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

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1 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

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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 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

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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 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

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28 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 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

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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

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47 Paridade no Protocolo - RS 232

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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 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

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59 Sinal Bom

60 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 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

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72 Profibus DP – versões do protocolo

73 Profibus DP - resumo

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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

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