Fieldbus Uma arquitetura para redes industriais Alunos: Gáudio Vinícius Lopes Besch gaudiobesch@uol.com.br Vinicius Fernandes de Oliveira vinicius@vinicius.eti.br Julho de 2002 LECA-DCA / PPgEE - Disciplina: Tópicos em redes de computadores ( redes industriais )

Arquiteturas Principais características de algumas soluções O objetivo desse item é mostrar de forma comparativa as principais características de algumas soluções em redes fieldbus. Automação industrial é um assunto amplo e muitas vezes com características multidisciplinares. Ela, em um simples projeto, pode abranger informática, eletricidade, eletrônica, física, química, matemática, etc., além de um bom conhecimento em engenharia de produção. Os conceitos que consideramos “relevantes” são aqueles que possuem algum tipo de relação com o nosso assunto principal: redes industriais. Outros conceitos, eventualmente, podem ser explorados para uma melhor compreensão do todo. O importante é, na medida do possível, procurar compreender o papel que a arquitetura fieldbus desempenha nesse universo tão amplo que a tecnologia atual nos oferece.

Rede industrial – alguns padrões Versão beta ! LonWorks MAP MAPICS M-BUS Modbus Plus Modbus RTU / ASCII PCA P-NET PROFIBUS DP / PA / FMS Profinet PROWAY SafetyBUS SCRAMNet SDS Seriplex WorldFIP ARCNET AS-I BITBUS CAN Open CIM-OSA ControlNet DECOMNI DeviceNet EIB Foundation FieldBus H1 Foundation FieldBus HSE GENIUS I/O HART IEC / ISA SP50 Fieldbus Industrial Ethernet INTERBUS-S

Arquiteturas - Problema exemplo Caldeira Pressão Válvula Carga Processo contínuo Temper. S1 Nível Processo contínuo S2 Nível S3 Nível Processo discreto Válvula Motor

Arquiteturas - Convencional ( CP ) “Físico”: 4-20mA, 0-5V,etc. Caldeira “Enlace”: CP faz ciclo de varredura Pressão Válvula Temper. “Aplicação” Lóg. comb., sequencial, PID, etc. Controlador Programável S1 Nível “Aplicação do usuário” Programação, monitoração, estatística, etc. S2 Nível RS-232, RS-485,etc. S3 Nível Válvula Motor

Arquiteturas AS-I - Actuator-Sensor-Interface “Físico” - par de fios, não trançado e sem blindagem, para sinais e alimentação - codificação Manchester com modulação de corrente (APM) - 167 kbits/seg., Caldeira Escravo AS-I ( possui um chip ASIC ) Pressão Válvula “Enlace” - Mestre/escravo, ponto a ponto com pooling - ciclo: 5 ms p/ 31 escravos Temper. Contr.Progr./ Gateway RS-485, Profibus, Modbus, etc. S1 Nível Mestre AS-I Escravo AS-I S2 Nível “Aplicação” Lóg. comb., seq., PID, etc. ou conversão de protocolo S3 Nível Válvula Motor “Aplicação do usuário” Programação, monitoração, estatística, etc.

Arquiteturas AS-I - Actuator-Sensor-Interface Botoeira AS-Interface (escravo) Endereçador AS-Interface Master - Mini CLP - RS485 Módulo escravo AS-I Master

Arquiteturas AS-I - Actuator-Sensor-Interface Essencial: Reduz o custo de uma rede no campo diminuindo a quantidade de fios e simplificando a instalação Princípios básicos: Utiliza chips ASIC ( Application Specific Integrated Circuit ) em sensores/atuadores ASI para ligá-los a redes ASI Disponibiliza “módulos escravos” (equipamento específico) que permitem o uso de sensores/atuadores convencionais Possui um “módulo mestre” (placa específica embutida em um elemento “inteligente”) para gerenciar o acesso ao meio O tratamento das informações deverá ser feito por qualquer elemento inteligente ( CP, PC, etc.) que trabalhe em conjunto com o “módulo mestre”

Arquiteturas AS-I - Actuator-Sensor-Interface Características tecnológicas: Interligações por cabo de 2 fios de 1,5 mm² sem blindagem para dados e alimentação ou com alimentação separada Extensão máxima do cabo em segmentos de 100m em um máximo de 500m com repetidor ME: Módulo de Entrada MS: Módulo de Saída A: Atuador S: Sensor Permitidas todas as topologias Na atual versão (2.1) admite-se um máximo de 62 módulos com 248 pontos de entrada e 186 de saída e ciclo de 10 ms na capacidade máxima Sinais analógicos são processados com eficiência apenas na versão 2.1 Não possui soluções para segurança intrínsica

Arquiteturas AS-I - Actuator-Sensor-Interface Características tecnológicas (continuação): A comunicação entre o master e o escravo consiste em um chamado do master, uma pausa, a resposta do escravo e nova pausa. Quadro compacto obtendo-se um baixo tempo de resposta:

Arquiteturas AS-I - Actuator-Sensor-Interface Exemplo de redução de custos da StoneL Corporation: ( www.stonel.com ) Redução de 42%

Arquiteturas HART - Highway Addressable Remote Transducer Físico - par trançado para sinais e alimentação - codificação Bell 202 (FSK) sobre 4 a 20 mA - 1200 bps - top. ponto a ponto ou multiponto Caldeira Pressão Escravo HART Válvula Enlace - Mestre/escravo, com pooling ou modo burst 4-20mA Aplicação Comandos HART Temper. 4-20mA + frame Enlace S1 Nível Aplicação Comandos HART Mestre HART HART Server S2 Nível S3 Nível 4-20mA Profibus, Modbus, Ethernet, etc. Válvula Motor CP “Aplicação do usuário”: Programa, configura, monitora, ou OPC server/client

Arquiteturas HART - Highway Addressable Remote Transducer NRF 590 Tank Side Monitor da Endress+Hauser

Arquiteturas HART - Highway Addressable Remote Transducer Transmissor de vazão da ROSEMOUNT

Arquiteturas HART - Highway Addressable Remote Transducer Comunicador HART da ROSEMOUNT

Arquiteturas HART - Highway Addressable Remote Transducer Essencial: Aproveitar o possível das instalações convencionais e ao mesmo tempo implementar processamento digital Princípios básicos: Introduz um sinal modulado em frequência sobreposto ao sinal convencional ( 4 a 20 mA ) Sensores e atuadores HART que possuem circuitos para processar sinais digital e analógico Existe o “módulo mestre” para gerenciar e processar informações

Arquiteturas HART - Highway Addressable Remote Transducer Características tecnológicas Cabo par trançado, simples ou múltiplo, máximo de 1500m para 0.51mm de diâmetro, 3000m para 0.81mm; para cabos convencionais 4 a 20 mA, dependerá das perdas. Pode ter pontes para fibra ótica. Multiplexador HART: disponibiliza canais para serem ligados a segmentos de rede. Máximo de 32 canais, cada canal com o máximo de 15 equipamentos por multiponto ou 1 ponto a ponto. Mestre HART: máximo de 2, normalmente sendo o primário um CP ou um PC e o secundário um hand held para fins de utilização no campo Permitido todas as topologias Possui soluções para áreas de segurança intrínseca

Arquiteturas HART - Highway Addressable Remote Transducer Características tecnológicas (continuação) Estrutura da mensagem: ( sincronizar o sinal ) ( mestre->escravo, escravo->mestre, burst, tipo de endereço ) ( 1-pooling ou 5-ID único ) ( 0-30 universal, 32-126 práticos comuns, 128-253 específicos do equipamento ) ( tipo de erro de comunicação, status do comando recebido, status do equipamento )

Escravo ModBus RTU / ASCII Arquiteturas Modbus Físico - RS232 ponto a ponto, RS485 multiponto, par trançado blindado MB Plus Caldeira Enlace - Mestre/escravo para MB RTU / ASCII, HDLC para MB Plus Pressão Escravo ModBus RTU / ASCII Válvula RS232 RS232 Mestre Modbus ( HIM ) Temper. Aplicação - Comandos e parâmetros ModBus S1 Nível ModBus Plus RS485 Bridge ModBus S2 Nível Ethernet RS485 S3 Nível Modbus TCP/ IP ModBus Server Válvula Motor “Aplicação do usuário”: Programa, configura, monitora Mestre Modbus (CLP)

Arquiteturas Modbus Essencial: Princípios básicos: Permite que as redes industriais utilizem padrões e protocolos amplamente difundidos nas redes comerciais Princípios básicos: Implementa um protocolo no nível 7 deixando para os níveis mais baixos as respectivas implementações Planejado para que os níveis mais baixos possam ser os protocolos já consagrados Ser aberto para que qualquer fabricante de equipamento possa desenvolver os seu protocolo “Modbus compatível” de acesso ao meio

Arquiteturas Modbus Características tecnológicas: Cabeamento, velocidade e limitações são dos respectivos padrões existentes ( RS 232 / 422 / 485, Ethernet, etc. ) Existem “vários” ModBus: ModBus simplesmente é o padrão do nível 7 OSI ModBus ASCII é o padrão para uso com RS232, RS422 e RS485 ModBus RTU ( Remote Terminal Unit ) é similar ao ASCII, porém com maior densidade de caracteres e intervalos mais curtos ModBus Plus é um padrão que utiliza HDLC, MAC e LLC ( token passing, ponto a ponto ) ModBus II é um padrão token passing, ponto a ponto com cabo coaxial a 5 Mbps ModBus On TCP é o padrão que utiliza TCP/IP É enorme a quantidade de soluções utilizando bridges, CPs, I/O, modens, etc. abragendo WANs e LANs. Não possui soluções para segurança intrínseca

Arquiteturas Modbus Características tecnológicas (continuação): Os “vários” ModBus:

Arquiteturas Modbus Características tecnológicas (continuação): Exemplo de uma arquitetura ModBus:

Arquiteturas Modbus Características tecnológicas (continuação): Exemplo de utilização da arquitetura ModBus:

(Application Data Unit ) Arquiteturas Modbus Características tecnológicas (continuação): Quadro genérico: Exemplo do quadro para uso com TCP / IP (Application Data Unit ) ( Protocol Data Unit ) ( Protocol Data Unit )

Arquiteturas Modbus Características tecnológicas (continuação): Categoria de códigos de função - 1 byte ( leitura e gravação de variáveis e parâmetros de medição e controle, etc. ): Códigos definidos pelo usuário não precisam ser aprovados pelo modbus.org - não existirão garantias de serem únicos. Obs: 128 a 255 são reservados para códigos de exceção

( comparar com AS-Interface ) Arquiteturas Modbus Exemplo de redução de custos da StoneL Corporation: ( comparar com AS-Interface )

Arquiteturas ProfiBus - Process Field Bus Físico - RS485 multiponto Caldeira Pressão Escravo ProfiBus Válvula RS485 Enlace - Mestre/escravo (token passing) e mestre/mestre (token ring) Mestre ProfiBus (CLP) Temper. RS485 Aplicação - Comandos e parâmetros ProfiBus FMS S1 Nível RS485 Mestre ProfiBus (CLP) RS485 S2 Nível Ethernet + TCP/IP ProfiBus + Ethernet = ProfiNet S3 Nível Válvula Motor “Aplicação do usuário”: Programa, configura, monitora

Arquiteturas ProfiBus - Process Field Bus Essencial: Promove fácil integração entre os níveis de campo e controle com um protocolo aberto e com muitos recursos Princípios básicos: Utiliza padrões conhecidos no nível físico Introduz novos padrões abertos nas camadas de enlace e aplicação, subdividindo os protocolos conforme o objetivo Permite conversão para outros tipos de protocolos Obs: todas as redes de fato fieldbus ( HART, ModBus, FF, Profibus, CANOpen, etc. ) possuem benefícios similares, diferenciando mais na implementação do que no objetivos

Arquiteturas ProfiBus - Process Field Bus Características tecnológicas: Transmissão assíncrona, padrão físico RS 485 / Fibra Óptica e IEC 1158-2 Topologia: Barramento Velocidade: 9,6 Kbps . . 12 Mbps. Transmite 1 kByte de E/S em menos que 2 ms Distância: 100 m . . . 1,2 Km Dispositivos 127 (máximo) Parametrização e diagnóstico remotos Ampla interoperabilidade Acesso híbrido (Token + Mestre/Escravo) protocolo FDL (FieldBus Data Link): permite mestre/escravo com token passing, multi-mestre com token ring, adicionalmente com broadcast e multicast ( nível 2 )

Arquiteturas ProfiBus - Process Field Bus Características tecnológicas (continuação): Protocolo FMS (Fieldbus Message Specification) e LLI (Lower Layer Interface) ProfiBus divide-se em ProfiBus FMS, para nível de célula ( controle ) ProfiBus DP (Decentralized Periphery), para nível de campo: Equipamentos escravos DPM1 (DP Master Class 1): controlador central ( CP ou PC ) DPM2 (DP Master Class 2): configuração, diagnóstico e programação (notebook, PC) ProfiBus PA (Process Automatation), para segurança intrínseca: semelhante ao DP

Arquiteturas ProfiBus - Process Field Bus Características tecnológicas (continuação): Aplicação do usuário Grande diversidade FAS - Fieldbus Access Sublayer LLI - Lower Layer Interface Foundation Fieldbus Profibus DP / FMS OSI ANSI / ISA - S50.02 - 1992 RS 485 / Fibra Ótica / IEC 1158-2 Físico DLL - Data Link Layer FDL - Fieldbus Data Link Enlace ( Não há roteamento – número MAC já resolve identificações ) Rede ( Mensagens trafegam inteiras – não existem pacotes ) Transporte ( Todos os equipamentos estão sempre “on-line” ) Sessão ( Nas mensagens não há conversões, encriptações, etc. ) Apresentação FMS - Fieldbus Message Specification Aplicação

Arquiteturas ProfiBus - Process Field Bus Características tecnológicas (continuação): Uma visão geral da comunicação:

Arquiteturas ProfiBus - Process Field Bus Características tecnológicas (continuação): Configuração PROFIBUS com 3 estações ativas (mestres) e 7 estações passivas (escravas). Os 3 mestres formam um anel lógico de token:

Arquiteturas ProfiBus - Process Field Bus Características tecnológicas (continuação): A parte da aplicação situada no dispositivo de campo acessado via comunicação é denominada de VFD Serviços FMS

Arquiteturas de redes industriais Um assunto que parece não ter FIM