SENAI SERVIO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIALFACULDADE DE TECNOLOGIA SENAI JOINVILLE

CURSO DE TECNOLOGIA EM REDES INDUSTRIAIS TARCISIO HELLMANN

ESTUDO DO PROTOCOLO MODBUS PARA APLICAO EM CONTROLE DE DEMANDA DE ENERGIA ELTRICA INDUSTRIAL

JOINVILLE2008

TARCSIO HELLMANN

ESTUDO DO PROTOCOLO MODBUS PARA APLICAO EM CONTROLE DE DEMANDA DE ENERGIA ELTRICA INDUSTRIAL

RELATRIO DE TRABALHO DE CONCLUSO DE CURSO APRESENTADO AO CURSO DE TECNOLOGIA EM REDES INDUSTRIAIS, COMO REQUISITO DE APROVAO, SOB ORIENTAO DO PROFESSOR ORIENTADOR ESPECFICO JLIO RAICIK DO SENAI SC.

JOINVILLE2008

Dedico este trabalho a minha esposa Marizete da Silva, meu filho Lucas, minhas filhas: Alessandra, Francine, Luana e ao meu irmo Pe. Leonardo Hellmann, por terem me incentivado e apoiado para que eu chegasse at aqui.

AGRADECIMENTOS

Agradeo, sobretudo, a Deus por me guiar e dar as condies para seguir a

proposta de minha vida.

Aos colegas e professores pelo companheirismo nestes anos de estudo e na

realizao deste trabalho.

Ao SENAI/Joinville, principalmente a sua direo e coordenao.

Em especial, ao meu pai David Hellmann e minha me Adlia Boeing

Hellmann, pelas oraes a mim dedicadas.

LISTA DE ILUSTRAES

Figura 1 Grfico de demanda medida ......................................................... 11

Figura 2 Grfico de demanda .................................................................... 12

Figura 3 Seqncia de frame sem erro ... 20

Figura 4 Seqncia de frame com erro .... 20

Figura 5 Transmisso protocolos Modbus .. 21

Figura 6 Tipos de protocolos Modbus .... 22

Figura 7 Esquema de ligao do controlador com TC X/5..... 28

Figura 8 Transformador de corrente ... 31

LISTA DE QUADROS

Quadro 1 Palavra URT .. 15

Quadro 2 Frame Modbus URT ..... 16

Quadro 3 Caractere ASCII ........ 17

Quadro 4 Frame Modbus ASCII ... 18

Quadro 5 Transao entre dispositivos .. 23

Quadro 6 Exemplo de solicitao do mestre.. 23

Quadro 7 Exemplo de resposta do escravo ... 25

Quadro 8 Frame Modbus/TCP ..... 26

Quadro 9 Lista de funes ....................................................................... 33

LISTA DE SIGLAS, ABREVIATURAS E SMBOLOS

Identificao RefernciaASCII American Standart Code for Information InterchangeCLP Controlador Lgico ProgramvelCR Carriage ReturnCRC Cyclical Redundancy Checking E/S Entrada e SadaFP Fator de PotnciaHDLC High Level Data Link Control HZ HertsIEC Intenational Electrotechnical CommissionIED Instrumentos Eletrnicos Inteligentes IHM Interface Homem MaquinaIP Internet ProtocolKVA Kilo Volt /AmperKVAR Kilo Volt /Amper ReativoKW Kilo WatLRC Longitudinal Redundancy CheckingLSB Least Significant BitMSB Most Significant BitPLC Programmable Logic ControllerRMS (Root Mean Square) volt RMS=pico de teno / raiz

quadrada de 2

RTU Remote Terminal UnitST Structured TextTC Transformador de CorrenteTCP Transmission Control Protocol VCA Volt Corrente Alternada

RESUMO

Este trabalho apresenta um estudo do protocolo Modbus, e meios necessrios para a instalao de um controlador automtico de demanda de energia eltrica industrial, com acesso remoto aos dados por ele gerado. Apresentam-se vantagens econmicas possveis, com o controle e o conhecimento da realidade sobre a demanda de energia eltrica da sua unidade consumidora.

Palavras-chave: Energia eltrica. Redes industriais. Modbus.

SUMRIO

INTRODUO................................................................................................... 91 DEMANDA DE ENERGIA ELTRICA............................................................ 10 1.1 DEMANDA MEDIDA ................................................................................... 10 1.2 DEMANDA CONTRATADA........................................................................... 11 1.3 VANTAGENS DO CONTROLE...................................................................... 122 ESTUDO DO PROTOCOLO MODBUS .......................................................... 14 2.1 VISO GERAL DO PROTOCOLO MODBUS ................................................ 14 2.2 MODO DE TRANSMIO ........................................................................... 14 2.2.1 Transmio RTU .......................................................................... 15 2.2.1 Transmio ASCII ......................................................................... 16 2.3 METODO DE VERIFICAO DE ERRO ...................................................... 18 2.4 VERIFICAO DE PARIDADE.................................................................... 20 2.5 TIPOS DE PROTOCOLO MODBUS............................................................. 21 2.5.1 Modbus padro ............................................................................... 22 2.5.2 Modbus Pluz .................................................................................... 25 2.5.3 Modbus TCP/IP................................................................................. 263 ESTUDO DA CONFIGURAO DO CONTROLADOR DE DEMANDA......... 28 3.1 APRESENTAO ........................................................................................ 29 3.2 PROGRAMAO GERAL...................... ..................................................... 29 3.2.1 Programao de carga ...................................................................... 30 3.2.2 Liberao de Painel ........................................................................... 30 3.2.3 Programao de alarme..................................................................... 304 TRANSFORMADOR DE CORRENTE............................................................. 31 4.1 TIPOS CONSTROTIVOS ............................................................................. 31 4.2 PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO ............................................................. 325 PROPOSTA DE IMPLANTAO DE CONTROLE DE DEMANDA............... 33 5.1 PARA INSTALAO DO SISTEMA DE CONTROLE....................................... 33 5.2 PARA SUPERVISO....................................................................................... 34CONCLUSO...................................................................................................... 35REFERNCIAS................................................................................................... 36

INTRODUO

Este trabalho prope uma soluo automatizada para o controle da demanda

de energia eltrica, com acompanhamento permanente, com possibilidade de

formao de um banco de dados gerao de grficos alm da visualizao de

diversas unidades eltricas em tempo real.

Esta soluo consiste em um primeiro momento comandar parte da carga

instalada com um controlador de demanda, que tem o poder de desativar

determinadas cargas pela ordem previamente programada, sempre que a demanda

atingir o seu limite mximo previsto.

Todos os dados lidos ou gerados, e as aes executadas pelo controlador

ficaro armazenados na memria do mesmo por at 30 dias, que tambm poder

ser acessado por um microcomputador por meio de uma rede industrial.

A rede industrial poder ser pelo meio fsico RS232 ligando o controlador, a

porta serial de um microcomputador munido de um software supervisrio e com a

utilizao do protocolo de comunicao Modbus padro, ou via ethernet com o

protocolo Modbus TCP/IP.

O entendimento do que a demanda de energia, o protocolo de comunicao

Modbus bem como suas variantes, e o equipamento de controle de demanda, sero

objetos de estudo deste trabalho.

Por fim, este trabalho apresenta uma proposta de implantao do controle de

demanda de energia no SENAI Norte em Joinville.

9

1 DEMANDA DE ENERGIA ELTRICA

Segundo Miranda (2008), os clculos para formao das tarifas de energia

eltrica para consumidores de tenso igual ou superior a 2,3 kV, os do "Grupo A",

ou seja: Os que compram a energia em mdia a alta tenso, so chamados de

clculos de tarifa binmia. Eles levam em considerao principalmente as duas

unidades de energia: A Mxima Demanda de potncia medida, e a Demanda

Contratada. Alm destas duas unidades o sistema ainda atribui variantes de acordo

com a atividade para a qual a energia se destina (industrial; comercial; pblica; rural;

etc.). A partir da dcada de oitenta, outras variantes como: caractersticas de

mercado em cada regio, hbitos, horrios de ponta (entre 17 e 22 horas), perodo

de seca (entre maio e novembro) foram acrescidas ao clculo.

A demanda serve para dimensionar e pagar a implantao e conservao dos

ativos, materiais e equipamentos, necessrios ao transporte da energia eltrica entre

a distribuidora e a unidade consumidora. A cobrana da demanda determinada

pela demanda contratada, porm se houver ultrapassagem, ser determinada pela

demanda medida.

1.1DEMANDA MEDIDA

O grfico a seguir representa o consumo de energia eltrica de uma

determinada unidade consumidora no perodo de 24 horas, ou seja, a Demanda

medida.

10

Figura 1 Grfico de Demanda MedidaFonte: Steuder (2008, p.2)

Pode-se observar neste grfico que o consumo total dirio desta Unidade

consumidora, de 82000 KW/h, o que representa 3416 KW/h em mdia durante as

24 horas. Porm necessita-se de uma infra-estrutura para uma potencia de

5600KW/h, o que representa uma necessidade de 63,9% a mais do que seria a

estrutura necessria para a potncia mdia medida. Este super dimensionamento

necessrio, se reflete em todo o processo; desde a gerao, transformao,

transporte, at a entrega no local do consumo, o que justifica um contrato de

demanda que rateie tais custos entre a unidade consumidora e a concessionria.

1.2 DEMANDA CONTRATADA

Conforme Enersul Energias do Brasil, (2008, p.1):

A unidade consumidora do Grupo A ,dever assinar contrato de fornecimento de energia eltrica fixando o valor, em quilowatts, de sua DEMANDA que poder ser nica ou segmentada por horrio do dia e perodo do ano, conforme a estrutura tarifria em que melhor se enquadrar.

11

Observando a figura 1, pode-se observar que a unidade consumidora

enquanto no conhecer a sua realidade, necessitar contratar uma demanda

contnua da ordem de 5600 KW/h, porm com o conhecimento da sua realidade, ele

tem varias opes de economia, seja por ao no processo, desativando deter

minadas cargas entre as 7:00 e 10:00 horas ou transferindo para outros horrios

algumas atividades realizadas neste horrio de pico. De acordo com a citao

anterior, com um controle no sistema de demanda, mais o conhecimento da sua

realidade, o Contrato de Demanda poder ser segmentado.

Outra forma de economia poder ser identificada ao longo do ano

considerando-se o perodo seco ou a sazonalidade do consumo.

Na figura 2, a seguir, tem-se um exemplo hipottico da demanda de energia

eltrica, de uma unidade educacional ao longo de um ano.

Figura 2 Grfico Demanda de Energia

Pode-se observar, na figura 2, que as estaes frias e quentes do ano alem

das frias escolares tem um efeito direto sobre o consumo de energia eltrica.

Sendo assim, pode-se afirmar que: conhecendo a realidade, h uma possibilidade

de economia significativa em se contratar demanda segmentada tambm em relao

ao perodo do ano.

1.3 VANTAGENS DO CONTROLE

Economia direta na demanda medida, com a eliminao dos picos de

consumo excedente ao limite da demanda contratada, conforme representado no

grfico da figura 2. Os dados gerados e aes executadas pelo controlador podero

ser acessados remotamente via rede industrial, com possibilidade de formao de

12

0

200

400

600

800

1000

1200

jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez

MS

KW

Historico de Consumo Demanda Contratada Novo Contrato

banco de dados para um conhecimento total da sua realidade. Com o conhecimento

da sua realidade, existe a possibilidade de vantagens econmicas com contratao

da demanda de forma segmentada.

Outra vantagem do sistema com relao a segurana, uma vez que os

dados estaro disponveis remotamente, minimizando a necessidade de acesso a

casa de fora. Vale lembrar que, segundo NR10 a casa de fora rea controlada e

de risco, cujo acesso restrito a pessoas que possuam Habilitao, Qualificao, e

Capacitao para trabalhar com alta tenso.

13

2 ESTUDO DO PROTOCOLO MODBUS

Modbus um protocolo com mltiplas utilidades, utilizado na automao

industrial, automao predial, controle de energia, transporte e outras. Neste capitulo

ser analisado em aspectos gerais o protocolo Modbus, os modos de transmisso:

(RTU e o modo ASCII), os mtodos de verificao de erros, a verificao de

paridade, e os trs tipos de protocos Modbus existentes: padro, TCP/IP, pluz.

2.1 VISO GERAL DO PROTOCOLO MODBUS

Martins (2002, p.32) define Modbus:

Modbus um protocolo de comunicao criado na dcada de 1970 pela Modicom (atualmente parte do Grupo Schneider Electric), para atuar em redes industriais entre controladores lgicos, e equipamentos industriais tais como: computadores, IHMs (Interface Homem Mquina), inversores de freqncia, sensores, controladores, etc.

Trata-se de um protocolo aberto, o que faz do Modbus atualmente o protocolo

mais usado em automao industrial. O Modbus empregado na comunicao

mestre-escravo, entre equipamentos inteligentes e sensores e instrumentos.

A simplicidade do protocolo Modbus e a possibilidade de transmisso atravs

de diversos meios fsicos fazem com que este protocolo no se limita ao uso

industrial, sendo tambm largamente usado em automao predial, transporte,

energia, entre outros.

Conforme Silva (2008), a Schneider Electric ajudou a desenvolver uma

organizao chamada MODBUS IDA com a finalidade de fornecer infra-estrutura e

suporte diversos fabricantes de equipamentos de automao, com o objetivo de

torn-los compatveis com o Protocolo Modbus.

2.2 MODO DE TRANSMISSO

Silva e Feldegueira (2008 p.5) comentam que o modo de transmisso

14

Modbus, define a forma de mensagem, define cada um dos bits, como so

encapsulados, como os dados so empacotados na mensagem, e como a

mensagem transmitida pela rede.

So dois os modos de transmisso do protocolo Modbus: O modo RTU

(Remoute Terminal Unit) e o modo ASCII (American Standart Code for Information

Interchange) suas semelhanas ou diferenas sero descritas a seguir.

2.2.1 Transmisso RTU

Na comunicao Modbus em RTU, cada byte (8 bits) de mensagem enviado

por 2 caracteres hexadecimal, isto , uma palavra. Conforme demonstrado no

quadro 1 a seguir:

Quadro 1 Palavra RTUFonte: Silva e Feldegueira (2008, p.5)

Conforme demonstrado no quadro 1, a palavra RTU tem o acrscimo 1 (um)

bit de incio (start),1 (um) bit para controle de paridade e 1 (um) bit de fim (stop).

Assim cada palavra RTU formada da seguinte forma: 1 (um) bit de start + 8 bits

de dados + 1 (um) bit de paridade + 1 (um) bit de stop. Assim cada palavra em

Modbus RTU, tem o tamanho de 11 bits. Assim, cada mensagem deve ser

transmitida numa seqncia de palavras.

A ordem de transmisso dos bits de dados sempre do bit menos

significativo (LSB Least Significant Bit) para o bit mais significativo (MSB Most

Palavra RTU = 11 bitStart Dados paridade stop

1bit 8 bit (um byite) 1 bit 1 bit

15

Significant Bit).

O bit de paridade pode ser par (even parity), ou mpar (odd parity), ou tambm

sem paridade (no parity). Porm, todos os equipamentos ligados no barramento ou

rede, devem ter a paridade configurada da mesma forma. Quando no utilizada a

paridade, ento passa a haver 2 stop bits, desta forma a palavra sempre mantm o

tamanho de 11 bits.

Silva e Feldegueira (2008, p.6) definem o Frame Modbus RTU (contedo da

transmisso) da seguinte forma:

Frame Modbus RTUENDEREO FUNO DADOS CRC

1

palavra

1

palavra

De 0 a 252

palavras

2 byte

11 bit 11 bit n x 11 bit 16 bit

Quadro 2 Frame Modbus RTU Fonte: Silva e Feldegueira (2008, p.6)

Conforme demonstrado no quadro 2, para o endereo utilizado um byte (1

palavra). O nmero 0 usado para broadcast, e os nmeros 1 A 247 so usados

para enderear os escravos. O cdigo de funo com um byte (1 palavra)

estabelece a ao a ser efetuada. So utilizados os nmeros 0 a 127 para definir as

funes, e os nmeros 128 a 255 so utilizados para Informe de erros na

transmisso. Nos Bytes de Dados vo as informaes adicionais necessrias, os

endereos de memria, a quantidade de itens transmitidos, e a quantidade de bytes

do campo. O campo CRC (Cyclical Redundancy Checking) , que o ultimo do

frame, realiza a verificao de erro, e no tem o start e stop bit nem a paridade.

Portanto, tem o tamanho de 16 bits.

2.2.2 Transmisso ASCII

Segundo Silva e Feldegueira (2008), a comunicao Modbus em ASCII,

quando em linha srie, cada byte de mensagem enviado como 2 (dois) caracteres

ASCII. Este modo menos eficiente do que o Modbus RTU uma vez que em

16

Modbus ASCII cada byte de mensagem necessita de duas palavras, porem sua

vantagem consiste condio de melhor detalhamento das informaes.

De modo geral o Modbus ASCII, apenas utilizado quando o meio fsico ou o

equipamento no permite utilizar o Modbus RTU, ou quando forem necessrios mais

detalhamentos. Como exemplo de aplicao do Modbus ASCII pode-se citar a

comunicao dos CLPs entre si, e com seus Mdulos de expanso. O quadro

abaixo mostra como formado a palavra ASCII:

Quadro 3 Palavra ASCiIFonte: Silva e Feldegueira (2008, p.6)

A palavra contm um 1 (um) bit de incio (start), 7 bits de dados, 1 (um) bit

para controle de paridade e 1 (um) bit de fim (stop). Assim, cada Palavra ASCII

sempre formada por 10 bits. Os bits de dados so transmitidos do bit menos

significativo (LSB Least Significant Bit) para o bit mais significativo (MSB Most

Significant Bit). O bit de paridade, podem ser par (even parity), ou mpar (odd parity)

ou tambm sem paridade (no parity). Porm, todos os equipamentos ligados no

barramento ou rede, devem ter a paridade configurada da mesma forma. Quando

no utilizada a paridade (no parity) ento passa a haver 2 stop bits, desta forma, a

palavra ASCII sempre mantm o tamanho de 10 bits.

Alm da deteco de erro ao nvel do caractere, na transio em Modbus

ASCII, tambm realizada a deteco de erro ao nvel do frame atravs do

mtodo de LRC (Longitudinal Redundancy Checking). A mensagem (frame) deve ser

transmitida por uma seqncia de caracteres sem interrupo. O incio de um

frame identificado pelo caractere ASCII : (dois pontos pela tabela ASCII = 3A )

Palavra ASCII = 10 bitstar

tDados paridade Stop

1bit 7 bits 1 bit 1 bit

17

e o final da frame identificado por dois caracteres ASCII CR e LF (Carriage

Return, Line Feed ), pela tabela ASCII = 0D e 0A).

Todos os caracteres de um frame so enviados em hexadecimais codificados

pela tabela ASCII. Todos os equipamentos monitorizam a linha constantemente de

forma a detectar o caractere de incio de frame :. Normalmente o tempo mximo de

transmisso entre caracteres de 1 (um) segundo. Aps este tempo ser

interpretado como erro de transmisso, porm o usurio poder configurar diferentes

tempos. Um frame em Modbus ASCII constitudo da seguinte forma:

FRAME MODBUS ASCIIINCIO ENDEREO FUNO DADOS LCR FIM

1 palavra 2 palavras 2 palavras De 0 a 252 2 byte 2 palavras

10 bits 20 bits 20 bits N x 20 bits 16 bits 20 bits

Quadro 04 - Frame Modbus ASCIIFonte: Silva e Feldegueira (2008, p.6)

Conforme observado: Incio (Start): 1 (um) caractere (10 bits); Endereo

(Address field): 2 caracteres (20 bits); Funo (Function code): 2 caracteres (20 bits);

Dados (Data): de 0 (zero) at 2x252 caracteres (cada caractere tem 10 bits); LRC: 2

caracteres (16 bits); Fim (End): 2 caracteres, CR + LF (20 bits).

2.3 MTODO DE VERIFICAO DE ERRO

Conforme a verificao de erro em cada bit pela paridade opcional, porem

a verificao de erro pelo mtodo LRC ou CRC sobre a mensagem obrigatria.

O LRC descarta apenas os bits de incio e os bits de fim da mensagem e faz a

verificao em todo restante do frame. O CRC descarta os bits de incio paridade e

fim de cada byte. Tanto na CRC quanto na LRC a verificao de erro feita a nvel

de equipamento. O equipamento receptor calcula a paridade e o CRC ou LRC e

compara com os valores no frame recebida. Se houver diferenas a frame

descartada. Neste caso o receptor no envia qualquer resposta. Logo, aps um

tempo determinado, o emissor no recebendo resposta, gera um erro.

18

Qualquer mensagem que no chegue a determinado receptor tambm no

ser respondida. Desta forma, aps um tempo determinado, o emissor no

recebendo resposta, gera um erro. A nica situao em que o emissor (mestre)

recebe uma resposta de erro acontece quando o receptor (escravo) no consegue

executar a tarefa solicitada. Nesta situao o escravo responde ao mestre com um

cdigo pr-estabelecido conforme tipo de erro detectado.

Do ponto de vista de Martins (2002 p.33), o algoritmo utilizado para clculo do

CRC, na linguagem ST (Structured Text) baseado na norma IEC 61131 conforme

exemplo a seguir:

CRC_OK:=FALSE;

IF GERAL_CRC THEN

CRC=WORD#16#FFFF;

FORi:=1TO NUM_BYTES BY 1 DO

RESULT:=CRC AND WORD#16#1;

IF WORD_TO_BOOL(RESULT) THEN

CRC:= SHR_WORD(CRC,1);

CRC:= CRC XOR WORD#16#A001;

ELSE

CRC:=SHR_WORD(CRC,1);

END_IF;

END_FOR;

CRC_LOW:=WORD_TO_BYTE (CRC ANDWORD#16#00FF);

FLAG_CRC:=CRCAND WORD#16#FF00;

CRC_HIGH:=WORD_TO_BYTE (SHR_WORD(FLAG_CRC,8));

CRC_OK:=TRUE;

END_IF;

Silva e Feldegueira (2008) afirmam que, na verificao de erro ao nvel do frame, uma determinada mensagem (frame) deve ser transmitida por uma seqncia de palavras ou caractere sem interrupo, e entre cada frame deve haver uma

19

interrupo (silncio na linha) de pelo menos 3,5 vezes o tempo de um caractere . A figura 3 ilustra a afirmao:

Figura 3 Seqncia de frame sem errosFonte: Adaptado de Silva e Feldegueira (2008, p.5)

Caso a frame ainda no tenha sido totalmente recebida e seja detectado um

silncio na linha superior a 1,5 vezes o tempo de um caractere ou palavra, ento a

mensagem descartada como erro.

Figura 4 - Seqncia de frame com erroFonte: Silva e Feldegueira (2008, p.5)

Em Modbus RTU, a verificao de erros no frame com o mtodo CRC,

sempre realizada; mesmo que no esteja implementada a verificao de paridade

(no parity). Em Modbus ASCII, a verificao de erros no frame com o mtodo LRC,

realizada em toda a frame exceto nos caracteres de incio e fim; mesmo que no

esteja implementada a verificao de paridade (no parity).

2.4 VERIFICAO DE PARIDADE

Conforme mencionado no item 1.3, esta verificao realizada ao nvel da

palavra em Modbus RTU e em Modbus ASCII. Porm opcional, portanto o

utilizador pode configurar 3 tipos de paridade: sem paridade (no parity), par (even),

20

ou mpar (odd); Quando o utilizador faz uma configurao sem verificao de

paridade (no parity), este bit substitudo por 1 (um) bit stop adicional para que a

palavra em Modbus RTU mantenha sempre 11 bits e o caracter em Modbus ASCII

mantenha 10 bits.

2.5 TIPOS DE PROTOCOLO MODBUS

Segundo Silva (2008), para atender a varios nveis de aplicao, e a todos os

usurios e fornecedores de dispositivos de automao, a Modbus IDA (organizao

de usurios e desenvolvedores independentes), mantem trez tipos de Protocolo

Modbus: Modbus Padro; Modbus Plus e Modbus TCP/IP.

O protocolo Modbus um protocolo da camada 7 do modelo OSI e

transmitido pelos meios fsicos conforme figura a seguir:

Figura 5 Transmisso protocolos ModbusFonte: Silva (2008, p.3)

Os protocolos Padro e Pluz so deterministicos e so transmitidos de forma

serial entre o mestre e seus escravos, pelos meios fsicos RS232 e RS485. No

Modbus TCP/IP, o Modbus Padro encapsulado em pacote TCP/IP conforme

demonstrao da figura a cima, e no deterministico pois utiliza como meio fsico a

21

rede Ethernet. Na figura 6, a seguir, temos alguns exemplos de aplicao dos

diversos tipos de Protocolo Modbus:

Figura 6 Tipos de aplicao dos protocolos Modbus Fonte: Silva (2008, p.2)

Protocolo Modbus TCP/IP usado entre CLP e microcomputador com supervisrio, pela rede ethernet. O protocolo Modbus Pluz usado para

comunicao entre si de CLPs, e mdulos de E/S, chaves de partida eletrnica de

motores, interfaces homem mquina etc.. O Modbus Padro usado para comunicao dos CLPs com os dispositivos de entrada e sada de dados,

instrumentos eletrnicos inteligentes (IEDs) como rels de proteo, controladores

de processo, atuadores de vlvulas, transdutores de energia e etc.

2.5.1 Modbus padro

Silva e Feldegueira (2008, p.7) explicam que o protocolo Modbus Padro,

transmite tanto em modo URT quanto em Modo ASCII. Os meios fsicos utilizados

pelo protocolo so Ponto a Ponto com RS-232, em distncia mxima de at 20

metros, ou Barramento Multiponto com RS-485, podendo ter comprimento at mais

de 1000 metros, porem deve ser levado em considerao o tipo de cabo; pois o

cabo que determina o comprimento mximo do barramento. O baud rate (taxa de

transmisso) tambm dependente da distancia dos equipamentos e do tipo de

22

cabo utilizado.

Segundo Silva (2008 p.2), o Modbus Padro usado para comunicao dos CLPs com os dispositivos de entrada e sada de dados, IEDs (Instrumentos

Eletrnicos Inteligentes) como rels de proteo, controladores de processo,

atuadores de vlvulas, transdutores de energia e etc. O controle de acesso ao meio

determinado durante a comunicao pelo protocolo mestre escravo, quando ele

define: (a) como o dispositivo conhecer seu endereo; (b) como reconhecer uma

mensagem endereada para ele; (c) como determinar o tipo de ao a ser tomada e

(d) como extrair o dado ou outra informao qualquer contida na mensagem. Se

uma resposta necessria, como o dispositivo construir uma mensagem e a envia.

O mestre pode enderear mensagens para um escravo individual ou enviar mensagens para todos (broadcast). Os escravos retornam uma mensagem somente

para as consultas endereadas especificamente para ele. As mensagens broadcast

no geram respostas.

O quadro 5 representa as Transaes entre dispositivos:

Quadro 5 Transao entre dispositivos

Fonte: Silva (2008 p.5)

Para Silva (2008 p.5), na mensagem de solicitao do mestre, o cdigo de

funo informa ao dispositivo escravo com o respectivo endereo, qual a ao a ser

executada. Os bytes de dados contm informaes para o escravo, por exemplo,

qual o registrador inicial e a quantidade de registros a serem lidos. O campo de

verificao de erro permite ao escravo validar os dados recebidos.

No quadro 6, apresenta-se um exemplo da solicitao de um mestre para um

escravo em ASCII E RTU:

Nome do Campo Exemplo(HEX) ASCII RTUCabealho Nenhum

23

Endereo 06 0 6 0000 0110Cdigo da Funo 03 0 3 000 0011End. Inicial HI 00 0 0 0000 0000End. Inicial LO 6B 6 B 0110 1011N Registros HI 00 0 0 0000 0000N Registros LO 00 0 0 0000 0000Verificao de erro LRC (2) CRC(2)Trailer LR CF NenhumTotal de Bytes 17 8

Quadro 6 Exemplo de solicitao do mestre

Fonte: Silva (2008, p.9)

No quadro 6, o mestre solicita uma leitura dos registradores 40108 a 40110

do elemento escravo 06. A mensagem especifica o endereo inicial como 0107

(006B h). Nesta solicitao, o primeiro registro o 40001, mas endereado como

0. Portanto se precisamos da informao do endereo 40108, devemos

endere-lo como 107, que transformado em hexadecimal ser 6B. Os

registradores utilizam 16 bits para codificar a informao. Estes 16 bits so enviados

em dois bytes separados, byte mais significativo e byte menos significativo (HIGH

BYTE e LOW BYTE).

No quadro 7, a seguir, tem-se um exemplo de resposta do escravo ao mestre:

Nome do Campo Exemplo(HEX) ASCII RTUCabealho NenhumEndereo 06 0 6 0000 0110Cdigo da Funo 03 0 3 000 0011Quantidade de bytes 06 0 6 0000 0110Dado HI 02 0 2 0000 0010Dado LO 2B 2 B 0010 1011Dado HI 00 0 0 0000 0000Dado LO 00 0 0 0000 0000Dado HI 00 0 0 0000 0000Dado LO 63 6 3 0110 0011Verificao de erro LRC (2) CRC(2)Trailer LR CF NenhumTotal de Bytes 23 11

Quadro 7 Exemplo de resposta do escravo

Fonte: Silva (2008 p.10)

24

Na mensagem de resposta, o cdigo de funo repetido de volta para o

mestre. Os bytes de dados contm os dados coletados pelo escravo ou o seu

estado. Se um erro ocorre, o cdigo de funo modificado para indicar que a

resposta uma resposta de erro e os bytes de dados contm um cdigo que

descrever o erro. A verificao de erro permite, ao mestre, validar os dados

recebidos. (SILVA, 2008, p.8). O escravo repete o cdigo da funo indicando uma

resposta normal, e a quantidade de bytes especifica quantos itens esto sendo

retornados.

Cabe esclarecer que o valor 63h enviado como um byte no modo RTU (0110 0011). O mesmo valor enviado no modo ASCII necessita de dois bytes, mas so contabilizados como apenas um. 6 (011 0110) e 3 (011 0011).

A resposta indica que os dados do Registro 40108 em hexadecimal 02 2B

que em decimal = 555; os dados do registro 40109 so: 00 00h; e que os dados

do registro 40110 indicam a resposta 00 63h, que em decimal significa 99.

2.5.2 Modbus Pluz

Conforme Silva (2008), esta verso de Modbus no um protocolo aberto, ainda

est sob domnio da Schneider Elctric, e preciso obter a licena do fabricante

para implantar este protocolo. Ele possui vrios recursos adicionais de roteamento,

diagnstico, endereamento e consistncia de dados. O meio fsico o RS-485 com

taxas de transmisso de 1 Mbps, controle de acesso ao meio por HDLC (High Level

Data Link Control), e transmitido apenas em RTU.

2.5.3 Modbus TCP/IP

Conforme Silva (2008), a finalidade de tornar a comunicao entre os

dispositivos de comandos e controles mais versteis, e para possibilitar a

comunicao com sistemas de superviso e controladores lgicos programveis, foi

25

desenvolvido em 1999, o Modbus/TCP. Foi o primeiro protocolo aberto a utilizar o

TCP/IP sobre ethernet.

Nesta verso, os dados do Modbus padro so encapsulados em formato

binrio em frames TCP, para a utilizao do meio fsico Ethernet (IEEE 802.3),

conforme demonstra o quadro abaixo, e o meio de acesso o CSMA-CD (Prprio da

rede Ethernet).

Quadro 8 Frame Modbus/TCP

Fonte: Silva (2008 p.11)

Na verso Modbus/TCP no h distino entre mestre e escravo, pois

qualquer n com uma porta TCP pode acessar qualquer outro n, possibilitando a

comunicao ponto-a-ponto entre os diversos dispositivos.A estrutura bsica da mensagem original do Modbus, no modificada.

Porem h diferenas na interpretao do endereo e na verificao de erro. No

endereamento, o campo do endereo do escravo foi substitudo por um nico byte

chamado de Identificador nico, que pode ser usado para comunicao via

dispositivos como gateways e briges que usam um nico endereo IP para integrar

vrios dispositivos. E na verificao de erros so usados os mecanismos j

existentes no TCP/IP e no protocolo Ethernet. Desta forma, o campo CRC no

utilizado. Uma das vantagens desta verso consiste na comunicao remota via

estrutura das redes corporativas e pela Internet. Porm, o que uma vantagem

pode tambm ser um risco, com os acessos no desejados, caso as devidas

precaues, no sejam tomadas. Outros servios adicionais so possveis desde

que determinados equipamentos estejam ligados rede internet como: servio de e-

mail, com aviso de alarme; acesso a uma base de dados; possibilidade de existir

vrios pontos de monitorizao atravs de computadores com supervisrios; ente

outros.

26

3 ESTUDO DA CONFIGURAO DO CONTROLADOR DE DEMANDA.

So vrios os fabricantes de equipamentos de controle de demanda, porm,

neste trabalho, focou-se o ST 8500C da Sultch Sistemas Eletrnicos Ltda. Por j ser

existente nas dependncias do SENAI, e sobre o qual apresentar-se-, no Captulo

5, uma proposta de implantao de um sistema de controle de demanda com

27

sistema de superviso.

Neste capitulo ser analisado em aspectos gerais o controlador, a sua forma

de ligao, suas formas de controle, a medio das demais unidades eltricas, a

forma de programar, outros recursos como: restrio ao acesso a programao, e

alarmes.

3.1 APRESENTAO

Conforme o Manual de Operao do controlador de demanda ST8500C da

Sultech Sistemas Eletrnicos Ltda., o controlador um equipamento que recebe

informaes da potncia da carga de forma contnua atravs da interface serial de

usurio, pto-acoplado, padronizado pela ABNT atravs da norma NBR14.522,

disponvel em Medidores Eletrnicos de Potncia, ou atravs da conexo ao

barramento eltrico, com uso de transformadores de corrente (TC X/5), e sinais de

tenso. E, desta forma, calcula a demanda de energia eltrica.

Na figura a seguir, o esquema de ligao multifilar com TC X/5.

Figuras 7 Esquema de ligao

Fonte: Sultec. Manual de instalao e operao ST8500C (2008 p.3)

A figura 7 mostra o esquema de ligao multifilar da tomada de sinal para

medio de diversas unidades eltricas, e a forma de ligao dos transformadores

de corrente, a conexo DB9 para interface serial RS232, e os conectores de sada

para os comandos das cargas controladas, e sada de alarmes.

No controle da demanda de energia, sempre que a demanda de energia

28

superar o limite programado, o controlador desativa uma ou mais cargas,

assegurando assim o respeito aos limites do fator de demanda programado. Da

mesma forma, toda vez que a demanda de energia fica abaixo do limite programado,

o controlador torna a ativar uma ou mais cargas. E para evitar que cargas sejam

ativadas e desativadas rapidamente pondo em risco os equipamentos eltricos, o

controlador possui um tempo de repouso aps cada manobra. O controlador

tambm permite programa de acionamento e desligamento com lgica inversa, isto

, desligando a sada do controlador para cargas ativas, evitando parada por pane

do controle.

O controlador tambm mede, fornece e armazena de 5 em 5 minutos, por 30

dias, as seguintes Medidas Eltricas:

Tenso RMS (VCA)

Corrente RMS ( A )

Potncia Ativa ( kVA)

Fator kVAR

Demanda ativa mdia ( KW )

Set-point de Demanda

Demanda Reativa Lida KVAr

Fator de carga

Consumo Ativo

Alta Tenso [se TP>1] (VCA)

Freqncia (HZ)

Potncia reativa (kVAr) **

Fator de Potncia **

kVAr excedente (kVAr) **

Demanda Ativa Projetada (KW) **

Potncia Acionada **

Demanda Reat. Projetada KVAr**

Fator de Demanda Consumo ReativoQuadro 9 Lista de funes

Fonte: Sultec. Manual de instalao e operao st8500c (2008 p.3)

3.2 PROGRAMAO GERAL

Com relao ao controle de demanda, so programveis os seguintes itens:

Demanda Contratada Ms XX Ponta; Demanda Contratada Ms XX Fora Ponta:

Potncia Instalada; Incio e final do Perodo Seco; Incio e final do horrio; Valor

TC e Valor TP; Endereo Modbus ; Baud Rate; e Modo de Acionamento.

3.2.1 Programao de cargas

29

O usurio pode realizar a programao do nmero de cargas; o modo de

controle das cargas por demanda, ou horrio; o valor mximo de kW (Kilo Wat)

inserido a cada acionamento; o tempo entre acionamentos; o tempo de

desacionamento; o tempo de repouso para cada carga; os valores individuais (em

kW); o modo de controle por demanda projetada, ou por horrio (e neste caso,

horrio de desligamento e horrio de ligao).

3.2.2 Liberao do painel

Para evitar que pessoas no-autorizadas alterem os parmetros do

controlador ST8500C, o software do equipamento conta com uma codificao para a

liberao da programao. Para liberar o painel pressione as teclas ENTER e ESC

simultaneamente. A mensagem Prog Liberada ser exibida no display. Se o

teclado no for pressionado em 30 segundos, a programao ser bloqueada

novamente. A mensagem Prog no Autor aparecer toda vez que o usurio tentar

alterar um parmetro sem ter executado o procedimento de liberao.

3.2.3 Programao de Alarme

Conforme vem detalhado passo a passo no Manual de operao, o equipamento

ainda poder ser programado para emitir sinal de alarme para os seguintes eventos:

Fator de potencia Indutivo; Fator de potncia Capacitivo; Tenso Alta; Sub Tenso;

e Demanda Ativa.

4 TRANSFORMADOR DE CORRENTE

Conforme mencionado em 3.1, transformadores de corrente (TC X/5), so

instalados no barramento do quadro geral de distribuio de energia, do qual provem

a informao utilizada pelo controlador para o calculo da Demanda da unidade

30

consumidora.

Simone (2001) define um transformador de corrente, ou simplesmente TC,

como um dispositivo que transforma a corrente que circula em um enrolamento

primrio, atravs de um acoplamento magntico, em uma corrente induzida no

secundrio. Os transformadores de corrente, tambm chamados de transformadores

de instrumentos, utilizados em aplicaes de alta tenso, tm a funo de fornecer

correntes proporcionais s medidas no circuito primrio de potncia, mas

suficientemente reduzidas e isoladas de forma a possibilitar a medio por

equipamentos de proteo e medio.

4.1 TIPOS CONSTRUTIVOS

So sete os tipos de transformadores de corrente, os quais so classificados

de acordo com o modelo de enrolamento do primrio. Porm, este trabalho vai se

ater apenas ao do tipo janela, conforme figura 8.

Figura 8 Transformador de corrente

Fonte: Elab Ltda. (2008)

O enrolamento primrio para este tipo de transformador o prprio condutor

da energia que passa pelo furo, e cuja corrente se pretende quantificar.

31

4.2 PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO

Conforme Miranda (2008), o funcionamento do transformador explicado

atravs da Lei de Faraday da Induo Eletromagntica (LFIEM), a qual diz que,

quando um circuito atravessado por uma corrente varivel, produzido um campo

magntico. E, quando um circuito atravessado por um campo magntico varivel,

gerada uma corrente eltrica nesse circuito. Sendo assim, a corrente eltrica do

condutor que atravessa o furo do transformador gera um campo magntico, o qual,

por sua vez, gera um campo eltrico no circuito secundrio. A corrente do circuito

secundrio proporcional a corrente do circuito primrio, e esta proporo igual a

proporo inversa do nmero de espiras dos dois circuitos. Ou seja: I1 / I2 = N2 / N1. ou N1 X I1 = N2 X I2 .

5 PROPOSTA DE IMPLANTAO DO CONTROLADOR DE DEMANDA DE ENERGIA

32

Conforme foi visto na seo 1.2 deste trabalho, a demanda poder ser

contratada de forma segmentada, assim como foi visto, na seo 1.3, que picos de

excessos de demanda podero ser controlados. Ento, pode-se afirmar que,

conforme exemplo acima, existe a possibilidade de economia direta no consumo de

energia, alm de obterem-se vantagens econmicas na renegociao do contrato,

desde que os dados estejam disponveis e sejam confiveis para esta tomada de

deciso.

Para tanto, necessrio que um controlador seja instalado, bem como que

seus dados sejam coletados em funo de um tempo para que a realidade seja

conhecida e, por conseqncia, os pontos de ganhos sejam identificados, como

tambm o ganho real seja quantificado.

5.1 PARA INSTALAO DO SISTEMA DE CONTROLE

Conforme j mencionado em 3.1, para a instalao de um sistema de controle

de demanda, TCs devero ser instalados nos condutores ou nos barramentos do

painel geral da casa de fora, cujas correntes dos circuitos secundrios sero

interpretadas pelo controlador de demanda. O controlador, por sua vez, controlara

uma srie de cargas previamente selecionadas conforme ordem programada.

Para o caso especfico do SENAI norte, existe a possibilidade de se implantar

um controle automatizado em todos os 42 Condicionadores de Ar do bloco C, a um

custo relativamente baixo por se encontrarem de forma concentrada em um nico

prdio.

5.2 PARA SUPERVISO

Com o auxlio de um micro computador, munido de um software supervisrio,

E memria de 64Mb; drive CD-ROM; interface serial RS-232 disponvel; vdeo VGA; sistema operacional Windows 98, Windows ME ou Windows XP, conectado via rede

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industrial pelo meio fsico RS232 ao controlador de demanda, e utilizando-se do

protocolo Modbus padro, ou via ethernet utilizando-se Modbus TCP/IP, o

gerenciador, poder visualizar em tempo real o status do sistema, supervisionar on-

line a medio, alm de poder formar um banco de dados, gerar grficos e

relatrios. A Sultech oferece, para uso conjunto com os controladores ST8500C, o software ST-Power. Com este, o funcionamento do controlador poder ser maximizado nos seguintes aspectos: auxlio na instalao do equipamento; facilidade na programao; gerenciamento de dados, com a gerao de relatrios e grficos a partir dos dados armazenados pelo controlador; superviso on-line de medio. Os controladores ST8500C tm memria para armazenar 30 dias de registros de todos os parmetros lidos, com intervalo de 5 minutos entre os registros. Estes registros podem ser transferidos para um microcomputador, onde o software ST-Power formar um banco de dados e poder gerar grficos e relatrios de dados.

CONCLUSO

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Considerando os estudos realizados sobre a medida de demanda, usando o

protocolo Modbus em rede industrial para controle a distncia, bem como a pesquisa

realizada sobre o funcionamento do prprio equipamento para o controle de

demanda, pode-se afirmar que a proposta aplicvel, pois se trata de tecnologia j

conhecida, e que j vem embarcado na maioria dos equipamentos de controle das

empresas que compem o grupo Modbus IDA.

Com um controle de demanda instalado e seus dados monitorados e

armazenados, podem-se traar grficos que permitiro ao administrador visualizar a

real demanda de energia eltrica da sua unidade consumidora. E somente com o

conhecimento da realidade, ser possvel identificar e quantificar os ganhos

financeiros reais possveis, seja por meio de ao direta sobre os picos de

demanda, ou por segmentao do contrato de demanda, por horrios do dia, ou por

perodos do ano.

Por fim, h de se ressaltar que alem da possibilidade de ganhos financeiros,

existe a formao de um histrico com dados confiveis, alem do ganho real em

segurana.

REFERNCIAS

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ELAB LTDA. Disponvel em: . Acesso em: 15 jul. 2008.

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