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REDES INDUSTRIAIS
Wilmar Oliveira de Queiroz
UCG 2 8
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Redes Industriais Tecnologias de automao Conceitos de redes industriais e corporativas Gerenciamento da informao em um processo industrial
Sistemas de automao Industrial Requisitos dos Sistemas Industriais Arquitetura de Controle Industrial
Nvel de Campo Nvel de Controle Nvel de Planta
Principais Componentes de Sistemas Industrias Computadores industriais Sensores e atuadores
Fundamentos de Redes Industriais- Meios Fsicos e Classificao de Protocolos- Modelos ISO/OSI- Acesso ao processo (dados, CRC, etc.).
Sistemas Industriais de Comunicao- Fieldbus Foundation
- Profibus- Devicenet- Interbus- AS-I- Modbus- DPN 3.00
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Tendncias Tecnolgicas- A Integrao Processo e Administrao- Aplicaes Especiais (medicina, robtica, etc.).- Ethernet Industrial (HSE)- Redes Wireless e Wire Wap (conceituao e aplicaes)- Tendncias de Integrao de Camadas
Implantao de Redes Industriais- Anlise de processo- Especificao- Projeto- Desenvolvimento- Implantao
Novos Conceitos de Controle e Gesto de Processos- OPC ServerConceitos, Estrutura e Aplicaes.- A Internet como Ferramenta na Gesto de Processos
Gesto Tcnica de Processos Automatizados- Gestores Envolvidos e suas Relaes- A importncia das redes no Supply Chain Management
Exemplos de Utilizao de Redes Industriais
Estudos de casos
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Sistemas de Automao Industrial Requisitos dos Sistemas Industriais Arquitetura de Controle Industrial
Nvel de Campo Nvel de Controle Nvel de Planta
Principais Componentes de Sistemas Industriais Computadores Industriais Sensores e Atuadores
Consideraes Finais
Redes Industriais de Comunicao
Requisitos de Tempo-Real Classificao de Sistemas e Tempos de Entrega Escalonamento de Mensagens
Arquitetura do Sistema de Comunicao Industrial Camadas OSI Camadas OSI Aplicadas Indstria
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Topologias de Redes Industriais Topologias de Rede
Topologia Estrela Topologia de Barramento Topologia em Anel
Interconectores de Rede Hub Switch
Funcionamento Mtodos de encaminhamento
Store-and-forward Cut-through Adaptative Cut-through Vantagens do Uso de Switches em Redes Industriais
Ethernet Industrial A Rede Ethernet
Algoritmo CSMA/CD Componentes Principais de Sistemas Ethernet
Ethernet e as Restries de Tempo Real Determinismo em Redes Ethernet Velocidade de Comunicao Domnios de Coliso com Switches Redundncia de Links com Switches
Exemplos de Aplicaes Industriais Baseadas em Redes Ethernet Linha de Produo Automotiva Ethernet no Controle de Navios
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Sute de Protocolos TCP/IP Camadas
Arquiteturas de Comunicao Ponto-a-Ponto Mestre-Escravo Cliente-Servidor Produtor/Consumidor
Implementao Arquitetura da Soluo Proposta
RTnet Servios Bsicos Gerenciamento de Pacotes Implementao UDP/IP Camada de Driver Media Access Control em Tempo Real Camada MAC Disciplina TDMA Servio de Configurao Tempo Real
O Protocolo RTPS / ORTE Arquitetura Mecanismos de Comunicao
ORTE Implementao da Base de Dados Arquitetura Proposta
Implementao
Resultados Obtidos e Anlise
Concluses Referncias Bibliogrficas
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Histrico
Comunicao uma necessidade primordial: Local: fala, gestos Longa distncia: sinais de fumaa, pombo correio,
maratonistas Telgrafo em 1938 por Samuel Morse Telefone, Rdio, TV, TV a cabo, Internet
Fuso do processamento da informao com a
comunicao Sistemas computacionais Revoluo da Comunicao pode ser
comparada Revoluo Industrial?
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Histrico
Ambiente industrial Mudanas conceituais e nos projetos Automao industrial
Automao predial Integrao de sistemas: CIs e mdulos dedicados Padronizao desses mdulos:
Intercambiabilidade Interoperabildade Expansividade
Reduo de custos Novos modos de gesto/manuteno
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Histrico
SDCDSistema Digital de Controle Distribudo Computadores especficos:
S.O.
Programas aplicativos de controle e superviso Hardware
Configurao de dispositivos de I/O
Capacidade de processamento
Memria de programao
Quantidade de I/O Interface com o usurio/operador
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Histrico SDCDSistema Digital de Controle Distribudo
Arquitetura: Estaes locais de interface com o processo:
Controle contnuo e sequncial Monitorao Comunicao com controladores de malha simples
Interface H-M interativa para superviso e monitorao do processo(monitor e teclado)
Redes de comunicao redundante (cabo coaxial ou fibra ptica) So usados em processos no industriais
Sistemas de gua e esgoto Energia eltrica
Telecomunicaes Automao predial Controle de utilidades Deteco e alarme de incndio Controle de acesso
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Histrico
Desenvolvimento dos CLPs (Controladores
Lgicos Programveis), das IHM (InterfaceHomem Mquina), dos sensores, atuadores e
sistemas de comunicao levaram a: SDCDs com arquiteturas mais flexveis
Custo menor com mais eficincia e confiabilidade
Implementaes atuais so Redes de CLPs
gerenciadas por SCADA (Supervisory Controland Data Acquisition)
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CIM
CIM (Computer Integrated Manufacturing) Sistemas que gerenciam processos de forma
integrada (Manufatura Integrada por
Computador) Caractersticas:
Vrios nveis (hierarquia) Protocolos diferentes para cada nvel
Controle distribudo Centralizao das macro-decises Integrao das gerncia tcnico e administrativa
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CIM
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CIM
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CIM
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CIM
Atualmente a base de um CIM formadapor: SDCD, que atua nos nveis:
Controle
Processo (execuo, campo)
SCADA, que atua em todos os nveis
Redes de comunicao, que utilizamprotocolos industriais (fieldbus)
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Arquiteturas Incio: baseavam-se em Controladores de Malha nica de
Realimentao (SLCSingle-Loop Controllers) Nos anos 60: Controles Digitais Diretos (DDCDirect Digital
Controller) Grande nmero de malhas em um nico computador Cada computador centraliza todas as informaes e funes de controle
Nos anos 70/80: Sistemas de Controle Distribudo (DCSDistributedController Sistem)
Nos anos 90: SDCDSistemas Digitais de Controle Distribudo, que um misto de SLC e o DDC Malhas de controle em pequenos grupos Cada grupo tem seu prprio processamento (controlador)
Controladores so conectados atravs de um barramento decomunicao de dados (Data Highway Bus) O barramento normalmente duplicado Razes para se usar o processamento distribudo e paralelo
Tempos de resposta necessrios em alguns processamentos podem no seralcanados com um nico processador
Mltiplas cpias dos componentes dos sistemas levam a uma maior
flexibilidade e redundncia Algumas aplicaes so, por natureza, geograficamente distribudas
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Arquiteturas
Unidadede
Controle
Unidadede
Controle
Unidadede
Controle
Unidadede
Controle
Unidadede
Controle
Data highway
Duplicao
Sensores/Atuadores
Sensores/Atuadores
Sensores/Atuadores
Sensores/Atuadores
Sensores/Atuadores
Estrutura de um SDCD com barramento duplo
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Topologias
A topologia refere-se forma com que os enlaces fsicose os ns de comutao esto organizados
Estrela N central (mestre) se comunica com cada um dos demais ns
(escravos) No existe comunicao direta entre dois escravos A gerncia das comunicaes feita pelo mestre Os escravos podem ter protocolos e/ou velocidades de
transmisso diferentes
Cada n interligado rede atravs de uma interface de acessoao meio Falhas em um n escravo afetam somente o n defeituoso Falha no n central compromete toda a rede
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Topologias - Estrela
ModemModem
Workstation IBM Compatible Mac II
Workstation
IBM PS/2Terminal Copy machine
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Topologias - Anel
Ligao sequencial fechada entre todas as estaes detrabalho da rede
Ligaes so unidirecionais e os dados circulam no anel As estaes so conectadas atravs de repetidores
Uma estao coloca seus dados no anel enviando suamensagem para a estao seguinte A mensagem passa de estao em estao at o seu
destino A mensagem retirada do anel ou pela estao de
origem, ou de destino ou pela estao controladora Falhas em uma estao afeta somente essa estao Falhas no anel ou nos repetidores comprometem toda a
rede
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Topologias - Anel
ANEL
Workstation
IBM Compatible
Mac II
Workstation
IBM PS/2
Terminal
Copy machine
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Topologias - Barramento
As estaes esto conectadas a um barramento
Todos os dados enviados so recebidos portodas as estaes
O controle de acesso ao meio, normalmente, distribudo
Falha em uma estao afeta somente essa
estao Falha no barramento compromete toda a rede
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Topologias - Barramento
BARRAMENTO
Workstation IBMCompatible Mac II
Terminal Copy machine
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Modelo OSI
Modelo OSI
APLICAO
APRESENTAO
SESSO
TRANSPORTE
REDE
ENLACE
FSICA
A
AA
S
T
R
E
F
AA
S AA
T S AA
R T S AA
E R T S AA
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
S
S
S
S
S
T
T
T
T
R
R
R
E
E F
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Modelo OSI
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Modelo OSI
Camada Fsica Responsvel pela ativao, desativao e
manuteno do sinal no meio fsico Define a interface eltrica e mecnica com a rede:
RS-232, RS-422, RS-485, V.35, G.703, RJ-45, etc. Define o tipo do sinal: digital/broadband ouanalgico/baseband
Define o tipo de conexo: ponto-a-ponto oumultiponto
Define o sentido de transmisso: simplex, halfduplexe fullduplex Define a forma de multiplexao do sinal: FDM, TDM Equipamentos: repetidores, hubs, modens e
multiplexadores
Unidade de dados: bit
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Modelo OSI
Camada de Enlace Gerenciamento do enlace Deteco e correo de erros causados pelo meio
fsico
Controle de fluxo dos dados Enquadramento da mensagem Endereamento fsico na rede Controla o acesso ao meio Protocolos: IEEE 802.2 (LLC), Frame Relay, SDLC,
HDLC, SLIP, PPP Equipamentos: bridges e switches Subcamadas: LLC e MAC:Ethernet, Token Ring,
FDDI
Unidade de dados: quadro
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Modelo OSI
Camada de Rede Realiza o roteamento dos pacotes Compatibilizao entre redes de tecnologias
diferentes
Controle de fluxo dos dados Servios: datagrama (correio eletrnico, transferncia
de arquivos, etc.) e circuito virtual (aplicaes emtempo real, etc.)
Pode fragmentar/remontar os pacotes
Endereamento lgico Protocolos: IP, IPX, XNS, CLNP Unidade de dados: datagrama ou pacote
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Modelo OSI
Camada de Transporte Comunicao fim-a-fim Controle de erros fim-a-fim Segmentao e blocagem Controle de fluxo fim-a-fim (buffers, janelamento) Gerenciamento da conexo Multiplexao de aplicaes Oferece os servios confivel ou no Endereamento da aplicao: port Protocolos: TCP, SPX (Sequenced Packet
eXchange), TP4 (Transport Protocol Class4), etc
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Modelo OSI
Camada de Sesso Sincronizao das tarefas entre mquinas Gerenciamento de dilogos e de atividades Controla o intercmbio de dados Estabelece, gerencia e finaliza sesses entre
aplicaes Protocolos: NetBIOS (Network Basic Input Output
System - IBM/Microsoft), Netware RPC (Novell),
VINES NetRPC (Banyan), ASP (AppleTalk SessionProtocol- Apple), DNASCP (Digital NetworkArchitecture Session Control Protocol- DEC)
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Modelo OSI
Camada de Apresentao Interpretao e representao/sintaxe dos dados
(codificao)
Uniformiza o formato de dados Compresso de dados, criptografia
Segurana e privacidade da rede
Codificao de textos e dados: EBCDIC, ASCII
Codificao de grficos e imagens: CGM, PICT, TIFF,JPEG
Codificao de sons e animaes: WAV, MPEG
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Modelo OSI
Camada de Aplicao Servios transparentes para o usurio
Aplicaes para estaes: Processador de textos,
Banco de dados, Planilha de clculo Aplicaes para rede: Correio eletrnico,
Transferncia de arquivos, Emulao de terminal,gerenciamento
Elementos de servio genrico: ACSE, ROSE, RTSE Elementos de servio especfico: FTAM, VT, X.400,
MHS
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Modelo OSI x TCP/IP
Aplicao-Aplicaeseprocessos
queusamarede
Transporte-Transportededadosfim-a-fim, confivel ouno
Internet -Roteamentodedatagramanarede
AcessoRede-Acessoaonvelfsicodarede
TransporteTransportefim-a-fimcomcorreodeerros, confivel ouno
Rede-Transfernciadepacotesnaredeatravsdoroteamento
Enlace-Comunicaoconfivel, ouno,ponto-a-ponto
FsicoTransmissodebitsnomeiofsico.Caractersticasfsicasdarede
Aplicao-Aplicaesqueusamarede:emulaodeterminal, transfernciadearquivo
Apresentao-Padronizaodarepresentaodosdadosecriptografia
SessoEstabelecimentoemanutenodesesses, gernciadedilogosentreaplicaes
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Arquitetura TCP/IP
TCP UDP
ICMP IGMPIP
ARP RARP
MEIO FSICO
INTERFACE DE HARDWARE
FTP TELNET SMTP DNS RPC SNMP TFTP
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Controle Centralizado
Os dispositivos ficam em um mesmo ambiente Vrios computadores compartilham um barramento comum Solues comerciais mais utilizadas:
UME FUTUREBUS
S100 MULTIBUS II GPIB (General Purpose Interface Bus) 488 da IEEE (substituiu o S100)
O controlador mestre executa tarefas de controle global Comunicao com os nveis de controle superior Operaes de sincronizao Coordenao de movimentos Clculos
O escravo opera em nvel de atuador Tarefas de controle ou malha fechada Processamento de sinais
Medidas
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Controle Distribudo
Os controladores, atuadores e transdutores sodistribudos espacialmente
So conectados por uma rede de comunicao
chamada FIELDBUS, ou barramento de campo O cabeamento bastante reduzido
O controlador coleta informaes de vrios
transdutores, e baseado nos algoritmos dosprogramas aplicativos, controla vrios atuadores
As tarefas de controle so centralizadas
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Transmisso de sinais
Comunicao paralela Ocorre entre sistemas digitais localizados prximos
um do outro
So enviados vrios bits de cada vez O meio de transmisso composto de vrios canais,um para cada bit
Para grandes distncias muito caro
mais complexa que a serial As velocidades so maiores
Apresenta baixa imunidade a rudos
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Transmisso de sinais
Comunicao serial Os dados so transmitidos em uma sequncia serial
de bits
menos complexa que a paralela Utiliza apenas um canal de comunicao
As velocidades so menores
O custo menor
Maior imunidade a rudos Modos de comunicao:
Sncrono
Assncrono
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Transmisso serial sncrona
Necessita de um sincronismo entre os sistemasde comunicao Um dos sistemas deve gerar o clock (largura do
pulso) Os sistemas transmitem e recebem os dados comoregistradores de deslocamento (shift-registers)entrada paralela e sada serial
O tempo dividido em intervalos de tamanho fixo(corresponde a um bit)
No necessita de sinais adicionais de incio e fim damensagem
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Transmisso serial assncrona
No necessrio gerar clock O clock interno em cada sistema mas devem ter a mesma taxa de
transmisso de dados (baud rate) O controle de tempo de uma sequncia de bits (byte) muito
importante
A transmisso feita caracter a caracter (bytea byte) Cada caractere encapsulado por um sinal de starte um de stop Os dados podem ento serem transmitidos aleatoriamente no
tempo Erros podem ocorrer e devem ser tratados:
Paridade (par ou mpar)
Checksum CRC
o mais utilizado pois o hardware mais simples
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Transmisso serial de sinais
Tipos de comunicao Simplex Half-duplex Duplex
Classificao quanto referncia Desbalanceada O sinal de dados tem como referncia o terra dos sistemas
conectados Baixa imunidade a rudos (interferncia somente nos fios de dados)
Balanceada A referncia do terra desconectada entre os sistemas Alta imunidade a rudos (interferncia afeta igualmente o sinal e a
referncia)
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Transmisso serial de sinais
Principais padres de interface serial RS-232
RS-422
RS-485
V.35
USB
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RS-232
Desenvolvido originalmente para as conexes entre DTE (Data TerminalEquipmentmicrocomputadores, terminais, controladores) e DCE (DataComunication Equipmentmodens)
Usa a transmisso desbalanceada com trs fios (tx, rx e terra) Pinos utilizados:
1DCD (Data Carrier Detect)
2 - Rxd (Receive data)3 - Txd (Transmit data)4 - DTR (Data Terminal Ready)5 - SG (Signal Ground)6 - DSR (Data Set Ready)7 - RTS (Request To Send)8 - CTS (Clear To Send)
9RI (Ring Indicator) Usa-se normalmente o conector de 9 pinos (DB-9) Alcance mximo de 15m Bit 0: +5V a +15V na sada e +3V a +15V na entrada Bit 1: -5V a -15V na sada e -3V e -15V na entrada
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RS-232
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RS-232
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RS-422
Usa a transmisso balanceada Utiliza conectores existentes:
DB-9 ou DB-25 com pinagem no padronizada DB-25 com padro RS-530
DB-37 com padro RS-449 usado comumente em comunicaes ponto a
ponto realizadas por um drive dual-state usado em transmisses de longa distncia
(1200m), altas velocidades (dois pares de fiopara transmisso duplex) A verso desbalanceada a RS-423
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RS-485 Desenvolvido pela EIAElectronics Industry Association Somente um par de fio compartilhado para transmisso e recepo
Vantagem: pode-se interligar vrios equipamentos no mesmo cabo Desvantagem: a comunicao deve ser half-duplex, deve existir algoritmo (ou
gerenciador de rede) para gerenciar a transmisso (evitar/tratar colises) No especifica ou recomenda protocolos
O alcance de at 1200m (compatvel com RS-422) Mximo de 32 terminais remotos em cada n da rede que devem ser
endereveis nico PC como mestre da rede Taxa de transmisso: 15m ~ 10Mbps e 1200m ~ 100Kbps Caractersticas eltricas:
Comunicao em modo diferencial com tenso de 5V em relao ao terra
Grande imunidade a IEMInterferncia Eltrico-Magntica devido ao mododiferencial
Obrigatrio o uso de resistores pull-up e pull-down na linha principal e
resistores de terminao da rede para o casamento de impedncia
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RS-485
Transceptor MAX-485 ROentrada para recepo REhabilitao da recepo DEhabilitao da transmisso DIentrada para transmisso GND e Vccalimentao do CI
Aentrada no inversora Bentrada inversora
Normalmente os pinos DE e RE so jumpeados Para transmitir habilita o pino DE e desabilita o pino RE Normalmente o transceptor fica no modo recepo (pino RE ativado)
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RS-485
Exemplo de um sistema RS-485
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RS-485
Exemplo de um sistema RS-485
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RS-232 para RS-485
RS232 para RS485
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RS-485
Aplicao tpica:mestre-escravo Os escravos recebem
um endereo eapenas respondemao mestre (evita-secolises)
O computador centralcontrola vriasmquinas deControle Numrico
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RS-485
Aplicao tpica: half-duplex com todos secomunicando O funcionamento depende do protocolo de
comunicao adotado
Exemplo: sistema de rob da Mecajun/LCVC
A cmera transmite informaes para a placa central,(Vortex86) que envia a s decises para a placa decontrole dos motores. Quando um evento ocorre comos sensores de toque e/ou de luz a informao deveser enviada tanto para os motores como para a placade controle central
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RS-485
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Montagem da rede
RS-485
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RS232, RS423, RS422 e RS485
32102/102Quantidade dedispositivos
1200m1200m1200m15mDistncia mxima
10 Mbps10 Mbps100 Kbps20 KbpsTaxa transm. mxima
+12V a -7V+ - 6 a -0,25V+ - 6V+ - 25VTenso mximacomum
1,5V min
2V mx
2V min
2V mx
2V min
2V mx
5V min
15V mx
Nvel transmisso
>12 KOhm>4 KOhm>4 KOhm3 a 7 KOhmResistncia entrada
+ - 0,3V+ - 0,2V+ - 0,2V+ - 3VSensibilidade entrada
BalanceadaBalanceadaDesbalanceadaDesbalanceadaReferncia
RS485RS422RS423RS232Caractersitcas
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Conectores industriais
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Conversores
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Meios fsicos de transmisso
Par tanado Cabo coaxial Fibra tica
Multimodo com ndice degrau Multimodo com ndice gradual Monomodo
Transmisso sem fio Spread spectrum
Modulao FHSS Modulao DSSS
Modem Transmisso de dados sem fio de uso industrial
Rdio de dados (Data Radios) Rdio MODEM transparente Rdio MODEM inteligente Rdio-telemetria
Rdio-telemetria com integrao de CLP e sistemas SCADA Transmisso de dados via sistema de telefonia mvel celular
SMS x GPRS Bluetooth Zigbee
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Par tranado UTP (Par Tranado No Blindado), originalmente projetado para
voz, o tipo de cabo mais utilizado em razo: Do seu baixo custo, facilidade de instalao, flexibilidade em
mudanas e alteraes Da capacidade de suportar a completa largura de banda Boa resistncia ao crosstalk (as tranas evitam a interferncia
entre os pares do cabo O padro Categoria 5 (CAT5) estabelece os requisitos mnimos
para o cabeamento de telecomunicaes dentro dos prdios ouentre os prdios do campus e o cabeamento UTP mais popularinstalado em comunicao de dados. O CAT5 deve ser capaz desuportar voz ou dados a 100 MHz sobre fios 22 ou 24 AWG
A Categoria 5 enhanced (CAT5e) um padro com requisitosligeiramente superiores ao CAT5.
A Categoria 6 Classe E (CAT6) o padro em estudo pela TIA/EIA.Tanto a CAT6 como a Categoria 7 Classe F (CAT7) so apenaspropostos no existindo padronizao oficial.
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Par tranado
Cabos UTP Blindados vs. No Blindados O ambiente em que ser instalado que determina se o cabo a ser
utilizado dever ser blindado ou no blindado A blindagem a capa que envolve os fios de um cabo e protegem contra a
interferncia e descarga eletromagntica (EMI). Essa atividadeeletromagntica conhecida por rudo
As fontes de EMI em um ambiente de trabalho podem ser motores deelevadores, lmpadas fluorescentes, geradores, compressores,condicionadores de ar e fotocopiadoras
Para proteger os dados em um ambiente ruidoso (nvel elevado de EMI),utiliza-se cabos blindados. O tipo de blindagem mais comum a folhametalizada, porm a malha de cobre oferece maior proteo
Em ambientes de escritrio sem fontes de interferncia pode-se utilizar
cabos no blindados, em escritrios ou lojas movimentadas sujeitas aalguma interferncia recomenda-se o uso de cabos com blindagem de folhametalizada e em ambientes industriais o mais recomendado o cabo comblindagem de malha de cobre.
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Par tranado
Crosstalk Uma das mais importantes diferenas entre os padres CAT5 e os mais novos est
nas especificaes NEXT O NEXT (Near-End Crosstalk) a interferncia no sinal de um par sobre um outro na
mesma extremidade do cabo. O Crosstalk no ocorre apenas no par adjacente (pairto pair NEXT), mas todos os outros pares de um cabo UTP podem interferir comseus prprios nveis em ambas as extremidades do cabo, multiplicando o efeito
dessa interferncia sobre o par transmissor ou receptor Em razo destes nveis de interferncia poder debilitar redes de alta velocidade,alguns fabricantes de cabos comearam a apresentar as taxas de NEXT, FEXT, PS-NEXT, ELFEXT e PS-ELFEXT para seus cabos CAT5e e Categoria 6 (proposto)
O PS-NEXT inclui a soma total de todas as interferncias que podem ocorrer entreum par e todos os pares adjacentes de um cabo
O FEXT mede a interferncia de um par em uma extremidade do cabo em outro parna outra extremidade do cabo
O ELFEXT (Equal-Level Far-End Crosstalk) mede o FEXT em relao ao nvel dosinal recebido medido no mesmo par. Ele mede basicamente a interferncia sem osefeitos da atenuao - o nvel equalizado.
O PS-ELFEXT mede a soma total de todas as interferncias dos pares de umaextremidade em um par da outra extremidade sem os efeitos da atenuao.
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Par tranado
Crosstalk
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Par tranado
Decibel (dB) um termo muito utilizado em diversas reas, como: udio, eletrnica, telecomunicaes, entre
outras Representa o ganho ou a atenuao de um sinal, de um som, etc O decibel uma unidade logartmica que representa uma relao entre um valor de entrada e um
de sada (som, alimentao, voltagem, corrente, campo magntico etc) O resultado desta relao pode ser ganho, quando a sada maior que a entrada (nmero
positivo), ou atenuao, quando a sada menor que a entrada (nmero negativo) O ganho ou atenuao, podem ser calculadas pela frmula 10log(out/in), com log na base 10 e
resultado em dB Alm do decibel apresentado, onde os valores de entrada e sada so variveis, existem algumas
derivaes utilizando um valor de entrada padro fixo O dBm que utiliza um sinal padro de 1 miliwatt resultando na frmula 10log(sada(mw)/1mw) O dBu que utiliza 0,775volts como sinal padro e tem como frmula 20log(tenso de
sada(volts)/0,775volts) O dBVU de sinal padro 250 nano webers/m (medida de campo magntico) e frmula
10log(sada (em nw/m)/(250nw/m)). Como ilustrao, cabos de par tranado CAT5e de boa qualidade apresentam atenuao em
torno de 26,4 dB/100m a 100 MHz e de 53,8 dB/100m a 350MHz. Os Cabos de Fibra pticamultimodo apresentam atenuao menor que 3,75 dB/Km em 850 nm e menor que 1,5 dB/Km em1300 nm. E os cabos de Fibra monomodo em torno de 1 dB/Km em 1300 nm.
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Fibra tica
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Protocolos industriais e prediais
Avano das tecnologias Queda nos preos dos dispositivos
Aumento no uso de sistemas informatizados
Redes locais em ambientes administrativos: Redes corporativas
Redes locais em ambientes industriais:
Redes fieldbus(industriais) Maior confiabilidade Tempo real
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Sistemas de comunicao de dados utilizadospara troca de informaes dentro de processosindustriais e entre processos industriais.
Possuem como requisitos: Boa resistncia mecnica Resistncia a chama, umidade e corrosoAlta imunidade a rudos
Taxa de erros baixa ou quase nula Tempo de acesso e de propagao limitados Tempo entre falhas e tempo de reparo baixos Boa modularidade e possibilidade de interconexo
Protocolos industriais e prediais
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Protocolos industriais e prediais
Os protocolos de campo podem ser separados em trscategorias: Nvel mais baixo (sensorbus)redes de dispositivos simples
(sensores/atuadores em nvel de bitI/O): ASI (Actuator SensorInterface), SERIPLEX, Interbus-S, Profibus-PA, HART
Nvel mdio (devicebus)redes de controladores de campo(comunicao serial entre CLP): CAN (Controller Area Network),Lonworks, DeviceNET, Profibus-DP
Nvel alto (fieldbus)redes de controladores (mestres) paracontroles e instrumentao mais sofisticada: SP50-H2, Ethernet
Industrial, Profibus-FMS
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Protocolos industriais e prediais
Common Industrial Protocol - CIP
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Domnios e aplicaes
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MODBUS O Protocolo Modbus
Desenvolvido pela Modcon em 1979 um protocolo de mensagens, localizado na Camada de Aplicao do
Modelo OSI, que prov comunicao cliente/servidor entre dispositivosconectados por diferentes tipos de barramentos ou redes
Baseado no modelo mestre/escravo Os escravos no podem dialogar entre si
O mestre trabalha em dois modos: modo requisio/resposta: pode enviar mensagem para um escravo(sensor, vlvula, driverde rede, ..) em particular
modo difuso:pode enviar uma mensagem comum a todos os escravos Como o mestre e os escravos esto ligados a um barramento
bidirecional necessrio designar um endereo (de 1 a 247) para cadaescravo (unicast). O endereo 0 usado para broadcast
Atribuies do mestre: Assegurar a troca de informaes entre as ECL (Estaes de Controle
Local) ou ETD (Equipamento Terminal de Dados) Assegurar o dilogo com o operador do sistema (homem/mquina) Assegurar um dilogo com outros mestres ou com um computador (gesto
centralizada do conjunto do processo) Assegurar a programao ou passagem de parmetros para os escravos
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MODBUS
Atualmente implementado usando: TCP/IP sobre Ethernet (MODBUS TCP/IP)
Usado para comunicao entre sistemas de superviso e CLPs Os dados, em formato binrio, so encapsulados em quadros Ethernet e
pacotes TCP/IP Utiliza a porta 502 da pilha TCP/IP
MODBUS PADRO Usado para comunicao dos CLPs com os mdulos de E/S, atuadores devlvulas, transdutores de energia, etc
O Protocolo o Mestre-Escravo Transmisso serial assncrona sobre vrios meios:
EIA/TIA-232-E, EIA/TIA-422, EIA/TIA-485-A, Fibra tica, Rdio
MODBUS PLUS
Rede de passagem de token de alta velocidade Usado para comunicao entre si de CLPs, mdulos de E/S, IHM, etc O meio fsico o RS485, taxa de transmisso de 1 Mbps Controle de acesso ao meio atravs do Protocolo HDLC
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MODBUS
Tipos de Protocolos MODBUS
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Referncia: MODBUS Application Protocol Specification V1.1b
MODBUS
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Referncia: MODBUS Application Protocol Specification V1.1b
MODBUS
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MODBUS
Abreviaturas ADUApplication Data Unit HDLCHigh level Data Link Control HMIHumam Machine Interface IETFInternet Engineering Task Force I/OInput/Output IPInternet Protocol MACMedium Access Control MBMODBUS Protocol MBAPMODBUS Application Protocol PDUProtocol Data Unit
PLCProgammable Logic Controller TCPTransmission Control Protocol TIATelecommunication Industry Association EIA - Electonic Industries Alliance
MODBUS
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MODBUS
Descrio do protocolo O protocolo MODBUS define uma nica PDU,
independente do protocolo de comunicao
O mapeamento (encapsulamento) doprotocolo MODBUS em um barramento ourede especfica introduz alguns camposadicionais, criando a ADU
MODBUS
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MODBUS
Codificao de mensagens As mensagens so constitudas por um conjunto de
caracteres hexadecimais ou ASCII O tamanho mximo da PDU de 253 bytes, ento:
RS232/RS485 ADU = 253 (dados) + 1 (endereo) + 2 (CRC) TCP/IP MODBUS ADU = 253 (dados) + 7 (MBAP)
Os servios so especificados por cdigos de funo Cada servio possui um formato de mensagem para
a requisio e outro para a resposta
Cdigos vlidos vo de 1 a 255, sendo que de 128 a255 so reservados para respostas de exceo. O bitmais significativo o que decide o tipo do cdigo
Cdigos de sub-funo podem ser adicionados aoscdigos de funo para definir mltiplas aes
MODBUS
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MODBUS
Transaes entre mestre e escravo
MODBUS
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MODBUS
O campo dados da mensagem enviada de um mestre para umescravo (dispositivo servidor) contm informaes adicionais queauxiliam o escravo a executar a ao requerida no campo cdigo dafuno, como: Endereos dos registradores (registro inicial) Quantidade de registros a serem lidos
Contador da quantidade de bytes no campo de dados O campo de dados pode no existir. Neste caso o prprio cdigo da
funo sozinho especifica a ao requerida Se no ocorrer nenhum erro na funo especificada na requisio,
a resposta do escravo conter o dado requisitado, caso contrrio ocampo dados conter um cdigo de exceo
MODBUS
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MODBUS
Formato da requisio: N do endereo do escravo (1 byte)
Cdigo da funo a realizar (1 byte) Comandos de escrita ou leitura
Dados Endereo da posio de memria (2 bytes)
Quantidade de operandos (2 bytes) Para mltiplos operandos o 1 byte especifica o operando e o
2 especifica o nmero de operandos Dados a serem escritos no escravo (at 250 bytes)
Controle de erros (2 bytes): CRC-16
MODBUS
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MODBUS
Formato da resposta: N do endereo do escravo (1 byte)
Cdigo da funo realizada (1 byte)
Comando solicitado de escrita ou leitura Dados
Quantidade de dados da resposta (1 bytes)
Dados solicitados para o escravo (at 250 bytes) Controle de erros (2 bytes): CRC-16
MODBUS
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MODBUS
Funes para troca de mensagens Leitura de dados Escrita de dados Difuso de dados (broadcast)
Tipos de dados Dados de 1 bit
Bobinas (coils): podem ser lidos ou escritos no escravo Entradas (inputs): leitura do escravo
Dados de 16 bits (registros) Retentivos (holding): podem ser lidos ou escritos no escravo Entradas (inputs): leitura do escravo
MODBUS
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MODBUS
Alguns cdigos de requisio de servios (comandos)01 - Read coil status: leitura de mltiplos operandos do tipo coil (leitura doestado das sadas discretas)
02 - Read input status: leitura de mltiplos operandos do tipo input (leiturado estado das entradas discretas)
03 - Read holding register: leitura de mltiplos operandos do tipo holding
register (leitura dos valores dos registradores de memria)04 -Read input register: leitura de mltiplos operandos do tipo inputregister (leitura dos valores das entradas analgicas)
05 - Force single coil: escrita de um nico operando do tipo coil (escrita deuma nica sada discreta)
06 - Preset single register: escrita de um nico operando do tipo holdingregister (escrita de um valor em um registrador de memria)
0F - Force multiple coils: escrita de mltiplos operandos do tipo coil(escrita de mltiplas sadas discretas)
10 - Preset multiple registers: escrita de mltiplos operandos do tipoholding register (escrita de mltiplos valores em registradores dememria)
MODBUS
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MODBUS Endereos lgicos dos dados (memria dividida em registradores
de 16 bits) 00001 a 09999coils(solenides, sadas discretas para os atuadoresON-OFF utilizam um bit. Cada registrador comporta 16 sadas)
10001 a 19999inputs(entradas discretas para os sensores ON-OFFutilizam um bit. Cada registrador comporta 16 sadas)
30001 a 39999inputs registers(entradas analgicas utilizamregistradores de 16 bits para os valores obtidos dos conversores A/D apartir do sinais dos sensores analgicos)
40001 a 49999holding registers(registradores de memrias com 16bits para os valores utilizados internamente nos CLPs)
Na prtica todos os endereos lgicos variam de 0 a 9998 e aidentificao est associada ao tipo do servio (cdigo da funo)
Endereos dos dispositivos 0 para difuso De 1 a 247 para os escravos (dispositivos)
MODBUS
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MODBUS
Deteco de erros Checagem de paridade do caracter do frame
Par mpar Sem paridade
Checagem de quadro na mensagem
ASCIILRC (2 bytes) RTUCRC (2 bytes)complemento a 2 da soma de todos os bytes damensagem, exceto os delimitadores
Temporizaes O tempo de linha inativa entre bytes de uma mesma mensagem deve
ser menor que 1,5 tempos de byte Entre duas mensagens consecutivas deve existir um tempo mnimo de
inatividade na linha de 3,5 tempos de byte Existe um atraso mximo (timeout) para receber uma resposta do
escravo. Se o timeout estourar, o mestre faz nova tentativa
MODBUS
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MODBUS
Formatos dos pacotes de comunicao (modo de transmisso) MODBUS ASCII
Os dados so codificados em caracteres ASCII de 7 bits (0 a 9 e A a F) Intervalos
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MODBUS
MODBUS RTU (Remote Terminal Unit) Os dados so transmitidos em formato binrio de 8 bits (0 a 252 bytes) Os delimitadores de incio e fim so um intervalo (silncio) de 3,5 caracteres 11 bits por byte (caractere):
1 start bit 8 bits de dados
1 bit de paridade 1 stop bit
Sem paridade, ento: 2 stop bit
Silncio 3,5 caracter
ENDEREO FUNO DADOS CRCSTART
8 bits 8 bits nx 8 bits
STOP
16 bits silnciosilncio
Formato do quadro usado no MODBUS RTU
MODBUS
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MODBUS
Transmisso de quadros no modo RTU ao longo do tempo com osintervalos mnimos de tempo entre quadros e mximos entre caracteres
Diagrama de tempo em um cenrio mestre/escravo
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MODBUS
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MODBUSRTU CRC (Cyclical Redundancy Checking) O CRC aplicado na mensagem inteira indiferente ao tipo de paridade usado nos caracteres individuais da mensagem Os bits de start, stop e paridade no entram no clculo Os dois bytes so adicionados ao final da mensagem (byte de baixa ordem + byte
de alta ordem) O CRC calculado pelo transmissor. O receptor calcula o CRC e compara com o
valor recebido. Se no so iguais existe um erro e a mensagem descartada
O clculo do CRC feito da seguinte forma:1. Carregue o registrador CRC de 16 bits com FFFF (tudo 1)2. Faa a operao XOR do primeiro byte da mensagem com o byte de mais baixa ordem do
registrador, colocando o resultado no registrador3. Desloque o registrador de um bit para a direita, em direo ao bit LSB, colocando o valor 0
na posio do bit MSB4. Extraia e examine o LSB:
Se LSB=0, volte ao passo 3 e faa novo deslocamento Se LSB=1 faa um XOR do valor do registrador com o valor do polinmio 0xA001 (x15 + x13 + 1)
Repita os passos 3 e 4 at que 8 deslocamentos tenham sido realizados para que um byteseja completamente processado
Repita os passos 2 at 5 para o prximo byte da mensagem. Continue repetindo at quetodos os bytes da mensagem tenham sido processados
O contedo final do registrador o valor do CRC Na mensagem o byte menos significativo colocado primeiro
MODBUS
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MODBUS
ASCII LRC (Longitudinal Redundancy Checking) O LRC aplicado na mensagem inteira indiferente ao tipo de paridade usado nos caracteres individuais da
mensagem Os caracteres : e CRLF no entram no clculo O clculo feito antes de codificar cada byte hexadecimal em dois bytes
ASCII Os bytes de LRC so adicionados ao final da mensagem O LRC calculado pelo transmissor. O receptor calcula o LRC e compara
com o valor recebido. Se no so iguais existe um erro e a mensagem descartada
O clculo do LRC feito da seguinte forma: Adiciona-se, sucessivamente, cada byte da mensagem Os bits de carry so descartados Ao resultado aplica-se o complemento a dois O resultado codificado em dois bytes ASCII O byte mais significativo transmitido primeiro
EXEMPLO DE CLCULO DE CRC PARA OS VALORES 0207
FLAG2 BYTE1 BYTEAO
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SOMAR COM O SEGUNDO BYTE
1110001100011000XOR
0001000000001010FLAG=1, XOR COM POLINMIO
11111001100010010DESLOCAMENTO 8
01111011100100100DESLOCAMENTO 7
1110111101001000XOR0001000000001010FLAG=1, XOR COM POLINMIO
11111111101000010DESLOCAMENTO 6
01111111110010100DESLOCAMENTO 5
1110111100111001XOR
0001000000001010FLAG=1, XOR COM POLINMIO
11111111100110011DESLOCAMENTO 401111111101110110DESLOCAMENTO 3
1110111111111100XOR
0001000000001010FLAG=1, XOR COM POLINMIO
11111111111110110DESLOCAMENTO 2
1111111111111101XOR
0001000000001010FLAG=1, XOR COM POLINMIO11110111111110111DESLOCAMENTO 1
1101111111111111XOR ENTRE REGISTRADOR E 1 CARACTER
00100000000000001 CARACTERE
1111111111111111INICIALIZAO DO REGISTRADOR CRC
1110001100011000CONTEDO DO REGISTRADOR CRC (1BYTE)
FLAG2 BYTE1 BYTEAO
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2114CONTEDO DO CAMPO CRC NO QUADRO
1421CONTEDO DO REGISTRADOR CRC
00001010000100001DESLOCAMENTO 8
00010100001000010DESLOCAMENTO 700100000010010100DESLOCAMENTO 6
1000000000101001XOR
0001000000001010FLAG=1, XOR COM POLINMIO
11001000000100011DESLOCAMENTO 5
00011000101000110DESLOCAMENTO 4
0110001010001100XOR0001000000001010FLAG=1, XOR COM POLINMIO
10111001010000110DESLOCAMENTO 3
1111010000001101XOR
0001000000001010FLAG=1, XOR COM POLINMIO
11110010000000111DESLOCAMENTO 2
1101100100001110XOR0001000000001010FLAG=1, XOR COM POLINMIO
11100100100000100DESLOCAMENTO 1
1001001100011000XOR ENTRE REGISTRADOR E 2 CARACTER
01110000000000002 CARACTERE
MODBUS
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MODBUS
Clculo do LRC Endereo (12): 0001 0010 Funo (01): 0000 0001 End. Inicial Hi (02): 0000 0010
End. Inicial Lo (10): 0001 0000 Quantidade Hi (00): 0000 0000 Quantidade Lo (01): 0000 0001 Checksum: 0010 0110 Complemento a 1: 1101 1001 Complemento a 2: 1101 1010 LRC (hexadecimal): D A LRC (ASCII-binrio): 0100 0100 0100 0001
MODBUS
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MODBUS
Caractersticas fixas: Formato da mensagem Funes disponveis Tratamento de erros
Caractersticas selecionveis: Meio de transmisso Velocidade Timeout Bits de parada e de paridade Modo de transmisso (RTU ou ASCII)
Define como os bits sero codificados Endereo 3Bh no RTU: 0011 1011 Endereo 3Bh no ASCII: 3=33h0011 0011 e B=42h0100 0010
Nos Protocolos MODBUS Plus e MODBUS TCP/IP as mensagens socolocadas em frames e usa-se o modo de transmisso RTU
O tamanho da mensagem ASCII duas vezes maior que a RTU No modo RTU todos os caracteres devem ser enviados em uma sequncia
contnua O modo RTU tambm conhecido como MODBUS-B ou MODBUS Binrio
MODBUS
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MODBUS Exemplos de perguntas e respostas:
O mestre solicita uma leitura dos registradores 40108 a 40110 ao escravo 06
O dispositivo 06 responde com o contedo das trs palavras O 1 registrador o 40001 que endereado como 0, portanto o endereo do 40108 107d=006Bh Registrador 40108 = 02 2Bh = 555 Registrador 40109 = 00 00h = 0 Registrador 40110 = 00 63h = 99
CRC(2)LRC(2)CRCControle de erro
Nenhum:Cabealho
NenhumCR LFTrailer
0110 00116363Dado LO
2 00000000Dado HI
1 00000000Dado LO
0000 00000000Dado HI
0010 10112B2BDado LO
0000 00100202Dado HI
0000 01100606Quantidade de bytes
0000 00110303Cdigo da funo
0000 01100606Endereo do escravo
RTUASCIIHexaNome do campo
CRC(2)LRC(2)CRCControle de erro
Nenhum:Cabealho
NenhumCR LFTrailer
0000 00110303Nmero de registros LO
0000 00000000Nmero de registros HI
0110 10116B6BEndereo de incio LO
0000 00000000Endereo de incio HI
0000 00110303Cdigo da funo
0000 01100606Endereo do escravo
RTUASCIIHexaNome do campo
MODBUS
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MODBUS
Exemplos de perguntas e respostas: O mestre solicita a leitura de algumas entradas digitais, no
intervalo de endereo 10197 a 10218 ao dispositivo 17
O dispositivo cujo endereo 17 responde ao mestre
CRCCRCControle de erro
0001 011016Nmero de registros LO
0000 000000Nmero de registros HI
1100 0100C4Endereo de incio LO0000 000000Endereo de incio HI
0000 001002Funo
0001 000111Endereo do escravo
RTUHexaNome do campo
CRCCRCControle de erro
0011 010135Dado (10218 ... 10213)
1101 1011DBDado (10212 ... 10205)
1010 1100ACDado (10204 ... 10197)0000 001103Contagem de bytes
0000 001002Funo
0001 000111Endereo do escravo
RTUHexaNome do campo
MODBUS
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MODBUS
Exemplos de perguntas e respostas: Requisio para ler os registros 108 a 110
MODBUS
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MODBUS
Exemplos de perguntas e respostas: Requisio para ler a entrada do registro 9
Requisio para escrever o valor 00 03 no registro 2
MODBUS
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MODBUS
Exemplos de perguntas e respostas: O mestre solicita a escrita de um bit, valor 1, no endereo lgico
173 do escravo cujo endereo 17 O dispositivo cujo endereo 17 responde ao mestre
CRCCRCControle de erro
0000 000000Force dado LO
1111 1111FFForce dado HI
1010 1100ACEndereo solenide LO0000 000000Endereo solenide HI
1010 1100ACEndereo de incio LO
0000 000000Endereo de incio HI
0000 010105Funo
0001 000111Endereo do escravo
RTUHexaNome do campo
CRCCRCControle de erro
0000 000000Force dado LO1111 1111FFForce dado HI
1010 1100ACEndereo solenide LO
0000 000000Endereo solenide HI
0000 001005Funo
0001 000111Endereo do escravo
RTUHexaNome do campo
MODBUS TCP/IP
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MODBUS TCP/IP
No h distino entre mestre e escravo, ento qualquern pode acessar qualquer n A mensagem encapsulada em um pacote TCP/IP Permite assim o acesso remoto via WEB
Os comandos so enviados por um cliente para a porta502 de um servidor O encapsulamento no alterou a estrutura bsica da
mensagem original Modbus O endereo agora tem 1 byte e chama-se Identificador nico O campo CRC no usado
Usa o TCP na camada de transporte e o CSMA/CDcomo controle de acesso ao meio
MODBUS TCP/IP
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MODBUS TCP/IP
O protocolo MODBUS define uma nica PDU,independente do protocolo de comunicao
MBAPModbus Application Protocol
MODBUS TCP/IP
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MODBUS TCP/IP
O formato e o contedo dos dados contidos em uma mensagemModbusTCP/IP identificado pelo campo cdigo de funo e seuvalor 91d (5Bh)
As transaes entre nodos so associadas a request(cdigo par) eresponse(cdigo mpar) ou notifypara excees
Estrutura do cabealho MBAP:
MODBUS TCP/IP
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MODBUS TCP/IP
Estrutura do campo de dados:
MODBUS TCP/IP
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MODBUS TCP/IP
Um esquema de endereamento deve ser usado dentrodo protocolo para providenciar a comunicao entrecliente/servidores
O endereo deve ser: IP+Unit ID Unit ID vlidos: faixa entre 0 e 247 (255 usado para
comunicao com um gateway) Cada mensagem constituda de um ou mais
fragmentos de mensagem. O tamanho mximo dedados de cada fragmento de 195 bytes
Cada fragmento contm 7 campos: Byte 0Fragment Byte Count (8 bits):
contm o comprimento em bytes da mensagem Modbus. Omximo 197 bytes, excluindo ele prprio e o Stuff
MODBUS TCP/IP
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MODBUS TCP/IP
Byte 1Fragment In Process Indicator (1 bit): Se =1 indica que o campo de dados um fragmento de uma
mensagem com multi-fragmentos
Byte 1Last Fragment Indicator (1 bit): Se =1 indica que o ltimo fragmento da mensagem
Byte 1Reserved (3 bits): No usado e deve ser =0
Byte 1Fragment Sequence Number (3 bits): Contador que indica o nmero sequencial do fragmento
Bytes 2 e 3Class ID (16 bits): A classe do objeto associada com o servio. Em uma
requisio de servio a Class ID especifica o servio a serexecutado em uma determinado objeto
MODBUS TCP/IP
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MODBUS TCP/IP
Bytes 4 e 5Instance ID (16 bits): A instncia do objeto associada ao servio
Bytes 6 e 7Service Code (16 bits): O cdigo especifica o servio requisitado
Bytes 8 ...Data (n*16 bits): Dados associados aos servio requisitado, isto ,
parmetros do servio
Stuff ByteCondicional (8 bits): Se o comprimento do campo de dados no
mltiplo de 16, necessrio acrescentar esse byteao final da mensagem
MODBUS TCP/IP
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MODBUS TCP/IP
Protocolo de Endereamento a Objeto do Modbus: O Modelo do Objeto especifica o agrupamento, a estrutura e ocomportamento dos dispositivos
Objetos so considerados entidades que agrupam estruturas ecomportamentos de uma maneira lgica
Em um dispositivo, os objetos tem uma estrutura fsica ou
conceitual anlogas Um objeto pode ser associado a um sensor em um dispositivo, ou
pode ser o conjunto de estrutura e comportamento que compreendeo gerenciamento do dispositivo
A hierarquia Classe/Instncia utilizada para suportar a herana,permitindo assim a definio do tipo do objeto (classe) e especificar
as implementaes desses objetos (instncia) Exemplo: em um banco de dispositivos fotodetectores a classepode ser definida como fotodetector e a instncia cadafotodetector individualmente
PROFIBUS
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PROFIBUS
Principal sistema aberto para fieldbus Baseado nos padres:
EN 50170 e EN 50254
IEC 61158 e IEC 61784
Independncia de fabricantes (dispositivos devemcomunicar-se)
Utiliza o protocolo de acesso ao barramento tokenpassingpara comunicao entre os mestres (estaesativas), usando um anel lgico
E o procedimento mestre-escravo para comunicaoentre o mestre e os escravos (estaes passivas)
Atende vrios nveis em sistemas de automao
PROFIBUS
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PROFIBUS
Protocolos de acesso
PROFIBUS
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PROFIBUS
PROFIBUS
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PROFIBUS
No nvel de sensores e atuadores permiteinteroperabilidade com: RS-485, IEC 61158, fibra tica e protocolo As-i
No nvel de campo os protocolos Profibus-DP(Decentralized Periphery) e Profibus-PA (Process
Automation) transmitem dados a partir de mdulos deE/S, transdutores, acionamentos, etc No nvel de clula esto os CLP`s, PC`s, IHM. Podem
comunicar-se entre si e entre os nveis acima e abaixoutilizando os protocolos Profibus-FMS (Fieldbus Message
Specification) ou ProfiNet O nvel de clula troca informaes com o nvel de fbrica
utilizando o Ethernet/TCP-IP
PROFIBUS
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PROFIBUS
PROFIBUS
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PROFIBUS
PROFIBUS
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PROFIBUS
PROFIBUS
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PROFIBUS
Perfil de comunicao
PROFIBUS
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O US
Tecnologias de transmisso: RS-485 (Profibus-DP/FMS)
Cabo de par tranado, blindado ou no como barramento linear
Taxa de transmisso: 9,6 Kbps at 12 Mbps
Comunicao bilateral
32 estaes por segmento sem repetidores e at 127 estaes comrepetirodres
Conectores DB9
IEC 1158-2 (Profibus-PA) Usado na indstria petroqumica/produtos qumicos
Corrente de modulao de no mnimo 10 mA Transmisso digital, com sincronismo bit a bit
Taxa de transmisso: 31,25 Kbps
Cabo de par tranado, blindado ou no como barramento linear
32 estaes por segmento (pode usar repetidores)
PROFIBUS
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Tecnologias de transmisso: Fibra tica
Usado em ambientes ruidosos e com interferncia eletromagnticamuito elevada, aumentar a distncia mxima e elevadas taxa detransmisso
Fibra multimodo: 2 a 3 km
Fibra monomodo: at 15 km
Existem conversosres RS-485/Fibra
PROFIBUS
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Detalhamento da Arquitetura Bsica de uma Instalao
PROFIBUS
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Arquiteturas
PROFIBUS
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Arquiteturas: Profibus-DP
Automao de cho de fbrica (nvel de dispositivo: CLP com drivers,vlvulas, I/O, etc)
Usa as camadas 1 e 2 (FDLField Data Link) do MR-OSI e ainterface com o usurio
O acesso camada 2 feito pelo protocolo DDLMDirect Data LinkMapper
Funes bsicas:
Tecnologia de transmisso:
RS-485 ou fibra tica
Taxa de transmisso de 9,6 Kbps a 12 Mbps
Acesso ao barramento:
Procedimento mestre-mestre e mestre-escravo
Possibilidade de sistemas mono-mestre ou multi-mestre
Mximo de 126 estaes por barramento
PROFIBUS
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Arquiteturas: Profibus-DP Funes bsicas:
Comunicaes:
Ponto-a-ponto ou multicast (comandos de controle)
Mestre-escravo cclica e mestre-mestre acclica Modos de operao:
Operatetransmisso cclica de dados de E/S
Clearas entradas so lidas e as sadas so colocadasnum status prova de falhas
Stopsomente transmisses mestre-mestre so permitidas Sincronizao:
Comandos de controle realizam as sincronizaes nasentradas e sadas
Modo sncronoas sadas so sincronizadas
Freeze modeas entradas so sincronizadas
PROFIBUS
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Arquiteturas: Profibus-PA
Soluo Profibus para automao de processos Conecta sistemas de automao e de controle de processos com os
dispositivos de controle (controladores de presso, controladores detemperatura e posicionadores de vlvulas)
Pode ser usado como um substituto para a tecnologia analgica (4 a20 mA)
Utiliza as mesmas funes bsicas do Profibus-DP Satisfaz as exigncias da indstria de controle e processos: O perfil original da aplicao para a automao do processo e
interoperabilidade dos equipamentos de campo dos diferentesfabricantes
Adio e remoo de estaes de barramentos, mesmo em reasintrinsecamente seguras, sem influncia pra outras estaes
Comunicao transparente atravs dos acopladores do segmento entreo barramento de automao do processo Profibus-PA e do barramentode automao industrial Profibus-DP
Alimentao remota e transmisso de dados sobre o mesmo par de fiosbaseado na tecnologia IEC 1158-2
Uso em rea potencialmente explosivas com blindagem explosiva tipointrinsecamente segura
PROFIBUS
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Arquiteturas: Profibus-FMS Os CLP`s esto no mesmo nvel e a comunicao feita entre eles
Neste nvel um elevado grau de funcionalidades mais importante doque o tempo de resposta
Servios disponveis: Estabilizar conectores lgicos (context management)
Leitura e escrita de variveis (variable access)
Carrega reas de memrias lidas (domain management)
Conexes mestre-mestre
Conexes mestre-escravo para transmisses cclicas eacclicas
PROFIBUS
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PROFIBUS
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Implementao de escravo Profibus com interface IEC1158-2
PROFIBUS
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Novos desenvolvimentos tcnicos
PROFIBUS
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Smar Equipamentos Industriais Ltda
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FOUNDATION
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Surgiu como mais uma proposta depadronizao de protocolos, patrocinada pelaWorldFIP (World Factory InstrumentationProtocol) e ISP (Interoperable Systems Project)
Plantas industriais e qumicas Participa da ISA/IEC SP50
O protocolo Foundation Fieldbus especifica as
camadas fsica, enlace e aplicao, do RM-OSImais a camada de usurio
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Reduo do hardware
FOUNDATION
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Economia de instalao
FOUNDATION
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Mltiplas variveis, ambas direes
FOUNDATION
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RM-OSI e Fieldbus Foundation
FOUNDATION
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Encapsulamento dos protocolos
FOUNDATION
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Camada fsica:
Utiliza apenas par tranado Especifica duas taxas de transmisso: H2(higher-speed fieldbus), utiliza 1,0 e 2,5 Mbps (interliga
equipamentos de usurio (PCs, etc) e dispositivos mais rpidos docho de fbrica)
H1(lower-speed fieldbus), utiliza 31,25 Kbps (interligadispositivos mais lentos de cho de fbrica podendo operar nasmesmas instalaes do padro 4-20 mA)
Permite o uso de at 32 dispositivos conectados ao barramento O tamanho do cabo funo da qualidade do mesmo:
Tipo 31,25 Kbps 1 Mbps 2,5 Mbps Comentrios "A 1900 m 750 m 500 m apenas 1 par-tranado em um
cabo blindado "B 1200 m - - mltiplos pares tranados
com uma blindagem externa "C 400 m - - um ou vrios pares tranados,
mas sem blindagem "D 200 m - - mltiplos condutores sem ser
par-tranado
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Codificao dos bits
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Prembulo e delimitadores de incio e fim
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Instalao eltrica
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Interligao com redes de alta velocidade
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FOUNDATION
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Camada de enlace de dados O acesso ao fieldbus gerenciado por um
escalonador de barramento centralizado edeterminstico, o LAS (Link Active Scheduler)
O padro estabelece 2 tipos de dispositivos:
LinkMaster: o LAS, podendo controlar as comunicaes nobarramento (mestre)
Basic:so todos os outros dispositivos (escravos)
Na configurao do fieldbus, a estao LAS recebeuma lista de todos os dispositivos no barramento,
quais dados devem ser disponibilizados por cada um ea que instante (mensagens escalonadas)
LAS redundantes podem ser includos para garantir aoperao contnua da rede
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Dispositivos do Fieldbus Foundation
FOUNDATION
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No momento agendado, o LAS emite uma mensagemde dados compilados (CD) para cada dispositivo O dispositivo endereado (editor) coloca seus dados
no barramento (broadcast) Os dispositivos configurados para receber os dados
(assinante) iro receb-los simultaneamente Transferncia de dados agendados so tipicamente
usadas para regular a transferncia cclica de dadosda malha de controle entre os dispositivos e ofieldbus
Para os outros tipos de mensagens, as no-
escalonadas, tais como os pedidos eventuais dedados e alarmes, o LAS deve deixar espaos vagosno escalonamento para poder atender a essespedidos
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Transferncia agendada de dados
CD (a)
LAS
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Transferncia no agendada de dados
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Camada de Aplicao de interesse principalmente de desenvolvedores Permite a comunicao entre dispositivos atravs de uma interface
padronizada (por meio de nomes, ndices e/ou endereos reunidos numdicionrio de objetos)
Camada de Usurio Realiza o gerenciamento da rede (configurao do LAS,
monitoramento), o gerenciamento do sistema (clock, endereos, etc.) esuporta a aplicao do usurio (blocos ou objetos que do afuncionalidade da aplicao)
O Fieldbus Foundationtem a vantagem de utilizar um devicedescription(DD) para cada dispositivo. Esta descrio serve como sefosse um driver, fornecendo todas as opes de atuao ecomunicao do mesmo. Com isso, pode-se, numa mesma rede,substituir e misturar dispositivos de fabricantes diferentes mas demesma funcionalidade, sem nenhum problema de comunicao e deforma transparente para o usurio (interoperabilidade)
FOUNDATION
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As conexes Fieldbus Foudation convergem para um s ponto
FOUNDATION
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ControlNet & Fieldebus
FOUNDATION
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Arquitetura integrada
AbreviaturasAIAnalog In
ADUApplication Data Unit
ALI A li ti L I t f
IPInternet Protocol
ISIntegrated System
ISA I t t ti S i t f A i
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ALIApplication Layer Interface
AOAnalog Out
AUIAttachment Unit InterfaceCDCompel Data
CIMComputer Integrated Manufacturing
CLPControlador Lgico Programvel
DCSDistributed Controller Sistem
DDCDirect Digital Controller
DD - Device DescriptionDISData Independent Sublayer
DLLData Link Layer
EIA - Electonic Industries Alliance
FASFieldbus Access Sublayer
FMSFieldbus Message Specification
HDLCHigh level Data Link Control
HMIHumam Machine Interface
HSEHigh Speed Equipment
IETFInternet Engineering Task Force
I/OInput/Output
ISAInstrumentation Society of America
LASLink Active Scheduler
LD -LLILower Layer Interface
MACMedium Access Control
MAUMedium Attachment Unit
MBMODBUS Protocol
MBAPMODBUS Application Protocol
MDSMedium Dependent SublayerPCIProtocol Control Information
PDUProtocol Data Unit
PIDProportional/Integral/Derivative
PLCProgammable Logic Controller
PROFIBUSProcess Field Bus
RTURemote Terminal UnitSDCDSistema Digital de Controle Distribudo
SCADASupervisory Control and Data Acquisition
SLCSingle-Loop Controllers
TCPTransmission Control Protocol
TIATelecommunication Industry Association
Referncias bibliogrficas
M. R. Stemmer, LCMI/DAS/UFSC
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