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Fieldbus Uma arquitetura para redes industriais Alunos: Gáudio Vinícius Lopes Besch Vinicius Fernandes de Oliveira

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Apresentação em tema: "Fieldbus Uma arquitetura para redes industriais Alunos: Gáudio Vinícius Lopes Besch Vinicius Fernandes de Oliveira"— Transcrição da apresentação:

1 Fieldbus Uma arquitetura para redes industriais Alunos: Gáudio Vinícius Lopes Besch Vinicius Fernandes de Oliveira Julho de 2002 LECA-DCA / PPgEE - Disciplina: Tópicos em redes de computadores ( redes industriais )

2 Arquiteturas Principais características de algumas soluções O objetivo desse item é mostrar de forma comparativa as principais características de algumas soluções em redes fieldbus.

3 Rede industrial – alguns padrões Rede industrial – alguns padrões Versão beta !LonWorksMAPMAPICSM-BUS Modbus Plus Modbus RTU / ASCII PCAP-NET PROFIBUS DP / PA / FMS ProfinetPROWAYSafetyBUSSCRAMNetSDSSeriplexWorldFIPARCNETAS-IBITBUS CAN Open CIM-OSAControlNetDECOMNIDeviceNetEIB Foundation FieldBus H1 Foundation FieldBus HSE GENIUS I/O HART IEC / ISA SP50 Fieldbus Industrial Ethernet INTERBUS-S

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5 Caldeira Arquiteturas - Problema exemplo Válvula Pressão Temper. Válvula Motor S1 Nível S2 Nível S3 Nível Carga Processo contínuo Processo discreto

6 RS-232, RS-485,etc. Arquiteturas - Convencional ( CP ) Caldeira Válvula Pressão Temper. Válvula Motor S1 Nível S2 Nível S3 Nível Controlador Programável Físico: 4-20mA, 0-5V,etc. Enlace: CP faz ciclo de varredura Aplicação Lóg. comb., sequencial, PID, etc. Aplicação do usuário Programação, monitoração, estatística, etc.

7 Arquiteturas AS-I - Actuator-Sensor-Interface Caldeira Válvula Pressão Temper. Válvula Motor S1 Nível S2 Nível S3 Nível Contr.Progr./ Gateway Mestre AS-I Físico - par de fios, não trançado e sem blindagem, para sinais e alimentação - codificação Manchester com modulação de corrente (APM) kbits/seg., Enlace - Mestre/escravo, ponto a ponto com pooling - ciclo: 5 ms p/ 31 escravos Escravo AS-I Escravo AS-I ( possui um chip ASIC ) Escravo AS-I ( possui um chip ASIC ) Aplicação Lóg. comb., seq., PID, etc. ou conversão de protocolo RS-485, Profibus, Modbus, etc. Aplicação do usuário Programação, monitoração, estatística, etc.

8 Arquiteturas AS-I - Actuator-Sensor-Interface AS-Interface Master - Mini CLP - RS485 Botoeira AS-Interface (escravo) Endereçador AS-I Master Módulo escravo

9 Arquiteturas AS-I - Actuator-Sensor-Interface Essencial:Essencial: –Reduz o custo de uma rede no campo diminuindo a quantidade de fios e simplificando a instalação Princípios básicos:Princípios básicos: –Utiliza chips ASIC ( Application Specific Integrated Circuit ) em sensores/atuadores ASI para ligá-los a redes ASI –Disponibiliza módulos escravos (equipamento específico) que permitem o uso de sensores/atuadores convencionais –Possui um módulo mestre (placa específica embutida em um elemento inteligente) para gerenciar o acesso ao meio –O tratamento das informações deverá ser feito por qualquer elemento inteligente ( CP, PC, etc.) que trabalhe em conjunto com o módulo mestre

10 Arquiteturas AS-I - Actuator-Sensor-Interface Características tecnológicas:Características tecnológicas: Interligações por cabo de 2 fios de 1,5 mm² sem blindagem para dados e alimentação ou com alimentação separada Extensão máxima do cabo em segmentos de 100m em um máximo de 500m com repetidor Permitidas todas as topologias Na atual versão (2.1) admite-se um máximo de 62 módulos com 248 pontos de entrada e 186 de saída e ciclo de 10 ms na capacidade máxima Sinais analógicos são processados com eficiência apenas na versão 2.1 ME: Módulo de Entrada MS: Módulo de Saída A: Atuador S: Sensor Não possui soluções para segurança intrínsica

11 Arquiteturas AS-I - Actuator-Sensor-Interface Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação): –A comunicação entre o master e o escravo consiste em um chamado do master, uma pausa, a resposta do escravo e nova pausa. –Quadro compacto obtendo-se um baixo tempo de resposta: Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação): –A comunicação entre o master e o escravo consiste em um chamado do master, uma pausa, a resposta do escravo e nova pausa. –Quadro compacto obtendo-se um baixo tempo de resposta:

12 Arquiteturas AS-I - Actuator-Sensor-Interface Exemplo de redução de custos da StoneL Corporation: ( ) Redução de 42%

13 HART Server Escravo HART Escravo HART Arquiteturas HART - Highway Addressable Remote Transducer Caldeira Válvula Pressão Válvula Motor S1 Nível S2 Nível S3 Nível CPCP Temper. Profibus, Modbus, Ethernet, etc. Físico - par trançado para sinais e alimentação - codificação Bell 202 (FSK) sobre 4 a 20 mA bps - top. ponto a ponto ou multiponto Enlace - Mestre/escravo, com pooling ou modo burst Aplicação Comandos HART Aplicação do usuário: Programa, configura, monitora, ou OPC server/client Enlace 4-20mA 4-20mA + frame 4-20mA Mestre HART

14 Arquiteturas HART - Highway Addressable Remote Transducer NRF 590 Tank Side Monitor da Endress+Hauser

15 Arquiteturas HART - Highway Addressable Remote Transducer Transmissor de vazão da ROSEMOUNT

16 Arquiteturas HART - Highway Addressable Remote Transducer Comunicador HART da ROSEMOUNT

17 Arquiteturas HART - Highway Addressable Remote Transducer Essencial:Essencial: –Aproveitar o possível das instalações convencionais e ao mesmo tempo implementar processamento digital Princípios básicos:Princípios básicos: –Introduz um sinal modulado em frequência sobreposto ao sinal convencional ( 4 a 20 mA ) –Sensores e atuadores HART que possuem circuitos para processar sinais digital e analógico –Existe o módulo mestre para gerenciar e processar informações

18 Arquiteturas HART - Highway Addressable Remote Transducer Características tecnológicasCaracterísticas tecnológicas –Cabo par trançado, simples ou múltiplo, máximo de 1500m para 0.51mm de diâmetro, 3000m para 0.81mm; para cabos convencionais 4 a 20 mA, dependerá das perdas. Pode ter pontes para fibra ótica. –Multiplexador HART: disponibiliza canais para serem ligados a segmentos de rede. Máximo de 32 canais, cada canal com o máximo de 15 equipamentos por multiponto ou 1 ponto a ponto. –Mestre HART: máximo de 2, normalmente sendo o primário um CP ou um PC e o secundário um hand held para fins de utilização no campo –Permitido todas as topologias –Possui soluções para áreas de segurança intrínseca

19 Arquiteturas HART - Highway Addressable Remote Transducer Características tecnológicas (continuação)Características tecnológicas (continuação) –Estrutura da mensagem: ( sincronizar o sinal ) ( mestre->escravo, escravo->mestre, burst, tipo de endereço ) ( 1-pooling ou 5-ID único ) ( 0-30 universal, práticos comuns, específicos do equipamento ) ( tipo de erro de comunicação, status do comando recebido, status do equipamento )

20 Arquiteturas Modbus ModBus Server Escravo ModBus RTU / ASCII Escravo ModBus RTU / ASCII Caldeira Válvula Pressão Válvula Motor S1 Nível S2 Nível S3 Nível Mestre Modbus ( HIM ) Temper. Modbus TCP/ IP RS232 Bridge ModBus RS485 ModBus Plus RS232 Mestre Modbus (CLP) RS485 Ethernet Físico - RS232 ponto a ponto, RS485 multiponto, par trançado blindado MB Plus Enlace - Mestre/escravo para MB RTU / ASCII, HDLC para MB Plus Aplicação - Comandos e parâmetros ModBus Aplicação do usuário: Programa, configura, monitora

21 Arquiteturas Modbus Essencial:Essencial: –Permite que as redes industriais utilizem padrões e protocolos amplamente difundidos nas redes comerciais Princípios básicos:Princípios básicos: –Implementa um protocolo no nível 7 deixando para os níveis mais baixos as respectivas implementações –Planejado para que os níveis mais baixos possam ser os protocolos já consagrados –Ser aberto para que qualquer fabricante de equipamento possa desenvolver os seu protocolo Modbus compatível de acesso ao meio

22 Arquiteturas Modbus Características tecnológicas:Características tecnológicas: –Cabeamento, velocidade e limitações são dos respectivos padrões existentes ( RS 232 / 422 / 485, Ethernet, etc. ) –Existem vários ModBus: ModBus simplesmente é o padrão do nível 7 OSIModBus simplesmente é o padrão do nível 7 OSI ModBus ASCII é o padrão para uso com RS232, RS422 e RS485ModBus ASCII é o padrão para uso com RS232, RS422 e RS485 ModBus RTU ( Remote Terminal Unit ) é similar ao ASCII, porém com maior densidade de caracteres e intervalos mais curtosModBus RTU ( Remote Terminal Unit ) é similar ao ASCII, porém com maior densidade de caracteres e intervalos mais curtos ModBus Plus é um padrão que utiliza HDLC, MAC e LLC ( token passing, ponto a ponto )ModBus Plus é um padrão que utiliza HDLC, MAC e LLC ( token passing, ponto a ponto ) ModBus II é um padrão token passing, ponto a ponto com cabo coaxial a 5 MbpsModBus II é um padrão token passing, ponto a ponto com cabo coaxial a 5 Mbps ModBus On TCP é o padrão que utiliza TCP/IPModBus On TCP é o padrão que utiliza TCP/IP –É enorme a quantidade de soluções utilizando bridges, CPs, I/O, modens, etc. abragendo WANs e LANs. –Não possui soluções para segurança intrínseca

23 Arquiteturas Modbus Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação): –Os vários ModBus:

24 Arquiteturas Modbus Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação): –Exemplo de uma arquitetura ModBus:

25 Arquiteturas Modbus Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação): –Exemplo de utilização da arquitetura ModBus:

26 Arquiteturas Modbus Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação): –Quadro genérico: –Exemplo do quadro para uso com TCP / IP ( Protocol Data Unit ) (Application Data Unit )

27 Arquiteturas Modbus Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação): –Categoria de códigos de função - 1 byte ( leitura e gravação de variáveis e parâmetros de medição e controle, etc. ): Obs: 128 a 255 são reservados para códigos de exceção Códigos definidos pelo usuário não precisam ser aprovados pelo modbus.org - não existirão garantias de serem únicos.

28 Arquiteturas Modbus Exemplo de redução de custos da StoneL Corporation: ( comparar com AS-Interface ) ( comparar com AS-Interface )

29 Arquiteturas ProfiBus - Process Field Bus Escravo ProfiBus Escravo ProfiBus Caldeira Válvula Pressão Válvula Motor S1 Nível S2 Nível S3 Nível Mestre ProfiBus (CLP) Temper. ProfiBus + Ethernet = ProfiNet RS485 Mestre ProfiBus (CLP) RS485 Ethernet + TCP/IP Físico - RS485 multiponto Enlace - Mestre/escravo (token passing) e mestre/mestre (token ring) Aplicação - Comandos e parâmetros ProfiBus FMS Aplicação do usuário: Programa, configura, monitora

30 Arquiteturas ProfiBus - Process Field Bus Essencial:Essencial: –Promove fácil integração entre os níveis de campo e controle com um protocolo aberto e com muitos recursos Princípios básicos:Princípios básicos: –Utiliza padrões conhecidos no nível físico –Introduz novos padrões abertos nas camadas de enlace e aplicação, subdividindo os protocolos conforme o objetivo –Permite conversão para outros tipos de protocolos Obs: todas as redes de fato fieldbus ( HART, ModBus, FF, Profibus, CANOpen, etc. ) possuem benefícios similares, diferenciando mais na implementação do que no objetivos

31 Arquiteturas ProfiBus - Process Field Bus Características tecnológicas:Características tecnológicas: –Transmissão assíncrona, padrão físico RS 485 / Fibra Ópticae IEC –Transmissão assíncrona, padrão físico RS 485 / Fibra Óptica e IEC –Topologia: Barramento –Velocidade: 9,6 Kbps.. 12 Mbps. Transmite 1 kByte de E/S em menos que 2 ms –Distância: 100 m... 1,2 Km –Dispositivos 127 (máximo) –Parametrização e diagnóstico remotos –Ampla interoperabilidade –Acesso híbrido (Token + Mestre/Escravo) protocolo FDL (FieldBus Data Link): permite mestre/escravo com token passing, multi-mestre com token ring, adicionalmente com broadcast e multicast ( nível 2 )protocolo FDL (FieldBus Data Link): permite mestre/escravo com token passing, multi-mestre com token ring, adicionalmente com broadcast e multicast ( nível 2 )

32 Arquiteturas ProfiBus - Process Field Bus Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação): –Protocolo FMS (Fieldbus Message Specification) e LLI (Lower Layer Interface) –ProfiBus divide-se em ProfiBus FMS, para nível de célula ( controle )ProfiBus FMS, para nível de célula ( controle ) ProfiBus DP (Decentralized Periphery), para nível de campo:ProfiBus DP (Decentralized Periphery), para nível de campo: –Equipamentos escravos –DPM1 (DP Master Class 1): controlador central ( CP ou PC ) –DPM2 (DP Master Class 2): configuração, diagnóstico e programação (notebook, PC) ProfiBus PA (Process Automatation), para segurança intrínseca: semelhante ao DPProfiBus PA (Process Automatation), para segurança intrínseca: semelhante ao DP

33 Arquiteturas ProfiBus - Process Field Bus Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação): Aplicação do usuário Grande diversidade FAS - Fieldbus Access SublayerLLI - Lower Layer Interface Foundation Fieldbus Profibus DP / FMS OSI ANSI / ISA - S RS 485 / Fibra Ótica / IEC Físico DLL - Data Link LayerFDL - Fieldbus Data Link Enlace ( Não há roteamento – número MAC já resolve identificações ) Rede ( Mensagens trafegam inteiras – não existem pacotes ) Transporte ( Todos os equipamentos estão sempre on-line ) Sessão ( Nas mensagens não há conversões, encriptações, etc. ) Apresentação FMS - Fieldbus Message Specification Aplicação

34 Arquiteturas ProfiBus - Process Field Bus Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação): –Uma visão geral da comunicação:

35 Arquiteturas ProfiBus - Process Field Bus Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação): – –Configuração PROFIBUS com 3 estações ativas (mestres) e 7 estações passivas (escravas). Os 3 mestres formam um anel lógico de token:

36 Arquiteturas ProfiBus - Process Field Bus Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação): A parte da aplicação situada no dispositivo de campo acessado via comunicação é denominada de VFD Serviços FMS

37 Arquiteturas de redes industriais Um assunto que parece não ter FIM


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