Carlos Roberto da Silva Filho, M. Eng.

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1 Carlos Roberto da Silva Filho, M. Eng.
Redes industriais Carlos Roberto da Silva Filho, M. Eng.

2 Profibus Profibus (Process FieldBus) é um protocolo de comunicação que provê uma solução de propósitos gerais para manufatura, processos e automação predial; Ele efetua tarefas de comunicação do tipo mestre-escravos e perfis de aplicações associadas a automação; A rede Profibus é um conjunto de três redes ou communication profiles no jargão Profibus.

3 Profibus Profibus DP (Distributed Peripherals): Esta rede é especializada na comunicação entre sistemas de automação e periféricos distribuídos; Profibus FMS (Fieldbus Message Specification): Tem uma ampla capacidade para comunicação de dispositivos inteligentes como: CLPs, DCS, Computadores ou outros sistemas que precisam de alta demanda de transmissão de dados.

4 Profibus A rede FMS vem sendo substituído pela rede Ethernet TCP/IP – no caso da Siemens pela Profinet. Profibus PA (Process Automation): projetada para aplicação em processos contínuos. Permite a conexão de sensores e atuadores em um barramento único e comum, em áreas intrinsecamente seguras.

5 Profibus A rede Profibus PA possibilita a comunicação de dados e alimentação no mesmo barramento, usando tecnologia a 2 fios, de acordo com o padrão internacional IEC

6 Profibus

7 Profibus - aplicações

8 Profibus

9 Profibus

10 Características Gerais
Profibus é uma rede multimestres. A especificação fieldbus distingue 2 tipos de dispositivos: Dispositivo Mestre: Um mestre é capaz de enviar mensagens independente de solicitações externas quando tiver a posse do token. São também chamados de estações ativas;

11 Características Gerais
Dispositivo Escravo: Não possuem direito de acesso ao barramento e podem apenas confirmar o recebimento de mensagens ou responder a uma mensagem enviada por um mestre. São também chamadas de estações passivas. Sua implementação é mais simples e barata que a dos mestres.

12 Arquitetura A arquitetura especifica como o protocolo interage na rede em função do modelo de camadas de referência OSI. As redes industriais implementam as camadas 1, 2 e 7 do modelo OSI. A rede Ethernet Industrial implementa as camadas 1, 2, 3, 4 e 7 do Modelo OSI.

13 Arquitetura

14 Arquitetura O Profibus-DP utiliza os níveis 1 e 2, e uma interface de aplicação, que assegura transmissão de dados rápida e eficiente. O DDLM (Direct Data Link Mapper) facilita o acesso da aplicação ao nível 2. As aplicações disponíveis, bem como o comportamento dos vários tipos de dispositivos, estão especificados na interface do usuário. As tecnologias de transmissão disponíveis são RS 485 ou fibras ópticas.

15 Arquitetura Na Profibus-FMS, utilizam-se os níveis 1,2 e 7 do Modelo OSI; O nível de aplicação é composto de mensagens FMS (Fieldbus Message Specification) e LLI (Lower Layer Interface). As mensagens FMS contem o protocolo de aplicação, proporcionando ao usuário uma grande seleção de serviços de comunicação. As mensagens LLI implementam as várias relações de comunicação, e habilitam o acesso independente de fornecedor ao FMS.

16 Arquitetura O nível 2 (FDL, Fieldbus Data Link) implementa o controle de acesso à rede e a segurança dos dados. Tecnologias de transmissão RS 485 ou fibras ópticas podem ser utilizadas. O Profibus-DP e o FMS utilizam a mesma tecnologia de transmissão e o mesmo protocolo de acesso à rede. Ambas as versões podem ser utilizadas no mesmo cabo ao mesmo tempo.

17 Arquitetura O Profibus-PA usa o protocolo estendido do Profibus-DP para transmissão de dados. O Profibus-PA tem um formato que define o comportamento dos dispositivos de campo; A tecnologia de transmissão segue a norma IEC , incluindo segurança intrínseca; Ele permite que os dispositivos de campo sejam alimentados pelo próprio barramento; Os dispositivos podem ser interligados ao barramento DP através de um acoplador;

18 Arquitetura

19 Arquitetura

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21 Arquitetura

22 Meio de Transmissão O padrão RS 485 é a tecnologia de transmissão mais encontrada no Profibus. Sua aplicação inclui todas as áreas nas quais uma alta taxa de transmissão aliada à uma instalação simples e barata. Um par trançado de cobre blindado (shield) com um único par condutor é o suficiente neste caso. O uso de par trançado não requer nenhum conhecimento ou habilidade especial.

23 Meio de Transmissão A topologia permite a adicionar e remover estações, sem afetar outras estações. Ampliações futuras, podem ser implementadas sem afetar as estações já em operação. Taxas de transmissão entre 9,6 kbps e 12 Mbps podem ser selecionadas, porém uma única taxa de transmissão é selecionada para todos os dispositivos no barramento, quando o sistema é inicializado.

24 Meio de Transmissão

25 Meio de Transmissão Todos os dispositivos são ligados à uma estrutura de tipo barramento linear. Até 32 estações (mestres ou escravos) podem ser conectados à um único segmento. O barramento é terminado por um terminador ativo do barramento no início e fim de cada segmento. Para garantir uma operação livre de erros, ambas as terminações do barramento devem estar sempre ativas.

26 Meio de Transmissão

27 Meio de Transmissão

28 Meio de Transmissão Em Geral, estes terminadores encontram-se nos próprios conectores de barramento ou nos dispositivos de campo, acessíveis através de uma dip-switch. No caso em que mais que 32 estações necessitem ser conectadas ou no caso que a distância total entre as estações ultrapasse um dado limite, devem ser utilizados repetidores (repeaters) para se interconectar diferentes segmentos do barramento.

29 Meio de Transmissão O comprimento máximo do cabo depende da taxa de transmissão. As especificações de comprimento de cabo, são baseadas em um cabo tipo-A, com o seguintes parâmetros: Impedância: 135 a 165 Ohms; Capacitância: < 30 pF/m; Resistência: 110 Ohms / km; Medida do cabo: 0,64 mm Área do condutor: 0,34 mm2

30 Meio de Transmissão

31 Meio de Transmissão Para a conexão em locais com grau de proteção IP20, utiliza-se conectores tipo DB9 (9 pinos). Já no caso de grau de proteção IP65/67, existem 3 alternativas para a conexão: Conector circular M12 (IEC ); Conector Han-Brid, conforme recomendação DESINA; Conector híbrido SIEMENS;

32 Conector DB9

33 Conector DB9

34 Conector

35 Formas de Transmissão Geralmente, a transmissão pode ser realizada de forma bidirecional, de forma alternada ou simultânea. Assim, a cada elemento na rede deverá estar associado um equipamento transmissor e um receptor compondo o conjunto transceptor; A transmissão de dados em um único sentido é denominada simplex, e quando realizada nos dois sentidos é denominada duplex.

36 Formas de Transmissão No caso em que ela se realiza alternadamente, ou seja, ora num sentido, ora no outro, ela se denomina half-duplex. No caso em que ela se realiza simultaneamente nos dois sentidos, esta será denominada full-duplex. Televisão – simplex; Rádio amador – half-duplex; Rede – full-duplex;

37 Formas de Transmissão Os modos de transmissão caracterizam as diferentes formas como os bits de informação transmitidos são delimitados e encaminhados ao longo da linha de comunicação; Neste caso, podem ser transmitidos no modo serial e paralelo; Na forma paralela, os bits são transportados simultaneamente em várias linhas em paralelo, sendo apropriado apenas à comunicação entre equipamentos à curtas distâncias.

38 Formas de Transmissão Na transmissão serial, mais adequada a comunicação entre equipamentos separados por grandes distâncias, os bits são encaminhados serialmente através de uma única linha de comunicação, usualmente com 2 ou 4 fios. Pode-se considerar outros parâmetros para a classificação dos modos de transmissão, como, por exemplo, a forma de sincronia entre emissor e receptor, associada à temporização, ou seja, transmissão síncrona ou assíncrona.

39 Formas de Transmissão Na transmissão síncrona, os bits de dados são enviados segundo uma cadência pré-definida, obedecendo a um sinal de temporização (clock). O receptor, por sua vez, conhecendo os intervalos de tempo que permitem delimitar um bit, poderá identificar a seqüência dos bits fazendo uma amostragem do sinal recebido. Na transmissão assíncrona, não existe a fixação prévia de um período de tempo de emissão entre o transmissor e o receptor.

40 Formas de Transmissão A separação entre os bits é feita através de um sinal especial com duração variável. Um caso típico de transmissão assíncrona é a transmissão de caracteres; Neste caso, a cada grupo de bits constituindo um caracter são adicionados bits especiais para representar o start bit e o stop bit; Neste tipo de comunicação, apesar da assincronia ao nível de caracteres, ocorre uma sincronização ao nível de bit.

41 Camada Física - RS 232 A transmissão serial RS 232 é sinalizada eletricamente através dos níveis de tensão para representar os bits 0 e 1. A especificação RS 232C foi a mais utilizada e trabalha com tensões entre – 15V e + 15V. A representação dos bits 0 e 1 são feitos da seguinte forma: 0 corresponde à uma tensão entre +3V e +15V; 1 corresponde à uma tensão entre – 3V e – 15V; Esta forma de representação é dita bipolar;

42 Camada Física - RS 232 As tensões entre + 3V e – 3V é considerado indefinido e indica um erro de transmissão de dados; Além da representação física a interface RS 232 é uma forma de comunicação half-duplex; A recepção do sinal é feita de forma que se em um dado intervalo de tempo se o sinal estiver em nível fixo, o mesmo é interpretado como 1 ou 0;

43 Camada Física - RS 232

44 Protocolo - RS 232 Start bit – inicialização da mensagem;
Dados – representa os dados transmitidos; Paridade – técnica verificação de erros de transmissão; Stop bit – finalização de uma transmissão;

45 Protocolo - RS 232

46 Protocolo - RS 232

47 Paridade no Protocolo - RS 232

48 Paridade no Protocolo - RS 232

49 Camada física – RS 485 A camada física da RS 485 é chamada de linhas de comunicação balanceadas; Os circuitos transmissores e receptores adotados nestas interfaces utilizam como informação a diferença entre os níveis de tensão em cada condutor do par trançado. Os códigos binários são identificados pela polaridade (+ ou -) da diferença de tensão entre os condutores do par;

50 Camada física – RS 485 Ou seja, quando a tensão no condutor “+” for maior que no condutor “-”, é caracterizado um nível lógico “1”; Porém, quando, ao contrário, a tensão no condutor “-” for maior que no condutor “+”, é caracterizado um nível lógico “0”. Uma margem de ruído de ±0,2 V é definida para aumentar a tolerância a interferências.

51 Camada física – RS 485 Esta técnica resulta no cancelamento de ruídos induzidos no meio de transmissão, pois se o mesmo ruído é induzido nos 2 condutores, a diferença de tensão entre eles não se altera e a informação é preservada. A interferência eletromagnética emitida por um barramento de comunicação diferencial é também menor que a emitida por barramentos de comunicação não-diferenciais.

52 Camada física – RS 485 Os circuitos eletrônicos de transmissão e recepção da rede podem ser danificados se cabo apresentar um potencial muito elevado em relação ao referencial (comum ou terra). A norma EIA/TIA-485 especifica que a máxima diferença de potencial entre os equipamentos da rede deve estar entre – 7V e + 12V, conhecida como tensão de modo comum.

53 Camada física – RS 485

54 Camada física – RS 485 Além do dois estados lógicos, um transmissor RS-485 pode operar em um terceiro estado, chamado de “tri-state” ou alta impedância. Este estado é conhecido com estado desabilitado e pode ser iniciado por um pino de controle no seu circuito integrado. Operação em “tri-state” permite que, em uma rede, apenas um dispositivo esteja ativo em cada momento.

55 Camada física – RS 485 O código usado pelo padrão RS 485 é o NRZ – Non Return to Zero; Neste padrão o sinal permance totalmente em “zero” ou “um” durante todo o tempo de bit; A figura abaixo mostra a codificação.

56 Camada física – RS 485

57 Camada física – RS 485

58 Camada física – RS 485

59 Camada física – RS 485 Sinal Bom

60 Ruído Entrando pelo Shield
Camada física – RS 485 Ruído Entrando pelo Shield

61 Protocolo – RS 485 Para o padrão RS 485, o protocolo de comunicação não é especificado. O usuário deve especificar o protocolo. Alguns protocolos que utilizam o padrão são oModbus, Devicenet, Profibus DP, etc.

62 Protocolo Profibus DP Os “perfis” de comunicação Profibus usam um protocolo uniforme de acesso ao meio. Este protocolo é implementado pela camada 2. Isto inclui também a segurança de dados e a manipulação do protocolos de transmissão e mensagens. No Profibus a camada 2 é chamada Fieldbus Data Link (FDL).

63 Protocolo Profibus DP O Controle de Acesso ao Meio (MAC) especifica o procedimento quando uma estação tem a permissão para transmitir dados. O MAC deve assegurar que uma única estação tem direito de transmitir dados em um determinado momento. O protocolo do Profibus foi projetado para atender os dois requisitos básicos do Controle de Acesso ao Meio:

64 Protocolo Profibus DP Para durante a comunicação entre sistemas (mestres), deve ser assegurado que cada uma destas estações detém tempo suficiente para executar suas tarefas de comunicação dentro de um intervalo definido e preciso de tempo. Para que na transmissão cíclica de dados em tempo real deverá ser implementada tão rápida e simples quanto possível para a comunicação entre um CLP complexo e seus próprios dispositivos de I/O’s (escravos).

65 Protocolo Profibus DP Portanto, o protocolo Profibus de acesso ao barramento inclui o procedimento de passagem do Token, que é utilizado pelas estações ativas, os mestres, para comunicar-se uns com os outros; Enquanto que o procedimento de mestre-escravo que é usado por estações ativas para se comunicarem com as estações passivas, os escravos.

66 Protocolo Profibus DP

67 Protocolo Profibus DP O procedimento de passagem do Token que garante o direito de acesso ao meio é passado a cada mestre dentro de um dado tempo. A mensagem de Token, deve ser distribuída no anel lógico de pelo menos uma vez a todos mestres dentro de um certo tempo máximo denominado tempo de rotação do Token. Na inicialização do sistema, a tarefa do controle de acesso dos mestres é captar esta designação lógica e estabelecer o anel de Token.

68 Protocolo Profibus DP Outra tarefa importante de camada 2 é a segurança de dados, ou seja, formata frames para assegurar a integridade de dados. Todos os telegramas têm Hamming Distance HD=4, alcançada através do uso de telegramas especiais delimitadores de início/fim, bit de paridade e byte de check. HD 4 significa que até 3 falhas de transmissões ao mesmo tempo podem ser detectadas;

69 Protocolo Profibus DP A camada 2 opera num modo chamado “sem conexão”, e além de transmissão de dados ponto-a-ponto, proporciona comunicações do tipo multi-ponto, ou seja, Broadcast e Multicast. Broadcast: uma estação ativa envia uma mensagem sem confirmação a todas outras estações (mestres e escravos). Multicast: uma estação ativa envia uma mensagem sem confirmação a um grupo de estações pré-determinadas (mestres e escravos).

70 Profibus DP - resumo

71 Profibus DP - resumo

72 Profibus DP – versões do protocolo

73 Profibus DP - resumo

74 Profibus DP - resumo

75 Protocolo Profibus DP A transmissão de dados entre o DPM1 e os escravos DP associados a ele é executado sempre na mesma ordem, que repete-se. Quando configurando o sistema, o usuário especifica a associação de um escravo DP ao DPM1 e quais escravos DP serão incluídos ou excluídos da transmissão cíclica de dados do usuário. A transmissão de dados entre o DPM1 e os escravos DP é dividida em três fases:

76 Protocolo Profibus DP Parametrização, configuração e transferência de dados. Na fase de configuração e parametrização de um escravo, sua configuração real é comparada com a configuração projetada no DPM1. Somente se corresponderem é que o escravo passará para a fase de transmissão de dados.

77 Protocolo Profibus DP Assim, todos os parâmetros de configuração, tais como tipo, formato e comprimento de dados, I/Os, etc., devem corresponder à real. Estes testes proporcionam ao usuário uma proteção contra erros de parametrização. Além da transmissão de dados, que é executada automaticamente pelo DPM1, uma nova parametrização pode ser enviada à um escravo sempre que necessário.

78 Protocolo Profibus DP

79 Protocolo Profibus DP