Wilmar Oliveira de Queiroz UCG 2008

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1 Wilmar Oliveira de Queiroz UCG 2008
REDES INDUSTRIAIS Wilmar Oliveira de Queiroz UCG 2008

2 Redes Industriais Tecnologias de automação
Conceitos de redes industriais e corporativas Gerenciamento da informação em um processo industrial Sistemas de automação Industrial Requisitos dos Sistemas Industriais Arquitetura de Controle Industrial Nível de Campo Nível de Controle Nível de Planta Principais Componentes de Sistemas Industrias Computadores industriais Sensores e atuadores Fundamentos de Redes Industriais - Meios Físicos e Classificação de Protocolos - Modelos ISO/OSI - Acesso ao processo (dados, CRC, etc.).  Sistemas Industriais de Comunicação - Fieldbus Foundation - Profibus - Devicenet - Interbus - AS-I - Modbus - DPN 3.00

3 Tendências Tecnológicas - A Integração Processo e Administração - Aplicações Especiais (medicina, robótica, etc.). - Ethernet Industrial (HSE) - Redes Wireless e Wire Wap (conceituação e aplicações) - Tendências de Integração de Camadas Implantação de Redes Industriais - Análise de processo - Especificação - Projeto - Desenvolvimento - Implantação Novos Conceitos de Controle e Gestão de Processos - OPC Server – Conceitos, Estrutura e Aplicações. - A Internet como Ferramenta na Gestão de Processos Gestão Técnica de Processos Automatizados - Gestores Envolvidos e suas Relações - A importância das redes no Supply Chain Management Exemplos de Utilização de Redes Industriais Estudos de casos

4 Sistemas de Automação Industrial Requisitos dos Sistemas Industriais
Arquitetura de Controle Industrial Nível de Campo Nível de Controle Nível de Planta Principais Componentes de Sistemas Industriais Computadores Industriais Sensores e Atuadores Considerações Finais Redes Industriais de Comunicação Requisitos de Tempo-Real Classificação de Sistemas e Tempos de Entrega Escalonamento de Mensagens Arquitetura do Sistema de Comunicação Industrial Camadas OSI Camadas OSI Aplicadas à Indústria

5 Topologias de Redes Industriais
Topologia Estrela Topologia de Barramento Topologia em Anel Interconectores de Rede Hub Switch Funcionamento Métodos de encaminhamento Store-and-forward Cut-through Adaptative Cut-through Vantagens do Uso de Switches em Redes Industriais Ethernet Industrial A Rede Ethernet Algoritmo CSMA/CD Componentes Principais de Sistemas Ethernet Ethernet e as Restrições de Tempo Real Determinismo em Redes Ethernet Velocidade de Comunicação Domínios de Colisão com Switches Redundância de Links com Switches Exemplos de Aplicações Industriais Baseadas em Redes Ethernet Linha de Produção Automotiva Ethernet no Controle de Navios

6 Suíte de Protocolos TCP/IP Arquiteturas de Comunicação
Camadas Arquiteturas de Comunicação Ponto-a-Ponto Mestre-Escravo Cliente-Servidor Produtor/Consumidor Implementação Arquitetura da Solução Proposta RTnet Serviços Básicos Gerenciamento de Pacotes Implementação UDP/IP Camada de Driver Media Access Control em Tempo Real Camada MAC Disciplina TDMA Serviço de Configuração Tempo Real O Protocolo RTPS / ORTE Arquitetura Mecanismos de Comunicação ORTE Implementação da Base de Dados Arquitetura Proposta Resultados Obtidos e Análise Conclusões Referências Bibliográficas

7 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?

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

9 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

10 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

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

12 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

13 CIM

14 CIM

15 CIM

16 CIM 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)

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

18 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

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

20 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

21 Topologias - Estrela

22 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

23 Topologias - Anel

24 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

25 Topologias - Barramento

26 Modelo OSI Modelo OSI APLICAÇÃO APRESENTAÇÃO SESSÃO TRANSPORTE REDE
ENLACE A A S T R E F E R T S A A FÍSICA A A S T R E F

27 Modelo OSI

28 Modelo OSI 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

29 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

30 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

31 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

32 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)

33 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

34 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

35 Modelo OSI x TCP/IP

36 Arquitetura TCP/IP TCP UDP ICMP IGMP IP ARP RARP MEIO FÍSICO
INTERFACE DE HARDWARE FTP TELNET SMTP DNS RPC SNMP TFTP

37 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

38 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

39 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

40 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

41 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

42 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

43 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 nos fios de dados) Balanceada A referência do “terra” é desconectada entre os sistemas Alta imunidade a ruídos (interferência afeta igualmente o sinal e a referência)

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

45 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

46 RS-232

47 RS-232

48 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

49 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

50 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)

51 RS-485 Exemplo de um sistema RS-485

52 RS-485 Exemplo de um sistema RS-485

53 RS-232 para RS-485 RS232 para RS485

54 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

55 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

56 RS-485

57 RS-485 Montagem da rede

58 RS232, RS423, RS422 e RS485 RS485 RS422 RS423 RS232 Caracterísitcas 32
10 2/10 2 Quantidade de dispositivos 1200m 15m Distância máxima 10 Mbps 100 Kbps 20 Kbps Taxa transm. máxima +12V a -7V + - 6 a -0,25V + - 6V + - 25V Tensão máxima comum 1,5V min 2V máx 2V min 5V min 15V máx Nível transmissão >12 KOhm >4 KOhm 3 a 7 KOhm Resistência entrada + - 0,3V + - 0,2V + - 3V Sensibilidade entrada Balanceada Desbalanceada Referência RS485 RS422 RS423 RS232 Caracterísitcas

59 Conectores industriais

60 Conversores

61 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

62 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.

63 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.

64 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.

65 Par trançado Crosstalk

66 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 nm. E os cabos de Fibra monomodo em torno de 1 dB/Km em 1300 nm.

67 Fibra ótica

68 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

69 Protocolos industriais e prediais
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

70 Protocolos industriais e prediais
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

71 Protocolos industriais e prediais

72 Common Industrial Protocol - CIP

73 Domínios e aplicações

74 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

75 MODBUS Atualmente é implementado usando:
TCP/IP sobre Ethernet (MODBUS TCP/IP) Usado para comunicação entre sistemas de supervisão e CLP’s 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 CLP’s 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 CLP’s, 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

76 MODBUS Tipos de Protocolos MODBUS

77 Referência: MODBUS Application Protocol Specification V1.1b

78 Referência: MODBUS Application Protocol Specification V1.1b

79 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

80 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

81 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

82 MODBUS Transações entre mestre e escravo

83 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

84 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

85 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

86 MODBUS Funções para troca de mensagens Tipos de dados 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

87 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)

88 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 CLP’s) 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)

89 MODBUS Detecção de erros Temporizações
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

90 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

91 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

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

93 Diagrama de tempo em um cenário mestre/escravo

94 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: Carregue o registrador CRC de 16 bits com FFFF (tudo 1) Faça a operação XOR do primeiro byte da mensagem com o byte de mais baixa ordem do registrador, colocando o resultado no registrador Desloque o registrador de um bit para a direita, em direção ao bit LSB, colocando o valor 0 na posição do bit MSB 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 (x15 + x13 + 1) 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

95 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

96 EXEMPLO DE CÁLCULO DE CRC PARA OS VALORES 0207
SOMAR COM O SEGUNDO BYTE 1110 0011 0001 1000 XOR 0000 1010 FLAG=1, XOR COM POLINÔMIO 1 1111 0010 DESLOCAMENTO 8 0111 0100 DESLOCAMENTO 7 DESLOCAMENTO 6 1001 DESLOCAMENTO 5 DESLOCAMENTO 4 0110 DESLOCAMENTO 3 1100 DESLOCAMENTO 2 1101 DESLOCAMENTO 1 XOR ENTRE REGISTRADOR E 1º CARACTER 1º CARACTERE INICIALIZAÇÃO DO REGISTRADOR CRC FLAG 2º BYTE 1º BYTE AÇÃO

97 CONTEÚDO DO CAMPO CRC NO QUADRO CONTEÚDO DO REGISTRADOR CRC 0001 0100
2 1 4 CONTEÚDO DO CAMPO CRC NO QUADRO CONTEÚDO DO REGISTRADOR CRC 0001 0100 0010 DESLOCAMENTO 8 1000 DESLOCAMENTO 7 0000 1001 DESLOCAMENTO 6 XOR 1010 FLAG=1, XOR COM POLINÔMIO 0011 DESLOCAMENTO 5 0110 DESLOCAMENTO 4 1100 0111 DESLOCAMENTO 3 1111 1101 1110 DESLOCAMENTO 2 DESLOCAMENTO 1 XOR ENTRE REGISTRADOR E 2º CARACTER 2º CARACTERE CONTEÚDO DO REGISTRADOR CRC (1° BYTE) FLAG 2º BYTE 1º BYTE AÇÃO

98 MODBUS Cálculo do LRC Endereço (12): 0001 0010 Função (01): 0000 0001
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):

99 MODBUS Características fixas: Características selecionáveis:
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

100 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)  CRC Controle de erro Nenhum : Cabeçalho CR LF Trailer 03 Número de registros LO 00 Número de registros HI 6B Endereço de início LO Endereço de início HI Código da função 06 Endereço do escravo RTU ASCII Hexa Nome do campo CRC(2) LRC(2)  CRC Controle de erro Nenhum : Cabeçalho CR LF Trailer 63 Dado LO 2 0000 00 Dado HI 1 0000 2B 02 06 Quantidade de bytes 03 Código da função Endereço do escravo RTU ASCII Hexa Nome do campo

101 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 16 Número de registros LO 00 Número de registros HI C4 Endereço de início LO Endereço de início HI 02 Função 11 Endereço do escravo RTU Hexa Nome do campo CRC Controle de erro 35 Dado ( ) DB Dado ( ) AC Dado ( ) 03 Contagem de bytes 02 Função 11 Endereço do escravo RTU Hexa Nome do campo

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

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

104 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 00 Force dado LO FF Force dado HI AC Endereço solenóide LO Endereço solenóide HI Endereço de início LO Endereço de início HI 05 Função 11 Endereço do escravo RTU Hexa Nome do campo CRC Controle de erro 00 Force dado LO FF Force dado HI AC Endereço solenóide LO Endereço solenóide HI 05 Função 11 Endereço do escravo RTU Hexa Nome do campo

105 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

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

107 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 91d (5Bh) As transações entre nodos são associadas a request (código par) e response (código ímpar) ou notify para exceções Estrutura do cabeçalho MBAP:

108 MODBUS TCP/IP Estrutura do campo de dados:

109 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

110 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

111 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 – 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

112 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

113 PROFIBUS Principal sistema aberto para fieldbus Baseado nos padrões:
EN e EN 50254 IEC e IEC 61784 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

114 PROFIBUS Protocolos de acesso

115 PROFIBUS

116 PROFIBUS No nível de sensores e atuadores permite interoperabilidade com: RS-485, IEC 61158, 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

117 PROFIBUS

118 PROFIBUS

119 PROFIBUS

120 PROFIBUS

121 PROFIBUS Perfil de comunicação

122 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 32 estações por segmento (pode usar repetidores)

123 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

124 PROFIBUS Detalhamento da Arquitetura Básica de uma Instalação

125 PROFIBUS Arquiteturas

126 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

127 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

128 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”

129 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

130 PROFIBUS

131 PROFIBUS Implementação de escravo Profibus com interface IEC

132 PROFIBUS Novos desenvolvimentos técnicos

133 PROFIBUS Smar Equipamentos Industriais Ltda

134

135 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

136 FOUNDATION Redução do hardware

137 FOUNDATION Economia de instalação

138 FOUNDATION Múltiplas variáveis, ambas direções

139 FOUNDATION RM-OSI e Fieldbus Foundation

140 FOUNDATION Encapsulamento dos protocolos

141 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: Tipo 31,25 Kbps 1 Mbps 2,5 Mbps Comentários "A“ 1900 m 750 m 500 m apenas 1 par-trançado em um cabo blindado "B“ 1200 m múltiplos pares trançados com uma blindagem externa "C“ 400 m um ou vários pares trançados, mas sem blindagem "D“ 200 m múltiplos condutores sem ser par-trançado

142 FOUNDATION Codificação dos bits

143 FOUNDATION Preâmbulo e delimitadores de início e fim

144 FOUNDATION Instalação elétrica

145 FOUNDATION Interligação com redes de alta velocidade

146 FOUNDATION Grandes redes

147 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

148 FOUNDATION Dispositivos do Fieldbus Foundation

149 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

150 FOUNDATION Transferência agendada de dados CD (a) LAS

151 FOUNDATION Transferência não agendada de dados

152 FOUNDATION Camada de Aplicação Camada de Usuário
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)

153 FOUNDATION As conexões Fieldbus Foudation convergem para um só ponto

154 FOUNDATION ControlNet & Fieldebus

155 FOUNDATION Arquitetura integrada

156 Abreviaturas RTU – Remote Terminal Unit 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

157 Referências bibliográficas
M. R. Stemmer, LCMI/DAS/UFSC