redes de comunicação industrial
Contents
1. Tabela 3 3 Fontes de alimenta o para o padr o ProfiBus IEC 61158 2 Tabela 3 4 Comprimento do cabo para o padr o ProfiBus IEC 61158 2 vi RESUMO Devido ao constante desenvolvimento ao redor do mundo dos m todos de produ o e do controle industrial e tamb m das necessidades das empresas por redu o dos custos operacionais aumento da disponibilidade produtiva e transpar ncia flu ncia de informa es em todos os n veis organizacionais as redes de comunica o industrial tem surgido e evolu do de modo muito r pido assumindo um importante papel nas ind strias Al m dos fatores acima existem outros fatores que tamb m contribu ram para o desenvolvimento das redes industriais sendo eles a necessidade de otimiza o de mat ria prima necessidade de aumento da qualidade do produto final flexibilidade e confiabilidade dos dados dos processos produtivos Por causa desta import ncia o objetivo deste trabalho estudar e analisar as redes de comunica o para automa o industrial DeviceNet ProfiBus vers es DP PA e FMS e ModBus vers es Padr o Plus e TCP IP abordando seus aspectos f sicos construtivos e caracter sticas de funcionamento para que seja poss vel analisar as mesmas perante as aplica es industriais considerando os recursos dispon veis vantagens e desvantagens que cada uma oferece Palavras chave redes comunica o industrial modelo OSI automa2. o industrial DeviceNet ProfiBus ModBus vil ABSTRACT Considering the continuous development around the world regarding the production methods and industrial control and also the industrial needs of cost reduction increasing of production availability and transparency better information flows in all the industrial internal levels the industrials communications interfaces have been developed in few years in a very fast way becoming very important inside the industries Besides the facts above there are others facts that also contributed to the industrials communications interfaces development and they are the necessity of better use of raw materials increasing the final product s quality flexibility and reliability in the production process database Because the importance of the industrial communications interfaces this work was aimed in the study and analysis of the DeviceNet ProfiBus DP PA and FMS versions and ModBus Standard Plus and TCP IP regarding the physical layouts protocols interfaces working methods in order to analyses this interfaces in industrial applications considering the resources available advantages and disadvantages of each industrial communication interface Key words industrial communication interfaces industrial communication OSI model industrial automation DeviceNet ProfiBus ModBus viii INTRODUCAO Ao longo das d cadas de produ o industrial e com as mudan as s cio eco
3. o empregado N VEL DE AUTOMA O Sensor Neg cio Dispositivo Controle N vel de Bit Faixa de Aplica o de Redes WorldFIP IEC SP50 H2 q Profibus PA E 1 o q Ed m s o o ro zZ A o g o E o O a ve 8 o DeviceNet LonWorks DeviceWFIP E Interbus Loop Discreto Aplica es Processo Figura 0 1 Faixa de aplica o de redes 3 1 O Modelo OSI As redes de comunicag o industrial s o organizadas em niveis hier rquicos chamados de camadas O modelo que gerencia a estrutura o em camadas tamb m para as redes industriais o modelo OSI Na d cada de 1980 a International Organization for Standardization ISO come ou a definir o modelo de referencia para comunica o entre sistemas abertos Open Systems Interconnection mais conhecido como modelo OSI norma ISO 7498 O modelo OSI essencialmente uma estrutura para gerenciar a comunica o de dados dividindo a pr pria comunica o de dados em 7 camadas ou n veis conforme representado na figura 1 1 sendo que cada uma das camadas possui suas pr prias responsabilidades definidas 7 Aplica o Protocolo de aplica o Aplica o Interface t t 6 Apresenta o Protocolo de apresenta o Apresenta o 5 Sess o Protocolo de sess o Sess o E Transporte Protocolo de transporte Transporte 3 Rede Protocolo de rede Rede It d 2
4. Enlace Protocolo de enlace Enlace S 1 F sica Protocolo de n vel f sico F sica auii Processo A Processo B Figura 1 1 Estrutura do modelo OSI de refer ncia 2 O modelo OSI possui dois componentes principais um modelo abstrato de rede Basic Reference Model e um conjunto concreto de protocolos Durante o desenvolvimento do modelo OSI os princ pios abaixo foram seguidos e Uma camada deve ser criada onde h necessidade de interligar niveis abstratos e Cada camada deve desenvolver uma fun o bem definida e A fun o de cada camada deve ser definida baseando se no padr o internacional de protocolos e Os limites das camadas devem ser escolhidos para minimizar o fluxo de informa es entre as interfaces e O n mero de camadas deve ser grande o suficiente para que as camadas tenham fun es distintas 1 1 Fun es das Camadas do Modelo OSI A camada 1 chamada de camada f sica cuja fun o prover uma interface f sica mec nica como por exemplo conectores el trica e funcional para ativar manter e desfazer conex es entre os demais elementos do sistema A camada 1 tamb m oferece acesso f sico dos computadores s redes adaptando o sinal el trico de informa o ao meio de transmiss o utilizado A camada 2 do modelo OSI chama se enlace e tem por objetivo o endere amento f sico das m quinas o controle de erros e controle de fluxo A camada de enlace detecta n
5. sa da anal gica entrada digital e sa da digital 3 3 1 Topologia ProfiBus PA Na topologia PA pode se ter uma estrutura em linha uma estrutura em linha com deriva es lineares e uma estrutura em rvore A conex o e desconex o dos dispositivos de uma esta o para uma eventual manuten o s o permitidas durante a opera o facilitando muito as interven es especialmente manuten es na rede sem interferir no funcionamento cont nuo do processo e das demais esta es A alimenta o dos dispositivos realizada em conjunto com a transmiss o de dados em um nico par de fios blindados com seguran a intr nseca baseada no padr o IEC 61158 2 oferecendo velocidade de transmiss o igual a 31 25 Kbps Para determinar a dist ncia m xima de utiliza o da rede necess ria uma an lise detalhada por m que pode seguir uma regra simples relacionada pot ncia necess ria devido ao consumo de energia dos dispositivos tabela 3 3 e tabela 3 4 26 Tabela 3 3 Fontes de alimenta o para o padr o ProfiBus IEC 61158 2 5 Tipo Aplicac o Tens o de Corrente Pot ncia mero de alimenta o m xima da m xima esa fonte t pico I ExiaibIIC _ 135V_ 110mA 18W 9 m EEX DIC 135 V 110mA 1isw 9 W ExibIB_____ 135V_ 250mA 42W 22 IV N o intrinsecamente 24V 250 mA 12 W 32 seguro Tabela 3 4 Comprimento do cabo para o padrao ProfiBus IEC 61158 2 5 m IV IV IV Necessidade de p
6. A rede mais veloz a rede ProfiBus DP na qual o meio mais utilizado o RS 485 que consegue uma velocidade m xima de 12 000 kbits seg para uma dist ncia de at 100 metros e uma dist ncia m xima de 1 200 metros atrav s da utiliza o de repetidores a uma velocidade de 9 6 kbits seg O DeviceNet permite uma dist ncia m xima ao barramento de 500 metros somados com 156 metros de distancia percorrida por deriva es a uma velocidade de 125 kbits seg A rede ModBus mais utilizada para aplica es que necessitam de pouco fluxo de informa o e velocidade de transmiss o pois possui uma arquitetura mais simples por m muito robusta Devido ao fato das redes DeviceNet ProfiBus e ModBus terem surgidos exclusivamente para a comunica o industrial quando se considera a quest o de seguran a elas apresentam uma melhor prote o aos dados que trafegam na rede pois os mesmos s o acessados apenas pelos dispositivos controladores que est o diretamente conectados na aplica o do que por exemplo as aplica es que se utilizam do padr o Ethernet que permite o acesso de qualquer usu rio atrav s de conex es remotas A possibilidade de se priorizar mensagens tamb m contribui positivamente para se prever ou determinar o comportamento dos tempos de transmiss o de dados mesmo quando aconte a uma colis o de informa es na rede 37 No projeto e aplica o de uma rede de comunica o industrial n o s o somente os custos de aqui
7. aaa lead capa vesodeus sat a ba snags a aa eaaa 14 2 3 9 Comunica o aii 15 20 rOLOCULO DeviceNet asa de ia tue teed Poet aad 18 I REDES PROFIBUS saas isisao ea iasi si 19 3 1 CARACTER STICAS DAS REDES PROFIBUS ssscssessessessessesssssesseescssesssseseeseens 21 LOBO E E E E E E E ease oeeaeatece 23 32A Topologia ProtiBus DP id 24 A A TOS 25 SS TOpolosia Pro RAS PA e E o ERE EEEE 26 34 PROFB S FMS oir 27 4 REDES MODBUS asista ia aiati ias 29 4 1 MODBUS PADR O STANDARD ccsssessessssessesesssssessessssessssssessssseesescessasessensaneseeseses 30 4 1 1 Camada de enlace ModBus Padr o Standard ccccccccccccceceseessnsececesececeesessaeceseeeens 32 4 2 INTC SS PLUS AE AA ea Ra Sa 34 A SMODBUS HT CRAB ese a a 34 CONCLUS O ias 35 111 TRABALHOS FUTUROS 0000000000 000000000000 00000000 ee eee ee ee cess eee ee OCO COCO COCO COCO COCO CO OCO OO COOL OC CO 00000 REFER NCIAS BIBLIOGR FICAS sscssssssssssssssscsssccssscsnscsnscsnscsnscsnscsssccssccesscesscesscess iv LISTA DE FIGURAS Figura 0 1 Faixa de aplica o de redes cscccsssscesssccssssscssnsccsennsessseccecsscescnnsesenens 03 Figura 1 1 Estrutura do modelo OSI de refer ncia oococconoononnonononanionenanranrannarnnraos 04 Figura 2 1 Compara o entre DeviceNet e CanBus ccooconoccconccononcnoncnoncnannnnnnnonnnonns 10 Figura 2 2 Cabos utilizados na rede DeviceNet grosso fino e flat 12 Figura 2 3 Exe
8. arquitetura DeviceNet poss vel controlar a transfer ncia de dados atrav s da escolha das taxas de atualiza o do processamento dos sinais de entrada e sa da entradas compartilhadas mensagens ponto a ponto e l gica de intertravamentos entre os controladores Tamb m poss vel coletar dados para mostr los em interfaces homem m quina e configurar remotamente todos os dispositivos que est o conectados na rede 2 3 1 Meio f sico A rede DeviceNet utiliza dois pares de fios no qual um se baseia na alimenta o do tipo corrente cont nua dos equipamentos que est o conectados na rede e o outro respons vel pela transmiss o dos dados sendo que ainda existe uma blindagem externa dos pares de fios constitu da de uma fita de alum nio e uma blindagem geral do cabo que deve ser aterrado em um s lugar e de prefer ncia o mais pr ximo poss vel do centro da rede via malha tran ada juntamente com fio de dreno As cores dos fios s o padronizadas com o par de alimenta o V na cor vermelha e V na cor preta e o par de comunica o com cor branca para o sinal chamado de CAN High e cor azul para o CAN Low Para a rede DeviceNet existem tr s tipos de cabos dispon veis o cabo tronco tamb m conhecido por cabo grosso que tem di metro externo de 12 2 mm e alcan a distancia m xima de 500 metros outro chamado de cabo fino os dispositivos s o interligados ao tronco atrav s deste cabo com di metro externo de 6 9 m
9. delimitar o ACK Como final de frame temos 7 bits e entre os frames necess rio um espaco de 3 bits A estrutura do pacote DeviceNet est representada na figura 2 9 E 3 3 5 Campo E 08 A O O 8 e de O O pa ps S E 3 DADOS m v ks ks u iL q 5 a 5 ba E Ko g 5 ho o o v m 5 o ca Es 5 8 ke Vari vel O Y 6 q 5 E a de0a8 5 E E 9 E bytes o 4 o o o o Oo a 2 Figura 2 9 Estrutura do pacote de dados da rede DeviceNet 3 18 3 Redes ProfiBus A rede ProfiBus Process Fieldbus hoje um dos padr es de redes industriais mais aplicados no mundo que foi idealizada a partir do ano de 1987 motivada por uma iniciativa entre os fabricantes de equipamentos industriais na poca usu rios e tamb m o governo alem o com o objetivo de desenvolver um barramento de campo digital O protocolo ProfiBus caracterizado como um protocolo aberto e definido conforme a norma alem DIN 19245 1 2 e em 1995 teve fundada a sua institui o ProfiBus International que possui 22 entidades ao redor do mundo O padr o ProfiBus oferece uma solu o completa para comunica o e gerenciamento de atividades processos industriais capaz de interligar desde os n veis intermedi rios em uma estrutura de automa o chamado de n vel de campo ou ch o de f brica Field Level e n veis superiores como por exemplo gerenciamento chamado tamb m de n vel de c lula Cell Level A fam lia com
10. rio comprometendo a seguran a da rede em quest o necessitando de v rias medidas de seguran a por exemplo firewalls Nesta configura o de rede n o poss vel priorizar mensagens e o fato de ser n o determin stica impede que se calcule determine os tempos de comunica o atrav s do meio 35 CONCLUSAO A evoluc o dos sistemas de controle e a acirrada disputa por expans o dos mercados de atuac o de cada fabricante de dispositivos para automac o industrial fizeram com que as redes e os protocolos que at ent o eram totalmente propriet rios fossem difundidos e abertos para competir com os concorrentes e aumentar assim suas chances de utiliza o nas ind strias A abertura das redes e protocolos trouxe um benef cio para a comunica o industrial porque com o passar dos anos as organiza es dos fabricantes das redes se fortaleceram na busca de solu es e no desenvolvimento de interfaces capazes de interligar diferentes padr es de hardwares e protocolos vindo de encontro tamb m com o desejo dos consumidores finais de n o estar preso a somente uma tecnologia de um determinado fabricante Para se fazer um projeto de comunicag o industrial bem dimensionado e que corresponda a todas as expectativas de custo benef cio de qualquer aplicag o necess rio levar em considerag o alguns aspectos chaves que influenciam diretamente no modelo configura o e tipo de rede a ser utilizado Os principais aspectos chaves q
11. s entre outros As diversas redes podem ser classificadas de acordo com a tecnologia de transmiss o que empregada que pode ser por difus o ou ponto a ponto ou de acordo com sua escala que pode ser e PAN Rede pessoal e LAN Rede local e MAN Rede metropolitana e WAN Rede geograficamente distribu da As redes industriais s o sistemas essencialmente distribu dos onde diversos elementos trabalham de forma simult nea com a finalidade de controlar supervisionar um processo produtivo cuja topologia respons vel pelo enlace f sico e pela organizag o dos n s existentes influenciando assim diretamente no funcionamento da mesma Dados no formato de bits Sensorbus conecta equipamentos pequenos e simples normalmente em curtas dist ncias e que precisam de r pida comunica o Geralmente s o de baixo custo quando comparadas a redes maiores Exemplo redes AS Interface e Interbus Dados no formato de bytes Devicebus apresenta porte intermedi rio n vel de dispositivo e cobre dist ncias maiores de trabalho unindo a r pida transfer ncia do Sensorbus com a capacidade de gerenciamento da rede Exemplo DeviceNet Dados no formato de pacotes Fieldbus interliga equipamentos de entrada e sa da mais inteligentes controlando fluxo de informac es e processo permitindo a intera o de v rios tipos de dados Exemplo ProfiBus FMS A figura 0 1 mostra as faixas de aplica o de redes conforme o n vel de automa
12. UNIVERSIDADE SAO FRANCISCO CURSO DE ENGENHARIA EL TRICA REDES DE COMUNICACAO INDUSTRIAL rea de Engenharia El trica Por Eduardo Lu s da Silva Souza D bora Meyhofer Ferreira M Orientadora Campinas SP Dezembro de 2010 UNIVERSIDADE SAO FRANCISCO CURSO DE ENGENHARIA ELETRICA REDES DE COMUNICACAO INDUSTRIAL rea de Engenharia El trica Por Eduardo Lu s da Silva Souza Monografia apresentada ao Curso de Engenharia El trica da Universidade S o Francisco como requisito parcial para obten o do t tulo de Engenheiro Eletricista Orientadora Prof M Debora Meyhofer Ferreira Campinas SP Dezembro de 2010 11 A Deus minha fam lia e amigos pelo apoio em todos os momentos da minha vida SUM RIO LISTA DE FIGURAS ninia SI ARO RR v LISTA DE TABELAS sida a a ariana Gean aaa vi RESUMO aaron asiaticas inn asi asa ateu mada cida vii ABSTRACT ini E E viii INTRODUCAO nuria ria A Edad 01 TO MODELO O Sas eeose sdoseenetaguseceseausdevssenseenscoaespweeasene oosa iao Se 04 1 1 FUN ES DAS CAMADA caia 05 2 REDE DEVICENET iaa ria TIRITAS IO ARPA Saisies 08 2 1 REDE CAN CONTROLLER AREA NETWORK ssscsssscesessseeseeeseeeecesecuseeaeeeneeeees 08 2 2 CARACTER STICAS DA REDE DEVICENET meme 10 2J ARQUITETURA DEVICENE ds 11 Zo INICIO O AA 11 AD COPA a a T 12 23 3 Resistores o secu do oy ese ag asst sole see nee reed 14 2 3 4 N mero CE SLAC OES AULV AS cies ys ea a o fusion
13. a 2 5 Figura 2 5 Modelo de rede DeviceNet peer to peer 3 e Multimestres Mensagens podem alcan ar diversos destinat rios que est o conectados na rede simultaneamente figura 2 6 16 Figura 2 6 Modelo de rede DeviceNet multimestres 3 e Mudan a do estado do dado Ao inv s de leitura c clica os dados s o lidos apenas quando os dispositivos de campo informam que seus dados alterados por m necess rio que um sinal de heartbreaker seja enviado em tempos determinados para indicar ao mestre que os escravos est o funcionando normalmente figura 2 7 Figura 2 7 Modelo de rede DeviceNet baseado na mudan a de estado 3 e Produ o c clica de dados Os dados nos mestres s o atualizados periodicamente em tempos j pr estabelecidos figura 2 8 17 cada 500 ms cada 25 ms cada 2000 ms Figura 2 8 Modelo de rede DeviceNet modo de produ o c clica de dados 3 2 3 6 Protocolo DeviceNet O pacote de dados DeviceNet composto por 1 bit de in cio de cabe alho Start Of Frame 11 bits no campo Identificador que o campo respons vel pela arbitragem 7 bits de controle campos RTR e Campo de controle 8 bytes vari vel de O a 8 bytes no campo de Dados 15 bits no campo CRC Cyclic Redundancy Code respons vel pelo detecg o de erros 1 bit para delimitar o final da verifica o CRC 1 bit de ACK acknowledgement respons vel pela confirma o de recep o e 1 bit para
14. abalhar com velocidades de 125Kbps a 500Kps dependendo do cabo utilizado e do comprimento da rede e de suas deriva es conforme tabela 2 1 Tabela 2 1 Taxas de transmiss o da rede DeviceNet 4 Tipo de Cabo Fun o do Cabo 125 kbits s 250 kbits s 500 kbits s Cabo Grosso Tronco 50m 250m 100m CaboFino Tronco Om Cabo Flat 75m Deriva o individual CM E Deriva es 39 m A coloca o da fonte de alimenta o tamb m precisa seguir regras sendo que a corrente m xima que a fonte suporta uma fun o do comprimento m ximo do segmento determinado respeitando os valores como se pode notar na tabela 2 2 Tabela 2 2 Comprimento da rede DeviceNet e corrente m xima para fonte 4 Grosso Chato Grosso Chato Comprimento Corrente Corrente Comprimento Corrente Corrente da rede m M xima M xima da rede m M xima M xima A A A A po so 800 240 20 800 800 apa EF RE E E go 359 356 100 293 286 120 247 239 Moo 214 205 160 189 179 180 169 160 E ee EA 20 40 120 140 220 13 M ltiplas fontes podem ser utilizadas na rede DeviceNet por m para otimizar o posicionamento da mesma na rede existem algumas dicas como por exemplo mover a fonte de alimenta o em dire o a regi o sobrecarregada instalar as cargas que consomem uma corrente maior pr ximas da fonte diminuir o comprimento dos cabos e dividir os d
15. ada de aplica o camada 7 do modelo OSI Durante a comunica o em uma rede ModBus figura 4 2 o protocolo determina como o dispositivo conhecer seu endere o como reconhecer uma mensagem endere ada 30 para ele como determinar o tipo de ag o a ser tomada e como extrair o dado ou outra informag o qualquer contida na mensagem Caso uma resposta necess ria o protocolo tamb m vai determinar como o dispositivo construir uma mensagem e a enviar O mestre pode endere ar mensagens para um escravo individualmente ou enviar mensagens para todos os escravos como uma mensagem broadcast Os escravos retornam uma mensagem somente para as consultas endere adas especificamente para ele sendo que as mensagens do tipo broadcast n o geram respostas Mensagem de solicitac o do mestre ta o do rp C digo da Fun o C digo da Fun o Bytes de Dados Oito bits Bytes de Dados Oito bits Mensagem de resposta do escravo Verifica o de Erro Verificac o de Erro Figura 4 2 Ciclo de comunica o ModBus 10 Na mensagem de consulta que enviada o c digo de fun o informa ao dispositivo escravo com o respectivo endere o qual a a o que dever ser executada Os bytes de dados cont m informa es para o escravo por exemplo qual o registrador inicial e a quantidade de registros a serem lidos O campo de verifica o de erro permite ao escravo validar os dados que foram recebidos Na men
16. aior de caracteres o que permite uma fluidez de dados melhor que o ASCII para a mesma taxa bauds de comunica o Cada mensagem deve ser transmitida em um fluxo continuo e cada byte no 32 modo RTU utiliza um sistema codificando 8 bits em hexadecimal com dois caracteres hexadecimal contidos em cada campo de oito bits da mensagem conforme abaixo e start bit e 8 bits de dados LSB enviado primeiro e 1 bit de paridade nenhum bit se nenhuma paridade e stop bit em caso de haver paridade 2 bits se nenhuma paridade foi usada O campo de verifica o de erro o CRC Cyclic Redundancy Check Quando os controladores s o configurados para que se comuniquem utilizando o modo ASCII ass ncrono cada byte em uma mensagem enviado como dois caracteres ASCII A vantagem principal deste modo que permite intervalos de tempo de at um segundo entre caracteres sem causar um erro Cada byte no modo ASCII codificado em hexadecimal usando os caracteres ASCII de 0 a 9 e de A a F conforme abaixo e 1start bit e 7 bits de dados LSB enviado primeiro e 1 bit de paridade nenhum bit se nenhuma paridade e stop bit em caso de haver paridade 2 bits se nenhuma paridade foi usada O campo de checagem de erro o LRC Longitudinal Redundancy Check As forma es dos quadros definem o in cio e o fim da mensagem sendo que no modo de transmiss o e RTU existem tempos de sil ncio de 3 5 caracteres e ASCII Inicia se com o ca
17. dispon veis no ProfiBus s o o el trico RS 485 para uso gerais e IEC 61158 2 para uso em automa o de processos e ptico O meio de transmiss o el trico mais frequentemente encontrado baseado no padr o RS 485 e constitu do de par de fios blindados para garantir a isola o a ru dos do ambiente industrial atingindo velocidades desde 9 6kbps at 12mbps 10 cuja velocidade de transmiss o ideal superior a 19 2kbps devido ao pr prio investimento no padr o RS 485 buscando velocidades e dist ncias maiores velocidades de 9 6kbps e 19 2kbps s o principalmente utilizadas no padr o RS 232 dependendo da dist ncia de trabalho conforme a tabela 3 1 22 Tabela 3 1 Velocidades ideais de transmiss o ProfiBus no padr o RS 485 7 Baud rate kbits s 93 75 187 5 500 1 500 12 000 Dist ncia segmento m 1 200 1 000 400 200 100 Os componentes do padr o RS 485 possuem custos menores e sua instalac o simples porque a sua associa o remo o da rede n o interfere no funcionamento da mesma No ProfiBus PA o meio de transmiss o el trico baseado no padr o IEC 61158 2 tem uma taxa de transmiss o definida em 31 25kbps e voltado para processos principalmente em ind strias qu micas e petroqu micas porque permite seguran a aos dispositivos energizados pelo pr prio barramento podendo atuar assim em reas classificadas Os cabos tamb m s o do tipo par trangado com blindagem para iso
18. e de Enlace L gico Enlace de Dados N vel 2 LLC Controle de acesso ao meio MAC Sinaliza o do n vel f sico Unidade de Acesso ao Meto MA Protocolo CAN DI d F sico N vel 1 Meio N vel 0 Figura 2 1 Compara o entre DeviceNet e CanBus 3 2 2 Caracter sticas da Rede DeviceNet As principais caracter sticas da rede DeviceNet s o e Configura o de protocolo aberto com topologia f sica b sica do tipo linha principal com deriva es a rede DeviceNet permite a conex o de at 64 n s e Barramentos separados de par tran ado para a distribui o de sinal e de alimenta o 24VCC ambos no mesmo cabo e Inser o e remo o de n s sem ser necess rio desligar os dispositivos e sem necessidade de desconectar a alimenta o da rede facilitando muito as interven es e manuten o na rede e Usa opto acopladores para proteger as conex es e permitir que dispositivos alimentados externamente possam compartilhar o cabo do barramento com os dispositivos alimentados pelo pr prio barramento e Necessidade de usar resistores para termina o de 121 ohms em cada fim de linha para funcionar e evitar reflex o de sinais e Permite conex o de m ltiplas fontes de alimenta o para os dispositivos e As conex es podem ser abertas ou seladas dependendo do ambiente e da classifica o da rea em que a rede est trabalhando e Protocolo aberto atualmente 10 2 3 Arquitetura DeviceNet Com a
19. etamente eles n o garantem uma conex o e Protocolos com conex o que estabelecem um caminho virtual atrav s da rede no qual todos os dados que ser o transmitidos ter o o mesmo caminho j pr definido A camada 5 do modelo OSI a camada de sess o que pouco utilizada nas aplica es de rede A fun o da camada 5 permitir que diversos usu rios possam estabelecer conex es entre eles A camada de sess o tamb m prov m servi os de controle de di logo entre as m quinas gerenciamento do token nas redes que o utilizam para organizar a comunica o e de sincroniza o entre os computadores na rede A camada de apresenta o a sexta camada do modelo OSI cuja fun o formatar e converter sintaxes c digos e linguagens com diferentes representa es utilizadas pelas m quinas A camada 6 gerencia as estruturas dos dados e permite converte las em estruturas at mesmo mais complexas como por exemplo utilizadas em registros banc rios sendo que tamb m pode realizar criptografia embaralhamento e compress o de dados A s tima camada do modelo OSI a camada de aplica o onde todos os aplicativos de interesses dos usu rios clientes da rede s o implementados como por exemplo correio eletr nico transfer ncia de arquivos de dados downloads e uploads FTP telnet internet web acesso remoto entre outros Conforme a norma ISO 9545 a camada 7 tamb m determina a qualidade do servi o m nimo requisitado na co
20. gmentos atrav s do uso m ximo de 3 repetidores O n mero m ximo de nodos dispositivos permitidos na rede 126 A rede DP tamb m necessita de terminadores apropriados ativos e alimentados no final de cada segmento para que a mesma funcione 24 O protocolo DP utiliza as camadas 1 2 e 7 do modelo OSI A figura 3 4 mostra que o protocolo DP est dispon vel em 3 vers es que foram evoluindo com o passar dos anos e devido a novas necessidades de utiliza o DP VO controle de acesso ao meio atrav s de token ring entre os mestres configura o mestre escravo at 127 dispositivos DP V1 adicionalmente ao DP VO temos a transmiss o de dados ac clicas e possibilidade de parametriza o calibra o de dispositivos com a rede em pleno funcionamento e DP V2 adicionalmente aos anteriores permite a comunica o utilizando mensagens diretamente entre os dispositivos escravos broadcast sem a participa o do mestre DP Modo bempo de oct denminisboo Modo crono Comunica o esc ra votes ravo Dados Publiier Sukrcribes neon lidade dos devices DP Troca de dados dekos entre mens EScrNOS Alam Handling integra o com EDOL e FOT Fal Sate Blocos Funcionais DP Troca de dados c clicos entre meses e escravos 55D Figura 3 4 Disponibilidade e evolug o do protocolo ProfiBus DP 7 3 3 ProfiBus PA Process Automation A rede ProfiBus PA Process Automation atende s necess
21. idades das automa es em processos interligando os sistemas de automa o controle de processo aos dispositivos de campo utilizados em instrumenta o de processos como por exemplo v lvulas sensores de 25 n vel transmissores de press o transmissores de vaz o transdutores de temperatura e conversores O ProfiBus PA um substituto das redes de 4 a 20mA e HART e que al m de permitir uma comunicag o eficiente e confi vel capaz de alimentar dispositivos de campo em reas classificadas reas de risco oferecendo seguran a em caso de falhas durante a opera o atrav s do uso de redund ncias Devido ao pr prio foco de aplica o em automa o de processos os valores e estados dos dispositivos de campo possuem alta prioridade na comunica o onde s o transmitidos de modo c clico usando as fun es r pidas do protocolo DP garantindo assim que no programa de controle os dados relativos ao processo est o sempre atualizados e dispon veis Em contra partida os dados de par metros dos dispositivos para visualiza o manuten o e diagn stico s o transmitidos em fun es ac clicas com baixa prioridade na transmiss o No PA tamb m poss vel utilizar dispositivos de campo de diferentes fabricantes devido utiliza o dos m todos de blocos funcionais internacionais que descrevem os par metros e fun es de cada equipamento Os principais blocos dispon veis s o f sico transdutor entrada anal gica
22. isegundos de tempo para transmitir 1 Kbyte de dados de entrada e sa da suportando desse modo aplica es de manufatura que requerem um r pido envio e processamento de informa es Ela uma rede de transmiss o determin stica e ass ncrona que trabalha de maneira c clica em modo mestre escravo e ac clica entre mestres mestres 3 2 1 Topologia ProfiBus DP A topologia pode ser de estrutura em linha ou linha com deriva es e o acesso ao meio atrav s do uso do token entre os dispositivos mestres que podem ser de classe 1 ou 2 e configura es mestre escravas entre os dispositivos escravos O seu foco na transmiss o de pequenos pacotes de dados uma vez que se aplica principalmente a interliga o de dispositivos e que se comunica com uma vasta gama de dispositivos no ambiente industrial como exemplos sensores acionamentos e pain is entre outros A rede do tipo DP utiliza se do meio f sico padr o RS 485 mais utilizado ou fibra ptica e apresenta alta velocidade de comunica o de 9 6 Kbps a 12 Mbps sendo que a velocidade padr o 1 5 Mbps A velocidade da rede nica e baseada no dispositivo escravo mais lento A dist ncia m dia de utiliza o da rede ProfiBus DP de 100 m a 1 2 Km utilizando a interface RS 485 podendo ser estendida com repetidores at a 15 km utilizando a interface de fibra tica padr o permitida a conex o de at 32 dispositivos por segmento com o n mero m ximo de 4 se
23. ispositivos dentre todas as se es de modo a evitar ac mulos em apenas uma regi o Uma vantagem da topologia DeviceNet a capacidade de inserir e remover m dulos sem necessidade de retirar a alimenta o da rede facilitando muito os reparos de manuten o 2 3 3 Resistores de termina o A rede DeviceNet necessita de resistores de termina o nas duas extremidades do cabo principal linha tronco da rede para que seja reduzida e ou evitada a reflex o de sinais atrav s do meio Os resistores precisam ser de 12lohms com pot ncia de 14 de watt e precisam ser conectados entre os dois fios de comunica o par azul e branco A maioria dos problemas de relacionados ao sistema de cabos resultado de m instala o no campo ou aus ncia dos resistores de termina o 2 3 4 N mero de esta es ativas O n mero m ximo de esta es ativas na rede DeviceNet admitidas s o 64 endere ados logicamente de O a 63 sendo que o endere o 63 o endere o padr o para os equipamentos fabricados para trabalhar na rede DeviceNet 4 aconselh vel utilizar no m ximo 62 equipamentos na rede DeviceNet endere ados de O a 61 deixando o endere o n mero 62 para a interface de comunica o e o endere o n mero 63 para a conex o de novos dispositivos evitando assim conflitos de endere os e o desarme da rede 14 2 3 5 Comunicac o O controle de acesso ao meio camada DLL utiliza o protocolo CSMA NBA carrier sense m
24. la es industriais sendo assim necess rio um estudo sobre as principais redes dispon veis em rela o s caracter sticas funcionalidades e aplica es Buscando maior velocidade na execu o de comandos e tamb m na tomada de decis es as redes industriais principalmente as de grande porte operam cada vez mais com velocidades maiores de transmiss o e com busca constante para aumentar a capacidade de transmiss o de dados O constante aumento de produ o nas empresas tem esbarrado no limite m ximo das linhas e por consequ ncia este aumento tem requerido investimentos em novos equipamentos ou na troca parcial dos existentes Ao longo dos anos pode se citar que automa o no passado se baseava em uma nica sala de controle central com quil metros de cabos e milhares de contatos reles para as l gicas de funcionamento representado assim milhares de pontos e conex es com elevado consumo de energia o que proporcionava muitos potenciais para falhas e causa dif cil manuten o gerenciamento com longo per odo de interrup es e paradas para solucionar problemas Devido a isso tamb m existiam centenas de indicadores de processos e vari veis nos programas de execu o o que tornavam os sistemas dif ceis de serem compreendidos com alta probabilidade de erro nas opera es Somado a todas essas limita es e a baixas capacidades de processamento e armazenamento de dados a coleta dos dados nos processos produtivos eram feita
25. lar os ru dos e interfer ncias dos ambientes industriais podendo atingir a distancia m xima de 1 900 metros sem repetidores O meio de transmiss o ptico indicado para ambientes que possuem elevada interfer ncia eletromagn tica e para aumento da distancia m xima de utilizag o a taxas elevadas de transmiss o composto por um cabo de fibra ptica do tipo vidro pl stica e o tipo da fibra interfere na dist ncia m xima de trabalho da rede como se pode notar na tabela 3 2 Tabela 3 2 Propriedades das fibras pticas para transmiss es ProfiBus 4 Tipo de fibra Propriedades Fibra de vidro multimodo Dist ncias m dias na faixa de 2 3 km Fibra de vidro monomodo Longas dist ncias gt 15 km Fibra sint tica Pequenas dist ncias gt 80 m Fibra de PCS HCS Pequenas dist ncias gt 500 m A rede ProfiBus uma fam lia que compreende tr s redes de automa o e ProfiBus DP e ProfiBus PA e ProfiBus FMS 3 2 ProfiBus DP Decentralized Periphery A rede ProfiBus DP Decentralized Periphery focada na automa o industrial e possui poderosas ferramentas de configura o manuten o permitindo parametriza o e 23 diagn sticos remotos sendo uma rede de topologia de barramento especializada na comunica o entre sistemas de automa o e perif ricos distribu dos destinada a automa o em n veis da manufatura e ambientes industriais a solu o mais r pida dentre as redes ProfiBus e requer apenas 2 mil
26. le de acesso ao meio baseado na l gica de ficha do tipo token ring entre os dispositivos mestres controladores l gicos program veis e computadores os tempos de passagem do token s o precisamente definidos entre todas as unidades mestres com princ pios mestre escravo sendo que a efici ncia do protocolo baseada nos servi os existentes na camada de enlace do pr prio protocolo denominada FDL FieldBus Data Link 10 como se pode notar na figura 3 3 21 Dispositivos mestres classe 1 e 2 ee gt EL Topologia mestre escravo entre os mestres e os escravos Dispositivos Escravos Figura 3 3 Principal controle de acesso ao meio na rede ProfiBus 10 A detec o de defeitos no meio de transmiss o ou no receptor assim como detec o de erros de endere amento como por exemplo endere os duplicados ou na passagem do token por exemplo m ltiplos tokens ou perda do token s o fun es do controle de acesso ao meio MAC do ProfiBus Outra tarefa muito importante da camada 2 a seguran a dos dados A camada 2 do ProfiBus formata pacotes que asseguram a alta integridade de dados Todos os telegramas t m Hamming Distance HD 4 alcan ada atrav s do uso de telegramas especiais delimitadores de inicio fim bit de paridade e byte de verifica o conforme norma IEC 8705 1 A rede ProfiBus alcan a taxas de comunica o transmiss o desde 9 6kbps at 12mbps taxa m xima alcan vel Os m todos de transmiss o
27. logia visando seu crescimento mundial A rede DeviceNet baseada no protocolo CAN Controller Area Network desenvolvido pela empresa Robert Bosch Gmbh como uma rede digital na d cada de 1980 originalmente para aplica es automobil sticas mais especificamente para a fabricante alem Mercedes Benz onde devido ao grande n mero de sensores utilizados tornava se invi vel o encaminhamento dos fios e cabos necess rios para o funcionamento dos sistemas automotivos 2 1 Rede CAN Controller Area Network A rede CAN foi basicamente desenvolvida para a ind stria automobil stica em resposta ao crescimento muito r pido da aplica o e utiliza o de sistemas eletr nicos de controle em autom veis eletr nica embarcada Com o passar do tempo e a crescente demanda da efici ncia de combustiveis e requisitos de seguran a popula o cada vez mais dispositivos eletr nicos foram sendo agregados na rede CAN Posteriormente a tecnologia CAN foi difundida e aplicada para o uso industrial devido ao excelente desempenho alcan ado nas aplica es automobil sticas porque em um autom vel encontram se varias caracter sticas cr ticas das instala es industriais como exemplo altas temperaturas umidade e interfer ncia de ru dos eletromagn ticos A rede CAN para o uso industrial foi padronizada em 1994 pela norma ISO 11988 Ao mesmo tempo em que se precisa de alta velocidade e tempo para respostas reduzido em uma aplica o em tem
28. m e um terceiro cabo chamado de flat aplicado somente como tronco da rede com dimens es de 19 3 mm x 5 3 mm para ser utilizado por conectores especiais que visam reduzir o tempo de montagem como se pode notar na figura 2 2 e figura 2 3 11 Figura 2 2 Cabos utilizados na rede DeviceNet grosso fino e flat 4 Figura 2 3 Exemplo de conector DeviceNet 4 Os sinais de comunica o utilizam a t cnica de tens o diferencial para os n veis l gicos visando diminuir a interfer ncia eletromagn tica que ser igual nos dois fios e que aliada a blindagem dos cabos tem o objetivo de conservar a integridade das informa es atrav s dos ambientes industriais O n vel do sinal de CAN Low pode variar de 1 5Vdc a 2 5 Vdc enquanto o sinal de CAN High pode variar de 2 5Vdc a 4 0V dc 2 3 2 Topologia A rede DeviceNet trabalha com a topologia baseada em um cabo tronco central chamado de linha principal com deriva es que partem do pr prio cabo principal Para que a rede DeviceNet e o sistema de cabos funcione corretamente necess rio seguir as seguintes defini es e A dist ncia m xima entre qualquer equipamento em uma deriva o ramificada para uma linha principal tronco n o pode ser maior do que 6 metros 2 12 e A distancia entre dois pontos na rede n o pode ser maior do que a dist ncia m xima que o tipo de cabo utilizado permite e a taxa de comunicag o tamb m deve ser adequada 2 A rede DeviceNet pode tr
29. mensagem que ser enviada Valor 0 usado para transmitir mensagens tipo broadcast Valor 1 a 247 usados pelos escravos e C digo da Fun o 1 byte estabelece a a o a ser efetuada Valor 0 a 127 fun es Valor 128 a 255 c digo para informar o erro na transmiss o e Bytes de Dados cont m informa es adicionais necess rias de endere os de mem ria quantidade de itens transmitidos e quantidade de bytes do campo e Verifica o de Erros 2 bytes pode ser LRC ou CRC 4 1 1 Camada de enlace ModBus Padr o Standard Os pr prios usu rios selecionam o modo desejado de transmiss o assim como os par metros de comunica o da porta serial como exemplo a taxa de comunica o na unidade bauds e o modo de paridade durante a configura o de cada controlador O importante que o modo de transmiss o e os par metros de comunica o devem ser os mesmos para todos os dispositivos que estiverem interligados na mesma rede ModBus Existem dois modos de transmiss o no ModBus Padr o comunica o ass ncrona e RTU remote terminal unit Cada byte cont m dois d gitos hexadecimais e ASCII Cada byte contem um caractere ASCII entre 0 e 9 A a F Quando os controladores s o configurados para comunica o utilizando o modo RTU ass ncrono cada byte em uma mensagem cont m dois caracteres de 4 bits em base hexadecimal A vantagem principal deste modo que possui uma densidade m
30. mplo de conector Device Net sic rd emos 12 Figura 2 4 Modelo de rede DeviceNet mestre escravo mocoooconconoonnnnnranrannnranrnnrannnos 16 Figura 2 5 Modelo de rede DeviceNet Peer to Peer sirene 16 Figura 2 6 Modelo de rede DeviceNet multimestres ooconocnicnioniononaninonnnninncnnnananos 17 Figura 2 7 Modelo de rede DeviceNet baseado na mudan a de estado 17 Figura 2 8 Modelo de rede DeviceNet produ o c clica de dados 18 Figura 2 9 Estrutura do frame de dados da rede DeviceNet ooooccconcononicncnninrnnarns 18 Figura 3 1 Pir mide de protocolos ProfiBus 20 Figura 3 2 Arquitetura Prof BUS tds 20 Figura 3 3 Principal controle de acesso ao meio na rede ProfiBus 22 Figura 3 4 Disponibilidade e evolu o do protocolo ProfiBus DP 25 Figura 4 1 Protocolos ModBus RAS REA RN 30 Figura 4 2 Ciclo de comunica o ModBus aiii ido 31 Figura 4 3 Encapsulamento TCP no MOdBUS coococcccconcnnoncnnnonnnnnnnrnnnnranronrarnranannos 35 LISTA DE TABELAS Tabela 2 1 Taxas de transmiss o da rede DeviceNet coooooonoccnocccocccnocnnonncnoncnannnnnnoss Tabela 2 2 Comprimento da rede DeviceNet e corrente m xima para fonte Tabela 3 1 Velocidades ideais de transmiss o ProfiBus no padr o RS 485 Tabela 3 2 Propriedades das fibras pticas para transmiss o ProfiBus
31. n micas que acontecem constantemente ao redor do mundo cada vez mais as empresas e ind strias de todos os segmentos buscam diferenciais para se consolidar nos mercados que atuam diferenciais esses como redu o de custos otimiza o dos recursos produtivos mat ria prima aumento da qualidade do produto e dos processos flexibilidade na produ o e transpar ncia flu ncia de informa es em todos os n veis organizacionais Com o desenvolvimento da inform tica principalmente nos anos 80 e a utiliza o de computadores na ind stria e do desenvolvimento cont nuo das tecnologias eletroeletr nicas somado com a populariza o dos dispositivos microcontrolados as implementa es dos sistemas de comunica o tornou se totalmente poss vel chegando hoje inclusive ao padr o Ethernet Para suprir essas necessidades do mercado atual e aliado ao desenvolvimento tecnol gico cont nuo ocorreu tamb m o desenvolvimento da automa o industrial no qual a rede de comunica o industrial tem surgido e evolu do de modo impressionante superando muitos obst culos como confiabilidade custos velocidade de comunica o e dist ncias maiores de opera o A motiva o do trabalho devido ao fato de que os sistemas de automa o e controle t m se apoiado cada vez mais em redes de comunica o industrial seja pela crescente complexidade dos processos industriais ou pela distribui o limita o geogr fica que se tem acentuado nas insta
32. nex o e os aspectos de seguran a controle de acesso e integridade de dados Nas redes industriais DeviceNet ProfiBus e ModBus verifica se que s o utilizadas apenas tr s camadas do modelo OSI de refer ncia e Camada f sica camada 1 e Camada de enlace camada 2 e Camada de aplicag o camada 7 2 REDE DEVICENET A rede DeviceNet derivada da rede CAN Controller Area Network classifica se como uma rede de dispositivos adaptada para operar ao n vel de ch o de f brica onde equipamentos desde os mais simples como sensores do tipo liga desliga e m dulos de entrada e sa da digitais e anal gicos Input Output at os mais complexos como interfaces homem m quinas chaves eletr nicas para partida de motores inversores de freqii ncia servo acionamentos para controle de velocidade de motores controladores l gicos program veis e medidores de press o vaz o e temperatura aplicados em instrumenta o podem ser utilizados 3 A rede DeviceNet foi desenvolvida pela fabricante mundial de equipamentos de automa o industrial Allen Bradley grupo Rockwell Automation e foi lan ada ao mercado no ano de 1994 possuindo protocolo aberto tendo hoje em dia um expressivo nimero de fabricantes que produzem e comercializam equipamentos sendo que todos s o regulamentados via a associa o internacional OVDA Open DeviceNet Vendor Association organiza o independente que tem o objetivo de divulgar padronizar e difundir a tecno
33. nsmitir mensagens de alarme enviadas como transmiss es broadcast ou multicast a todos os dispositivos necess rios e VFD support Virtual Field Device dispositivo de campo virtual que s o utilizados para identifica o e status e Servi os de gerenciamento OD dicion rio de objetos permite o acesso para leitura e escrita dos dicion rios 28 4 REDE MODBUS ModBus uma estrutura que foi desenvolvida aproximadamente no ano de 1979 com o objetivo de comunicar controladores da fabricante Modicon atualmente no mercado como Schneider Electric A rede ModBus de fato tornou se uma rede padr o pois foi adotada como padrao para varios fabricantes desde o seu surgimento Apesar de ser uma rede mais lenta do que outras redes j existentes a rede ModBus tem a vantagem de ser vers til e comunicar se com in meros dispositivos dentre varios outros padr es de redes de comunica o utilizando apenas um par de cabo tran ado A organiza o sem fins lucrativos ModBus IDA integra usu rios e empresas fornecedoras de dispositivos Modbus objetivando difundir e evoluir a arquitetura de sistemas de automa o para v rios segmentos de mercados fornecendo infra estrutura informa es sobre protocolos aplica es e certifica es de equipamentos Inicialmente quando projetada a rede ModBus trabalhava com a interface RS232 por m com o passar dos anos a rede continuou se desenvolvendo e foi sendo adaptada a novos padr es trabalhando
34. onsiste em um dispositivo mestre gerar uma mensagem contendo um comando direcionado a um determinado escravo e a resposta desse escravo ser direcionada diretamente ao mestre ou seja cada mestre faz uma requisi o individual O m todo Strobed Message funciona com o mestre gerando uma mensagem de requisi o no meio e todos os escravos que atuam com a comunica o do tipo Strobed respondem em sequ ncia ou seja h uma requisi o geral e respostas de cada dispositivo Strobed No m todo Change of State mudan a de estado um dispositivo escravo s envia suas informa es ao mestre quando h altera o do estado de suas entradas Neste modo os escravos t m um recurso de comunica o c clica para informar que est funcionando normalmente na rede este sinal tamb m chamado de heartbreaker 15 O m todo Cyclic Message consiste no fato de que escravos na rede atualizem suas informa es dados nos dispositivos mestres a cada intervalo pr definido de tempo muito utilizado em aplica es na qual a informa o de determinado ponto n o necessita de atualiza es instant neas Os modelos de rede suportados s o e Mestre Escravo O dispositivo mestre realiza polling dos dispositivos escravos figura 2 4 Figura 2 4 Modelo de rede DeviceNet mestre escravo 3 e Peer to peer ponto a ponto N o possuem mestres fixos cada n pode gerar mensagens para a rede desde que possua o bast o de comunica o figur
35. ot ncia mA 110 lt 11O 250 110 soso 300 Comprimento total do lt 900 lt 400 lt 1300 lt 650 cabo q 0 8 mnr Comprimento total do ea lt 1000 lt 1500 lt 500 lt 1900 lt 1900 lt 1900 cabo q 1 5 mar Na rede ProfiBus PA permitida a conex o de at 32 dispositivos por segmento sem seguran a intr nseca ou at 9 dispositivos com o perfil de seguran a intr nseca 3 4 ProfiBus FMS FieldBus Message Specification O padr o de comunica o FMS foi desenvolvido para a comunica o no n vel de c lulas onde computadores e controladores l gicos CLP podem se comunicar uns com os outros O protocolo FMS permite que processos distribu dos se associem em um processo nico atrav s de relacionamentos de comunica o utilizando se de objetos de comunica o sendo que a aplica o situada no dispositivo de campo que pode ser acessada via Zz comunica o chamada de dispositivo virtual de campo VED Todos os objetos de 27 comunica o FMS s o registrados em um dicion rio de objetos que cont m uma descri o da estrutura e tipo de dados e a associa o dos endere os internos dos dispositivos sua denomina o no barramento de comunica o Os objetos podem ser de comunica o est tica s o registrados no dicion rio de objetos est ticos e objetos de comunica o din mica s o registrados no dicion rio de objetos din micos Os objetos de comunica o es
36. otifica e recupera erros detectando tamb m erros de transmiss o que podem ocorrer no meio f sico Na camada 2 o fluxo da transmiss o controlado para evitar perdas e ociosidade do meio de transmiss o fornecendo tamb m uma identifica o f sica para cada computador da rede A terceira camada a camada de rede que respons vel por estabelecer uma conex o entre os computadores de uma transmiss o de rede A fun o da camada 3 rotear as informa es atrav s dos nodos das redes desde a m quina de origem at a m quina de destino No final da transmiss o o protocolo da camada 3 desfaz a conex o entre os computadores liberando assim a rede para novas conex es Como exemplo de protocolo de camada 3 temos o IP internet protocol A camada n mero 4 a camada de transporte e que oferece recursos l gicos adicionais para a transmiss o transporte de dados atrav s da rede O protocolo de transporte necess rio em servicos onde o protocolo de rede camada 3 n o garante a completa entrega dos dados e informa es Para se ter uma qualidade de servi o adequada necess rio um protocolo de camada 4 como por exemplo o TCP Estudando as camadas 3 e 4 do modelo OSI pode se verificar que existem 2 tipos de protocolos e servi os com rela o confiabilidade da transmiss o 2 e Protocolos sem conex o conhecidos como conection less que apesar de serem do tipo best effort devido ao esfor o de entregar os dados corr
37. pleta de protocolos FieldBus composta por e ProfiNet ProfiBus for Ethernet permite a comunica o entre computadores workstations e controladores l gicos program veis usando o sistema Ethernet TCP IP e ProfiBus DP Decentralized Periphery permite a comunica o com sensores atuadores dispositivos de entrada sa da e posicionadores de controle de motores entre outros e ProfiBus PA Process Automation permite a comunica o com dispositivos de processo como por exemplo controladores de press o e temperatura v lvulas de controle sensores de n vel e ProfiBus FMS FieldBus Message Specification permite a comunica o entre controladores l gicos program veis e computadores de controle e gerenciamento abrangendo o n vel de integrac o de c lulas e AS I Actuator Sensor Interface permite o controle dos sinais basicamente de sensores e atuadores do tipo liga desliga Na figura 3 1 protocolos da fam lia ProfiBus est o representados em forma de pir mide conforme seus respectivos n veis de atua o 19 e A Ep E E O ma N vel C lula mA UM N vel Ch o de F brica Figura 3 1 Pir mide de protocolos ProfiBus 5 A figura 3 2 exemplifica tamb m a arquitetura atua o dos integrantes da fam lia ProfiBus N vel de Planta N vel de Controle Ciclo lt 100 ms N vel de Campo Ciclo fem lt 10 ms HEE Figura 3 2 Arquitetu
38. po real necess rio alto grau de confiabilidade das informa es assim como nos ve culos que atualmente possuem alto ndice de equipamentos eletr nicos como exemplo os freios ABS e Airbag que s o equipamentos de seguran a altamente cr ticos em termos de confiabilidade e tempo de resposta A rede CAN do tipo Bus por m n o utiliza um barramento principal master ou um bast o passante token para acessar os barramentos Ela se baseia em uma arquitetura do tipo multimestres onde todos os nodos podem transmitir dados O transmissor n o utiliza endere amentos enviando mensagens de dados a todos os dispositivos que est o conectados na rede As especifica es do protocolo CAN abrangem somente as camadas f sicas camada 1 physical layer e o link de dados camada 2 data link do modelo internacional OSI da ISO sendo que o controle de acesso ao meio o CSMA BA carrier sense multiple access bit wise arbitration que no caso de eventuais colis es durante a comunica o as prioridades de tempo j est o definidas O protocolo CAN define uma metodologia de acesso ao meio f sico MAC Controle de Acesso ao Meio e fornece como seguran a bits de checagem CRC Vistoria Redundante C clica que detecta estruturas alteradas e erros durante a transmiss o de dados A figura 2 1 mostra uma compara o entre a rede DeviceNet e a rede CanBus baseando se no modelo OSI Aplica o Nivel 7 N vel Aplica o Control
39. por exemplo com interfaces RS 422 RS 485 para ganhar maior velocidade de comunica o alcan ando maiores dist ncias e Ethernet entre outros sendo utilizada at mesmo em altos n veis de aplica o como sistemas supervis rios de manufatura Assim como as demais redes de comunica o industrial a rede ModBus tamb m pode ser relacionada ao modelo OSI da ISO e possui as camadas 1 f sica 2 enlace e 7 aplica es A rede ModBus uma rede de protocolo aberto desde o inicio de sua cria o e caracteriza se como uma rede de f cil opera o e manuten o trabalhando com os seguintes protocolos e ModBus Padr o Standard e ModBus Plus e ModBus TCP IP Os protocolos ModBus tamb m atuam em n veis de automa o diferentes conforme figura 4 1 29 HS Ethernet Modbus TCP IP a rre A RE 1 Modbus Plus Figura 4 1 Protocolos ModBus 9 4 1 ModBus Padr o Standard O protocolo ModBus Padr o Standard usado para comunicac o ass ncrona de controladores l gicos progra veis com os dispositivos de campo de entrada e sa da de dados instrumentos eletr nicos como rel s de prote o controladores de processo atuadores de v lvulas e transdutores de press o vaz o e temperatura entre outros A topologia f sica ponto a ponto com o RS 232 ou barramento multiponto com o RS 485 O controle de acesso ao meio utiliza o protocolo mestre escravo O protocolo ModBus Padr o pode ser enquadrado na cam
40. ra ProfiBus 8 20 3 1 Caracter sticas das Redes ProfiBus Como caracter sticas gerais das redes ProfiBus existe a quest o de ser uma rede do tipo multimestres podendo atingir o n mero de 127 n s apresentando dois tipos de dispositivos dispositivos mestres e dispositivos escravos Dispositivos mestres coordenam a comunica o no meio barramento e s o capazes de enviar mensagens informa es de dados independente de solicita es externas desde que possuam o bast o de comunica o que s o conhecidas tamb m como esta o ativas poss vel utilizar mais de um mestre na rede e os mestres ainda s o divididos em duas classes classe 1 e classe 2 Mestres de classe 1 tem permiss o para ler e escrever dados nos dispositivos de campo geralmente controlador l gico program vel Mestres de classe 2 s o de configura o dos dispositivos escravos e n o precisam estar o tempo todo na rede Dispositivos escravos s o dispositivos perif ricos e n o possuem acesso direto ao barramento de comunica o Eles t m direito a apenas confirmar o recebimento de informa es ou responder informa es quando solicitadas pelas esta es mestres sendo que os dispositivos escravos tamb m s o conhecidos como esta es passivas O padr o ProfiBus garantido na norma EN50170 e EN50254 sendo que no ano 2000 o ProfiBus foi estabelecido com a norma IEC 61158 dividida em 7 camadas especificadas de acordo com o modelo OSI O principal contro
41. racter e termina com os caracteres CR Carriage return e LF Line feed 4 2 ModBus Plus Al m do protocolo ModBus alguns modelos de controladores l gicos program veis podem se comunicar atrav s de redes ModBus Plus que usam portas embutidas ou placas adaptadoras de rede Nesta rede os controladores utilizam a t cnica de comunica o ponto a ponto na qual qualquer controlador pode iniciar transa es com os outros controladores Dessa forma um controlador conectado rede pode operar como um escravo ou como mestre em transa es separadas 33 Nas redes ModBus Plus mensagens s o colocadas em pacotes de dados que n o s o relacionados a transmiss o serial como por exemplo um pedido para ler um registro pode ser controlado por dois CLPs no ModBus Plus sem levar em conta a configura o da porta serial ModBus de qualquer um dos dois CLPs O protocolo de rede gerencia o empacotamento de mensagens com delimitadores de in cio e fim espec ficos para cada rede Esses protocolos tamb m controlam a entrega ao dispositivo de destino tornando desnecess rio o enderegamento ModBus encapsulado no protocolo da rede para este tipo de transmiss o 4 3 ModBus TCP IP O ModBus TCP IP foi langado no ano de 1999 e foi o primeiro protocolo aberto a usar Ethernet e TCP IP O ModBus vers o TCP IP usa uma arquitetura do tipo cliente servidor e com isso n o h disting o entre dispositivos mestre e dispositivos escravos A
42. rofiBus PA pois al m de ser focada em automa o de processos por conter blocos de fun es especiais aplicados aos sistemas de instrumenta o e controle possui redund ncias e uma interface el trica diferenciada para equipamentos de campo onde todos os n veis de tens o e corrente para alimenta o de dispositivos fontes sensores conectores terminais de sinais remotos e cabos s o padronizados conforme norma IEC 61158 2 Cada componente dessa rede possui o ndice de prote o necess rio para atuar em ambientes com risco de explos o Para a automa o de manufatura e processos de fabrica o cont nuos como por exemplo linhas de montagem de pe as ou autom veis verifica se que as redes ProfiBus DP DeviceNet e Modbus possuem maior campo de atua o pois se baseiam em distribuir geograficamente pela planta industrial terminais remotos para a aquisi o de sinais informa es dos processos e envio de sinais para controle no campo evidentemente lembrando que cada rede tem suas capacidades e limita es Com rela o capacidade de transmiss o de dados e dist ncias m ximas de atua o que exigem grande fluxos de informa es encontra se que as redes ProfiBus DP capacidade de 127 terminais remotos e DeviceNet capacidade de 64 terminais remotos tema vantagem de conseguem abranger uma maior rea geogr fica com maiores velocidades de comunica o trabalhando assim de modo mais eficiente para aplica es mais elaboradas
43. s conex es s o estabelecidas atrav s da Porta 502 e os gateways s o dispon veis para o ModBus no modo de transmiss o RTU unidade terminal remota N o existindo diferengas entre os dispositivos mestres e escravos qualquer n utilizando uma porta TCP pode acessar qualquer outro n tornando poss vel comunicag o ponto a ponto entre os antigos dispositivos escravos onde agora as mensagens s o encapsuladas no pacote TCP IP sendo que a estrutura b sica da mensagem original Modbus n o foi alterada No encapsulamento TCP IP figura 4 3 as diferen as est o na verifica o e na escrita obten o do endere o O endere o de um dispositivo escravo foi substitu do por um byte chamado de identificador nico que pode ser usado para comunica o atrav s de dispositivos gateways e bridges que utilizam um nico endere o IP para integrar v rios equipamentos na rede 34 Cabecalho Figura 4 3 Encapsulamento TCP no ModBus 9 Na verifica o de erros s o utilizados dispositivos j existentes nos mecanismos TCP IP e redes Ethernet ao inv s dos campos CRC ou LRC O Modbus TCP permite acesso via redes de gest o industrial redes ligadas aos sistemas gerenciais da planta e Internet o que proporciona vantagens e tamb m riscos Vantagens como exemplo a facilidade de fluir as informa es dos processos produtivos em todos os n veis organizacionais e riscos como a possibilidade de acessos e opera es remotas por qualquer usu
44. s praticamente de modo manual criando uma grande dificuldade para rastrear os dados posteriormente e dificultava a an lise dos processos industriais Atualmente encontram se redes industriais interligando sistemas gerenciais das empresas e tamb m sistemas supervis rios que substituem os pain is e l mpadas para indica o de status proporcionando simplifica o dos sistemas de opera o controle o que facilita as opera es interven es e tamb m manuten es futuras economia de cabos e de energia el trica e al m de tudo facilidade transpar ncia de fluxo de informa es que muitas das vezes s o acessadas em tempo real As redes de comunica o industrial tamb m permitem interligar o controle e comunica o em alta velocidade com uma diversa gama de dispositivos como os controladores l gicos program veis que substituem os pain is l gicos de contatos com rel s e enormes quantidades de cabos e que tamb m possuem alta capacidade de processamento juntamente com confiabilidade de opera o oferecendo in meros recursos e fun es de programa o motores de passo sistemas de vis o e inspe o sensores de detec o pticos indutivos fotoel tricos barreiras de seguran a balan as v lvulas solen ides inversores de frequ ncia para motores el tricos de corrente alternada chave eletr nica para partida de motor servo acionamentos medidores e controladores de temperatura press o e vaz o transdutores rob
45. sagem de resposta o c digo de fun o repetido de volta para o dispositivo mestre Os bytes de dados cont m os dados coletados pelo escravo ou o seu estado Se um erro ocorre o c digo de fun o modificado para indicar que a resposta uma resposta de erro e os bytes de dados passam a conter um c digo que descrever o erro A verifica o de erro efetuada opcionalmente pela paridade de cada byte transmitido e obrigatoriamente pelo m todo LRC verifica o de redund ncia longitudinal aplicado na comunica o em modo de transmiss o ASCII ass ncrona ou CRC verifica o de redund ncia c clica aplicado na comunica o em modo de transmiss o RTU sobre toda a mensagem sendo que o m todo LRC descarta os caracteres de in cio e fim de mensagem e o CRC descarta os bits de in cio paridade e parada de cada byte A verifica o de erros permite com que o dispositivo mestre valide os dados recebidos 31 O dispositivo mestre que enviou a mensagem espera uma resposta por um determinado tempo antes de abortar uma comunica o timeout por m o tempo precisa ser suficiente para permitir a resposta de qualquer dispositivo escravo conectado na rede Caso ocorra um erro de transmiss o o escravo n o construir a resposta para o mestre e um timeout ser detectado fazendo com que o mestre tome as provid ncias programadas O conte do da transa o de comunica o na rede ModBus e Endere amento 1 byte endere a a
46. si o programa o e instala o dos dispositivos que necessitam ser considerados necess rio avaliar os custos de manuten o dos sistemas de hardware reposi o de equipamentos em caso de eventuais problemas disponibilidade do fabricante para pronta entrega de equipamentos assist ncia t cnica pr xima de prefer ncia e softwares aquisi o de licen as dos softwares de programa o configura o e aquisi o de atualiza es dos programas Os custos de eventuais treinamentos dos colaboradores tamb m necessitam ser considerados porque extremamente importante ter pessoas qualificadas e prontamente aptas a intervir nas aplica es n o somente em manuten es corretivas mas tamb m em manuten es preventivas Uma grande vantagem proporcionada pelas redes industriais a possibilidade de acesso em tempo real a dados dos processos produtivos permitindo uma enorme agilidade na aquisi o de informa es e uma gest o industrial totalmente integrada capaz de interligar desde o n vel operacional do ch o da f brica ambiente produtivo at os sistemas gerenciais das empresas Com a implementa o das redes de comunica o industrial na automa o h uma enorme economia de recursos por exemplo nos cabos que ao inv s de milhares de quil metros de fios para interligar todos os dispositivos distribu dos por uma planta existe apenas um nico barramento de comunica o que percorre longas dist ncias no ambiente indu
47. strial onde todos os dispositivos de campo s o conectados a terminais de entradas e sa das remotos espalhados al m da grande economia de energia porque todos os dispositivos e intertravamentos das l gicas de controle s o micro processadas eliminando enormes pain is el tricos com reles e contatores obtendo assim melhor rendimento e utiliza o de recursos de energia el trica 38 TRABALHOS FUTUROS Pretende se dar continuidade ao estudo relacionado a redes de comunica o industrial analisando as redes DeviceNet ProfiBus e ModBus em rela o rede Ethernet industrial Gradativamente nas ind strias a rede Ethernet est se popularizando e avan ando nas aplica es por m necess rio verificar sua rela o custo benef cio seguran a dos dados informa es robustez e todos os aspectos de funcionamento Ethernet em rela o s redes que surgiram justamente com o prop sito de realizar a comunica o em ambiente industrial A proposta desenvolver um estudo de caso sobre todas as caracter sticas da rede Ethernet para que assim seja poss vel estabelecer compara es com as redes DeviceNet ProfiBus e ModBus 39 REFERENCIAS BIBLIOGR FICAS 1 PARK John MACKAY Steve WRIGHT Edwin Practical Data Communications for Instrumentation and Control Oxford Great Britain Ed Elsevier 2003 2 TANEMBAUM Andrew S Computer Networks 4ed New Jersey USA Ed Prentice Hall 2003 3 FILHO Cons
48. t tica s o configurados apenas uma vez e durante a opera o suas informa es n o podem ser modificadas sendo que esses objetos reconhecidos pelo FMS s o vari veis simples matrizes vetor de vari veis simples registro s rie de diferentes tipos de vari veis simples dom nio e evento Os objetos de comunica o din mica podem ter suas informa es modificadas durante a opera o Uma op o que o protocolo tamb m oferece a prote o de acesso aos objetos de comunica o atrav s do uso de senhas de acesso O protocolo FMS tamb m prove servi os para a administra o e gerenciamento da rede FMS Services que podem ser e Servi os confirmados utilizados para as comunica es orientadas a conex o representando uma conex o l gica ponto a ponto entre dois processos e Servi os n o confirmados utilizados para a comunica o sem conex o por exemplo broadcast ou multicast representando uma conex o simult nea com diversas esta es Os servi os que o protocolo FMS prove s o divididos em grupos conforme abaixo e Gerenciamento de contexto estabelecem e desfazem conex es l gicas e Acesso a vari veis acessam vari veis registros matrizes e lista de vari veis e Gerenciamento de dom nio transmitem grandes quantidades de mem ria dados e Gerenciamento de chamada de programas permite gerenciar o modo e a chamada dos programas de fun es e Gerenciamento de eventos utilizados para tra
49. tantino Seixas Devicenet Local UFMG 28p Apostila 4 Melo Walmy Redes Industriais Aula 06 Local CEFET RN Curso superior de tecnologia em automag o industrial 28p Apostila 5 FILHO Constantino Seixas R3 ProfiBus Local UFMG 25p Apostila 6 PEREIRA Carlos E Profibus Local UFRGS DELET 64p Apostila 7 CASSIOLATO C sar TORRES Leandro Henrique B CAMARGO Paulo Roberto ProfiBus Descri o T cnica rev Julho 2006 Associa o ProfiBus 8 ASSOCIACAO PROFIBUS BRASIL Seminario Profibus 2000 9 MELO Walmy Redes Industriais Aula 04 Local CEFET RN Curso superior de tecnologia em automag o industrial 11p Apostila 10 MELO Walmy Redes Industriais Aula 07 Local CEFET RN Curso superior de tecnologia em automa o industrial 15p Apostila 11 MELO Walmy Protocolos Orientados a Caracter Local CEFET RN Curso superior de tecnologia em automa o industrial 24p Apostila 40
50. ue determinam as escolhas de uma rede s o caracter sticas da aplica o capacidade no sentido de funcionalidades e recursos seguran a dos dados confiabilidade robustez e custos As caracter sticas da aplica o variam bastante de acordo com o ramo de atividade da empresa e est o diretamente ligadas ao pr prio processo produtivo e ambiente em que a rede vai trabalhar At mesmo para cada ramo de atividade industrial existem conjuntos de normas e padr es de funcionamentos pr estabelecidos como exemplo pode se citar as ind strias aliment cias onde s o necess rios graus elevados de prote es dos equipamentos devido principalmente a necessidade de higiene das linhas de produ o cujas linhas de produ o devem ser totalmente lavadas e esterilizadas com gua quente e produtos de limpeza e as ind strias qu micas que possuem reas classificadas oferecendo riscos inclusive sa de dos operadores e que todos os n veis de tens o e corrente para a alimenta o dos dispositivos s o padronizados assim como os conectores cabos e equipamentos perif ricos do sistema As redes ProfiBus DeviceNet e Modbus apesar de serem bastante vers teis poss vel verificar que para a automa o de processos que envolvem reas classificadas e que exigem redund ncias c clicas de seguran a nas aplica es cr ticas aplica es essas como por 36 exemplo reatores caldeiras ou processos de minerag o a nica rede preparada a P
51. ultiple access non destructive bitwise arbitration variante dos protocolos CSMA por m cada mensagem possui uma prioridade definida no qual qualquer n pode acessar o barramento quando o mesmo estiver livre Caso aconte a colis o haver a arbitragem bit a bit baseada na prioridade da mensagem que fun o do campo identificador tamanho de 11 bits que est presente no cabe alho As mensagens podem ser de dois tipos mensagens de entrada sa da dados de tempo cr tico com controle permitem o tr fego de dados entre aplica es produtoras e consumidoras e mensagens expl citas dados de configura o e diagn sticos ponto a ponto Arbitragem o procedimento no qual cada n inicia a transmiss o e monitora o meio bit a bit se o dado enviado igual ao dado monitorado recebido sendo que os bits com valores dominantes sobrescrevem bits recessivos Todos os nodos respondem se a mensagem recebida est correta com um ACK acknowledgement dentro do mesmo intervalo de tempo Utilizando o conceito de produtor consumidor capaz de suportar v rios modelos de rede no qual o dado especificado pelo seu conte do e um elemento produz a mensagem informa o no barramento e os elementos que precisam dessa mensagem a consomem visando eliminar troca de informa es desnecess rias Os m todos de aquisi o de dados na rede DeviceNet s o Polled Message Strobed Message Change of State e Cyclic Message O m todo Polled Message c
Download Pdf Manuals
Related Search