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REDES INDUSTRIAIS Wilmar Oliveira de Queiroz PUCGo 2012.

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REDES INDUSTRIAIS Wilmar Oliveira de Queiroz UCG 2008.

REDES INDUSTRIAIS Wilmar Oliveira de Queiroz PUCGo 2012.

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1 REDES INDUSTRIAIS Wilmar Oliveira de Queiroz PUCGo 2012

2 Histórico Comunicação é uma necessidade primordial: –Local: fala, gestos –Longa distância: sinais de fumaça, pombo correio, maratonistas –Telégrafo em 1938 por Samuel Morse –Telefone, Rádio, TV, TV a cabo, Internet Fusão do processamento da informação com a comunicação –Sistemas computacionais Revolução da Comunicação pode ser comparada à Revolução Industrial?

3 Histórico Ambiente industrial –Mudanças conceituais e nos projetos –Automação industrial –Automação predial –Integração de sistemas: CIs e módulos dedicados –Padronização desses módulos: Intercambiabilidade Interoperabildade Expansividade –Redução de custos –Novos modos de gestão/manutenção

4 Histórico SDCD – Sistema Digital de Controle Distribuído –Computadores específicos: S.O. Programas aplicativos de controle e supervisão Hardware Configuração de dispositivos de I/O Capacidade de processamento Memória de programação Quantidade de I/O Interface com o usuário/operador

5 Histórico SDCD – Sistema Digital de Controle Distribuído –Arquitetura: Estações locais de interface com o processo: –Controle contínuo e sequêncial –Monitoração –Comunicação com controladores de malha simples Interface H-M interativa para supervisão e monitoração do processo (monitor e teclado) Redes de comunicação redundante (cabo coaxial ou fibra óptica) –São usados em processos não industriais Sistemas de água e esgoto Energia elétrica Telecomunicações –Automação predial Controle de utilidades Detecção e alarme de incêndio Controle de acesso

6 Histórico Desenvolvimento dos CLPs (Controladores Lógicos Programáveis), das IHM (Interface Homem Máquina), dos sensores, atuadores e sistemas de comunicação levaram a: –SDCDs com arquiteturas mais flexíveis –Custo menor com mais eficiência e confiabilidade Implementações atuais são Redes de CLPs gerenciadas por SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)

7 CIM CIM (Computer Integrated Manufacturing) –Sistemas que gerenciam processos de forma integrada (Manufatura Integrada por Computador) –Características: Vários níveis (hierarquia) Protocolos diferentes para cada nível Controle distribuído Centralização das macro-decisões Integração das gerência técnico e administrativa

8 CIM

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11 Atualmente a base de um CIM é formada por: – SDCD, que atua nos níveis: Controle Processo (execução, campo) –SCADA, que atua em todos os níveis –Redes de comunicação, que utilizam protocolos industriais (fieldbus)

12 CIM Níveis hierárquicos de um CIM 3º Coordenação Engenharia 2º Controle 4º Planejamento Operacional 5º Administração Gerenciamento 1ºExecução Contabilidade de custos, lucros e investimentos Desenvolvimento, projeto e planejamento (qualidade e capacidade). Supervisiona o sistema para otimização Definição, resolução e restrição das atividades e planos de trabalho detalhados Controle e monitoramento em tempo real Processo. Chão de fábrica

13 Arquiteturas Início: baseavam-se em Controladores de Malha Única de Realimentação (SLC – Single-Loop Controllers) Nos anos 60: Controles Digitais Diretos (DDC – Direct Digital Controller) –Grande número de malhas em um único computador –Cada computador centraliza todas as informações e funções de controle Nos anos 70/80: Sistemas de Controle Distribuído (DCS – Distributed Controller Sistem) Nos anos 90: SDCD – Sistemas Digitais de Controle Distribuído, que é um misto de SLC e o DDC –Malhas de controle em pequenos grupos –Cada grupo tem seu próprio processamento (controlador) –Controladores são conectados através de um barramento de comunicação de dados (Data Highway Bus) –O barramento normalmente é duplicado –Razões para se usar o processamento distribuído e paralelo Tempos de resposta necessários em alguns processamentos podem não ser alcançados com um único processador Múltiplas cópias dos componentes dos sistemas levam a uma maior flexibilidade e redundância Algumas aplicações são, por natureza, geograficamente distribuídas

14 Arquiteturas Unidade de Controle Unidade de Controle Unidade de Controle Unidade de Controle Unidade de Controle Data highway Duplicação Sensores/ Atuadores Sensores/ Atuadores Sensores/ Atuadores Sensores/ Atuadores Sensores/ Atuadores Estrutura de um SDCD com barramento duplo

15 Topologias A topologia refere-se à forma com que os enlaces físicos e os nós de comutação estão organizados Estrela –Nó central (mestre) se comunica com cada um dos demais nós (escravos) –Não existe comunicação direta entre dois escravos –A gerência das comunicações é feita pelo mestre –Os escravos podem ter protocolos e/ou velocidades de transmissão diferentes –Cada nó é interligado à rede através de uma interface de acesso ao meio –Falhas em um nó escravo afetam somente o nó defeituoso –Falha no nó central compromete toda a rede

16 Topologias - Estrela

17 Topologias - Anel Ligação sequencial fechada entre todas as estações de trabalho da rede Ligações são unidirecionais e os dados circulam no anel As estações são conectadas através de repetidores Uma estação coloca seus dados no anel enviando sua mensagem para a estação seguinte A mensagem passa de estação em estação até o seu destino A mensagem é retirada do anel ou pela estação de origem, ou de destino ou pela estação controladora Falhas em uma estação afeta somente essa estação Falhas no anel ou nos repetidores comprometem toda a rede

18 Topologias - Anel

19 Topologias - Barramento As estações estão conectadas a um barramento Todos os dados enviados são recebidos por todas as estações O controle de acesso ao meio, normalmente, é distribuído Falha em uma estação afeta somente essa estação Falha no barramento compromete toda a rede

20 Topologias - Barramento

21 Modelo OSI APLICAÇÃO APRESENTAÇÃO SESSÃO TRANSPORTE REDE ENLACE FÍSICA A AA S T R E F AA SAA TSAA RTSAA ERTSAA A A A A A A A A A A A A A S S S S S T T T T R R R E E F

22 Modelo OSI

23 Camada Física –Responsável pela ativação, desativação e manutenção do sinal no meio físico –Define a interface elétrica e mecânica com a rede: RS-232, RS-422, RS-485, V.35, G.703, RJ-45, etc. –Define o tipo do sinal: digital/broadband ou analógico/baseband –Define o tipo de conexão: ponto-a-ponto ou multiponto –Define o sentido de transmissão: simplex, halfduplex e fullduplex –Define a forma de multiplexação do sinal: FDM, TDM –Equipamentos: repetidores, hubs, modens e multiplexadores –Unidade de dados: bit

24 Modelo OSI Camada de Enlace –Gerenciamento do enlace –Detecção e correção de erros causados pelo meio físico –Controle de fluxo dos dados –Enquadramento da mensagem –Endereçamento físico na rede –Controla o acesso ao meio –Protocolos: IEEE (LLC), Frame Relay, SDLC, HDLC, SLIP, PPP –Equipamentos: bridges e switches –Subcamadas: LLC e MAC: Ethernet, Token Ring, FDDI –Unidade de dados: quadro

25 Modelo OSI Camada de Rede –Realiza o roteamento dos pacotes –Compatibilização entre redes de tecnologias diferentes –Controle de fluxo dos dados –Serviços: datagrama (correio eletrônico, transferência de arquivos, etc.) e circuito virtual (aplicações em tempo real, etc.) –Pode fragmentar/remontar os pacotes –Endereçamento lógico –Protocolos: IP, IPX, XNS, CLNP –Unidade de dados: datagrama ou pacote

26 Modelo OSI Camada de Transporte –Comunicação fim-a-fim –Controle de erros fim-a-fim –Segmentação e blocagem –Controle de fluxo fim-a-fim (buffers, janelamento) –Gerenciamento da conexão –Multiplexação de aplicações –Oferece os serviços confiável ou não –Endereçamento da aplicação: port –Protocolos: TCP, SPX (Sequenced Packet eXchange), TP4 (Transport Protocol Class 4), etc

27 Modelo OSI Camada de Sessão –Sincronização das tarefas entre máquinas –Gerenciamento de diálogos e de atividades –Controla o intercâmbio de dados –Estabelece, gerencia e finaliza sessões entre aplicações –Protocolos: NetBIOS (Network Basic Input Output System - IBM/Microsoft), Netware RPC (Novell), VINES NetRPC (Banyan), ASP (AppleTalk Session Protocol - Apple), DNASCP (Digital Network Architecture Session Control Protocol - DEC)

28 Modelo OSI Camada de Apresentação –Interpretação e representação/sintaxe dos dados (codificação) –Uniformiza o formato de dados –Compressão de dados, criptografia –Segurança e privacidade da rede –Codificação de textos e dados: EBCDIC, ASCII –Codificação de gráficos e imagens: CGM, PICT, TIFF, JPEG –Codificação de sons e animações: WAV, MPEG

29 Modelo OSI Camada de Aplicação –Serviços transparentes para o usuário –Aplicações para estações: Processador de textos, Banco de dados, Planilha de cálculo –Aplicações para rede: Correio eletrônico, Transferência de arquivos, Emulação de terminal, gerenciamento –Elementos de serviço genérico: ACSE, ROSE, RTSE –Elementos de serviço específico: FTAM, VT, X.400, MHS

30 Modelo OSI x TCP/IP

31 Arquitetura TCP/IP TCPUDP ICMPIGMP IP ARPRARP MEIO FÍSICO INTERFACE DE HARDWARE FTPTELNETSMTPDNSRPCSNMPTFTP

32 Controle Centralizado Os dispositivos ficam em um mesmo ambiente Vários computadores compartilham um barramento comum Soluções comerciais mais utilizadas: –UME –FUTUREBUS –S100 –MULTIBUS II –GPIB (General Purpose Interface Bus) 488 da IEEE (substituiu o S100) O controlador mestre executa tarefas de controle global –Comunicação com os níveis de controle superior –Operações de sincronização –Coordenação de movimentos –Cálculos O escravo opera em nível de atuador –Tarefas de controle ou malha fechada –Processamento de sinais –Medidas

33 Controle Distribuído Os controladores, atuadores e transdutores são distribuídos espacialmente São conectados por uma rede de comunicação chamada FIELDBUS, ou barramento de campo O cabeamento é bastante reduzido O controlador coleta informações de vários transdutores, e baseado nos algoritmos dos programas aplicativos, controla vários atuadores As tarefas de controle são centralizadas

34 Transmissão de sinais Comunicação paralela –Ocorre entre sistemas digitais localizados próximos um do outro –São enviados vários bits de cada vez –O meio de transmissão é composto de vários canais, um para cada bit –Para grandes distâncias é muito caro –É mais complexa que a serial –As velocidades são maiores –Apresenta baixa imunidade a ruídos

35 Transmissão de sinais Comunicação serial –Os dados são transmitidos em uma sequência serial de bits –É menos complexa que a paralela –Utiliza apenas um canal de comunicação –As velocidades são menores –O custo é menor –Maior imunidade a ruídos –Modos de comunicação: Síncrono Assíncrono

36 Transmissão serial síncrona Necessita de um sincronismo entre os sistemas de comunicação –Um dos sistemas deve gerar o clock (largura do pulso) –Os sistemas transmitem e recebem os dados como registradores de deslocamento (shift-registers) – entrada paralela e saída serial –O tempo é dividido em intervalos de tamanho fixo (corresponde a um bit) –Não necessita de sinais adicionais de início e fim da mensagem

37 Transmissão serial assíncrona Não é necessário gerar clock O clock é interno em cada sistema mas devem ter a mesma taxa de transmissão de dados (baud rate) O controle de tempo de uma sequência de bits (byte) é muito importante A transmissão é feita caracter a caracter (byte a byte) Cada caractere é encapsulado por um sinal de start e um de stop Os dados podem então serem transmitidos aleatoriamente no tempo Erros podem ocorrer e devem ser tratados: –Paridade (par ou ímpar) –Checksum –CRC É o mais utilizado pois o hardware é mais simples

38 Transmissão serial de sinais Tipos de comunicação –Simplex –Half-duplex –Duplex Classificação quanto à referência –Desbalanceada O sinal de dados tem como referência o terra dos sistemas conectados Baixa imunidade a ruídos (interferência somente no fio de dados) –Balanceada A referência do terra é desconectada entre os sistemas Alta imunidade a ruídos (interferência afeta igualmente o sinal e a referência)

39 Transmissão serial de sinais Principais padrões de interface serial –RS-232 –RS-422 –RS-485 –V.35 –USB

40 RS-232 Desenvolvido originalmente para as conexões entre DTE (Data Terminal Equipment – microcomputadores, terminais, controladores) e DCE (Data Comunication Equipment – modens) Usa a transmissão desbalanceada com três fios (tx, rx e terra) Pinos utilizados: 1 – DCD (Data Carrier Detect) 2 - Rxd (Receive data) 3 - Txd (Transmit data) 4 - DTR (Data Terminal Ready) 5 - SG (Signal Ground) 6 - DSR (Data Set Ready) 7 - RTS (Request To Send) 8 - CTS (Clear To Send) 9 – RI (Ring Indicator) Usa-se normalmente o conector de 9 pinos (DB-9) Alcance máximo de 15m Bit 0: +5V a +15V na saída e +3V a +15V na entrada Bit 1: -5V a -15V na saída e -3V e -15V na entrada

41 RS-232

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43 RS-422 Usa a transmissão balanceada Utiliza conectores existentes: –DB-9 ou DB-25 com pinagem não padronizada –DB-25 com padrão RS-530 –DB-37 com padrão RS-449 É usado comumente em comunicações ponto a ponto realizadas por um drive dual-state É usado em transmissões de longa distância (1200m), altas velocidades (dois pares de fio para transmissão duplex) A versão desbalanceada é a RS-423

44 RS-485 Desenvolvido pela EIA – Electronics Industry Association Somente um par de fio é compartilhado para transmissão e recepção –Vantagem: pode-se interligar vários equipamentos no mesmo cabo –Desvantagem: a comunicação deve ser half-duplex, deve existir algoritmo (ou gerenciador de rede) para gerenciar a transmissão (evitar/tratar colisões) –Não especifica ou recomenda protocolos O alcance é de até 1200m (compatível com RS-422) Máximo de 32 terminais remotos em cada nó da rede que devem ser endereçáveis Único PC como mestre da rede Taxa de transmissão: 15m ~ 10Mbps e 1200m ~ 100Kbps Características elétricas: –Comunicação em modo diferencial com tensão de 5V em relação ao terra –Grande imunidade a IEM – Interferência Elétrico-Magnética devido ao modo diferencial –Obrigatório o uso de resistores pull-up e pull-down na linha principal e resistores de terminação da rede para o casamento de impedância

45 Par diferencial: quando a tensão no condutor + for maior que no condutor -, é caracterizado um nível lógico 1; quando, ao contrario, a tensão no condutor - for maior que no condutor +, é caracterizado um nível lógico 0 RS-485

46 Aterramento / Interligação do comum Linhas de transmissão diferenciais utilizam como informação apenas a diferença de potencial existente entre os 2 condutores do par trancado, independente da diferença de potencial que eles apresentam em relação ao referencial de tensão (comum ou terra) Isto permite que múltiplos sistemas se comuniquem mesmo que uma referencia de potencial comum entre eles não seja estabelecida. No entanto, os circuitos eletrônicos de transmissão e recepção podem ser danificados se o par trancado apresentar um potencial excessivamente elevado em relação ao referencial (comum ou terra).

47 Aterramento / Interligação do comum A norma TIA/EIA-485 especifica que a máxima diferença de potencial entre os equipamentos da rede deve estar entre – 7 V e + 12 V, enquanto a norma TIA/EIA-422 especifica estes limites entre – 7 V e + 7 V. Diferenças de potencial acima destes limites são usuais quando múltiplos dispositivos isolados eletricamente entre si são interligados apenas pelos pares diferenciais de comunicação. A utilização de aterramento nos dispositivos, apesar de ajudar, não soluciona o problema em todas as situações, pois em uma instalação industrial típica a diferença de potencial entre aterramentos de locais afastados pode ser de muitos volts, podendo chegar a centenas de volts na ocorrência de descargas atmosféricas. A melhor solução para evitar a queima dos circuitos de comunicação e adotar um condutor adicional que interligue o comum (ou terra) de todos os dispositivos da rede. A utilização de cabo blindado e recomendada sempre que o custo mais elevado deste tipo de cabo não for um problema. A utilização de cabo blindado com a malha adequadamente aterrada torna a rede mais imune a interferências externas mesmo quando o cabo e instalado próximo a fontes de ruído elétrico, como inversores de frequência, maquinas de solda, chaves eletromagnéticas e condutores de alimentação CA. Para reduzir custos, pode ser utilizado cabo trancado sem malha de blindagem, mas este deve ser instalado separado de condutores de alimentação CA e distante de fontes de ruído elétrico.

48 RS-485 Transceptor MAX-485 –RO – entrada para recepção –RE – habilitação da recepção –DE – habilitação da transmissão –DI – entrada para transmissão –GND e Vcc – alimentação do CI –A – entrada não inversora –B – entrada inversora Normalmente os pinos DE e RE são jumpeados Para transmitir habilita o pino DE e desabilita o pino RE Normalmente o transceptor fica no modo recepção (pino RE ativado)

49 RS-485 Exemplo de um sistema RS-485

50 RS-485 Exemplo de um sistema RS-485

51 RS-485 HALF-DUPLEX (2 FIOS)

52 RS-485 FULL-DUPLEX (4 FIOS)

53 RS-232 para RS-485 RS232 para RS485

54 RS-232 para RS-485

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56 RS-485 Aplicação típica: mestre-escravo –Os escravos recebem um endereço e apenas respondem ao mestre (evita-se colisões) –O computador central controla várias máquinas de Controle Numérico

57 RS-485 Aplicação típica: half-duplex com todos se comunicando –O funcionamento depende do protocolo de comunicação adotado –Exemplo: sistema de robô da Mecajun/LCVC –A câmera transmite informações para a placa central, (Vortex86) que envia a s decisões para a placa de controle dos motores. Quando um evento ocorre com os sensores de toque e/ou de luz a informação deve ser enviada tanto para os motores como para a placa de controle central

58 RS-485

59 Montagem da rede RS-485

60 RS232, RS423, RS422 e RS /102Quantidade de dispositivos 1200m 15mDistância máxima 10 Mbps 100 Kbps20 KbpsTaxa transm. máxima +12V a -7V+ - 6 a -0,25V+ - 6V+ - 25VTensão máxima comum 1,5V min 2V máx 2V min 2V máx 2V min 2V máx 5V min 15V máx Nível transmissão >12 KOhm>4 KOhm 3 a 7 KOhmResistência entrada + - 0,3V+ - 0,2V + - 3VSensibilidade entrada Balanceada Desbalanceada Referência RS485RS422RS423RS232Caracterísitcas

61 Conectores industriais

62 Conversores

63 Meios físicos de transmissão Par tançado Cabo coaxial Fibra ótica –Multimodo com índice degrau –Multimodo com índice gradual –Monomodo Transmissão sem fio Spread spectrum –Modulação FHSS –Modulação DSSS Modem Transmissão de dados sem fio de uso industrial –Rádio de dados (Data Radios) –Rádio MODEM transparente –Rádio MODEM inteligente –Rádio-telemetria –Rádio-telemetria com integração de CLP e sistemas SCADA Transmissão de dados via sistema de telefonia móvel celular –SMS x GPRS –Bluetooth –Zigbee

64 Par trançado UTP (Par Trançado Não Blindado), originalmente projetado para voz, é o tipo de cabo mais utilizado em razão: –Do seu baixo custo, facilidade de instalação, flexibilidade em mudanças e alterações –Da capacidade de suportar a completa largura de banda –Boa resistência ao crosstalk (as tranças evitam a interferência entre os pares do cabo O padrão Categoria 5 (CAT5) estabelece os requisitos mínimos para o cabeamento de telecomunicações dentro dos prédios ou entre os prédios do campus e é o cabeamento UTP mais popular instalado em comunicação de dados. O CAT5 deve ser capaz de suportar voz ou dados a 100 MHz sobre fios 22 ou 24 AWG A Categoria 5 enhanced (CAT5e) é um padrão com requisitos ligeiramente superiores ao CAT5. A Categoria 6 Classe E (CAT6) é o padrão em estudo pela TIA/EIA. Tanto a CAT6 como a Categoria 7 Classe F (CAT7) são apenas propostos não existindo padronização oficial.

65 Par trançado Cabos UTP Blindados vs. Não Blindados O ambiente em que será instalado é que determina se o cabo a ser utilizado deverá ser blindado ou não blindado A blindagem é a capa que envolve os fios de um cabo e protegem contra a interferência e descarga eletromagnética (EMI). Essa atividade eletromagnética é conhecida por ruído As fontes de EMI em um ambiente de trabalho podem ser motores de elevadores, lâmpadas fluorescentes, geradores, compressores, condicionadores de ar e fotocopiadoras Para proteger os dados em um ambiente ruidoso (nível elevado de EMI), utiliza-se cabos blindados. O tipo de blindagem mais comum é a folha metalizada, porém a malha de cobre oferece maior proteção Em ambientes de escritório sem fontes de interferência pode-se utilizar cabos não blindados, em escritórios ou lojas movimentadas sujeitas a alguma interferência recomenda-se o uso de cabos com blindagem de folha metalizada e em ambientes industriais o mais recomendado é o cabo com blindagem de malha de cobre.

66 Par trançado Crosstalk Uma das mais importantes diferenças entre os padrões CAT5 e os mais novos está nas especificações NEXT O NEXT (Near-End Crosstalk) é a interferência no sinal de um par sobre um outro na mesma extremidade do cabo. O Crosstalk não ocorre apenas no par adjacente (pair to pair NEXT), mas todos os outros pares de um cabo UTP podem interferir com seus próprios níveis em ambas as extremidades do cabo, multiplicando o efeito dessa interferência sobre o par transmissor ou receptor Em razão destes níveis de interferência poder debilitar redes de alta velocidade, alguns fabricantes de cabos começaram a apresentar as taxas de NEXT, FEXT, PS- NEXT, ELFEXT e PS-ELFEXT para seus cabos CAT5e e Categoria 6 (proposto) O PS-NEXT inclui a soma total de todas as interferências que podem ocorrer entre um par e todos os pares adjacentes de um cabo O FEXT mede a interferência de um par em uma extremidade do cabo em outro par na outra extremidade do cabo O ELFEXT (Equal-Level Far-End Crosstalk) mede o FEXT em relação ao nível do sinal recebido medido no mesmo par. Ele mede basicamente a interferência sem os efeitos da atenuação - o nível equalizado. O PS-ELFEXT mede a soma total de todas as interferências dos pares de uma extremidade em um par da outra extremidade sem os efeitos da atenuação.

67 Par trançado Crosstalk

68 Par trançado Decibel (dB) É um termo muito utilizado em diversas áreas, como: áudio, eletrônica, telecomunicações, entre outras Representa o ganho ou a atenuação de um sinal, de um som, etc O decibel é uma unidade logarítmica que representa uma relação entre um valor de entrada e um de saída (som, alimentação, voltagem, corrente, campo magnético etc) O resultado desta relação pode ser ganho, quando a saída é maior que a entrada (número positivo), ou atenuação, quando a saída é menor que a entrada (número negativo) O ganho ou atenuação, podem ser calculadas pela fórmula 10log(out/in), com log na base 10 e resultado em dB Além do decibel apresentado, onde os valores de entrada e saída são variáveis, existem algumas derivações utilizando um valor de entrada padrão fixo O dBm que utiliza um sinal padrão de 1 miliwatt resultando na fórmula 10log(saída(mw)/1mw) O dBu que utiliza 0,775volts como sinal padrão e tem como fórmula 20log(tensão de saída(volts)/0,775volts) O dBVU de sinal padrão 250 nano webers/m (medida de campo magnético) e fórmula 10log(saída (em nw/m)/(250nw/m)). Como ilustração, cabos de par trançado CAT5e de boa qualidade apresentam atenuação em torno de 26,4 dB/100m a 100 MHz e de 53,8 dB/100m a 350MHz. Os Cabos de Fibra Óptica multimodo apresentam atenuação menor que 3,75 dB/Km em 850 nm e menor que 1,5 dB/Km em 1300 nm. E os cabos de Fibra monomodo em torno de 1 dB/Km em 1300 nm.

69 Fibra ótica

70 Protocolos industriais e prediais Avanço das tecnologias Queda nos preços dos dispositivos Aumento no uso de sistemas informatizados Redes locais em ambientes administrativos: –Redes corporativas Redes locais em ambientes industriais: –Redes fieldbus (industriais) Maior confiabilidade Tempo real

71 Sistemas de comunicação de dados utilizados para troca de informações dentro de processos industriais e entre processos industriais. Possuem como requisitos: –Boa resistência mecânica –Resistência a chama, umidade e corrosão –Alta imunidade a ruídos –Taxa de erros baixa ou quase nula –Tempo de acesso e de propagação limitados –Tempo entre falhas e tempo de reparo baixos –Boa modularidade e possibilidade de interconexão Protocolos industriais e prediais

72 Os protocolos de campo podem ser separados em três categorias: –Nível mais baixo (sensorbus) – redes de dispositivos simples (sensores/atuadores em nível de bit – I/O): ASI (Actuator Sensor Interface), SERIPLEX, Interbus-S, Profibus-PA, HART –Nível médio (devicebus) – redes de controladores de campo (comunicação serial entre CLP): CAN (Controller Area Network), Lonworks, DeviceNET, Profibus-DP –Nível alto (fieldbus)– redes de controladores (mestres) para controles e instrumentação mais sofisticada: SP50-H2, Ethernet Industrial, Profibus-FMS

73 Protocolos industriais e prediais

74 Common Industrial Protocol - CIP

75 Domínios e aplicações

76 MODBUS O Protocolo Modbus –Desenvolvido pela Modcon em 1979 –É um protocolo de mensagens, localizado na Camada de Aplicação do Modelo OSI, que provê comunicação cliente/servidor entre dispositivos conectados por diferentes tipos de barramentos ou redes –Baseado no modelo mestre/escravo –Os escravos não podem dialogar entre si –O mestre trabalha em dois modos: modo requisição/resposta: pode enviar mensagem para um escravo (sensor, válvula, driver de rede,..) em particular modo difusão:pode enviar uma mensagem comum a todos os escravos –Como o mestre e os escravos estão ligados a um barramento bidirecional é necessário designar um endereço (de 1 a 247) para cada escravo (unicast). O endereço 0 é usado para broadcast –Atribuições do mestre: Assegurar a troca de informações entre as ECL (Estações de Controle Local) ou ETD (Equipamento Terminal de Dados) Assegurar o diálogo com o operador do sistema (homem/máquina) Assegurar um diálogo com outros mestres ou com um computador (gestão centralizada do conjunto do processo) Assegurar a programação ou passagem de parâmetros para os escravos

77 MODBUS Atualmente é implementado usando: –TCP/IP sobre Ethernet (MODBUS TCP/IP) Usado para comunicação entre sistemas de supervisão e CLPs Os dados, em formato binário, são encapsulados em quadros Ethernet e pacotes TCP/IP Utiliza a porta 502 da pilha TCP/IP –MODBUS PADRÃO Usado para comunicação dos CLPs com os módulos de E/S, atuadores de válvulas, transdutores de energia, etc O Protocolo é o Mestre-Escravo Transmissão serial assíncrona sobre vários meios: –EIA/TIA-232-E, EIA/TIA-422, EIA/TIA-485-A, Fibra ótica, Rádio –MODBUS PLUS Rede de passagem de token de alta velocidade Usado para comunicação entre si de CLPs, módulos de E/S, IHM, etc O meio físico é o RS485, taxa de transmissão de 1 Mbps Controle de acesso ao meio através do Protocolo HDLC

78 MODBUS Tipos de Protocolos MODBUS

79 Referência: MODBUS Application Protocol Specification V1.1b MODBUS

80 Referência: MODBUS Application Protocol Specification V1.1b

81 MODBUS Abreviaturas –ADU – Application Data Unit –HDLC – High level Data Link Control –HMI – Humam Machine Interface –IETF – Internet Engineering Task Force –I/O – Input/Output –IP – Internet Protocol –MAC – Medium Access Control –MB – MODBUS Protocol –MBAP – MODBUS Application Protocol –PDU – Protocol Data Unit –PLC – Progammable Logic Controller –TCP – Transmission Control Protocol –TIA – Telecommunication Industry Association –EIA - Electonic Industries Alliance

82 MODBUS Descrição do protocolo –O protocolo MODBUS define uma única PDU, independente do protocolo de comunicação –O mapeamento (encapsulamento) do protocolo MODBUS em um barramento ou rede específica introduz alguns campos adicionais, criando a ADU

83 MODBUS Codificação de mensagens –As mensagens são constituídas por um conjunto de caracteres hexadecimais ou ASCII –O tamanho máximo da PDU é de 253 bytes, então: RS232/RS485 ADU = 253 (dados) + 1 (endereço) + 2 (CRC) TCP/IP MODBUS ADU = 253 (dados) + 7 (MBAP) –Os serviços são especificados por códigos de função –Cada serviço possui um formato de mensagem para a requisição e outro para a resposta –Códigos válidos vão de 1 a 255, sendo que de 128 a 255 são reservados para respostas de exceção. O bit mais significativo é o que decide o tipo do código –Códigos de sub-função podem ser adicionados aos códigos de função para definir múltiplas ações

84 MODBUS Transações entre mestre e escravo

85 MODBUS O campo dados da mensagem enviada de um mestre para um escravo (dispositivo servidor) contém informações adicionais que auxiliam o escravo a executar a ação requerida no campo código da função, como: –Endereços dos registradores (registro inicial) –Quantidade de registros a serem lidos –Contador da quantidade de bytes no campo de dados O campo de dados pode não existir. Neste caso o próprio código da função sozinho especifica a ação requerida Se não ocorrer nenhum erro na função especificada na requisição, a resposta do escravo conterá o dado requisitado, caso contrário o campo dados conterá um código de exceção

86 MODBUS Formato da requisição: –Nº do endereço do escravo (1 byte) –Código da função a realizar (1 byte) Comandos de escrita ou leitura –Dados Endereço da posição de memória (2 bytes) Quantidade de operandos (2 bytes) –Para múltiplos operandos o 1º byte especifica o operando e o 2º especifica o número de operandos Dados a serem escritos no escravo (até 250 bytes) –Controle de erros (2 bytes): CRC-16

87 MODBUS Formato da resposta: –Nº do endereço do escravo (1 byte) –Código da função realizada (1 byte) Comando solicitado de escrita ou leitura –Dados Quantidade de dados da resposta (1 bytes) Dados solicitados para o escravo (até 250 bytes) –Controle de erros (2 bytes): CRC-16

88 MODBUS Funções para troca de mensagens –Leitura de dados –Escrita de dados –Difusão de dados (broadcast) Tipos de dados –Dados de 1 bit Bobinas (coils): podem ser lidos ou escritos no escravo Entradas (inputs): leitura do escravo –Dados de 16 bits (registros) Retentivos (holding): podem ser lidos ou escritos no escravo Entradas (inputs): leitura do escravo

89 MODBUS Alguns códigos de requisição de serviços (comandos) 01 - Read coil status: leitura de múltiplos operandos do tipo coil (leitura do estado das saídas discretas) 02 - Read input status: leitura de múltiplos operandos do tipo input (leitura do estado das entradas discretas) 03 - Read holding register: leitura de múltiplos operandos do tipo holding register (leitura dos valores dos registradores de memória) 04 -Read input register: leitura de múltiplos operandos do tipo input register (leitura dos valores das entradas analógicas) 05 - Force single coil: escrita de um único operando do tipo coil (escrita de uma única saída discreta) 06 - Preset single register: escrita de um único operando do tipo holding register (escrita de um valor em um registrador de memória) 0F - Force multiple coils: escrita de múltiplos operandos do tipo coil (escrita de múltiplas saídas discretas) 10 - Preset multiple registers: escrita de múltiplos operandos do tipo holding register (escrita de múltiplos valores em registradores de memória)

90 MODBUS Endereços lógicos dos dados (memória é dividida em registradores de 16 bits) –00001 a – coils (solenóides, saídas discretas para os atuadores ON-OFF utilizam um bit. Cada registrador comporta 16 saídas) –10001 a – inputs (entradas discretas para os sensores ON-OFF utilizam um bit. Cada registrador comporta 16 saídas) –30001 a – inputs registers (entradas analógicas utilizam registradores de 16 bits para os valores obtidos dos conversores A/D a partir do sinais dos sensores analógicos) –40001 a – holding registers (registradores de memórias com 16 bits para os valores utilizados internamente nos CLPs) –Na prática todos os endereços lógicos variam de 0 a 9998 e a identificação está associada ao tipo do serviço (código da função) Endereços dos dispositivos –0 para difusão –De 1 a 247 para os escravos (dispositivos)

91 MODBUS Detecção de erros –Checagem de paridade do caracter do frame Par Ímpar Sem paridade –Checagem de quadro na mensagem ASCII – LRC (2 bytes) RTU – CRC (2 bytes) – complemento a 2 da soma de todos os bytes da mensagem, exceto os delimitadores Temporizações –O tempo de linha inativa entre bytes de uma mesma mensagem deve ser menor que 1,5 tempos de byte –Entre duas mensagens consecutivas deve existir um tempo mínimo de inatividade na linha de 3,5 tempos de byte –Existe um atraso máximo (timeout) para receber uma resposta do escravo. Se o timeout estourar, o mestre faz nova tentativa

92 MODBUS Formatos dos pacotes de comunicação (modo de transmissão) –MODBUS ASCII Os dados são codificados em caracteres ASCII de 7 bits (0 a 9 e A a F) Intervalos <= 1 seg são permitidos durante a transmissão da mensagem Usa delimitador de início e fim de mensagem (inicia com : e termina com CR e LF) 10 bits por byte (caractere): –1 start bit (caracter : – 3Ah) –7 bits de dados –1 bit de paridade –1 stop bit (caracter CR e LF – 0Dh e 0Ah) –Sem bit de paridade, então: –2 stop bit

93 MODBUS –MODBUS RTU (Remote Terminal Unit) Os dados são transmitidos em formato binário de 8 bits (0 a 252 bytes) Os delimitadores de início e fim são um intervalo (silêncio) de 3,5 caracteres 11 bits por byte (caractere): –1 start bit –8 bits de dados –1 bit de paridade –1 stop bit –Sem paridade, então: –2 stop bit Silêncio 3,5 caracter

94 MODBUS Transmissão de quadros no modo RTU ao longo do tempo com os intervalos mínimos de tempo entre quadros e máximos entre caracteres

95 Diagrama de tempo em um cenário mestre/escravo

96 MODBUS RTU – CRC (Cyclical Redundancy Checking) O CRC é aplicado na mensagem inteira É indiferente ao tipo de paridade usado nos caracteres individuais da mensagem Os bits de start, stop e paridade não entram no cálculo Os dois bytes são adicionados ao final da mensagem (byte de baixa ordem + byte de alta ordem) O CRC é calculado pelo transmissor. O receptor calcula o CRC e compara com o valor recebido. Se não são iguais existe um erro e a mensagem é descartada O cálculo do CRC é feito da seguinte forma: 1.Carregue o registrador CRC de 16 bits com FFFF (tudo 1) 2.Faça a operação XOR do primeiro byte da mensagem com o byte de mais baixa ordem do registrador, colocando o resultado no registrador 3.Desloque o registrador de um bit para a direita, em direção ao bit LSB, colocando o valor 0 na posição do bit MSB 4.Extraia e examine o LSB: –Se LSB=0, volte ao passo 3 e faça novo deslocamento –Se LSB=1 faça um XOR do valor do registrador com o valor do polinômio 0xA001 (x 15 + x ) –Repita os passos 3 e 4 até que 8 deslocamentos tenham sido realizados para que um byte seja completamente processado –Repita os passos 2 até 5 para o próximo byte da mensagem. Continue repetindo até que todos os bytes da mensagem tenham sido processados –O conteúdo final do registrador é o valor do CRC –Na mensagem o byte menos significativo é colocado primeiro

97 MODBUS ASCII – LRC (Longitudinal Redundancy Checking) O LRC é aplicado na mensagem inteira É indiferente ao tipo de paridade usado nos caracteres individuais da mensagem Os caracteres : e CRLF não entram no cálculo O cálculo é feito antes de codificar cada byte hexadecimal em dois bytes ASCII Os bytes de LRC são adicionados ao final da mensagem O LRC é calculado pelo transmissor. O receptor calcula o LRC e compara com o valor recebido. Se não são iguais existe um erro e a mensagem é descartada O cálculo do LRC é feito da seguinte forma: –Adiciona-se, sucessivamente, cada byte da mensagem –Os bits de carry são descartados –Ao resultado aplica-se o complemento a dois –O resultado é codificado em dois bytes ASCII –O byte mais significativo é transmitido primeiro

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100 MODBUS Cálculo do LRC –Endereço (12): –Função (01): –End. Inicial Hi (02): –End. Inicial Lo (10): –Quantidade Hi (00): –Quantidade Lo (01): –Checksum: –Complemento a 1: –Complemento a 2: –LRC (hexadecimal): D A –LRC (ASCII-binário):

101 MODBUS Características fixas: –Formato da mensagem –Funções disponíveis –Tratamento de erros Características selecionáveis: –Meio de transmissão –Velocidade –Timeout –Bits de parada e de paridade –Modo de transmissão (RTU ou ASCII) Define como os bits serão codificados –Endereço 3Bh no RTU: –Endereço 3Bh no ASCII: 3=33h – e B=42h – Nos Protocolos MODBUS Plus e MODBUS TCP/IP as mensagens são colocadas em frames e usa-se o modo de transmissão RTU O tamanho da mensagem ASCII é duas vezes maior que a RTU No modo RTU todos os caracteres devem ser enviados em uma sequência contínua O modo RTU também é conhecido como MODBUS-B ou MODBUS Binário

102 MODBUS Exemplos de perguntas e respostas: –O mestre solicita uma leitura dos registradores a ao escravo 06 –O dispositivo 06 responde com o conteúdo das três palavras O 1º registrador é o que é endereçado como 0, portanto o endereço do é 107d=006Bh Registrador = 02 2Bh = 555 Registrador = 00 00h = 0 Registrador = 00 63h = 99 CRC(2)LRC(2) CRCControle de erro Nenhum:Cabeçalho NenhumCR LFTrailer Dado LO Dado HI Dado LO Dado HI B Dado LO Dado HI Quantidade de bytes Código da função Endereço do escravo RTUASCIIHexaNome do campo CRC(2)LRC(2) CRCControle de erro Nenhum:Cabeçalho NenhumCR LFTrailer Número de registros LO Número de registros HI B Endereço de início LO Endereço de início HI Código da função Endereço do escravo RTUASCIIHexaNome do campo

103 MODBUS Exemplos de perguntas e respostas: –O mestre solicita a leitura de algumas entradas digitais, no intervalo de endereço a ao dispositivo 17 –O dispositivo cujo endereço é 17 responde ao mestre CRC Controle de erro Número de registros LO Número de registros HI C4Endereço de início LO Endereço de início HI Função Endereço do escravo RTUHexaNome do campo CRC Controle de erro Dado ( ) DBDado ( ) ACDado ( ) Contagem de bytes Função Endereço do escravo RTUHexaNome do campo

104 MODBUS Exemplos de perguntas e respostas: –Requisição para ler os registros 108 a 110

105 MODBUS Exemplos de perguntas e respostas: –Requisição para ler a entrada do registro 9 –Requisição para escrever o valor no registro 2

106 MODBUS Exemplos de perguntas e respostas: –O mestre solicita a escrita de um bit, valor 1, no endereço lógico 173 do escravo cujo endereço é 17 –O dispositivo cujo endereço é 17 responde ao mestre CRC Controle de erro Force dado LO 1111 FFForce dado HI ACEndereço solenóide LO Endereço solenóide HI ACEndereço de início LO Endereço de início HI Função Endereço do escravo RTUHexaNome do campo CRC Controle de erro Force dado LO 1111 FFForce dado HI ACEndereço solenóide LO Endereço solenóide HI Função Endereço do escravo RTUHexaNome do campo

107 MODBUS TCP/IP Não há distinção entre mestre e escravo, então qualquer nó pode acessar qualquer nó A mensagem é encapsulada em um pacote TCP/IP Permite assim o acesso remoto via WEB Os comandos são enviados por um cliente para a porta 502 de um servidor O encapsulamento não alterou a estrutura básica da mensagem original Modbus –O endereço agora tem 1 byte e chama-se Identificador Único –O campo CRC não é usado Usa o TCP na camada de transporte e o CSMA/CD como controle de acesso ao meio

108 MODBUS TCP/IP O protocolo MODBUS define uma única PDU, independente do protocolo de comunicação MBAP – Modbus Application Protocol

109 MODBUS TCP/IP O formato e o conteúdo dos dados contidos em uma mensagem ModbusTCP/IP é identificado pelo campo código de função e seu valor é 91 d (5B h ) As transações entre nodos são associadas a request (código par) e response (código ímpar) ou notify para exceções Estrutura do cabeçalho MBAP:

110 MODBUS TCP/IP Estrutura do campo de dados:

111 MODBUS TCP/IP Um esquema de endereçamento deve ser usado dentro do protocolo para providenciar a comunicação entre cliente/servidores O endereço deve ser: IP+Unit ID Unit ID válidos: faixa entre 0 e 247 (255 é usado para comunicação com um gateway) Cada mensagem é constituída de um ou mais fragmentos de mensagem. O tamanho máximo de dados de cada fragmento é de 195 bytes Cada fragmento contém 7 campos: –Byte 0 – Fragment Byte Count (8 bits): contém o comprimento em bytes da mensagem Modbus. O máximo é 197 bytes, excluindo ele próprio e o Stuff

112 MODBUS TCP/IP –Byte 1 – Fragment In Process Indicator (1 bit): Se =1 indica que o campo de dados é um fragmento de uma mensagem com multi-fragmentos –Byte 1 – Last Fragment Indicator (1 bit): Se =1 indica que é o último fragmento da mensagem –Byte 1 – Reserved (3 bits): Não usado e deve ser =0 –Byte 1 – Fragment Sequence Number (3 bits): Contador que indica o número sequencial do fragmento –Bytes 2 e 3 – Class ID (16 bits): A classe do objeto é associada com o serviço. Em uma requisição de serviço a Class ID especifica o serviço a ser executado em uma determinado objeto

113 MODBUS TCP/IP –Bytes 4 e 5 – Instance ID (16 bits): A instância do objeto é associada ao serviço –Bytes 6 e 7 – Service Code (16 bits): O código especifica o serviço requisitado –Bytes 8... – Data (n*16 bits): Dados associados aos serviço requisitado, isto é, parâmetros do serviço –Stuff Byte – Condicional (8 bits): Se o comprimento do campo de dados não é múltiplo de 16, é necessário acrescentar esse byte ao final da mensagem

114 MODBUS TCP/IP Protocolo de Endereçamento a Objeto do Modbus: O Modelo do Objeto especifica o agrupamento, a estrutura e o comportamento dos dispositivos Objetos são considerados entidades que agrupam estruturas e comportamentos de uma maneira lógica Em um dispositivo, os objetos tem uma estrutura física ou conceitual análogas Um objeto pode ser associado a um sensor em um dispositivo, ou pode ser o conjunto de estrutura e comportamento que compreende o gerenciamento do dispositivo A hierarquia Classe/Instância é utilizada para suportar a herança, permitindo assim a definição do tipo do objeto (classe) e especificar as implementações desses objetos (instância) Exemplo: em um banco de dispositivos fotodetectores a classe pode ser definida como fotodetector e a instância cada fotodetector individualmente

115 PROFIBUS Principal sistema aberto para fieldbus Baseado nos padrões: –EN e EN –IEC e IEC Independência de fabricantes (dispositivos devem comunicar-se) Utiliza o protocolo de acesso ao barramento token passing para comunicação entre os mestres (estações ativas), usando um anel lógico E o procedimento mestre-escravo para comunicação entre o mestre e os escravos (estações passivas) Atende vários níveis em sistemas de automação

116 PROFIBUS Protocolos de acesso

117 PROFIBUS

118 No nível de sensores e atuadores permite interoperabilidade com: –RS-485, IEC (ambientes classificados), fibra ótica e protocolo As-i No nível de campo os protocolos Profibus-DP (Decentralized Periphery) e Profibus-PA (Process Automation) transmitem dados a partir de módulos de E/S, transdutores, acionamentos, etc No nível de célula estão os CLP`s, PC`s, IHM. Podem comunicar-se entre si e entre os níveis acima e abaixo utilizando os protocolos Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification) ou ProfiNet O nível de célula troca informações com o nível de fábrica utilizando o Ethernet/TCP-IP

119 PROFIBUS

120

121

122

123 Perfil de comunicação

124 PROFIBUS Tecnologias de transmissão: –RS-485 (Profibus-DP/FMS) Cabo de par trançado, blindado ou não como barramento linear Taxa de transmissão: 9,6 Kbps até 12 Mbps Comunicação bilateral 32 estações por segmento sem repetidores e até 127 estações com repetirodres Conectores DB9 –IEC (Profibus-PA) Usado na indústria petroquímica/produtos químicos Corrente de modulação de no mínimo 10 mA Transmissão digital, com sincronismo bit a bit Taxa de transmissão: 31,25 Kbps Cabo de par trançado, blindado ou não como barramento linear 32 estações por segmento (pode usar repetidores)

125 PROFIBUS Tecnologias de transmissão: –Fibra ótica Usado em ambientes ruidosos e com interferência eletromagnética muito elevada, aumentar a distância máxima e elevadas taxa de transmissão Fibra multimodo: 2 a 3 km Fibra monomodo: até 15 km Existem conversosres RS-485/Fibra

126 PROFIBUS Detalhamento da Arquitetura Básica de uma Instalação

127 PROFIBUS Arquiteturas

128 PROFIBUS Arquiteturas: –Profibus-DP Automação de chão de fábrica (nível de dispositivo: CLP com drivers, válvulas, I/O, etc) Usa as camadas 1 e 2 (FDL – Field Data Link) do MR-OSI e a interface com o usuário O acesso à camada 2 é feito pelo protocolo DDLM – Direct Data Link Mapper Funções básicas: –Tecnologia de transmissão: »RS-485 ou fibra ótica »Taxa de transmissão de 9,6 Kbps a 12 Mbps –Acesso ao barramento: »Procedimento mestre-mestre e mestre-escravo »Possibilidade de sistemas mono-mestre ou multi-mestre »Máximo de 126 estações por barramento

129 PROFIBUS Arquiteturas: –Profibus-DP Funções básicas: –Comunicações: »Ponto-a-ponto ou multicast (comandos de controle) »Mestre-escravo cíclica e mestre-mestre acíclica –Modos de operação: »Operate – transmissão cíclica de dados de E/S »Clear – as entradas são lidas e as saídas são colocadas num status à prova de falhas »Stop – somente transmissões mestre-mestre são permitidas –Sincronização: »Comandos de controle realizam as sincronizações nas entradas e saídas »Modo síncrono – as saídas são sincronizadas »Freeze mode – as entradas são sincronizadas

130 PROFIBUS Arquiteturas: –Profibus-PA Solução Profibus para automação de processos Conecta sistemas de automação e de controle de processos com os dispositivos de controle (controladores de pressão, controladores de temperatura e posicionadores de válvulas) Pode ser usado como um substituto para a tecnologia analógica (4 a 20 mA) Utiliza as mesmas funções básicas do Profibus-DP Satisfaz as exigências da indústria de controle e processos: –O perfil original da aplicação para a automação do processo e interoperabilidade dos equipamentos de campo dos diferentes fabricantes –Adição e remoção de estações de barramentos, mesmo em áreas intrinsecamente seguras, sem influência pra outras estações –Comunicação transparente através dos acopladores do segmento entre o barramento de automação do processo Profibus-PA e do barramento de automação industrial Profibus-DP –Alimentação remota e transmissão de dados sobre o mesmo par de fios baseado na tecnologia IEC –Uso em área potencialmente explosivas com blindagem explosiva tipo intrinsecamente segura

131 PROFIBUS Arquiteturas: –Profibus-FMS Os CLP`s estão no mesmo nível e a comunicação é feita entre eles Neste nível um elevado grau de funcionalidades é mais importante do que o tempo de resposta –Serviços disponíveis: »Estabilizar conectores lógicos (context management) »Leitura e escrita de variáveis (variable access) »Carrega áreas de memórias lidas (domain management) »Conexões mestre-mestre »Conexões mestre-escravo para transmissões cíclicas e acíclicas

132 PROFIBUS

133 Implementação de escravo Profibus com interface IEC

134 PROFIBUS Novos desenvolvimentos técnicos

135 PROFIBUS Smar Equipamentos Industriais Ltda

136

137 PROFIBUS ProfiHub

138 PROFIBUS ProfiHub

139 FOUNDATION Surgiu como mais uma proposta de padronização de protocolos, patrocinada pela WorldFIP (World Factory Instrumentation Protocol) e ISP (Interoperable Systems Project) Plantas industriais e químicas Participa da ISA/IEC SP50 O protocolo Foundation Fieldbus especifica as camadas física, enlace e aplicação, do RM-OSI mais a camada de usuário

140 FOUNDATION Redução do hardware

141 FOUNDATION Economia de instalação

142 FOUNDATION Múltiplas variáveis, ambas direções

143 FOUNDATION RM-OSI e Fieldbus Foundation

144 FOUNDATION Encapsulamento dos protocolos

145 FOUNDATION Camada física: –Utiliza apenas par trançado –Especifica duas taxas de transmissão: H2 – (higher-speed fieldbus), utiliza 1,0 e 2,5 Mbps (interliga equipamentos de usuário (PCs, etc) e dispositivos mais rápidos do chão de fábrica) H1 – (lower-speed fieldbus), utiliza 31,25 Kbps (interliga dispositivos mais lentos de chão de fábrica podendo operar nas mesmas instalações do padrão 4-20 mA) –Permite o uso de até 32 dispositivos conectados ao barramento –O tamanho do cabo é função da qualidade do mesmo: Tipo31,25 Kbps1 Mbps2,5 MbpsComentários "A1900 m750 m500 mapenas 1 par-trançado em um cabo blindado "B1200 m--múltiplos pares trançados com uma blindagem externa "C400 m--um ou vários pares trançados, mas sem blindagem "D200 m--múltiplos condutores sem ser par-trançado

146 FOUNDATION Codificação dos bits

147 FOUNDATION Preâmbulo e delimitadores de início e fim

148 FOUNDATION Instalação elétrica

149 FOUNDATION Interligação com redes de alta velocidade

150 FOUNDATION Grandes redes

151 FOUNDATION Camada de enlace de dados –O acesso ao fieldbus é gerenciado por um escalonador de barramento centralizado e determinístico, o LAS (Link Active Scheduler) –O padrão estabelece 2 tipos de dispositivos: LinkMaster: é o LAS, podendo controlar as comunicações no barramento (mestre) Basic: são todos os outros dispositivos (escravos) –Na configuração do fieldbus, a estação LAS recebe uma lista de todos os dispositivos no barramento, quais dados devem ser disponibilizados por cada um e a que instante (mensagens escalonadas) –LAS redundantes podem ser incluídos para garantir a operação contínua da rede

152 FOUNDATION Dispositivos do Fieldbus Foundation

153 FOUNDATION –No momento agendado, o LAS emite uma mensagem de dados compilados (CD) para cada dispositivo –O dispositivo endereçado (editor) coloca seus dados no barramento (broadcast) –Os dispositivos configurados para receber os dados (assinante) irão recebê-los simultaneamente –Transferência de dados agendados são tipicamente usadas para regular a transferência cíclica de dados da malha de controle entre os dispositivos e o fieldbus –Para os outros tipos de mensagens, as não- escalonadas, tais como os pedidos eventuais de dados e alarmes, o LAS deve deixar espaços vagos no escalonamento para poder atender a esses pedidos

154 FOUNDATION Transferência agendada de dados CD (a) LAS

155 FOUNDATION Transferência não agendada de dados

156 FOUNDATION Camada de Aplicação –É de interesse principalmente de desenvolvedores –Permite a comunicação entre dispositivos através de uma interface padronizada (por meio de nomes, índices e/ou endereços reunidos num dicionário de objetos) Camada de Usuário –Realiza o gerenciamento da rede (configuração do LAS, monitoramento), o gerenciamento do sistema (clock, endereços, etc.) e suporta a aplicação do usuário (blocos ou objetos que dão a funcionalidade da aplicação) –O Fieldbus Foundation tem a vantagem de utilizar um device description (DD) para cada dispositivo. Esta descrição serve como se fosse um driver, fornecendo todas as opções de atuação e comunicação do mesmo. Com isso, pode-se, numa mesma rede, substituir e misturar dispositivos de fabricantes diferentes mas de mesma funcionalidade, sem nenhum problema de comunicação e de forma transparente para o usuário (interoperabilidade)

157 FOUNDATION As conexões Fieldbus Foudation convergem para um só ponto

158 FOUNDATION ControlNet & Fieldebus

159 FOUNDATION Arquitetura integrada

160 CAN É um protocolo de comunicação serial; Desenvolvido inicialmente pela Bosch (1986) para aplicações automotivas; Como método de acesso ao barramento usa o protocolo CSMA/CR (Carrier Sense Multiple Access/Collision Resolution), também chamado de CSMA/CD + AMP (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection and Arbitration on Mesage Priority); Foi adotado em 1993/94 como padrão mundial ISO11898; CiA (CAN in Automation) é uma associação de fabricantes de controladores CAN e de microcontroladores com controladores CAN integrados.

161 CAN Características gerais –Mensagens de dados são pequenas (até 8 bytes); –Taxa de até 1 Mbps; –Priorização de mensagens; –Pode transmitir em broadcast; –Recepção multicast com sincronização; –Detecção de erros; –Sinalização e retransmissão automática; –CAN 2.0A especifica identificadores de 11 bits; –CAN 2.0B suporta mensagens estendidas com identificadores de 29 bits; –É constituído somente de duas camadas: Enlace de dados e física. A Camada de Aplicação é especificada pelo projetista.

162 CAN Características gerais: –Possui um esquema de arbitragem binária não destrutiva (bitwise arbitration) descentralizada, baseada na adoção dos níveis dominante e recessivo para controlar o acesso ao barramento; –Não há endereço explícito nas mensagens. Cada mensagem carrega um identificador que controla sua prioridade no barramento e também identifica seu conteúdo; –Isola falhas e remove nós com problema do barramento; –Filtra mensagens; –Os meios físicos são o par metálico, a fibra óptica e radiofrequência; –Possui capacidade multimestre; –Distingue entre erros temporários e erros permanentes; –Flexibilidade de configuração.

163 CAN Arquitetura –Define duas camadas: Camada de enlace de dados –LLC – Logic Link Control »Controle de aceitação de mensagens; »Notificações de sobrecarga do nó à rede; –MAC – Medium Access Control »Controle do acesso ao meio físico; »Detecção e sinalização de erros »Reconhecimento de mensagens recebidas; »(Des)encapsulamento de mensagens Camada física –Define o nível do sinal de transmissão; –Ajuste do tempo de bit (bit timing); –Sincronização entre os nós

164 CAN Camada Física –Versões: 1.0 e 2.0A Padrão (com identificadores de 11 bits) e 2.0B Estendida (com identificadores de 29 bits); –A versão 2.0B pode ser: Passiva: envia e recebe tramas padrão; Ativa: envia e recebe tramas tanto padrão quanto estendida.

165 Sensores Processos industriais complexos Necessidade de medir, realimentar e controlar etapas dos processos Os processos podem envolver diversas grandezas físicas Foram desenvolvidos diversos instrumentos de medição As informações do andamento dos processos/etapas são coletadas pelos sensores

166 Sensores Principais elementos utilizados na automação: –Atuadores Dispositivos que modificam uma variável controlada Recebem um sinal do controlador Agem no dispositivo controlado Exemplos: –Válvulas: pneumáticas, hidráulicas, etc. –Relés: estáticos, eletromecânicos, etc. –Cilindros: pneumáticos, hidráulicos, etc. –Motores: step-motor, syncro, servomotr, etc. –Solenóides

167 Sensores Principais elementos utilizados na automação: –Sensores Dispositivos sensíveis a alguma forma de energia do ambiente (luminosa, térmica, cinética, etc.) e de grandezas a serem medidas (temperatura, pressão, velocidade, corrente, aceleração, posição, etc.) O sinal de saída, normalmente, deve ser manipulado (circuitos de interface: amplificador, conversor, etc.) antes da sua leitura pelo sistema de controle Podem ser: –Analógicos: o sinal de saída pode assumir qualquer valor ao longo do tempo (grandezas típicas: pressão, temperatura, velocidade, umidade, vazão, força, ângulo, distância, torque, luminosidade, etc.) –Digitais: o sinal de saída pode assumir apenas dois valores ao longo do tempo (detecção de passagem de objetos, encoders na determinação de distância, etc.)

168 Sensores Principais elementos utilizados na automação: –Transdutores Dispositivos completos que contém o sensor e o circuito de interface Pode ser considerado como uma interface entre as formas de energia do ambiente e o circuito de controle ou, entre o controle e o atuador –Conversores A/D e D/A Convertem um sinal analógico em digital e vice-versa Parte do sinal é perdida na conversão podendo existir distorções na linearização do sinal O número de bits utilizado pelo conversor A/D é muito importante (valores falsos ou superdimensionamento)

169 Sensores Principais elementos utilizados na automação: –Transmissor Dispositivo que prepara o sinal de saída de um transdutor para sua utilização em outro local Padrões mais usados para transmitir sinais analógicos: –3 a 15 psi –4 a 20 mA –0 a 20 mA –0 a 10 V Protocolos de comunicação para redes industriais (fieldbus) –HART –Asi –Fieldbus Foundation –PROFIBUS-PA –CAN –Industrial Ethernet

170 Sensores Características importantes –Tipos de saída Digital: saída é discreta Analógica: saída contínua –Sensibilidade (ganho): razão entre o sinal de saída e de entrada –Exatidão: erro da medida realizada em relação a um medidor padrão –Precisão: erro relativo máximo (grau de repetibilidade do valor medido) –Linearidade: curva obtida ao plotar os valores medidos comparados com os valores de um padrão (reta) –Alcance: faixa de valores de entrada –Estabilidade: flutuação na saída do sensor –Velocidade de resposta: velocidade com que a medida fornecida pelo sensor alcança o valor real do processo

171 Sensores Outras características –Facilidade de manutenção- Custo –Calibração- Dimensões –Faixa de trabalho- Encapsulamento –Histerese- Vida útil Classificação dos instrumentos –Quanto à localização De painel ou uso interno De campo ou uso externo –Quanto à função Medidores Indicadores Registradores Controladores Alarmes

172 Sensores Principais tipos: –Sensores de presença –Sensores de posição –Sensores ópticos –Sensores de velocidade –Sensores de aceleração –Sensores de temperatura –Sensores de pressão –Sensores de nível –Sensores de vazão –Sensores de tensão, corrente e potência –Sensores de umidade, gases e pH

173 Sensores de presença Sensor de presença é um equipamento eletrônico capaz de identificar a presença de qualquer elemento dentro do seu raio de ação e provocar uma comutação eletrônica, como por exemplo, acender a lâmpada do ambiente, acionar um alarme, contar um objeto ou desligar um equipamento.

174 Sensores de presença Sensores ópticos –Componentes eletrônicos de sinalização e comando –Detecta qualquer material sem que haja contato mecânico entre eles –Seu funcionamento baseia-se na emissão de um feixe de luz, o qual é recebido por um elemento foto-sensivel, basicamente são divididos em três sistemas: Barreira, Difusão e Reflexão. –Funcionamento: Baseia-se na interrupção ou incidência de um feixe luminoso, de raios infra- vermelhos, sobre um foto-receptor, o qual provoca uma ação (comutação) eletrônica. Para evitar interferências da recepção luminosa do ambiente a luz é modulada ou pulsada a uma frequência máxima de 1,5 KHz. –Aplicações: Contagem de peças Proteção do operador Sistemas de alarme tanto em ambientes internos quanto externos.

175 Sensores de presença Sensores ópticos –Sistema por barreira: É formado por sensores alinhados, ou seja, o dispositivo emissor de luz colocado e alinhado ao receptor.

176 Sensores de presença Sensores ópticos –Sistema Reflexivo: É formado pelo dispositivo emissor de luz e dispositivo receptor montados no mesmo conjunto, neste caso o feixe de luz emitido é refletido em uma superfície refletora e retorna ao ponto de origem atingindo o dispositivo receptor.

177 Sensores de presença Sensores ópticos –Sistema por difusão: No sistema por difusão, os elementos de emissão e recepção infra- vermelho estão montados justapostos em um mesmo conjunto óptico, direcionados para a face sensível do sensor. Os raios infra-vermelhos emitidos pelo transmissor, refletem sobre a superfície de um objeto e retornam em direção do receptor, a uma distância determinada (distância de comutação), que provoca o chaveamento eletrônico, desde que o objeto possua uma superfície não totalmente fosca.

178 Sensores de presença Sensores ópticos –Sistema por difração: Os elementos de emissão e recepção infra-vermelho estão montados justapostos em um único conjunto óptico, direcionados para um prisma e retornam em direção do receptor. Quando este prisma é mergulhado em qualquer liquido translúcido, os raios infra-vermelhos se dispersam, desviando assim a sua trajetória ocasionando uma comutação eletrônica.

179 Abreviaturas AI – Analog In ADU – Application Data Unit ALI – Application Layer Interface AO – Analog Out AUI – Attachment Unit Interface CD – Compel Data CIM – Computer Integrated Manufacturing CLP – Controlador Lógico Programável DCS – Distributed Controller Sistem DDC – Direct Digital Controller DD - Device Description DIS – Data Independent Sublayer DLL – Data Link Layer EIA - Electonic Industries Alliance FAS – Fieldbus Access Sublayer FMS – Fieldbus Message Specification HDLC – High level Data Link Control HMI – Humam Machine Interface HSE – High Speed Equipment IETF – Internet Engineering Task Force I/O – Input/Output IP – Internet Protocol IS – Integrated System ISA – Instrumentation Society of America LAS – Link Active Scheduler LD - LLI – Lower Layer Interface MAC – Medium Access Control MAU – Medium Attachment Unit MB – MODBUS Protocol MBAP – MODBUS Application Protocol MDS – Medium Dependent Sublayer PCI – Protocol Control Information PDU – Protocol Data Unit PID – Proportional/Integral/Derivative PLC – Progammable Logic Controller PROFIBUS – Process Field Bus RTU – Remote Terminal Unit SDCD – Sistema Digital de Controle Distribuído SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition SLC – Single-Loop Controllers TCP – Transmission Control Protocol TIA – Telecommunication Industry Association

180 Referências bibliográficas ALBUQUERQUE, Pedro U. B de e ALEXANDRIA, Auzuir R. de, REDES INDUSTRIAIS – Aplicações em Sistemas Digitais de Controle Distribuído, Fortaleza- CE, Edições Livro Técnico, M. R. Stemmer, LCMI/DAS/UFSC. LUGLI, Alexandre B. e SANTOS, Mas M. D., SISTEMAS FIELDBUS Para Automação Industrial – DeviceNet, CANopen, SDS e Ethernet, São Paulo-SP, Érica, THOMAZINI, Daniel e ALBUQUERQUE, Pedro U. B. de, Sensores Industriais ´Fundamentos e Aplicações, 7ª ed., São Paulo-SP, Editora Érica,


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