REDES INDUSTRIAIS SEMANA 13-2 – PROTOCOLOS INDUSTRIAIS E PREDIAIS E APLICATIVOS DE SUPERVISÃO 25/03/2017 25/03/2017 25/03/2017 25/03/2017 25/03/2017 25/03/2017.

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Profibus DP O PROFIBUS DP é a solução de alta velocidade (high-speed) do PROFIBUS. Voltado para sistemas de controle, onde se destaca o acesso aos dispositivos de I/O distribuídos. É utilizada em substituição aos sistemas convencionais 4 a 20 mA, HART ou em transmissão com 24 Volts. Utiliza-se do meio físico RS-485 ou fibra ótica. Requer menos de 2 ms para a transmissão de 1 kbyte de entrada e saída e é amplamente utilizada em controles com tempo crítico. Atualmente, 90% das aplicações envolvendo escravos Profibus utilizam-se do PROFIBUS DP. Essa variante está disponível em três versões: DP-V0 (1993), DP-V1 (1997) e DP-V2 (2002). 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Versões do Profibus DP 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

PROFIBUS-FMS É a solução de padrão de comunicação universal que pode ser usada para resolver tarefas complexas de comunicação entre CLPs e DCSs. Suporta a comunicação entre sistemas de automação, assim como a troca de dados entre equipamentos inteligentes, e é geralmente utilizada em nível de controle. Recentemente, pelo fato de ter como função primária a comunicação mestre-mestre (peer-to-peer), vem sendo substituída por aplicações em Ethernet. 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

PROFIBUS-PA É a solução PROFIBUS que atende os requisitos da automação de processos, onde se tem a conexão de sistemas de automação e sistemas de controle de processo com equipamentos de campo, tais como: transmissores de pressão, temperatura, conversores, posicionadores, etc. Pode ser usado em substituição ao padrão 4 a 20 mA. 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

PROFIBUS-PA Oferece 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 para outras estações. Uma 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 e transmissão de dados sobre o mesmo par de fios baseado na tecnologia IEC Uso em áreas potencialmente explosivas com blindagem explosiva tipo “intrinsecamente segura” ou “sem segurança intrínseca”. Benefícios econômicos: Instalações com redução de até 40% em alguns casos em relação aos sistemas convencionais Custos de manutenção com redução de até 25% em alguns casos em relação aos sistemas convencionais Menor tempo de startup, oferece um aumento significativo em funcionalidade e segurança. 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Profibus DP e PA A conexão dos transmissores, conversores e posicionadores em uma rede PROFIBUS DP é feita por um coupler DP/PA. O par trançado a dois fios é utilizado na alimentação e na comunicação de dados para cada equipamento, facilitando a instalação e resultando em baixo custo de hardware, menor tempo para iniciação, manutenção livre de problemas, baixo custo do software de engenharia e alta confiança na operação. 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Arquitetura de comunicação do Protocolo PROFIBUS: Todas as variantes do PROFIBUS são baseadas no modelo de comunicação de redes OSI em concordância com o padrão internacional ISSO 7498. 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

PROFUBUS DP e PA O protocolo de comunicação PROFIBUS PA usa o mesmo protocolo de comunicação PROFIBUS DP. Isto porque os serviços de comunicação e mensagens são idênticos. De fato, o PROFIBUS PA = PROFIBUS DP - protocolo de comunicação + Serviços Acíclico Estendido + IEC61158 que é a Camada Física, também conhecida como H1. Permite uma integração uniforme e completa entre todos os níveis da automação e as plantas das áreas de controle de processo. Isto significa que a integração de todas as áreas da planta pode ser realizada com um protocolo de comunicação que usa variações diferentes. 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

IEC e o Modelo 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Perfil de comunicação PROFIBUS – Communication Profile:define como os dados serão transmitidos serialmente através do meio de comunicação. O DP é o perfil mais utilizado. Otimizado para alta velocidade e conexão de baixo custo, foi projetado especialmente para a comunicação entre sistemas de controle de automação e seus respectivos I/O’s distribuídos em nível de dispositivo. O PROFIBUS-DP pode ser usado para substituir a transmissão de sinal em 24 V em sistemas de automação de manufatura assim como para a transmissão de sinais de 4 a 20 mA ou HART em sistemas de automação de processo. 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Perfil Físico 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

RS 485: O MEIO FÍSICO MAIS APLICADO DO PROFIBUS, FIBRA ÓPTICA USADA EM CASO DE LONGAS DISTÂNCIAS (MAIOR QUE 80 KM) Transmissão Assíncrona NRZ. Baud rates de 9.6 kBit/s a 12 Mbit/s, selecionável. Par trançado com blindagem. 32 estações por segmento s/repetidor, máx. 126 estações c/repetidor. Distância dependente da taxa de transmissão 12 MBit/s = 100 m; 1.5 MBit/s = 400m; < kBit/s = 1000 m. Distância expansível até 10Km com o uso de repetidores. 9 PIN, D-Sub conector. 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

PROFIBUS DP ARQUITETURA
MÁXIMO DE 32 DISPOSITIVOS POR S/ REPETIDOR . MÁXIMO DE 126 DISPOSITIVOS C/ REPETIDOR 17

Taxa de transmissão [Kbits/s] Distância por segmento
PROFIBUS DP ARQUITETURA Taxa de transmissão [Kbits/s] Distância por segmento 9.6; 19.2; 45.45; 93.75 1200 187.5 1000 500 400 1500 200 3000; 6000; 12000 100 Os valores referentes ao cabo do tipo A tem as seguintes propriedades: Impedância Þ 135 a 165W Capacitância < 30 pf/m Resistência de loop < 110W/Km Diâmetro do fio > 0,64 mm Secção do cordão de guia > 0,34 mm2 MÁXIMO DE 32 DISPOSITIVOS POR S/ REPETIDOR MÁXIMO DE 126 DISPOSITIVOS C/ REPETIDOR 19

PROFIBUS DP CABO E CONECÇÕES
CABO, ATERRAMENTO E TERMINAÇÃO

PROFIBUS DP CABO E CONECÇÕES
CONECTORES MAIS COMUNS 23

Detalhe do Conector Típico 9 – Pin Sub D

Detalhe da Preparação do Cabo Profibus

Conexão de Conectores e Indutores na Rede Profibus DP

Repetidores, Terminadores e Link Ópticos

PROFIBUS DP COMUNICAÇÃO NO BARRAMENTO
COMUNICAÇÃO CÍCLICA E ACICLICA NO DP-V1 30

Para casos com mais de 32 estações ou para redes densas, devem ser utilizados repetidores. O comprimento máximo do cabeamento depende da velocidade de transmissão. 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

TECNOLOGIA DE TRANSMISSÃO NO PROFIBUS PA
o IEC e foi elaborada no intuíto de satisfazer os requisitos das indústrias químicas e petroquímicas: segurança intrínseca e possibilidade de alimentar os equipamentos de campo pelo barramento. As opções e os limites de trabalho em áreas potencialmente explosivas foram definidos segundo o modelo FISCO ( Fieldbus Intrinsically Safe Concept). 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

TRANSMISSÃO POR FIBRA ÓPTICA: A solução utilizando-se de fibra óptica vem atender às necessidades de imunidade a ruídos, diferenças de potenciais, longas distâncias, arquitetura em anel e redundância física e altas velocidades de transmissão. 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Camada MAC no Profibus A arquitetura e a filosofia do protocolo PROFIBUS asseguram a cada estação envolvida nas trocas de dados cíclico um tempo suficiente para a execução de sua tarefa de comunicação dentro de um intervalo de tempo definido. Para isso, utiliza-se do procedimento de passagem de “token”, usado por estações mestres do barramento ao comunicar-se entre si, e o procedimento mestre-escravo para a comunicação com as estações escravas. 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Comunicação Mestre-Escravo

Serviços do PROFIBUS (nível 2)

ELEMENTOS DA REDE PROFIBUS PA
Mestres (Masters): são elementos responsáveis pelo controle do barramento. Podem ser de duas classes: Classe 1: responsável pelas operações cíclicas (leitura/escrita) e controle das malhas abertas e fechadas do sistema de controle/automação (CLP). Classe 2: responsável pelos acessos acíclicos dos parâmetros e funções dos equipamentos PA (estação de engenharia ou estação de operação: Simatic PDM ou CommuwinII ou Pactware). Acopladores (Couplers): são dispositivos utilizados para traduzir as características físicas entre o PROFIBUS DP e o PROFIBUS PA (H1: 31,25 kbits/s). E ainda: São transparentes para os mestres (não possuem endereço físico no barramento). Atendem aplicações seguras (Ex) e (Non-Ex), definindo e limitando o número máximo de equipamentos em cada segmento PA. Podem ser alimentados até 24 Vdc, dependendo do fabricante e da área de classificação. Podem trabalhar com as seguintes taxas de comunicação, dependendo do fabricante: P+F (93.75 kbits/s e SK2: até 12Mbits/s) e Siemens (45.45 kbits/s). 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Arquitetura básica com couplers

Link Devices Link devices : São dispositivos utilizados como escravos da rede PROFIBUS DP e mestres da rede PROFIBUS PA (H1: 31,25kbits/s). São utilizados para se conseguir altas velocidades (de até 12Mbits/s) no barramento DP. E ainda: Possuem endereço físico no barramento. Permitem que sejam acoplados até 5 couplers, mas limitam o número de equipamentos em 30 em um barramento “Non-Ex” e 10 em barramento “Ex”. Com isso, aumentam a capacidade de endereçamento da rede DP. 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

ENDEREÇAMENTO NA REDE PROFIBUS

Topologia Estrela 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Topologia Barramento 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Topologia Ponto-a-Ponto

Pontos Fortes e Fracos do Profibus
Mais veloz que o DeviceNet É IEC Pode importar HART (DP-V2) Permite alcance maior que o DeviceNet Grande número de fornecedores O uso de Spur não é usual Alimentação externa (pela norma) Terminadores alimentados (porém tem imunidade a ruídos) 25/03/2017 25/03/2017 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 44 44

APLICATIVOS DE SUPERVISÃO
SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition – Supervisão Controle e Aquisição de Dados. O SCADA faz a coleta e transferência das informações lógicas e analógicas sobre o estado corrente do sistema, pela exibição desses dados na sala de controle e pelo comando remoto de dispositivos (automaticamente ou por iniciativa do operador). Controle supervisório é o processo de monitorar a distância uma atividade. 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Atribuições de um Sistema SCADA
Controle – ação de gerar sinais de forma que a variável controlada se comporte de acordo com o preestabelecido. Monitoração – aquisição de dados para verificar as condições de funcionamento do processo (sinalização de valores limites, ocorrências de falhas, alarmes e relatórios). Supervisão – aquisição de dados para permitir a elaboração de uma estratégia de operação para maximizar o retorno financeiro (maior produção, qualidade e eficiência). Necessita de uma LAN e gateways para ligar diversos protocolos envolvidos e seus diversos níveis. 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Controle 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Monitoração 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Supervisão: (a) gateway; (b) LAN e vários processos

Definições Importantes
Aplicativo – algoritmos de alto nível, conjunto de telas, recursos, comunicações e configurações elaboradas pelo usuário responsável pela personalização do sistema SCADA. É no aplicativo que é definida toda a funcionalidade do sistema. Scripts – sub-rotinas (módulos) em que se pode definir linhas de código em linguagem de programação (Basic, VB, C). Tags – é o nome dado as variáveis utilizadas em um sistema SCADA. Hardkey – dispositivo de segurança ligado à porta paralela ou USB do microcomputador, que permite e utilização plena do software. Os tipos de Hardkey são: Configurador – Módulo que permite a o desenvolvimento de aplicações de supervisão de processos. Runtime – Módulo que permite a execução de um aplicativo de supervisão desenvolvido com o uso do Configurador. Master – Módulo que engloba o Configurador e o Runtime. 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Arquitetura de um Sistema SCADA

Níveis de Arquitetura do Sistema Escada

Arquitetura do Sistema SCADA com o Mestre em Rede

Arquitetura do Sistema SCADA tendo o Servidor como Mestre

Arquitetura utilizando CLP Mestre ligado ao Servidor

Porque a empresa precisa de um sistema SCADA (SSC)?
QUALIDADE - Através do monitoramento das variáveis do processo produtivo, (pressão, temperatura, vazão, etc.) é possível determinar níveis ótimos de trabalho. Caso estes níveis saiam da faixa aceitável o SSC pode gerar um alarme na tela, alertando o operador do processo para um eventual problema no processo produtivo. Desta forma, as intervenções no processo são feitas rapidamente, garantindo que o produto final sempre tenha as mesmas características. 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

REDUÇÂO DOS CUSTOS OPERACIONAIS - Imagine um processo produtivo com inúmeros instrumentos de medição. Quanto tempo e quantos funcionários especializados seriam necessários para percorrer todo o processo de produção afim de realizar a leitura de todos os instrumentos? Quantas planilhas seriam necessárias e qual a probabilidade de erros humanos? Com um SSC é possível centralizar toda a leitura dos instrumentos de campo, gerar gráficos de tendência e gráficos históricos das variáveis do processo. São necessários poucos funcionários especializados . 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

MAXIMIZAR DESEMPENHO DE PRODUÇÃO - Através da rapidez da leitura dos instrumentos de campo, as intervenções necessárias podem ser feitas mais rapidamente. Problemas de parada de máquina por defeitos podem ser diagnosticados mais pontualmente e os setup´s de máquina também são agilizados. 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

BASE DE DADOS PARA OUTROS SISTEMAS - Os SSC podem coletar os dados do processo produtivo e armazená-los em banco de dados. Estes dados podem ser utilizados para gerar informações importantes, sendo integrados com sistemas MES, ERP, SAP e etc. Podem também fornecer dados em tempo real, para sistemas que realizam cálculos de OEE, sistemas SFC, sistemas de PCP ou similares. OEE - Overall Equipment Effectiveness PCP – Planejamento e controle de produção MES - Manufacturing Execution Systems SFC - Shop floor control 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Sinóticos Através das telas de sinóticos é que um processo industrial pode ser monitorado. Estas telas são “projetadas e desenhadas” através de um desenvolvedor (conforme dito anteriormente) e depois executadas através do executável (run-time). 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Alarmes Os SSC´s podem ser configurados para gerar alarmes, ou seja, avisar ao usuário do sistema quando uma variável ou condição do processo de produção está fora dos valores previstos. Os alarmes são mostrados na tela em formato de planilhas e/ou animações na tela. 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Alarmes e Sinóticos 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Relatórios Atualmente, os SSC´s do mercado possuem ferramentas para a geração de relatórios na própria estação de trabalho. Os relatórios mais comuns que são utilizados são: Relatório de alarmes: Lista um histórico com os alarmes ocorridos durante uma faixa de tempo escolhida pelo operador do sistema. Relatório de Acesso: Lista quais foram os usuários que acessaram o SSC ou modificaram algum parâmetro do processo. Relatório de variáveis: Lista a alteração de variáveis ao decorrer do tempo/lote/período. 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Redundância e confiabilidade
Existem processos industriais que não podem parar. Desta forma alguns dos sistemas SCADA podem ser configurados de forma redundante. (depende do fabricante) Existem inúmeros métodos de arquitetura de redundância de dados, variando de fabricante a fabricante de SSCs. O mais utilizado é comumente chamado de hot standby. 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

Aplicativos de Mercado
FIX D´MACS e IFIX da Intellution para aplicações genéricas LAB VIEW da National Instruments para aplicações em laboratórios. ISIS 1000 da Merlin Gerin para sistemas elétricos. ELIPSE SCADA da Elipse Software (Nacional) para uso genérico sendo o ELIPSE LAB para aplicações em sistemas de laboratório, ELIPSE POWER para sistemas elétricos. MIDAS da YOKOGAWA UNITEC IN TOUCH Cimplicity da GE Fanuc Action View WinCC da Siemens 25/03/2017 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

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