MAC quando estes devematravessar o sistema de distribuição, passando de umaestação em um BSS para uma estação em outro BSS.Neste caso, o quadro obrigatoriamente deve passarpelo AP da primeira BSS, depois pelo sistema dedistribuição, chegar ao AP da BSS destino efinalmente repassa à estação receptora;

• Integração: responsável pela transferência de dadosentre uma estação na rede IEEE 802.11 e outra estaçãode uma rede 802.x integrada (rede cabeada fisicamenteanexada ao sistema de distribuição e cujas estações sãologicamente conectadas a rede 802.11 via serviço deintegração).


Serviços de Estação (SS)• Autenticação: serviço com o qual as estações

estabelecem sua identidade com as estações que desejamse comunicar.

• Desautenticação: serviço que finaliza uma autenticação;• Privacidade: serviço que previne a leitura de conteúdos

das mensagens por entidades que não sejam asreceptoras intencionadas. O padrão prove o uso opcionalde criptografia para assegurar a privacidade;

• Entrega MSDU: A entrega de MSDU assegura-se deque a informação na unidade de dados do serviço doMAC seja entregue entre os APs do serviço de controlede acesso ao meio.


AP (Ponto de acesso)• Desempenha as seguintes funções:

– Autenticação, associação e reassociação: permiteque uma estação móvel, mesmo saindo de sua célulade origem, continue conectada à infra-estrutura enão perca a comunicação (handoff).

– gerenciamento de potência: permite que as estaçõesoperem economizando energia, através de um modochamado power save.

– Sincronização: garante que as estações associadas aum AP estejam sincronizadas por um relógiocomum.


Camada 1: Bandas de Rádio

• Bandas de freqüência ISM (Industrial, Scientific andMedical) e UNII (Unlicensed National InformationInfrastructure)

• Podem ser utilizadas sem que seja necessária umalicença.

– ISM1: banda 902 até 928 MHz.– ISM2: 2.4 até 2.48 GHz.– ISM3: 5.75 até 5.85 GHz.– UNII usa 5.2 GHz


Camada 1: Modulação

• Transmissão por radio de microondas usatecnologia de Espalhamento Espectral (SpreadSpectrum)

• Duas formas de modulação:– FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum):

Espalhamento espectral com saltos de Freqüência,banda dividida em 79 canais.

– DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum):Espalhamento espectral em Seqüência Direta,banda dividida em 11 canais.


• interliga equipamentos sem-fio e a rede local cabeada.• Ligação à Ethernet por UTP

Características da Comunicação por RF

•Freqüência de operação: 2.4 a 2.48 GHz• FH em 79 canais ou DS em 11 canais (3 semsobreposição).• Potência de Transmissão: 500mW (FH) ou 100 mW (DS)• Antena: Externa, permite uso de duas antenas para melhorrecepção (diversidade).• Alcance: Maior que 300m em ambientes abertos; 55 a 95mem ambientes típicos de escritório, industriais , depósito ouvarejo. Links repetidores a km de distância, com o uso deantenas adequadas.

Ponto de Acesso Ethernet


Roaming/Handoff

• Para suportar mobilidades das estações mesmo fora dasua BSA de origem, sistema permite operação dehandoff, semelhante ao "roaming" dos celulares.

• Caso uma estação saia do alcance de seu AP mas entreno alcance de outro AP, ela automaticamente conecta-se a ele, podendo repetir operação até retornar ao seuponto de origem.


Roaming/Handoff

• A função do handoff funciona da seguinte forma:– Uma estação móvel, ao entrar em uma nova célula, e não

estando em conversação, registra-se automaticamente peloAP que controla a célula destino.

– Na célula visitada, o AP irá verificar se a estação móvelvisitante não havia se registrado anteriormente.

– Caso esse procedimento não tenha sido efetuado, o referidoAP irá informar ao AP da célula origem sobre a nova posição.

– Com isso, o AP da célula origem fica sabendo da novaposição da estação móvel, e envia a informação a eladestinada, como se a referida estação estivesse em sua própriacélula.


Gerenciamento de energia• Dispositivos móveis tem restrições de tempo da bateria• Estação cliente móvel usa “sleep mode”.• Mensagens para a estação em sleep mode são

armazenadas no AP.• AP executa procedimento TIM (Traffic Information

Message):– AP informa as estações se existe alguma mensagem.– Estações tem que “acordar” por uma fração de tempo para

escutar o TIM.– Uma vez que não haja mensagem direcionada à elas, estas

voltam ao sleep mode.– Havendo mensagem ocorre o recebimento da mesma por

parte da estação cliente direcionada.


Desvanecimento de Rayleight

• Problema típico das redes de rádio• Parte das ondas de rádio são refletidas quando

encontram objetos sólidos.• Em decorrência desta reflexão, várias cópias de

uma mensagem de rádio podem estar empropagação no meio e chegar a estaçãoreceptora em instantes de tempo diferentes.





• Quando as várias cópias do sinal chegam ao receptorapós percorrerem distancias diferentes, elas se somamaleatoriamente, podendo resultar em um sinal muitoenfraquecido ou mesmo nulo.

• Se a diferença no comprimento dos caminhos for ummúltiplo do comprimento de onda da portadora dosinal, os vários componentes podem cancelar-semutuamente.


Camada 2: MAC Wireless

• Como várias estações compartilham o meio (rede de difusão) énecessário 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)


Hidden Station problem

• 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 oquadro enviado por C a nível de B.

• O fato de uma estação não poder detectar que o meio não estálivre porque o concorrente está fora de alcance é chamado de"problema da estação escondida" (hidden station problem).

A B C D

Raio de alcance


Exposed Station problem

• Se B estiver transmitindo um quadro para A, C irádetectar a transmissão e concluir que não podetransmitir um quadro para D neste momento.

• Mas, como os receptores de A e D não estão na áreade interferência uma da outra, nada impede que Cenvie dados para D enquanto B envia para A !

• Esta situação é conhecida como o "problema daestação exposta" (exposed station problem).

• O que interessa ao emissor é saber se há ou nãoatividade na área do receptor.

A B C D


MAC Wireless

• O DFWMAC (Distributed Foundation Wireless MAC) suporta doismétodos de acesso: um método distribuído obrigatório, e ummétodo de acesso centralizado, opcional. Os dois métodos deacesso podem coexistir.

• No IEEE 802.11, uma função de coordenação é um mecanismo quedetermina quando uma estação específica tem permissão paratransmitir.

• Se a função de coordenação for distribuída (DistributedCoordination Function – DCF), a decisão de quando transmitir étomada individualmente pelos nós, o que pode resultar emtransmissões simultâneas.

• Quando a função de coordenação é pontual (Point CoordinationFunction – PCF), a decisão é centralizada em um ponto, quedetermina qual estação deve transmitir em que momento, evitandoa ocorrência de colisões.


MAC Wireless• DCF usa protocolo CSMA/CA (Carrier Sense 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 escuta o meio e se estiver livre, envia para C quadro RTS (RequestTo Send), contendo o tamanho do quadro de dados que deseja enviar.

– (b) C responde com quadro CTS (Clear To Send), contendo a mesmainformação 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


MAC Wireless

RTS

CTS

tempo

dados

ack

emissor receptor

difs

sifs

Difs = distributedinter frame space

Sifs = short interframe space

sifs

sifs


MAC Wireless

• Estação que captar RTS estará próxima a B e deve se manter emsilêncio por tempo suficiente para que B receba o CTS e emita osdados.

• Estação que captar CTS estará próxima a C e deve também semanter em silêncio por tempo suficiente para que C receba oquadro de dados que B vai enviar a seguir, cujo tamanho pode seravaliado 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 pode

enviar seus quadros a qualquer estação em seu raio dealcance, menos para B (idealmente escolhe outro canal);

– D escuta o CTS de C mas não o RTS de B, o que indica queestá próxima a uma estação que vai receber um quadro dedados logo a seguir e portanto deve se manter em silêncio atéque este seja recebido.


MAC Wireless

• Apesar destas precauções, colisões ainda podemocorrer:

– A e C podem enviar quadros RTS para B aomesmo 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, tentanovamente mais tarde.

• O tempo de espera é definido pelo algoritmo BEB(Binary Exponential Backoff) usado na Ethernet.


Frame IEEE 802.11

• Duração/ID: tempo restante para receber a próximatransmissão. Para CTS/RTS esse campo contém operíodo de tempo que o meio vai ficar ocupado.

• Controle de Seqüência: usado para controle defragmentos.

• Corpo: dados a transmitir.• FCS: controle de erros por CRC 32 bits.


O campo Frame Control

• Versão do protocolo: Indica a versão corrente do protocolo 802.11 utilizado.• Tipo e subtipo: determina a função do quadro (controle, dados e gerenciamento)• Para o sistema de distribuição e Do sistema de distribuição: Indicam se o quadro

está indo para o DS ou se é oriundo do DS.• Mais fragmentos: indica se mais fragmentos do quadro (dado ou gerenciamento) estão

vindo.• Retransmissão: indica se a informação está ou não sendo retransmitida.• Gerenciamento de Energia: indica se a estação que transmitiu a informação está em

modo ativo ou em modo economia de energia.• Mais dados: indica para uma estação operando em modo economia de energia que o

AP tem mais quadros para enviar.• WEP: indica se está sendo usado no quadro o processo de criptografia e autenticação.• Ordem: indica se todos os quadros de dados recebidos devem ser processados em

ordem.


Frame IEEE 802.11

• Significado dos 4 campos de endereço:– SA (Source Address): endereço MAC da fonte da msg– DA (Destination Address): endereço MAC do destinatário final– RA (Recipient Address): endereço MAC do próximo AP ou estação– TA (Transmitter Address): endereço da estação ou AP que enviou o

quadro para a rede– BSSID: endereço MAC do AP (Infrastructure mode)


Equipamentos mais usados

Servidores

EthernetAP repetidorsem fio


AntenasÉ utilizada uma gama variada de antenas garantindocobertura ótima de rádio sob as mais diversascondições:• Omnidirecionais espalham igualmente o sinal em todas asdireções• Direcionais concentram o sinal em uma determinadadireção.

Antena Omni Simples 5.5 dBiAntena de uso geral, oferece ótima coberturaomnidirecional.

Antena F Plane 3 e 4,5 dBi (também conhecida comoSandra D)Antena ominidirecional de pequeno tamanho, paraaplicações em que a antena deve ficar discreta.


AntenasAntenas Omni de Alto Ganho - 8, 9 e 12 dBiAntena de uso geral, oferece ampla cobertura omnidirecionalUtilizada em áreas abertas e ambientes agressivos.


AntenasAntena Patch (7 dBi)Antena direcional, de facho largo.Normalmente montada em paredes.

Antena Yagi (13,8 dBi)Antena fortemente direcional, delóbulo estreito.

Antena compacta (1 dBi)Antena ominidirecional de uso geral, empregada em terminaisveiculares e em montagens em ambiente de escritório, alem deplacas ISA, PCI e PCMCIA.


• Plug and Play• Adaptador de rede sem fio• Permite a mobilidade dasworkstations, sem fio e de formaininterrupta.• Uso em locais cujo layout é alteradocom freqüência ou em redes de PCsonde o cabeamento não é possível.• Drivers padrão ODI ou NDIS

Cartão ISA ou PCI Plug and PlayAdaptador de rede sem fio


PC CardAdaptador de rede sem fio

• Padrão PCMCIA• Adaptador de rede sem fio• Alta performance e baixo consumo• Para conexão na rede Spectrum24 determinais portáteis.• Opções de antena embutida ou externa• Drivers padrão ODI ou NDIS


Placa ISA e Cartão PCMCIA MicroAP

• Solução para pequenas redessem fio• Gerencia uma célula com até16 dispositivos móveis.• Instalado diretamente em umPC desktop ou notebook• Permite a criação de sistemascompactos e móveis, além de“workgroups”.


Adaptador Serial, USB e Ethernet

• Converte sinal de interfacesseriais, USB ou Ethernet pararede sem fio.

• Permitem conectar dispositivoscomo impressoras, balanças,leitores fixos, câmeras,microcomputadores e outros deforma absolutamentetransparente.


Wireless com IR


Wireless com Laser


Interferência em redes wireless

• fornos de microondas dividem a faixa deespectro de 2.4GHz;

• Essa banda também é dividida com ostelefones sem fio;

• A proliferação dessas redes emresidências e edifícios de escritóriosaumenta os problemas de interferência.


Segurança em redes wireless• Autorização de acesso:

– Para impedir acesso não autorizado, um valor deidentificação chamado de ESS-ID, é programadoem cada AP para identificar a sub-rede decomunicação de dados.

– Se uma estação não puder identificar esse valor,não poderá se comunicar com o AP respectivo.

– Alternativa: duplicar a tabela de controle deendereços MAC sobre o AP, permitindo queapenas estações com o endereço MACreconhecido possam acessar a WLAN.


Segurança em redes wireless - WEP

• Confidencialidade:– Dados irão trafegar pelo ar e poderão ser interceptados por

pessoas com equipamentos apropriados => Criptografianecessária!

– A norma IEEE incluiu um mecanismo de criptografia noMAC.

– Este mecanismo é chamado WEP (Wired EquivalentPrivacy) e é baseado no algoritmo de criptografia RC4.

– A possibilidade de interceptação na comunicação é pequena,uma vez que a tecnologia FHSS realiza a comunicação entreos transceptores em freqüências aleatórias (mais de 70canais de modulação), possuindo cada transceptor umaidentidade própria para sincronia com todo o sistema.


Variantes de Wireless Networks

• IEEE 802.11 – WLAN (Wireless Local AreaNetwork)

– Opera na faixa de 2.4GHz ISM (Industrial, Scientific andMedical) ou IR

– taxas de 1 ou 2 Mbps– FHSS– Largura de banda de 83.5MHz– Aprovada em Julho de 1997– Também chamado padrão “Legacy”– Poucos produtos no mercado



• IEEE 802.11a (Wi-Fi5, Wireless Fidelity)– atua na banda de 5GHz UNII (Unlicensed National

Information Infrastructure), menos comum do que ISM ecom problemas de regulamentação em alguns países

– Menos interferência, mas mais desvanecimento deRayleight!

– usa OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing),sistema de modulação com múltiplas portadoras

– 12 canais independentes– largura de banda de 300MHz– Não compatível com legacy nem 802.11b– taxas de 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 e 54Mbps– Aprovada em Setembro de 1999– Primeiros produtos surgiram em 2001



• IEEE 802.11b (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.– Alcance de 30m a 11 Mbps, 90m a 1Mbps– Com antenas fixas direcionais de alto ganho, alcance pode

chegar a 8Km.



• IEEE 802.11g– Lançado em junho de 2003– Opera na banda de 2.4GHz ISM– taxas de 1, 2, 5.5, 6, 9, 11, 12, 22, 24, 33, 36 e 54Mbps– Usa CCK (como b) para taxas de 5.5 e 11 Mbps e OFDM

(como a) para demais taxas– Compatibilidade com o sistema Wi-Fi (802.11b) para taxas

11Mbps– Ampla aceitação no mercado



• IEEE 802.11n– Em fase final de homologação.– Tem sua largura de banda de até 540 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 detransmissão (até 500 Mbps), maior eficiência na propagaçãodo sinal e ampla compatibilidade reversa com demaisprotocolos.

– O 802.11n atende tanto as necessidades de transmissão semfio para o padrão HDTV, como de um ambiente altamentecompartilhado, empresarial ou não.


Padrões IEEE 802.11• IEEE 802.11 - Padrão original: 1 Mbit/s e 2 Mbit/s, 2.4 GHz RF e IR

(1999)• IEEE 802.11a - 54 Mbit/s, 5 GHz (1999, produtos lançados em 2001)• IEEE 802.11b - Melhoramentos para 802.11 atingir taxas de 5.5 e 11 Mbit/s

(1999)• IEEE 802.11c - Procedimentos de operação em pontes; incluído no padrão

IEEE 802.1D (2001)• IEEE 802.11d - Extensões de Roaming Internacional (2001)• IEEE 802.11e - Melhoramentos: QoS, incluindo packet bursting (2005)• IEEE 802.11F - Protocolo Inter-Access Point (2003) Retirado Fev 2006• IEEE 802.11g - 54 Mbit/s, 2.4 GHz (compatível com b) (2003)• IEEE 802.11h - 802.11a com gerenciamento de espectro (5 GHz)

regulamentação Européia (2004)• IEEE 802.11i - Segurança melhorada (2004)• IEEE 802.11j - Extensões para o Japão (2004)• IEEE 802.11k - Melhoramentos de medição de recursos de rádio


Padrões IEEE 802.11• IEEE 802.11l - (reservado)• IEEE 802.11m - Manutenção do padrão.• IEEE 802.11n – Melhorias de taxas de transmissão de dados• IEEE 802.11o - (reservado)• IEEE 802.11p - WAVE - Wireless Access for the Vehicular Environment

(para automóveis e ambulâncias)• IEEE 802.11q - (reservado, não será usado pela fácil confusão com 802.1Q

VLAN trunking)• IEEE 802.11r - Roaming rápido• IEEE 802.11s - ESS Mesh Networking• IEEE 802.11T - Wireless Performance Prediction (WPP) – métodos e

métricas de teste• IEEE 802.11u - Intertrabalho com redes não 802 (por exemplo, celular)• IEEE 802.11v – Gerenciamento de rede sem fio• IEEE 802.11w – Gerenciamento protegido de frames• IEEE 802.11x - (reservado)• IEEE 802.11y - 3650-3700 Operação nos EUA


Outros padrões Wireless

• IEEE 802.15 – WPAN (Wireless Personal AreaNetwork)

– Opera na banda de 2.4GHz ISM.– Para taxas 20Mbps, permitindo baixa potência, e soluções de

baixo custo visando aplicações de multimídia e imagens digitaisem estações portáteis.

– Aprovada em Março de 2002.– Exemplos: Bluetooth e Zigbee.– A especificação Bluetooth é uma solução de baixo-custo que pode

fornecer links entre celulares, computadores e outros dispositivosportáteis, e conectividade à internet.


Wireless - Conclusões

• Redes sem fio cada vez mais usadas em automação• Muito úteis em dispositivos móveis (AGVs, Robôs,

etc.) ou estações fixas em locais de difícil colocação decabos

• Ainda existem problemas de:– alcance– segurança– interferência


Projeto MAP- Manufacturing Automation Protocol: iniciativa da GM (1980),

com a finalidade de definir rede voltada para automação damanufatura (baseada no RM-OSI).

- MAP bem adaptada para comunicação entre equipamentos dechão de fábrica, tais como: Robôs, CNC, CLP, terminais decoleta de dados, Computadores, etc.

- Para aplicações com tempos críticos foi definida a versãoMAP/EPA (Enhanced Performance Architecture), que apresentaduas pilhas de camadas: arquitetura MAP completa (7 camadas)e uma arquitetura simplificada (camadas 1, 2 e 7).

- Versão mais simplificada: MINI-MAP implementa somente ascamadas 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 paraos níveis hierárquicos mais baixos dentro da hierarquia fabril.

- Interconecta dispositivos primários de automação (Sensores,atuadores, chaves, etc.) e os dispositivos de controle de nívelimediatamente superior (CLP, CNC, RC, PC, etc.).

- Ainda existe ampla discussão em torno do padrão mundial parao 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 daGeneral Motors.

• Na época, apenas 15% dos equipamentos programáveis desuas 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 sofreruma expansão de 400 a 500% num prazo de 5 anos.

Manufacturing Automation Protocol


MAP: introdução

• Opções da GM:

- continuar utilizando máquinas programáveis de váriosfabricantes e solucionar o problema da maneira como vinhasendo feito;

- basear produção em equipamentos de um único fabricante;

- desenvolver uma proposta padronizada de rede quepermitisse 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 (barramentocom ficha) e IEEE 802.2 (LLC).

• Camada Física:

– Escolhido broadband com cabo coaxial.

– Escolha de broadband baseada nas razões seguintes:

possibilidade de uso de vários canais de comunicaçãosobre um mesmo suporte;

permitir a troca de sinais como voz e imagem paraaplicações como supervisão, circuito fechado de TV,teleconferência, etc.;

a GM já possuía muitas instalações operando embroadband.


A arquitetura MAP• Camada de Enlace

– MAC: escolhido Token-Bus, pois: era o único protocolo suportado em broadband; muitos equipamentos programáveis já usavam IEEE 802.4; possibilidade de atribuir prioridades às mensagens.

– LLC: optou-se por LLC tipo 1 (sem conexão e semreconhecimento).

• Camada de Rede:

– Sem conexão, cada mensagem roteada individualmente.

– Protocolo de roteamento definido pelo MAP (ISO 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 blocagemde mensagens.

• Camada de Sessão: norma ISO 8326/27, modo full-duplex e resincronização.

• Camada de Apresentação: representação de dadosbaseada na ASN.1.


A arquitetura MAP

• Camada de Aplicação:

- MMS: troca de mensagens entre equipa-mentosde produção;

- FTAM: acesso e a transferência de arquivos;

- ROS: gestão de nomes (diretório);

- Funções de gerenciamento de rede: gestão dosrecursos, medição de desempenho, modificaçãodos parâmetros da rede.


Problemas com MAP

• MAP original tinha alguns problemas:– Caro: placas broadband requerem Modem– Lento: protótipos da década de 80 tinham tempos de

resposta da ordem de 500 ms– Requer muita memória: necessário armazenar

software das camadas 3 até 7 em algum lugar» Não critico em um PC: HD» Problema para dispositivo como CLP, CNC,

RC, etc.: EPROM


A arquitetura MAP-EPA

• Proposta MAP original adequada aos níveis hierárquicossuperiores. A arquitetura a 7 camadas oferece um overheadindesejável nos níveis mais baixos da hierarquia.

• Solução: Definição de uma versão simplificada denominadaMAP-EPA (Enhanced Performance Architecture).

• Definição de duas pilhas de protocolos: pilha normal Full-MAP epilha MAP-EPA, desprovida das camadas de Rede, Transporte,Sessão e Apresentação.

• Protocolo IEEE 802.4 (Token-Bus) ainda adotado, porém sobreum suporte de transmissão em baseband a 5 Mbit/s.

• Um processo de aplicação tem a opção de enviar seus dadosatravés da pilha normal ou, em casos onde o requisito seja umtempo 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 3MAC 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 3MAC 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 Tipo1MAC 802.3 CSMA/CD

LLC 802.2 Tipo 1MAC 802.4 Token Bus

LLC 802.2 Tipos 1 e 3MAC 802.4

ISO 8072 e 8073 Classe 4

ISO 8326 e 8327

ISO 8348 s/ conexão

ISO 8822 - ASN.1

ACSE, FTAMVTP MMS, FTAM, ROS

TOP MAP MAP-EPA MiniMAP


Os Serviços de Mensagem da Manufatura (MMS)

• MMS: conjunto de serviços de comunicaçãoorientados 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 altonível, construídas a partir das funções básicas doMMS.

• 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 ummodelo Cliente-Servidor.

• Objeto básico: Dispositivo Virtual de Manufatura(VMD, Virtual Manufacturing Device) representa umequipamento real de produção.

• Todo processo de aplicação modelizado no MMSpossui, 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 secomunicar com um equipamento de produção.

• Objetos Semáforos: permitem gerenciar a sincronização deprocessos e o acesso concorrente a recursos.

• Objetos Condição de Evento, Ação de Evento e Inscrição deEvento: 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

ObjetosMMS

EstaçãoOperador 1

EstaçãoOperador 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 seremcarregados num domínio de forma dinâmica: as seqüênciasDownLoad e UpLoad são atividades que permitem gerenciaras 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 deeventos e à afetação de variáveis.


C l a s s e P r i m i t i v a s d e S e r v i ç o C o m e n t á r i o sG e s t ã o d eC o n t e x t o

I n i t i a t eC o n c l u d eA b o r t *C a n c e lR e j e c t *

i n i c i a ç ã o , l i b e r a ç ã o ,a b a n d o n o e r e j e i ç ã o d ec o n e x ã o c o m o u t r o u s u á r i oM M S

G e s t ã o d eV M D

S t a t u sU n s o l i c i t e d S t a t u s *G e t N a m e L i s tI d e n t i f yR e n a m e

o f e r e c e s e r v i ç o s d e V M D ,p a r t i c u l a r m e n t e i n f o r m a ç õ e ss o b r e o s o b j e t o s

G e s t ã o d eD o m í n i o

I n i t i a t e D o w n L o a d S e q u e n c eD o w n L o a d S e g m e n tT e r m i n a t e D o w n L o a d S e q u e n c eI n i t i a t e U p L o a d S e q u e n c eU p L o a d S e g m e n tT e r m i n a t e U p L o a d S e q u e n c eR e q u e s t D o m a i n D o w n L o a dR e q u e s t D o m a i n U p L o a dL o a d D o m a i n C o n t e n tS t o r e D o m a i n C o n t e n tD e l e t e D o m a i nG e t D o m a i n A t t r i b u t eD o m a i n F i l e

p e r m i t e m t r a n s f e r i ri n f o r m a ç õ e s , t a i s c o m oc ó d i g o s e d a d o s d e p r o g r a m a ,p a r a s e r e m c a r r e g a d o s n u md o m í n i o d e f o r m a d i n â m i c a :a s s e q ü ê n c i a s D o w n L o a d eU p L o a d s ã o a t i v i d a d e s q u ep e r m i t e m g e r e n c i a r a st r a n s f e r ê n c i a s e n t r e C l i e n t e eS e r v i d o r

G e s t ã o d eP r o g r a m a s

C r e a t e P r o g r a m I n v o c a t i o nD e l e t e P r o g r a m I n v o c a t i o nS t a r tS t o pR e s u m eR e s e tK i l lG e t P r o g r a m I n v o c a t i o n A t t r i b u t e s

p e r m i t e m q u e u m u s u á r i oC l i e n t e M M S g e r e n c i e ae x e c u ç ã o r e m o t a d ep r o g r a m a s n u m u s u á r i oS e r v i d o r

A c e s s o aV a r i á v e i s

R e a dW r i t eI n f o r m a t i o n R e p o r tG e t V a r i a b l e A c c e s s A t t r i b u t e sD e l e t e N a m e d V a r i a b l eD e f i n e S c a t t e r e d A c c e s s A t t r i b u t e sD e l e t e V a r i a b l e A c c e s sD e f i n e N a m e d V a r i a b l e L i s tG e t N a m e d V a r i a b l e L i s t A t t r i b u t e sD e l e t e N a m e d V a r i a b l e L i s tD e f i n e N a m e d T y p eG e t N a m e d T y p e A t t r i b u t e sD e l e t e N a m e d T y p e

p e r m i t e m a d e f i n i ç ã o e oa c e s s o à s v a r i á v e i s d e u mV M D e e s t a b e l e c e r a r e l a ç ã oe n t r e a s v a r i á v e i s d e u mV M D ( o b j e t o s ) e a s v a r i á v e i sr e a l d e u m e q u i p a m e n t o d ep r o d u ç ã o


C la s s e P r i m i t i v a s d e S e r v i ç o C o m e n t á r i o sG e s t ã o d eS e m á fo r o s

T a k e C o n t r o lR e l in q u i s h C o n t r o lD e f in e S e m a p h o r eD e le t e S e m a p h o r eR e p o r t S e m a p h o r e S t a t u sR e p o r t P o o lS e m a p h o r e S t a t u sR e p o r t S e m a p h o r e E n t r y S t a t u s

s ã o e n c a r r e g a d o s d as in c r o n iz a ç ã o e d o c o n t r o led o a c e s s o a o s r e c u r s o s d e u mV M D p e lo s p r o c e s s o s d ea p l i c a ç ã o

E s t a ç ã oO p e r a d o r

I n p u tO u t p u t

c o n t r o la m a e n t r a d a e s a íd ad e in fo r m a ç õ e s v ia e s t a ç õ e sd e o p e r a d o r

G e s t ã o d eE v e n t o s

D e f in e E v e n t C o n d it io nD e le t e E v e n t C o n d it io nG e t E v e n t C o n d it io n A t t r ib u t eR e p o r t E v e n t C o n d it io n S t a t u sA lt e r E v e n t C o n d it io n M o n it o r in gT r ig g e r E v e n tD e f in e E v e n t A c t io nD e le t e E v e n t A c t io nG e t E v e n t A c t io n A t t r ib u t e sR e p o r t E v e n t A c t io n S t a t u sD e f in e E v e n t E n r o l lm e n tD e le t e E v e n t E n r o l l m e n tG e t E v e n t E n r o l l m e n tR e p o r t E v e n t E n r o l l m e n tA lt e r E v e n t E n r o l l m e n tE v e n t N o t i f i c a t io n *A c k n o w le d g e E v e n t N o t i f i c a t io nG e t A la r m S u m m a r yG e t A la r m E n r o l l m e n t S u m m a r yA t t a c h T o E v e n t M o d i f i e r

p e r m it e m a d e f in iç ã o e ot r a t a m e n t o d e e v e n t o s v ias e r v iç o s M M S . Ap o s s ib i l id a d e d e a s s o c ia r ae x e c u ç ã o d e u m s e r v iç oM M S à o c o r r ê n c ia d e u me v e n t o é u m a s p e c t oin t e r e s s a n t e , im p le m e n t a d op e lo M o d i f i c a d o rA t t a c h T o E v e n t

G e s t ã o d eJ o r n a l

R e a d J o u r n a lW r it e J o u r n a lI n it i a l i z e J o u r n a lR e p o r t J o u r n a lS t a t u s

p e r m it e m o s a lv a m e n t o d ein fo r m a ç õ e s s o b r e a e x e c u ç ã od e u m V M D , p a r t i c u la r m e n t en o q u e d iz r e s p e it o ào c o r r ê n c ia d e e v e n t o s e àa f e t a ç ã o d e v a r i á v e i s .



Redes FieldbusTENDÊNCIA

Keyboard

AD

DA

XY

XY

MUX

Sample/Holder

Adaptador/Amp.

sensores atuador

0..10 v4..20 mA

4..20 mA0..10 v

Amp.Potência

Keyboard

AD

XY

XY

sensoresinteligentes

atuadorinteligente

P

C

P P

DA

Keyboard

AD

XY

XY

sensoresinteligentes

atuadorinteligente

P

C

P P

DA

FIELDBUS

Centralizado /Analógico Decentralizado / Digital Decentralizado / Digital /

Multipontos

RS 2

32C

RS 4

49 (4

22/4

23)

Placa deaquisição de

dados


Vantagens de uso do Fieldbus

• redução da cablagem pela utilização de um meio físicocompartilhado;

• redução do número de canais de comunicação com oprocesso;

• redução do tempo e complexidade do projeto de lay-out;

• facilidade de instalação e manutenção, pela manipulação deum 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 aflexibilidade de expansão de funções e módulos;

• melhor consistência e confiabilidade da informação, atravésda digitalização e pré-processamento;


Vantagens de uso do Fieldbus

• possibilidade de sincronização dos instantes deamostragem de Entrada/Saída;

• melhoria do desempenho global da aplicação peladescentralização do processamento;

• maior facilidade de interconexão entre níveis hierárquicosdiferentes de automação;

• redução dos custos de sistemas através da aquisiçãoseletiva de dispositivos compatíveis de diferentesfornecedores, eliminando a dependência de somente umfornecedor;

• desacoplamento do software de supervisão da dependênciade um fornecedor específico de Hardware.



Motivações e requisitos do Fieldbus

• Redes MAP tinham tempo de resposta de cerca de500 ms.

• MAP-EPA e Mini-MAP permitem a realização detempos 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 domodelo de referência OSI (como Mini-MAP).

• Funções das camadas 3 a 6 indispensáveis para acomunicação absorvidas pelas camadas 2 ou 7.



• Aspecto de custo assume grande importância.

• dispositivos a serem interligados tem em geral custo inferior ao daprópria interface MAP.

• São requeridos nós a um custo da ordem de U$ 50 ou inferior.

Componente MAP Preço médio Elemento Campo Preço médioCabo Coaxial U$ 2,5 / m CLP U$ 3.000Controlador U$ 5.000 Controle Robô $20.000Demodulador U$ 1.500 PC U$ 2.000ComponenteEthernet / IBM

Preço médio Sensor/Atuador U$ 50 a 1000

Nó CSMA/CD U$ 500 - 1500 I/O Binária U$ 50 a 1000Nó Token-Ring U$ 750 - 1500



• Três classes distintas de aplicação:- sistemas "Stand-Alone": transações ocorrem

somente entre dispositivos ligados em um mesmosegmento de rede (ex.: sensores e atuadores ligadosa um CNC dentro de uma máquina).

- sistemas em cascata: dispositivos conectados asegmentos distintos podem trocar informações pormeio de uma "bridge" (ex.: SDCD - SistemaDistribuído de Controle Digital).

- sistemas hierárquicos: Fieldbus está interligado via"gateway" a um nível hierárquico superior daautomação fabril (ex.: estrutura CIM).



• Em função do tipo de aplicações que se propõe a atender, umconjunto de requisitos básicos são impostos ao Fieldbus:

- elevado desempenho para atender as aplicações comrequisitos 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 hierárquicossuperiores (compatibilidade com MMS);


Esforços para padronização do Fieldbus• Existem várias soluções proprietárias para o Fieldbus.

• Foram feitos esforços para padronização no final de década de 80.

ISA/ IEC

Fieldbus Foundation

ESPRIT CNMA/Fieldbus

Sistema Fieldbus para Processos de Fabricação

EUREKA "Fieldbus"

Desenvolvimento e teste de um Fieldbuspara 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 1553industrial

outros


Motivações e requisitos do Fieldbus• sistemas fieldbus atuais adequados para o acoplamento direto de

sensores e atuadores em processos com dinâmica elevada(RTLAN) ?

Processo

Cont. Atuador

Sensor

Processo

Processador Central

Cont.

Sensor

Processador Central Atuador

Fieldbus

NCS


A proposta FIP(Factory Instrumentation Protocol)

Introdução:

• FIP elaborado por um conjunto de empresas européias(principalmente francesas), órgãos do governo francês ecentros de pesquisa.

• Criadores conglomerados em torno do chamado “ClubFIP” (http://www.worldfip.org).

• Procurou levar em consideração as restrições de temporeal 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 oenvio simultâneo do sinal de sincronização e dos dados.

• Suporta segmentos com comprimento de até 2000 m e até 256estações.


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 lidopor qualquer número de receptores (consumidores).

• A comunicação transcorre da seguinte forma:

- árbitro difunde na rede o nome da variável (objeto) a sertransmitida;

- O produtor da variável difunde a informação ligada aoidentificador;

- 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 listaimplementada no árbitro na inicialização.

• A transmissão de mensagens não periódicas é feita conforme anorma 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 deenvio 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 geradorproposto pela CCITT).

PRE FSD EB DFS EB FED EB

FSS FES

FSS — Frame Start SequenceFES — Frame End Sequence


Serviços oferecidos pela camada de enlace FIP

Classe Primitiva Comentários

Atualização cíclica dedados

L_PUT.req/cnfL_SENT.indL_GET.req/cnfL_RECEIVED.ind

atualiza dadossinaliza enviobusca de dadossinaliza recepção

Atualização nãoperiódica de dados

L_PARAM.req/cnf requisita dados

Transmissão demensagem com ACK

L_MESSAGE_ACK.req/ind/cnf c/ reconhecimento

Transmissão demensagem 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 serviçosMPS ("Message Periodic/Aperiodic Services").

Classe Primitiva de serviço ComentáriosLeitura de variáveis A_READ.req/cnf

A_READFAR.indlê nomes de variáveis,estruturas, status, valores

Escrita de variáveis A_WRITE.req/cnfA_WRITEFAR.ind

escreve especificação, valor,status

Leitura do tipo devariável

A_GETOBJECT_DESCRIPTION.req/cnf lê especificação

Acesso à listas devariáveis

A_READLIST.req/cnfA_WRITELIST.req/cnf

lê e escreve atributos,valores

Serviços desincronização

A_SEND.indA_RECEIVE.ind

sincronização local e remota


Funções de Gerenciamento da Rede no FIP

• O projeto FIP definiu uma série de funções degerenciamento de rede:

– Definição e atualização das listas de objetos;

– Definição e atualização das tabelas devarredura;

– Gerenciamento das operações de partida eparada;

– 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 normaDIN (DIN V 19245, parte 1), que define as camadas Física e Enlace.

• Posteriormente, grupo de 13 empresas e 5 centros de pesquisapropuseram alterações nas camadas Física e Enlace e definiram acamada de Aplicação (norma DIN V 19245, parte 2).

• Esta proposta é atualmente apoiada por mais de 5.000 empresaseuropéias 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 trançadoblindado (STP).

• Permite a interligação de até 32 elementos (estações ativas,passivas ou repetidoras) por segmento. São permitidos até 4segmentos, totalizando um máximo de 128 estações.

• Codificação NRZ, podendo ser implementada com umaUSART simples (assíncrona).

• Taxas de transmissão: 9.6, 19.2, 93.75, 187.5 e 500 Kbps, maistarde incluídas 1.5 Mbps, 12 Mbps.


A camada de enlace do PROFIBUS

• O PROFIBUS combina dois métodos deterministas deacesso ao meio: "Master/Slave" e "Token-Passing".

Escravo1

Escravo2

Escravo3

EscravoN

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 ComentáriosSDN (Send Data with NoAcknowledge)

FDL_DATA envio de dados semreconhecimento

SDA (Send Data withAcknowledge)

FDL_DATA_ACK envio de dados comreconhecimento

RDR (Request Data withReply)

FDL_REPLYFDL_REPLY_UPDATE

requisição de dados comreconhecimento

CRDR (Cyclic Request Datawith Reply)

FDL_CYC_REPLYFDL_CYC_DEACTFDL_REPLYFDL_REPLY_UPDATE

estação local requisitaciclicamente dados ao usuárioremoto.

CSRD (Cyclic Send andRequest Data)

FDL_SEND_UPDATEFDL_CYC_DATA_REPLYFDL_CYC_DEACTFDL_DATA_REPLYFDL_DATA_UPDATE

estação local envia ciclicamentee requisita simultaneamentedados de resposta.

SRD (Send and RequestData)

FDL_DATA_REPLYFDL_REPLY_UPDATE

estação local envia e requisitadados.


A camada de Aplicação do PROFIBUS

• Definido um subconjunto do MMS.

• Camada de Aplicação dividida em três subcamadas:

- Fieldbus Message Specification (FMS): protocolopropriamente dito;

- Lower Layer Interface (LLI): interface com acamada de Enlace;

- Application Layer Interface (ALI): interface com asaplicações do usuário.


C l a s s e P r i m i t i v a s d e s e r v i ç o C o m e n t á r i o sS e r v i ç o s d eA c e s s o av a r i á v e i s

R E A DW R I T EI N F O R M A T I O N _ R E P O R TP H Y _ W R I T EP H Y _ R E A DD E F I N E _ V A R I A B L E _ L I S TD E L E T E _ V A R I A B L E _ L I S T

l e i t u r a e e s c r i t a d ev a r i á v e i s c o n t i d a se m d i s p o s i t i v o ss e r v i d o r e s

S e r v i ç o s d eA c e s s o aD o m í n i o s

I N I T I A T E _ D O W N L O A D _ S E Q U E N C ED O W N L O A D _ S E G M E N TT E R M I N A T E _ D O W N L O A D _ S E Q U E N C EI N I T I A T E _ U P L O A D _ S E Q U E N C EU P L O A D _ S E G M E N TT E R M I N A T E _ U P L O A D _ S E Q U E N C ER E Q U E S T _ D O M A I N _ D O W N L O A DR E Q U E S T _ D O M A I N _ U P L O A D

t r a n s f e r ê n c i a d ed a d o s o u p r o g r a m a sd e d i s p o s i t i v o c l i e n t ep a r a d i s p o s i t i v os e r v i d o r e v i c e - v e r s a

S e r v i ç o s d eI n v o c a ç ã o d eP r o g r a m a s

C R E A T E _ P R O G R A MI N V O C A T I O N _ D E L E T E _ P R O G R A MI N V O C A T I O N _ S T A R TI N V O C A T I O N _ S T O PI N V O C A T I O N _ R E S U M EI N V O C A T I O N _ R E S E T

p a r t i d a , p a r a d a ,r e t o r n o d a e x e c u ç ã o ,r e t o r n o a o e s t a d oi n i c i a l e d e l e ç ã o d ep r o g r a m a s

S e r v i ç o s d eN o t i f i c a ç ã o d eE v e n t o s

A L T E R _ E V E N T _ C O N D . _ M O N I T O R I N GE V E N T _ N O T I F I C A T I O NA C K _ E V E N T _ N O T I F I C A T I O N

s e r v i d o r n o t i f i c ac l i e n t e a o c o r r ê n c i ad e u m e v e n t o( a l a r m e )

S e r v i ç o s d eL e i t u r a d eS t a t u s

S T A T U SU N S O L I C I T E D _ S T A T U SS T A T U S _ I D E N T I F Y

i n f o r m a ç õ e s a c e r c ad o e s t a d o d o sd i s p o s i t i v o ss e r v i d o r e s

S e r v i ç o s d eG e r e n c i a m e n t od e D i c i o n á r i od e O b j e t o s

G E T _ O VP U T _ O VI N I T I A T E _ P U T _ O VT E R M I N A T E _ P U T _ O V

d e s c r i ç ã o d e t o d o s o so b j e t o s n a r e d e( n o m e s , e n d e r e ç o s ,t i p o s d e d a d o s , e t c )

S e r v i ç o s d eG e r e n c i a m e n t od e C o n t e x t o

I N I T I A T ER E J E C TA B O R T

e s t a b e l e c i m e n t o ee n c e r r a m e n t o d ea s s o c i a ç ã o e n t r e d o i sd i s p o s i t i v o s e ar e j e i ç ã o d em e n s a g e n s r e c e b i d a s


A Proposta ISA SP-50 / FFIntrodução:

• Proposta iniciada pela ISA (Instrumentation Society ofAmerica), pelo comitê "Standards and Practices 50".

• Depois em elaboração pela ISA e IEC para definirpadrão mundial para Fieldbus.

• Trabalhos de padronização ainda em andamento.

• Fieldbus Foudation criada em 1994 : suporte aosusuários 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 comcamada de enlace (DTE);

- MDS (Medium Dependent Sublayer): codificadados para formato compatível com o meiofísico. Especificação para par trançado:codificação Manchester bifásica;

- MAU (Medium Attachment Unit): descreve otransceptor para o meio físico.


A Camada Física do ISA-SP50

DIS(Data Independent Sublayer)

MDS(Medium Dependent Sublayer)

MAU(Medium Attachment Unit)

Camada de Enlace

Meio Físico


A Camada Física do ISA-SP50- Tipos de meio: H1 e H2

– Meio H1 (áreas de segurança intrínseca):

» Par trançado

» Taxa de transmissão de 31,25 Kbps

» Até 32 estações se meio não é utilizado para aalimentação 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


A Camada Física do ISA-SP50– Meio H2 (aplicações de alta velocidade):

» Par trançado.

» Sem alimentação pela linha.

» Taxa de transmissão de 1 Mbps ou 2,5 Mbps.

» Topologia em barramento e estrela.

» Distância máxima de 750 m para 1 Mbps e 500m para2,5 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 alocarbuffers e filas para a transferência de dados;

- Serviços de transferência de dados com conexão;

- Serviços de transferência de dados sem conexão: úteis noenvio de telegramas de difusão (multicast e broadcast);

- Serviços de escalonamento de transações: permitemprogramar o LAS, definindo a seqüência de passagem detoken.


A camada de Enlace do ISA - SP50

Classes de funções para estações:

- Responder: estação só transmite dados em resposta a umasolicitação (estação "escrava");

- Initiator: estação pode se apoderar do direito de acesso aomeio (token), podendo enviar e requisitar dados a outrasestações por iniciativa própria;

- Linkmaster: estação pode exercer o papel de escalonador deenlace, administrando o token e gerenciando o tempointerno do sistema;

- Bridge: estação capaz de interligar entidades de enlacediferentes;


A camada de Enlace do ISA - SP50

• Se há mais de um "Linkmaster" no sistema, estes disputam entre sina 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 portodas as estações Linkmaster, define a estação LAS.

- Token circulado: distribuído pela estação LAS às demaisestações com funcionalidade de Initiator ou Linkmaster, queformam um anel lógico.

- Token delegado: enviado pela estação LAS a uma estaçãoqualquer por solicitação desta ou para atender às necessidadesde um serviço de comunicação escalonado pela LAS.


A Camada de Enlace do ISA - SP50

Token de EscalonamentoToken DelegadoToken Circulado

LM

LM

LM

LAS

Estaçãoqualquer


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 LASsolicita um dado a um “Responder”, que emite umframe em resposta (relação mestre-escravo).

– Requisição de token: uma estação envia umpedido de token embutido em uma mensagemqualquer. O LAS delega o token a ela quando temtempo disponível. Após o uso, token é devolvido aLAS.


A Camada de Enlace do ISA - SP50

• Camada de Enlace subdividida em quatro subcamadas:

- Subcamada de acesso a Enlace: interface com a camadafísica, gerencia token e serviços de resposta imediata;

- Subcamada de escalonamento de Enlace: fazescalonamento de atividades da entidade de enlace. Maiscomplexa em estações Linkmaster (podem assumir afunção de LAS);

- Subcamada de gerenciamento de conexões: estabelece erompe conexões;

- Subcamada de gerenciamento de Ponte: só existe emestações tipo Bridge.


A Camada de Enlace do ISA-SP50

Subcamada de Gerenciamento de Ponte

Subcamada de Gerenciamento deConexões

Subcamada de Escalonamento

Camada deAplicação

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) paraatender tráfego cíclico e acíclico com requisitos de tempo real"duro".

• Camada de aplicação prevê os seguintes serviços:

- MCSE (Message Common Service Element): estabelece einterrompe conexões entre processos de aplicação(Correspondem aos serviços ACSE da ISO).

- IMSE (Industrial Message Service Element): serviçossemelhantes aos oferecidos pelo MMS do projeto MAP.

- DDM (Distributed Database Maintenance): Serviços de acessoà 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.• Blocos utilizados:

– Bloco de Recurso: descreve as características dodispositivo fieldbus.

– Bloco Transdutor: assume a função deentrada/saída local.

– Bloco Funcional: fornece o comportamento dosistema 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 erecuperação de erros, avaliação e otimização dedesempenho, etc.


Fieldbus: Conclusões

• Fieldbus revolucionou o setor de instrumentação.

• Tecnologia permite que a inteligência seja totalmentedistribuída pelo campo.

• Favorece o surgimento de dispositivos com capacidadeslocais de processamento cada vez mais sofisticadas.

• O Fieldbus deverá propiciar a intercambiabilidade desensores, atuadores, transmissores e controladores,trazendo ao usuário uma maior flexibilidade na comprade 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 Nome8 Data lines DIO 1-8 Data I/O

DAV Data Valid3 Handshake lines NRFD Not Ready For Data

NDAC Not Data AcceptedREN Remote EnableIFC Interface Clear

5 Interface Management lines SRQ Service RequestEOI Endo or IdentifyATN Attention


GPIB

• Linhas de controle NRFD e NDAC operam no modo “wired-OR”

• Só assumem o valor lógico TRUE no barramento quando todasas estações ligadas ao GPIB setam a linha correspondente localem TRUE (ativo baixo).

• GPIB requer estação controladora (mestre) do barramento, quedefine quem será a estação emissora (talker) e quem serão asestações receptoras (listeners) em cada instante.

• A linha ATN distingue mensagens de dados (ATN=0) demensagens dedicadas de gerenciamento da interface (ATN=1)como, por exemplo, mensagens para definir o talker e oslisteners.


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 oslisteners receberem o dado, devido ao uso de wired-OR);

– Talker seta DAV (Data Valid) em FALSE e remove dados das linhasDIO 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 (voltímetros,

amperímetros, ohmimetros, multímetros, etc.).


GPIB

• GPIB não é uma interface bem adaptada àsnecessidades de automação de chão de fábrica, 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



- Existe grande variedade de produtos.

- Tipos mais difundidos:

- ETHERNET (DEC, INTEL e XEROX),

- ARCNET (Datapoint),

- TOKEN-RING (IBM).

- Produtos definem camadas Física e Enlace domodelo OSI.



- Características básicas:

ETHERNET ARCNET TOKEN-RINGAcesso ao Meio CSMA/CD Token-passing Token-passingVelocidade 10 Mbps 2.5 Mbps 4 ou 16 MbpsNúmero de nós 1024 254 255Meio detransmissão

Par trançadoFibra óticaCabo coaxial

Par trançadoFibra óticaCabo coaxial

Par trançadoCabo coaxial

Topologia Star/Bus Star/Bus Ring



- ARCNET (Attached Resource ComputerNetwork):

boas características para aplicação industrial

Topologia difusão

MAC determinista

preço baixo.



- Ethernet:rede mais popular e de mais baixo custo.

MAC não determinista (CSMA/CD).

Ampla aplicação onde não há requisitos de HardReal Time.

Uso do Switcher (tecnologia posterior) tornaaplicável onde há restrições de tempo.



- 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


SINEC Redes SINEC (ou SIMATIC NET, SIEMENS) incluem:

– SINEC H1: rede compatível com a norma IEEE 802.3(Ethernet). Versão H1-MAP tem camada de aplicaçãocompatível com MAP.

– SINEC H3-MAP: rede FDDI com camada de aplicaçãocompatível 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.


SINEC


SINEC PROFIBUS DP (SINEC L2-DP = Distributed Peripherie) desenvolvido para aplicações que exijam respostas rápidas,

sistemas remotos de I/O (como CLPs ligados a sensores eatuadores).

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 metroscom 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).


SINEC 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).


SINEC• Aplicação típica SINEC L2-FMS:

RC

Rede Profibus

tcd

MicrômetroLaser

CNC

Robô IPSOSP-50

TornoRomi-Mazak

PC - Gerente FMC

Esteira transportadora

CâmaraCCD

PC- Visão


SINEC 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 osdispositivos de campo.

Taxa de transmissão de 31.25 Kbps (áreas de segurançaintrínseca).

Comprimento máximo do cabo depende do número de estaçõesconectadas 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 demedição.

- arquitetura de apenas três camadas (1, 2 e 7).

- Camada física: interface padrão RS-485 com par trançado e taxasde transmissão de 1 Mbps (modo assíncrono) ou 2.4 Mbps (modosíncrono).

- Camada de enlace: protocolo SDLC (Synchronous Data Link andControl), um sub-conjunto do protocolo HDLC.

- Processador Intel 8044 implementa este protocolo em hardware.


BITBUS (INTEL)

Bufferrecepção

Buffertransmissão

8051

8044

DPRAM

SIU


BITBUS (INTEL)Camada de aplicação: serviços RAC (Remote Access and Control)

S e rv iç o F u n ç ã o d e A c e s so F u n ç ã o d e C o m a n d oR e se t _ S la v e XC r e a t e _ T a sk XD e le t e _ T a sk XG e t _ F u n c t io n _ I D XR A C _ P r o t e c t XR e a d _ I O XW r it e _ I O XU p d a t e _ I O XU p lo a d _ M e m o r y XD o w n lo a d _ M e m o r y XO R _ I O XA N D _ I O XX O R _ I O XS t a t u s_ R e a d XS t a t u s_ W r it e X


Redes para Sistemas Embarcados


CAN

• Rede CAN (Controller Area Network) desenvolvida pelaBOSCH para integrar elementos inteligentes em veículosautônomos (eletrônica embarcada).

• Automóvel pode possuir mais de 200 microprocessadores:

- carburação eletrônica

- frenagem anti-bloqueante (ABS)

- controle e supervisão da temperatura do óleo e doradiador, pressão de óleo de freio, etc.

- ajuste automático de espelhos retrovisores, banco domotorista, etc.


CAN• CAN lançado em 1984.• Em 1987 lançado chip 82526 (INTEL).• A partir de 1991 outros fabricantes licenciados:

– Phillips/Signetics (chips 82C200, 87C592, 82CE598 e82C150).

– Motorola (chip 68HC05).– NEC (chip 72005).– Siemens, Thompson, National, Hitachi.

• CiA (CAN in Automation): entidade constituída de usuários efabricantes de produtos para automação industrial baseados noprotocolo.

• CAN vendeu mais de 5 milhões de chips só em 1995.


CAN

• Camada física (padrão ISO/DIS 11898): Topologia: barramento ou estrela (com concentrador); Taxa de transmissão: 125 Kbps até 1 Mbps; Comprimento máximo do barramento: 40 m para 1

Mbps; até 1 Km para 125 Kbps;Número máximo de nós: 64; Codificação de bits: NRZ (Non Return to Zero);Meio de transmissão: não especificado na norma, mas

usualmente usado par trançado ou fibra ótica.


CAN

• Subcamada MAC:Método de acesso ao meio: Forcing Headers com

prioridades para mensagens (CSMA/NBA).• Subcamada LLC:

Comprimento máximo dos quadros de dados: 8 Bytes; Controle de erro por CRC de 16 bits.

• Camadas 3 até 6 do RM-OSI foram suprimidas.


CAN – Enlace• CSMA/NBA - Carrier Sense Multiple access with Non-

destructive Bitwise Arbitration (Forcing Headers)• Qualquer nó pode acessar o meio se estiver livre• NBA garante 100% de utilização do meio e priorização de

mensagens baseada no identificador de 11 bits do frame

SOF - Start of FrameEOF – End of FrameCRC - Cyclic Redundancy Check (CRC 16)

ACK - Acknowledgment

CRCACK

EOF

SOF

11 bitIDENTIFIER Length 0 to 8 bytes Data

ArbitrationField

ControlField

Data Field

Frame CAN


CAN – Arbitragem• Como na Ethernet, cada nó tenta transmitir se meio

livre.– Diferentemente de Ethernet, não há colisões.

• Se 2 ou mais nós iniciam transmissão simultânea,conflito resolvido por arbitragem bit a bit usando ocampo IDENTIFIER.

– “0” é dominante no fio sobre “1” (operação AND binária).– Se um nó transmite “1”, mas escuta “0”, ele imediatamente pára transmissão.– O nó vencedor envia o resto da mensagem.– Mecanismo garante que não se perde informações nem tempo.

• O valor do campo IDENTIFIER define prioridadedurante arbitragem (IDENTIFIER mais baixo “vence”).Isto significa que dois frames não podem ter o mesmoIDENTIFIER.


CAN – Exemplo De Arbitragem

0 0 0 1 00000001 xxxx 11EOF

10110110100 0

Nó 1 Transmite:

No meio:

0 0 0 1 00000001 xxxx 01EOF

10110110100 0

Nó 2 Transmite:

0 10110111

Nó 2 perde arbitrageme pára transmissão!


CAN• Modelos de comunicação:

– Frame não contém campos específicos paraendereço destino/origem.

– Campo IDENTIFIER pode conter endereço de umaestação, grupo de estações (multicasting) oumensagens são difundidas para todas as estações(broadcasting).

– Campo IDENTIFIER pode identificar o conteúdoda mensagem (dados), que é difundida para todas asestações.

» Gerador da mensagem: PRODUTOR.» Estações interessadas no conteúdo da

mensagem: CONSUMIDORES.


CAN• Norma CAN não define especificação para a camada de

Aplicação• CiA definiu uma especificação para aplicações em

automação: CMS (CAN Message Services): serviços de leitura e

escrita de variáveis remotas e tratamento de eventos,baseados no MMS;

NMT (Network Menagement): serviços deinicialização e gerenciamento da rede;

DBT (Distributor): provê uma distribuição dinâmicade nomes definidos pelo usuário para identificar asmensagens.


CAN

• O sistema suporta até 2032 objetos, aos quais éassociado um número de identificação único naaplicação.

• O tempo para leitura de dados na camada de enlace éda ordem de 420 µs para o objeto de maior prioridade.

• CAN tornou-se norma internacional definida pela ISOem 1993 sob a designação ISO 11898.


VAN• A rede VAN (Vehicle Area Network) foi

normalizada em 1990 na França pelo “Bureau deNormalisation de l'Automobile” para operar emeletrônica embarcada.

• A partir de 1992 passou a ser adotada pela Renault epela Peugeot.

• Apesar das semelhanças com a rede CAN, não seconhecem aplicações da rede VAN em automaçãoindustrial.

• Os chips disponíveis estão implementados na formade ASICs projetados especificamente para aindústria automobilística.


VAN

• Propriedades da camada física:

Topologia: barramento;

Taxa de transmissão: de 100 Kbps até 250Kbps;

Número máximo de nós: 16;

Comprimento máximo do barramento: 20metros;

Codificação de bits: Manchester.


VAN

Subcamada MAC: Método de acesso ao meio: Forcing Headers (como CAN); Controle de erros: assumido pela subcamada MAC, que usa

a técnica de CRC;

Subcamada LLC: Quadro de dados: 8 bytes ou 28 bytes (versão FullVAN);


Outras redes para veículos

J1850 (definida nos EUA pela SAE = Society ofAutomotive Engineers), usada pela GM, Ford eChrysler.

C2D (Chrysler Collision Detection) MIL-STD-1553B (para aviônica militar) FlexRay (X-By-Wire) todas com uso restrito à eletrônica embarcada.


SERCOS

• SERCOS (SErial Real-time COmmunication System)apresentada ao mercado na EMO de 1989.

• conecta servo-acionamentos a um CNC em máquinasoperatrizes, implementando malhas fechadas decontrole.

• No interior de uma máquina-ferramenta existemcampos eletromagnéticos fortes.

• Por isto, foi proposta uma rede com topologia em anelutilizando como meio físico a fibra ótica.


SERCOS• Anel SERCOS

CNCAcionamentos


SERCOS• O sistema tem uma estrutura com comando centralizado.• CNC exerce o papel de estação mestre e os servo-acionamentos o

papel de estações escravas.• podem ser executados ciclos de varredura dos escravos em tempos

ajustáveis de 62µs, 125µs, 250µs, 500µs, e múltiplos de 1 ms até olimite de 65 ms.

• SERCOS permite a interligação de até 254 escravos em um anel.• O comprimento do cabo é de 40 metros para fibra ótica plástica e de

até 1000 metros para fibra ótica de vidro.• CNC executa o controle de posição enquanto o controle de

velocidade e de corrente é executado no próprio acionamento.• Rede usada para enviar valores de referência de velocidade do CNC

aos acionamentos e receber valores atualizados dos mesmos.


SERCOS• Na camada de enlace, SERCOS faz distinção entre dois tipos de

dados:

– Dados cíclicos, com características de tempo real, usados paracontrole em malha fechada;

– Dados de serviço, usados para configuração, envio deparâmetros, etc.

• Para dados de serviço é usada uma pilha com 3 camadas (física,enlace e aplicação).

• Para os dados cíclicos é ainda incluída uma camada desincronização (sincronização dos timers das estações)

• A subcamada LLC usa um serviço sem conexão e semreconhecimento (quadros errados não são retransmitidos).


SERCOS

• Camada de aplicação: composta de serviços tipo leiturae escrita de variáveis remotas (READ/ WRITE).

• SERCOS vem sendo utilizada também para interligardispositivos em outras aplicações além das máquinas-ferramenta.

• Entre as aplicações mais usuais estão o controle deeixos de robôs industriais e conexão de sensores eatuadores binários.


Mais Redes Locais Industriais!


DeviceNet

• DeviceNet é uma rede industrial de baixo custo paraconectar dispositivos como chaves fim de curso,células fotoelétricas, válvulas, motores, drives,displays de CLP e PC, etc.

• DeviceNet foi desenvolvida tendo CAN como base.• DeviceNet oferece manipulação robusta e eficiente

de dados e é baseada na técnica produtor /consumidor.


DeviceNet

• A ODVA (open DeviceNet Vendor Association) é umaorganização independente que supervisiona e gerenciaas especificações da DeviceNet.

• Seu objetivo é promover a adoção mundial deDeviceNet como rede aberta.

• A ODVA trabalha conjuntamente com os membrosvendedores, usuários finais e distribuidores.

• Possui 320 membros (até julho de 2001).• Home-pages:

– http://www.odva.org– http://www.ab.com/catalogs/b113/comm/dnet.html


Application Layer

Physical Signaling

Transceiver

Transmission Media

DeviceNet – Arquitetura

Camada 1

Camada 2 {Camada 7 {

Data Link Layer

DeviceNet

CAN

DeviceNet

}}

}


DeviceNet - Camada Física

• Configuração em barra (daisy-chain ou ramificações)• Nós podem ser removidos sem interromper linha• Até 64 nós endereçáveis• Sinal e alimentação de 24vdc no mesmo cabo• Taxas transmissão: 125kbps, 250kbps, 500kbps• Conectores selados ou abertos• Terminador de 121 ohms nas extremidades

RamificaçõesDaisy-chain


DeviceNet – Alimentação e Sinal24vdc

• Par trançado com dois fios:– Par Sinal: baixa perda, alta velocidade.– Par Alimentação: até 8A corrente.

• Sensores alimentados da linha.• Opto-isolamento para dispositivos com alimentação própria (Ex.:

drive, PLC, etc.).• Pode-se usar várias fontes de alimentação.

PS


DeviceNet - Conectores

Multiport Tap

T - Tap

Drop lines- 0 a 6m

Selados:

DroplinesDroplines

Abertos:


DeviceNet - Daisy-Chaining

Usar em painéis decontrole que

agrupamdispositivos

Até 6 metros do Tap

Dropline

Tap Tap

Conector plug-inpara dispositivo


DeviceNet – Distâncias e Velocidades

DataRate

Barramento Ramificações

125K

250K

500K

500m

250m

100m

26 x 6m

13 x 6m

6 x 6m

156m

78m

36m

CumulativoDist. TAP


DeviceNet - Enlace• Enlace segue sistema CAN.• Formas de comunicação suportadas através do modelo

produtor/consumidor:– Master/Slave: escravos só enviam dados em resposta

a varredura do mestre.– Multi-master: vários mestres e vários escravos.– Mudança de estado dos dados: envio de dados entre

estações predefinidas sempre que houver alteração deestado.

– Produção cíclica de dados: estações enviam dadosentre si em intervalos fixos de tempo.


Uso Do Campo Identifier

IDENTIFIER BITSHEX RANGE IDENTITY USAGE10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Group 1 Msg ID Source MAC ID 000-3ff Message Group 1

1 0 MAC IDGroup 2

Message ID 400-5ff Message Group 2

1 1 Group 3Message ID Source MAC ID 600-7bf Message Group 3

1 1 1 1 1 Group 4 Message ID(0-2f) 7c0-7ef Message Group 4

1 1 1 1 1 1 1 X X X 7f0-7ff Invalid CAN IdentifiersX

0


Grupos 1 e 2 – Master/SlaveIDENTIFIER BITS DESCRIPTION

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

0 Source MAC ID Group 1 Messages

0 1 1 1 0 Source MAC ID Slave's I/O Bit-Strobe Response Message0 1 1 1 1 Source MAC ID Slave's I/O Poll Response Message

Group 2Message ID1 0 MAC ID Group 2 Messages

1 0 Source MAC ID 0 0 0 Master's I/O Bit-Strobe Command Message1 0 Source MAC ID 0 0 1 Reserved for Master's Use -- Use is TBD1 0 Source MAC ID 0 1 0 Master'sChg of state/cyclic acknowledge msgs1 0 Source MAC ID 0 1 1 Slave's Explicit Response Messages1 0 Destination MAC ID 1 0 0 Master's Connected Explicit Request Messages1 0 Destination MAC ID 1 0 1 Master's I/O Poll Cmd/Chg of State/Cyclic Msgs1 0 Destination MAC ID 1 1 0 Group 2 Only Unconnected Explicit Req.. Msgs1 0 Destination MAC ID 1 1 1 Duplicate MAC ID Check Messages

Group 1Message ID

0 1 1 0 1 Source MAC ID Slave's I/O Change of State or CyclicMessage


DeviceNet – Camada de Aplicação• CIP: Common Industrial Protocol• Definição do campo Identifier

– Estabelece prioridade no processo de arbitragem– usado pelos nós receptores para identificar mensagens

• Dois tipos de mensagens– Mensagens de I/O para dados de controle críticos no tempo– Mensagens explicitas para funções cliente/servidor– Fragmentação para dados maiores que 8 bytes

• Detecção de identificadores duplicados• Verificação de consistência dos dados de

aplicação


ControlNet• ControlNet International é uma organização independente

criada em 1997 que mantém e distribui a especificaçãoControlNet.

• Home-page: www.controlnet.org• Mais infos: www.ab.com/catalog/b113/comm/cnet.html


ControlNet• Onde usar: níveis intermediários (célula, área)


ControlNet• Camada física:

– Topologias: barramento, árvore, estrela– Taxa transmissão: 5 Mbps– Estações endereçáveis: até 99– Distâncias:

» Cabo coaxial RG-6: 1.000 m com 2 nós, 500 m com 32 nós,250 m com 48 nós (sem repetidores), máximo de 5.000 m com5 repetidores

» Fibra: 3.000 m sem repetidores, até 30 km com 5 repetidores


ControlNet• Camada de enlace:

– Controle de erros no frame por Cyclic Redundancy Check, polinômioCCITT modificado com 16 bits.

– Campo de dados com até 510 bytes.– MAC: CTDMA (Concurrent Time Domain Multiple Access), que

regula a oportunidade de transmitir de cada nó em intervalos de tempoajustáveis chamados NUT (Network Update Time). A menor NUT é de2ms.

– Informações com restrições temporais são enviadas na parteescalonada da NUT. Dados sem restrições temporais (ex.: Dados deconfiguração) são enviados nos intervalos restantes de tempo.


ControlNet

• Camada de aplicação: CIP (mesma da Devicenet)– Orientação a objetos– Modos de comunicação:

» Master/Slave» Multi-Master» Peer-to-Peer» Produtor/consumidor

– Leitura de dados:» Mudança de estado» Cíclico» Por solicitação


HART

• HART = Highway Addressable Remote Transducer• Protocolo de transição entre tecnologia analógica e

digital.• “HUG”: HART User Group (inclui Siemens, Hitachi,

Toshiba, Yokogawa, ABB, Endress+Hauser, Fischer &Porter, Rosemount Inc., Camile Bauer, SmarInternational e outras).

• HART Communication Foundation(www.hartcomm.org)


HART• Camada física:

- Meio físico: par trançado com até 3.000 m;- Taxa de transmissão: 1.200 bps;- Transmissão assíncrona com caracteres UART (1

start bit, 8 bits de dados, 1 bit de paridade e 1 stopbit);

- Topologia: barramento ou árvore;- Modulação: FSK (padrão Bell 202, lógico 1 =>

sinal de 1.200 Hz, lógico 0 => 2.200 Hz).


HART

• Camada de enlace:

- mestre-escravos e token-passing;

- Tempo médio de resposta: 378.5 ms;

• Camada de aplicação:

- comandos, respostas, definição de tipos dedados e emissão de relatórios de status.


HART

• Possível transmitir sinais de 4 a 20 mA (analógicos) equadros digitais simultaneamente.

• Os chips HT2012 (Smar Research) e SYM20C15(Symbios Logic) servem como modems de baixapotência para uso em equipamentos de campo.

• O chip requer a adição de filtros e comparadores para aoperação do protocolo.


HART

CLP

FPBFPB

Sensoranalógico

Atuadoranalógico...

Sensordigital FPA

Sensordigital FPA

Sensordigital FPA

FPA Atuadordigital

FPA Atuadordigital

4..20mA

Bell202

Bell202

t

I

4..20mA

Bell202


INTERBUS-S• Interbus-S desenvolvido na Alemanha pela empresa Phoenix

Contact.• Obteve ampla aceitação industrial (mais de 5.000 aplicações).• Interbus-S concebido para integração de sensores a atuadores a

um elemento de tomada de decisão (CLP, CNC, RC, etc.).• Elemento de tomada de decisão opera como estação mestre.• Sensores e atuadores são estações escravas que executam

operações de entrada/saída.• Interbus-S adotou uma topologia em anel• Método de varredura denominado "Quadro Concatenado" ou

"Quadro Somado" (do alemão "Summenrahmen-Verfahren").


INTERBUS-S

• Mestre monta um quadro único contendo campos reservadospara cada um dos escravos.

• Mestre preenche o campo reservado a cada escravo com osdados de processo ou parâmetros a enviar.

• O quadro então é enviado ao primeiro escravo no anel.• O primeiro escravo reconhece no quadro o início de sua janela

de dados e lê o conteúdo somente do campo reservado a ele.• Escravo substitui o conteúdo do campo pelos dados de resposta.• Em seguida, o primeiro escravo envia o quadro completo para o

próximo escravo no anel.• O processo se repete até que o quadro tenha percorrido todos os

escravos do anel e retornado ao mestre.


INTERBUS-S• Analogia com um trem (quadro somado) que pára em diversas

estações (escravos), deixando alguns passageiros e pegando outros.

LêM1

At.M1

LêM2

At.M2

LêM3

At.M3

LêM4

At.M4

C FCS M4 M3 M2 M1 H

MasterSlave 1 Slave 2 Slave 3 Slave 4

Frame


INTERBUS-S• O tempo que o quadro somado leva para percorrer o anel

(ciclo de varredura) depende do número de escravos e édeterminista.

• O número máximo de entradas e saídas suportadas peloInterbus-S é de 2048, que podem ser varridas em 7.2 ms.

• Distância entre estações consecutivas no anel: até 400metros.

• Número máximo de estações: 256 (anel pode ocupar 13Km sem repetidores).

• Taxa de transmissão: 500 Kbps.


INTERBUS-S

• As informações que o mestre envia para os escravospodem ser:

– dados de processo: comandos a executar ou valores acolocar em uma saída (sujeitos à restrições de temporeal);

– parâmetros de configuração do escravo (semrestrições de tempo): enviados em time slotsreservados no quadro somado.


INTERBUS-S• Camada de aplicação: define serviços PMS (Peripherals

Message Services), subconjunto do MMS.• Os serviços PMS incluem:

gerenciamento de conexões; identificação e verificação de status;gerenciamento de objetos;acesso a variáveis (read, write, update, etc.);gerenciamento de programas (dowload, upload, start,

stop, resume, etc.).• Organizações de empresas DRIVECOM e ENCOM ocupadas

de definir padrões de utilização e configuração paraINTERBUS-S.

• Sistema candidato à padronização pela IEC e DIN.


ASI-BUS

• ASI (Actuator/Sensor Interface) desenvolvido por 11empresas (Balluf, Baumer, Elesta, Festo, IFM,Peperl+Fuchs, Sick, Siemens, Leuze, Turck eVisolux) e introduzido no mercado em 1993.

• concebido para interligar elementos periféricos(sensores e atuadores) binários, tais como chavesfim-de-curso, sensores de proximidade indutivos ecapacitivos, relês, válvulas, etc.

• Estes elementos requerem informação mínima paraoperar (na maioria dos casos, 1 bit com comandostipo ON/OFF).


ASI-BUS• ASI foi concebido como um sistema Mestre/Escravos com

topologia em barramento.• O mestre executa uma varredura cíclica dos escravos, enviando

quadros de solicitação de dados e aguardando um quadro deresposta.

• Os quadros enviados pelo mestre ASI tem um campo de dados deapenas 4 bits e um campo de parâmetros de mais 4 bits.

• O quadro tem 17 bits no total.

Start bitCommand-bit

1 1 5 bit slave addr. 4 bit parameter 4 bit data 1 1

Test bit

Stop bit


ASI-BUS

• O quadro de resposta do escravo composto de apenas 7 bits.• Como todas as respostas são destinadas ao mestre, não é

necessário um campo de endereço neste quadro.

Start bit

1 4 bit data 1 1

Test bit

Stop bit


ASI-BUS• A varredura de cada escravo implica no envio e recepção de um

total de apenas 24 bits• Cada escravo recebe 4 bits de dados e 4 bits de parâmetros, e

responde, se for o caso, também com 4 bits de dados.• Um escravo ASI possui até 4 portas de I/O conectadas a

dispositivos periféricos• Cada porta de saída recebe o valor de 1 dos 4 bits do campo de

dados do quadro enviado pelo mestre.• Se as portas estão configuradas como entradas, seu valor é copiado

nos 4 bits correspondentes do campo de dados do quadro deresposta do escravo.

• Desta forma, o mestre pode ler ou escrever em qualquer uma dasportas remotas dos escravos.


ASI-BUS

ASIMaster

Slave 2Slave 1 Slave 31. . .

I/O 1

I/O 4

I/O 120

I/O 124


ASI-BUS• ASI suporta até 31 escravos em um barramento.• Como cada escravo pode ter 4 E/S, o número máximo de

elementos binários que podem ser integrados aos 31escravos é de 124.

• A varredura completa dos 31 escravos, atualizando todasas 124 entradas e saídas, requer cerca de 5 ms.

• Esta configuração permite ligar os sensores e atuadoresbinários convencionais atuais à rede ASI.

• Os 4 bits de parâmetros recebidos do mestre podem serenviados para 4 portas de saída adicionais, podendo serutilizados para configurar um dispositivo maissofisticado conectado ao escravo.


ASI-BUS

SlaveASI

Sensorinteligente

Dados I/O

parâmetros

• Esta configuração permite conectar sensores e atuadoresinteligentes à rede ASI.


ASI-BUS

• O cabo de rede ASI é composto de 2 condutoresnão blindados.

• cabo é utilizado também para a alimentação dosescravos (24V DC, 100 mA por escravo).

• Um segmento de rede ASI pode ter até 100 metrosde comprimento.

• A grande vantagem de ASI sobre outras rede tipofieldbus é o custo baixo e simplicidade deimplementação, operação e manutenção.

• Sua aplicação em automação industrial vemcrescendo muito desde seu lançamento em 1993.


FAIS

• FAIS (Factory Automation Interconnection System):desenvolvida no Japão por 30 empresas e o InternationalRobotics and Factory Automation Center (IROFA).

• Primeiros produtos lançados em 1992.• FAIS é uma versão atualizada da rede Mini-MAP.• Foi concebida para uso em automação fabril no nível

hierárquico de célula (FMC).• Arquitetura FAIS composta das camadas 1, 2 e 7.• Camada física:

– cabo coaxial com técnica de transmissão em Carrier-Band com 5 ou 10 Mbps.

– fibra ótica com 10 Mbps.


FAIS

• Camada de enlace de dados:– subcamada MAC: protocolo Token-Bus, conforme IEEE

802.4.– subcamada LLC: serviço sem conexão com reconhecimento

(LLC tipo 3), conforme IEEE 802.2.• Camada de aplicação:

– MMS (Manufacturing Message Services);– serviços de gerenciamento de rede NM (Network

Menagement);– dicionário de objetos OD (Object Dicionary).

• Alterações básicas em relação a mini-MAP: camada física comfibra ótica e serviços de aplicação NM e OD.


FAIS

• Especificação FAIS 2.0

Apresentação

Sessão

Rede

Enlace

Física

NM

LLC 802.2 tipo 3MAC 802.4 Token bus

MMS OD

VAZIOTransporte

Aplicação

Baseband 5 / 10 Mbps Fibra ótica 10 Mbps


P-NET

• P-NET desenvolvida na Dinamarca pela empresa Ultrakust.

• Aplicação alvo: automação industrial.

• Camada física:

– topologia em anel

– taxa de transmissão de 76.8 Kbps

– em um anel podem estar no máximo 125 estações.

– meio físico tipo par trançado blindado, com até 1.200

metros de comprimento, sem repeaters.


P-NET• subcamada MAC:

– método de acesso ao meio tipo Multi-mestre / Escravos.– Em um anel podem estar até 32 estações mestras.– Entre as estações mestras e escravas é realizada uma

varredura cíclica através de quadro pré-definidos.– A varredura de cada escravo requer 30 slot times, ou cerca de

390µs.– Entre as estações mestras, o controle de acesso ao meio é do

tipo token-passing.– A passagem de token entre mestres requer no máximo 10 slot

times, ou cerca de 130µs.– Apesar do token passar pelas estações escravas, uma vez que

elas estão também no anel, estas não podem retê-lo.


P-NET

Anel P-NET:

M

EE

M

E

EM

E

PCPressão

TemperaturaMotor

PesoVazão

CLP

Controller


P-NET• Vários anéis interligados por meio de P-NET-Controllers, que

executam a função de roteadores ou gateways.

M

EE

E

EM

E

Controller

M

EE

M

EM

EM

M

E

M

E

EM

E

Controller


P-NET• O P-NET-Controller pode ser usado para conectar dispositivos

não desenvolvidos para a P-NET que possuam uma interfaceRS-232C, ou ainda estações para outro tipo de rede (porexemplo, Profibus).

• O Controller é programado em Process Pascal, que suportaprogramação concorrente e primitivas de comunicação.

• Diversos sistemas baseados em P-NET estão em operação naEuropa.

• Foi criada para a P-NET uma organização de fabricantes eusuários que dão suporte ao produto, denominada "InternationalP-NET User Organization".


MODBUS• MODBUS criado em 1978 pela MODICON – Modular

Digital Controller (hoje Schneider Automation).• Protocolo visava transferir dados entre controladores,

sensores e atuadores usando uma porta RS232.• Tornou-se padrão industrial “de-facto” usado com uma

segunda opção para intercâmbio de dados.• Protocolo proprietário da Schneider Automation, mas a

empresa optou por uma licença sem royalties.• Site: http://www.modbus.org/


MODBUS

• Regulamentação:– EN 1434-3 (camada 7)– IEC 870-5 (camada 2)– Não há especificação para a camada física.

• No padrão Modbus estão definidos:– o formato das mensagens– os serviços (ou funções)– o protocolo de comunicação, ou seja, como esses

elementos trocam dados na rede.


MODBUS

• O protocolo Modbus é utilizado para:– monitoração e programação de dispositivos,– comunicação entre dispositivos inteligentes

(por exemplo, CLPs e CNCs) com sensores,atuadores, e instrumentos de campo

– Monitoração de dispositivos de campousando-se PCs e IHMs


MODBUS• O protocolo Modbus estabelece uma

comunicação master-slaves entre dispositivosinteligentes.

• Exemplos de dispositivos mestres: PC ou IC,painéis de programação e CLPs.

• O mestre pode se dirigir individualmente a umdos escravos, ou pode enviar uma mensagem tipobroadcast para todos os escravos.

• Os escravos apenas retornam uma mensagem(resposta) quando são questionadosindividualmente.


MODBUS

• MODBUS é independente da camada físicasubjacente.

• MODBUS é usualmente implementado usando:– RS232;– RS422;– RS485;– sobre uma variedade de meios de transmissão (fibra,

rádio, celular, etc.).


Modos de Transmissão

• MODBUS suporta dois modos de transmissão:– ASCII (American Standard Code for Information

Interchange):» cada byte da mensagem é enviado como caractere ASCII.» Usado para texto.

– RTU (Remote Terminal Unit):» cada byte da mensagem é enviado como 2 caracteres

hexadecimais de 4 bits.» Usado para dados hexadecimais.


Modo ASCII

• Permite intervalos de tempo de até 1 segundo entrecaracteres sem gerar erro (transmissão assíncrona).

• Sistema de Codificação: caracteres ASCII emhexadecimal.

• Codificação dos caracteres (10 bits):– 1 start bit– 7 data bits (o bit menos significativo é enviado primeiro)– 1 bit de paridade quando for utilizada paridade par/ímpar ou

zero bits quando não for utilizada paridade– 1 stop bit se for utilizada paridade ou 2 bits se não for

utilizada paridade.


Modo RTU

• Permite uma melhor data throughput que o modoASCII para a mesma taxa de transmissão.

• Cada mensagem deve ser transmitida em um fluxocontínuo (transmissão síncrona).

• Sistema de Codificação: binária de 8 bits, hexadecimal.• Codificação dos caracteres (11 bits):

– 1 start bit– 8 data bits (o bit menos significativo é enviado primeiro)– 1 bit de paridade quando for utilizada paridade par/ímpar ou

zero bits quando não for utilizado paridade– 1 stop bit se for utilizado paridade ou 2 bits se não for

utilizado paridade.


Frame Modbus

• Em ambos os modos (ASCII ou RTU), a mensagem aser transmitida é colocada, pelo dispositivo transmissor,num formato padronizado de frame.

• Toda comunicação inicia com o mestre fazendo umasolicitação a um escravo, e este responde ao mestre oque foi solicitado.

• Apenas o campo de dados possui tamanho variável.

ADDRESS FUNCTION DATA CHECKSUM


Frame MODBUS

• Address (endereço):– Contém 2 caracteres ASCII ou 8 bits RTU.– Endereços válidos de escravos na faixa de 0 a 247

decimal.– Endereços individuais estão na faixa de 1 a 247 (0

para broadcasting).


Frame MODBUS• Function (função):

– Contém 2 caracteres (ASCII) ou 8 bits (RTU).– Códigos válidos vão de 1 a 255 decimal.– Este campo indica ao escravo que ação este deve executar:

» ler grupo de entradas;» ler dados de um grupo de registradores;» ler status do escravo para diagnóstico;» escrever em um grupo de saídas ou registros;» permitir carregamento, gravação ou verificação do programa no

escravo.– Na resposta, campo indica se a operação ocorreu sem erros

(ecoa dado recebido) ou se é uma resposta de exceção (ecoadado recebido com Msb em 1).


Frame MODBUS• Data (dados):

– Contém dados adicionais para uso do escravo (endereços deportas de I/O ou registros, quantidades de itens a manipular, etc.).

– Se não houverem erros, campo retorna o valor solicitado aoescravo.

– Se houver erro, campo retorna um código de exceção.– Este campo pode ser vazio.

» Ex.: mestre pede ao escravo o seu communications event log(código de função: 0Bh), o escravo não necessita de qualquerinformação adicional.

– Este campo possui tamanho variável.» Ex. 1: mestre pede ao escravo para ler um grupo de registradores do

tipo holding (código da função: 03h), o campo de dados especifica oregistrador de início e quantos registradores devem ser lidos.

» Ex. 2: mestre escreve em um grupo de registradores do escravo(código da função: 10h), o campo de dados especifica o registradorde início, quantos registradores ele quer escrever, o total de bytes dedados que segue o campo de dados e os dados que devem serescritos nos registradores.


Frame MODBUS• Checksum:

– Modo ASCII:» Usa Longitudinal Redundancy Check (LRC).» O campo de checagem de erros contém dois caracteres ASCII.» Cálculo do LRC feito sobre o conteúdo da mensagem excluindo-se

os caracteres que delimitam o início e o final da mensagem (‘:’ eCR/LF).

» Os caracteres LRC são adicionados à mensagem como o últimocampo antes dos caracteres CR/LF.

– Modo RTU:» Usa Cyclic Redundancy Check (CRC).» O campo de checagem de erros contém um valor de 16 bits

implementado como dois bytes de 8 bits.» Cálculo CRC realizado com o conteúdo da mensagem.» O CRC é adicionado à mensagem como último campo - primeiro o

byte menos significativo.


Delimitadores de Frame ASCII

• No modo ASCII, frame inicia com o caractere ‘:’ (ASCII:3Ah) - FSD, Frame Start Delimiter.

• Frame termina com o par CR/LF (carriage return / linefeed - ASCII: 0Dh e 0Ah) – FED (Frame End Delimiter).

• Os dispositivos conectados à rede ficam monitorandocontinuamente o barramento por um FSD.

• Quando um FSD for recebido, cada dispositivo decodificao próximo campo (endereço) para descobrir se ele é odispositivo endereçado.

• Intervalos de até 1 segundo podem ocorrer entrecaracteres.

• Se um intervalo maior do que esse ocorrer, o dispositivoreceptor assume que ocorreu um erro.


Frame ASCII

CR/LF:

2 caracteres2 caracteresn caracteres2 caracteres2 caracteres1 caractere

FimVerificação LRCDadoFunçãoEndereçoInício


Delimitadores de Frame RTU

• O início das mensagens é definido por intervalo de silêncio de pelomenos 3.5 vezes o tempo de transmissão de um caractere.

• Implementado como um múltiplo do tempo de transmissão de umcaractere na taxa de transmissão que está sendo utilizada.

• Os dispositivos conectados à rede ficam continuamente monitorandoo barramento, inclusive nos intervalos de silêncio.

• Quando o primeiro campo (endereço) é recebido, cada dispositivodecodifica-o para descobrir se é o dispositivo endereçado.

• Ao final do frame, um intervalo similar de pelo menos 3.5 vezes otempo de transmissão de um caractere marca o final da mensagem.

• Uma nova mensagem pode iniciar após esse intervalo.


Frame RTU• Toda a mensagem deve ser transmitida com um fluxo

contínuo.• Se um intervalo de silêncio maior que 3.5 vezes o tempo

de transmissão de um caractere (palavra de dados - 11bits) ocorrer antes do término do frame, o dispositivoreceptor detecta a mensagem incompleta e assume que opróximo byte será o campo endereço de um novo frame.

• Se um novo frame começa antes de 3.5 vezes o tempode transmissão de um caractere após o frame anterior, odispositivo receptor irá considerá-la como umacontinuação da mensagem anterior.

• Isto irá causar um erro, pois o valor do campo CRC nãoserá válido para as mensagens combinadas.


Frame RTU

T1-T2-T3-T416 bitsn x 8 bits8 bits8 bitsT1-T2-T3-T4

FimVerificaçãoCRCDadoFunçãoEndereçoInício


Temporização RTU


Temporização RTU

1 mss38400 kbps

2 ms573 s19200 kbps

4 ms1.15 ms9600 kbps

T3.5xT11 bitsTaxa de Transmissão


Endereçamento• O mestre inicia a comunicação enviando um byte com o

endereço do escravo para o qual se destina a mensagem.• Ao enviar a resposta, o escravo também inicia o

telegrama com o seu próprio endereço, possibilitandoque o mestre saiba qual escravo está lhe enviando aresposta.

• O mestre também pode enviar uma mensagem destinadaao endereço 0 (zero), o que significa que a mensagem édestinada a todos os escravos da rede (broadcast).

• Nesse caso, nenhum escravo irá responder ao mestre.• Quando o protocolo Modbus é utilizado em redes de

mais alto nível hierárquico, broadcasts não sãopermitidos ou são substituídos por outros métodos.


Exemplo de uso de funções• Mensagem do mestre para um escravo para ler um grupo de

registrador do tipo holding:– código de função: 0000 0011 (03h)

• Se o escravo efetuar a ação requisitada sem erro, ele retorna omesmo código na sua resposta.

• Se ocorrer uma exceção, ele retorna: 1000 0011 (83h)• Além disso, o escravo insere um código único no campo de dados

da mensagem de resposta. Assim, o mestre sabe o tipo de erro queocorreu, ou a razão para a exceção.

• O programa de aplicação do dispositivo mestre tem aresponsabilidade de tratar as respostas de exceção.

• Exemplos típicos: enviar novamente a mensagem mais tarde,tentar mensagens de diagnóstico para o escravo e avisar ooperador da máquina.


Códigos de função do Modbus

Funções públicas (public function codes)1 ... 64

Funções definidas pelo usuário (user-definedfunction codes)65 ... 72


Funções definidas pelo usuário (user-definedfunction codes)100 ... 110



Exemplos de Funções públicas ModbusC ó d i g o d a

F u n ç ã o

C ó d i g oS u b -

C ó d i g o( h e x )

E n t r a d a s D i s c r e t a s F í s i c a s( P h y s i c a l D i s c r e t e I n p u t s )

R e a d I n p u t D i s c r e t e 0 2 0 2

R e a d C o i l s 0 1 0 1

W r i t e S i n g l e C o i l 0 5 0 5Ac

ess

oao

Bit

(Bi t

Ac

ce

s s)

B i t s I n t e r n o s ( I n t e r n a l B i t s ) o uB o b i n a s F í s i c a s ( P h y s i c a lC o i l s ) W r i t e M u l t i p l e C o i l s 1 5 0 F

R e g i s t r o s d e E n t r a d a F í s i c o s( P h y s i c a l I n p u t R e g i s t e r s )

R e a d I n p u t R e g i s t e r 0 4 0 4

R e a d M u l t i p l eR e g i s t e r s

0 3 0 3

W r i t e S i n g l e R e g i s t e r 0 6 0 6

W r i t e M u l t i p l eR e g i s t e r s

1 6 1 0

R e a d / W r i t e M u l t i p l eR e g i s t e r s

2 3 1 7

Ac

esso

a 1

6 B

i ts

( 16

Bi t

s A

cc

es s

)

I n t e r n a l R e g i s t e r s o u P h y s i c a lO u t p u t R e g i s t e r s

M a s k W r i t e R e g i s t e r 2 2 1 6

R e a d F i l e R e c o r d 2 0 6 1 4

Ac

ess

o d

e D

ad

os

( Da

t a A

cc

es s

)

F i l e R e c o r d A c c e s sW r i t e F i l e R e c o r d 2 1 6 1 5

E n c a p s u l a t e d I n t e r f a c eR e a d D e v i c eI d e n t i f i c a t i o n

4 3 1 4 2 B


Funções definidas pelo usuário

• Há duas faixas para os códigos das funçõesdefinidas pelo usuário: 65 a 72 e 100 a 110decimal.

• O usuário pode selecionar e implementar umcódigo de função sem aprovação dacomunidade modbus.

• Não há garantia de que o uso da funçãoselecionada será único.

• Para tornar função pública: procedimento RFC(Request For Comments).


Controle de erros• As redes Modbus utilizam dois tipos de checagem de

erros: parity checking (checagem de caractere) emessage frame checking (checagem do frame).

• A checagem de paridade pode ser opcionalmenteaplicada a cada um dos caracteres transmitidos.

• A checagem de frame (que pode ser por LRC ou CRC)é aplicada sobre toda a mensagem.

• Ambas as checagens de erros são geradas no dispositivomestre e aplicadas ao conteúdo da mensagem antes delaser transmitida.

• O dispositivo escravo confere cada caractere e amensagem inteira durante o recebimento da mensagem.


Controle de erros• O mestre é configurado pelo usuário para esperar por

um determinado intervalo de timeout antes de abortar atransação.

• Esse intervalo é ajustado para ser suficiente longo demodo que qualquer escravo possa respondernormalmente.

• Se o escravo detectar um erro de transmissão, ele nãoirá construir uma mensagem para o mestre comoresposta.

• Assim, o tempo de timeout irá expirar e dessa forma oprograma do mestre pode tratar o erro.

• Uma mensagem endereçada a um dispositivo escravonão existente também irá gerar um erro de timeout.


Controle de erros• O usuário pode configurar dispositivos para realizar

checagem de paridade (par, ímpar ou sem paridade).• Se for especificada paridade par ou ímpar, a quantidade

de bits será contada na porção de dados de cada caractere(sete bits de dados para modo ASCII ou oito para RTU).

• Todos os dispositivos da rede devem ser configuradospara usar o mesmo método de checagem de paridade.

• Checagem de paridade pode detectar um erro se umnúmero ímpar de bits foi modificado.

• Se não for especificada checagem de paridade, não há bitde paridade. Nesse caso, um stop bit adicional étransmitido para completar o caractere.


Controle de erros• No modo ASCII as mensagens incluem um campo de checagem de

erros, baseado no método LRC.• O campo LRC verifica o conteúdo da mensagem, excluindo os

caracteres de início e final da mensagem.• Isto é realizado independentemente do método de checagem de paridade

utilizado para os caracteres individuais da mensagem.• O campo LRC contém um valor binário de 8 bits.• O valor LRC é calculado pelo dispositivo transmissor, que acrescenta o

LRC à mensagem.• O dispositivo receptor calcula o LRC durante o recebimento da

mensagem e compara esse valor com o valor recebido no campo LRC.Se os dois valores não são iguais, resulta num erro de transmissão.

• O LRC é calculado somando sucessivamente os bytes da mensagem edescartando eventuais carries (restos) e então fazendo o complemento 2do resultado. Isto é executado sobre o conteúdo do campo da mensagemASCII, desconsiderando os caracteres que delimitam o início e final damensagem.


Controle de erros• No modo RTU, o método de checagem de erros

utilizado para o frame é o CRC (Cycling RedundancyCheck).

• O campo CRC verifica o conteúdo da mensagem,excluindo os caracteres de início e final da mensagem.

• Isto é realizado independentemente do método dechecagem de paridade utilizado para os caracteresindividuais da mensagem.

• O valor CRC é calculado pelo dispositivo transmissor,que acrescenta o CRC à mensagem.

• O dispositivo receptor divide os bits recebidos pelopolinômio gerador. Se o resto da divisão não for zero,houve erro.


Controle de erros• O cálculo do CRC é iniciado carregando-se uma variável de 16

bits com o valor FFFFh. Depois são executados os seguintespassos:1. Submete-se o primeiro byte da mensagem (somente os bits de dados – o

start bit, o bit de paridade e o stop bit não são utilizados) a uma lógica XOR(OU exclusivo) com os 8 bits menos significativos da variável CRC,retornando o resultado na própria variável CRC.

2. A variável CRC é deslocada uma posição à direita, em direção ao bit menossignificativo, e a posição do bit mais significativo é preenchida com 0(zero).

3. Após esse deslocamento, o bit de flag (bit que foi deslocado para fora davariável CRC) é analisado, ocorrendo o seguinte:

4. Se o valor do bit for 0 (zero), nada é feito.5. Se o valor do bit for 1, o conteúdo da variável CRC é submetido a uma

lógica XOR com um valor constante de A001h (polinômio gerador) e oresultado é retornado à variável CRC.

6. Repetem-se os passos 2 e 3 até que oito deslocamentos tenham sido feitos.7. Repetem-se os passos de 1 a 4, utilizando o próximo byte da mensagem, até

que toda a mensagem tenha sido processada.


Variantes• Variantes do protocolo original:

– MODBUS PLUS:» protocolo de maior velocidade baseado em token-passing» usa a estrutura de mensagens do MODBUS original.» Os chips MODBUS PLUS são disponibilizados pela

Schneider Automation através de um programa chamadoMODCONNECT.

– MODBUS TCP/IP:» usa TCP/IP e Ethernet para transportar a estrutura de

mensagens MODBUS.» requer uma licença, mas as especificações são de acesso

público e não há royalties.


MODBUS - Conclusão• Segundo revista Control Engineering, o protocolo

Modbus é utilizado em 16% das aplicações de motioncontrol (sistemas de controle de velocidade e posição)em rede.

• A pesquisa também mostra, que a maioria dos sistemasde motion control ainda opera de modo independente(stand alone) - 80% contra 38% de sistemas em rede.

• Dos sistemas que operam em rede: 62% usamDeviceNet, 22% Profibus-DP e 16% Modbus.


Redes IBM

• A IBM introduziu a tecnologia de token-passing eoferece uma série de soluções para redes, incluindo,entre outros:

Rede Token-Ring (IEEE 802.5)

Rede Token-Bus (IEEE 802.4)

Diversos softwares para redes (NetBios, PC-LAN,LAN-Server, etc.)

Redes baseadas em uma arquitetura própriadenominada SNA (Systems Network Architecture)


Redes IBMAplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

Usuário

serviços NAU

Fluxo Dados

ControleTransmissão

ControleCaminho

ControleEnlaceLigaçãoFísica

Arquitetura SNA


UCA• UCA = Utility Communications Architecture.• Inicialmente visava integrar dispositivos na área de energia

elétrica.• Hoje também usado em instalações de gás, óleo, água e esgoto.• Proposto pelo IEEE e o EPRI (Electric Power Research Institute).• Atualmente na versão 2.0, especificada no IEEE Technical Report

1550 (IEEE TR 1550), de julho de 1999.• Padrões:

– IEC 61850 para automação de subestações;– IEC 60870-6 TASE.2 para troca de dados TR entre centros de controle;– IEC 61970 nos centros de controle;– IEC 61968 para interface do sistema de distribuição.


UCAHistórico:


UCA

EthernetSLIP, PPP

EthernetSLIP, PPP

EthernetSLIP, PPP

LLC3ADLC FT3

sobreEthernet

LLC3802.4

Token Ring

LLC1ADLC FT3

ou Ethernet

LLC1ADLC FT3

LLC1ADLC FT3ou UCA 1



21

IPIPIPauxiliarCLNPCLNPCLNP3

UDPTP4CLTPUDP

TP0TCP

TP4CLTPTP44

CL-SessaoSessãoSessãoFastByteSessão

CL-SessaoSessão5

CL-Apres.Apres.Apres.FastByteApres.

CL-Apres.Apres.6

MMSCL-ACSE

MMSACSE

MMSACSE

MMSACSE

MMSMMSCL-ACSE

MMSACSE

MMSACSE

MMSCL-ACSE

MMSACSE

7

TCP/IPRFC 1240

TCP/IPRFC 1070

TCP/IPRFC1006

EthernetFAISReduc.CL

Reduc.CO

Mod 7CO

WAN 7CL

Full 7CO

7 camadas 3 camadas TCP/IP


Industrial Ethernet

• Propostas para TR divididas em 2 categorias:– Soluções não compatíveis com Ethernet normal:

em geral usam outro MAC acima do existente e sófuncionam se todos os nós são modificados domesmo modo (outro MAC usa protocolodeterminista como master-slaves, tokens, TDMA,etc.).

– Soluções compatíveis com Ethernet normal:» Soluções Homogêneas: só mantém determinismo se

todos os nós são RT, mas a rede funciona na presença denós convencionais (porém sem determinismo).

» Soluções Heterogêneas: estações modificadas temcomunicação determinista entre elas, mas podem haverestações convencionais na rede (sem determinismo).Determinismo depende do uso de SW especiais.


Industrial Ethernet

• Varias soluções definidas no padrão IEC 61158– MODBUS TCP, MODBUS RTPS, PROFINET

CBA, Ethernet/IP: redes adaptadas para ambienteindustrial, mas sem determinismo garantido.

– Ethernet Power-link (EPL), Ethernet for PlantAutomation (EPA), P-Net on IP, VNET/IP, TCnet,EtherCAT, SERCOS III, PROFINET IO: usamMAC adicional para determinismo.

– PROFINET CBA: não usa TCP/UDP e IP, mas simcamadas 3 e 4 especificas.

• Todas tem camada 7 adaptada para aplicaçõesindustriais.


Industrial Ethernet

[J.D. Decotignie]


Redes para Automação Prediale Residencial


LON

• LON (Local Operating Network): desenvolvida pela empresaEcholon em 1990

• Aplicações alvo:

– automação predial (imótica)

– automação doméstica (domótica)

– automação de escritórios

– automação industrial.

• Protocolo de comunicação LonTalk é implementado noprocessador dedicado NeuronChip, produzido pela Motorola eToshiba.


LON

• O NeuronChip é composto dos seguintes elementos: 3 processadores de 8 bits (1° executa MAC, 2° serviços

gerais de comunicação, 3° aplicações do usuário); Porta de conexão ao transceiver, através do qual o

NeuronChip se conecta ao meio; Pinos de entrada e saída, reset, clock e alimentação (5V); Acesso a um número de série de 48 bits definido pelo

fabricante; Um timer programável; Sistema de memória, contendo 10 Kbyte ROM, 1 Kbyte

RAM e 512 Bytes EEPROM para parâmetros de rede; 3 temporizadores Watch-Dog (1 para cada processador);


LON• LonTalk é baseado no RM-OSI e implementa 7 camadas.

• Ferramentas de suporte LonWorks incluem:

NeuronChip;

Protocolo LonTalk;

Transceivers que permitem ligar o NeuronChip ao meio

físico;

LonBuilder Developer's Workbench: sistema de

desenvolvimento orientado a objetos para projeto,

implementação e teste de nós LON.


LON• Camada física: transceivers oferecidos pela Echolon:

FTT-10: par trançado, taxa de 78 Kbps, 127 nós em umbarramento de até 2.700 metros ou segmentos de até 500metros com topologia em estrela ou anel;

LPT-10: par trançado, taxa 78 Kbps, 32 nós com 100 mAcada, 64 nós com 50 mA ou 128 nós com 25 mA,barramento de 2.200 metros ou segmentos de até 500 metroscom topologia em estrela ou anel, alimentação pelo fio darede;

TPT/XF-78: par trançado, taxa de 78 Kbps, barramentocom 2.000 metros, 64 nós;

TPT/XF-1250: semelhante ao anterior, mas com taxa detransmissão de 1.25 Mbps para distâncias de até 500 metros;


LON

• Camada física: transceivers oferecidos pela Echolon:

PLT-10A: utiliza como meio físico a rede elétrica por meio datecnologia spread spectrum (técnica especial de transmissãousada em sistemas com elevados níveis de interferência),operando na faixa de freqüência de 100 KHz até 450 KHz comtaxa de transmissão de 10 Kbps;

PLT-20: idem ao anterior, mas com freqüência de 125 KHz a140 KHz com taxa de transmissão de 5.4 Kbps;

PLT-30: idem aos anteriores, mas com freqüência de 9 a 95KHz e taxa de 2 Kbps.


LON

• Transceivers de outros fabricantes:

RF-300: usa sinais de rádio freqüência de 300MHz, taxa detransmissão de 1.200 bps (rede sem fio);

RF-450: idem, com 450 MHz e taxa de 4800 bps;

RF-900: idem, com 900 MHz e taxa de 39 Kbps;

IR: usa sinais em infravermelho, com taxa de transmissão de78 Kbps;

Fibra ótica: taxa de transmissão de 1.25 Mbps;

Cabo coaxial: taxa de transmissão de 1.25 Mbps.


LON• Camada de enlace:

– subcamada MAC: CSMA preditivo p-persistente com detecção de colisão e atribuiçãode prioridades às mensagens (comportamentopreditivo quando é usado serviço comreconhecimento)

– subcamada LLC: serviços sem conexão (com ousem reconhecimento) e oferece funções demontagem de quadros e checagem de erros comCRC.

• Elementos para interconexão de subredes LON:– roteadores (ex.: RTR-10)– pontes


LON

Nó Nó Nó Nó

Par trançado

Nó Nó Nó Nó

Router

Rede elétrica

Router

Nó RF Nó RF Nó RF

RouterNó

NóNó

Nó

Fibra ótica


LON• NeuronChip programado em Neuron C (orientação a objetos,

suporte a programação concorrente, 37 novos tipos de dadosdefinidos na especificação SNVT [Standard Network VariableTypes] e mecanismos de passagem de mensagem).

• LON ainda pouco conhecido no Brasil.• Mais de 1 milhão de nós de rede LON instalados nos Estados

Unidos.• Em 1994 criado grupo "LonMark Interoperability Association”

(inclui empresas como Honeywell, Detriot Edison, IBM, Microsofte Leviton).

• Esta associação executa testes e certificação de conformidade paraprodutos que queiram ter o logotipo LonMark e define diretivaspara interoperabilidade.


LON• A maioria dos nós LON instalados estão em aplicações de

automação predial e residencial.• Existem estações baseadas no NeuronChip para:

– controle de lâmpadas e eletrodomésticos;– termostatos e sistemas HVAC (Heating, Ventilation and Air

Conditioning, ou calefação, ventilação e ar condicionado);– sensores de presença e segurança em geral;– sensores de luminosidade ambiente;– equipamentos de áudio e vídeo (por exemplo, Home

Theaters);– gerenciamento de energia;– controle otimizado de elevadores;– subsistemas de água e gás (válvulas, sensores de nível e outros

componentes), etc.


Redes para Ambientes Submarinos


Redes Acústicas

• Comunicação subaquática tradicionalmentelimitada a aplicações militares (submarinos,torpedos teleguiados, sonares).

• Primeiro sistema de comunicação UWA (Under-Water Acoustic): telefone criado em 1945 paracomunicação com submarinos (águas rasas,modulação FSK de 8 a 11 khz).


Redes Acústicas

• Recentemente surgiram várias aplicações civis:– Exploração submarina para fins científicos;– Soldagem e reparação de cascos de navios e dutos por robôs

submarinos;– Monitoração de poluição;– Veículos submarinos não tripulados (AUV = Autonomous

Underwater Vehicles);– Sensores e atuadores submarinos (sismógrafos, válvulas, etc.);– Comunicação entre mergulhadores;– Montagem/manutenção/operação de plataformas de

exploração/produção de petróleo.


Redes Acústicas

• Geração de sinais:– Sinais de rádio: para boa propagação na água,

requerem ondas de baixíssima freqüência (30 a300 Hz) => antenas grandes e transmissores de altapotencia.

– Sinais óticos: principal problema não é atenuação,mas dispersão.

– Sinais acústicos: melhor solução, podem sepropagar na água por milhares de Km.


Redes Acústicas

• Requisitos para tipos de dados mais usuais:– Sinais de controle (comando de válvulas,

solicitação de status, comandos de navegação paraAUV, etc): requerem cerca de 1Kbps;

– Dados telemetria (hidrofones, sismógrafos, sonares,etc): requerem cerca de 10Kbps;

– Vídeo: requer de 10Kbps a 500Kbps para boa taxaatualização.


Redes Acústicas• Problemas tecnológicos a superar:

– Perda de transmissão: espalhamento de energia eabsorção de som (proporcional ao quadrado dadistância);

– Ruído acústico: pior em águas rasas, portos, etc.– Reverberação: propagação de sinal por múltiplos

caminhos causada por reflexão em obstáculos(desvanecimento de Rayleigh);

– Variações espaciais e temporais do meio(temperatura/densidade água, obstáculos móveis,etc.): problema pior se estações móveis.


Redes Acústicas

• Considerações de projeto de sistemas UWA:– Importante eliminar reverberação (muito pior que

rádio).– Uso de dispositivos direcionados: problemático se

estações móveis;– Técnicas FSK com tempo de espera entre pulsos de

mesma freqüência (espera ecos desaparecerem);– Técnicas Spread-Spectrum;– Uso de equalizadores.


Redes Acústicas

• Tipos de sistemas UWA em uso:– Longo alcance: 20Km até 2.000Km, modulação FSK

de 200Hz até 10KHz, taxas de transmissão baixas(típico: 1 bps);

– Médio alcance: 1Km até 20Km, uso em águas rasas,modulação FSK de 10KHz até 100KHz, 5Kbps;

– Curto alcance: até cerca de 60m, uso para robôs demanutenção e mergulhadores em águas rasas,modulação FSK de 1MHz, taxa de 500Kbps.


Redes Acústicas

• Pesquisas atuais:– Uso de PSK e QAM (Quadrature Amplitude

Modulation) em lugar de FSK;– Testes com sinais capazes de se propagar por todo o

planeta (testado sinal gerado Austrália e lido naCalifórnia/USA);

– Desenvolvimento de ALAN (Acoustic LAN):tendência de usar protocolos MACA e MACAW(IEEE 802.11), multiplexação de canais por TDMou CDMA+Spread Spectrum.


Produtos: Conclusão• Grande variedade de produtos para redes de

comunicação no mercado• Inicialmente, produtos comerciais existentes

desenvolvidos para automação de escritórios• Desde a década de 80 há produtos específicos para

automação• Consenso sobre a necessidade de definir sistemas de

comunicação padronizados• Metas:

– Interoperabilidade: bem aceito– Intercambiabilidade: muito discutido

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Redes Industriais