REDES INDUSTRIAIS

POLICAMP 2010 Prof. Igor Iansen

1 – Introdução Esta documentação tem como objetivo mostrar os principais tipos de Redes Industriais que são utilizadas atualmente nas industrias, principalmente as industrias de autopeças e automotiva. Nos tempos atuais em que o sistema de automação não só controla um determinado processo ou equipamento, mas também pode alimentar todo um sistema gerencial de manutenção ou mesmo em relação ao negócio da empresa, com dados de produção, matérias primas consumidas, disponibilidade de equipamento, etc., atualizados em um curto espaço de tempo, as redes de comunicação são um forte aliado para fazer esta conexão entre o chão de fábrica e os sistemas gerenciais informatizados. 1.1 – Definição O termo genérico “rede” define um conjunto de entidades (objetos, pessoas, etc.) interligados uns aos outros. Uma rede permite assim circular elementos materiais ou imateriais entre cada uma destas entidades, de acordo com regras bem definidas.

• rede (em inglês network): Conjunto dos computadores e periféricos

conectados uns aos outro. Note que dois computadores conectados constituem por si só uma rede mínima.

• instalação (em inglês networking): instalação dos instrumentos e das tarefas que permitem ligar computadores para que possam partilhar recursos em rede.

Uma rede é composta por:

• Meio físico; • Endereçamento; • Protocolo.

A figura abaixo ilustra os componentes de uma rede, tomando como base um sistema de telefonia local baseado em um PABX. Muitos casos de problemas de comunicação encontrados são porque houve um desprezo de uma das três partes integrantes da rede.

1.1.1 – Meio Físico Por meio físico, entendemos que seja qualquer meio compartilhado entre os dispositivos da rede, refere-se, em informática, à consideração dos componentes de hardware envolvidos em um determinado processo. Em termos de redes, a camada física diz respeito aos meios de conexão através dos quais irão trafegar os dados, tais como interfaces seriais, LPTs, hubs ou cabos coaxiais. Por exemplo, a infraestrutura da rede de telefonia é um meio físico. Os cabos e dispositivos auxiliares (switches, por exemplo) de uma rede local de computadores, também podem ser classificados como meio físico. O ar, no caso de redes wireless e telefonia celular, por exemplo, também é um meio físico. Alguns meios físicos que podemos citar são:

• fibras óticas; • cabos coaxiais; • cabos UTP (unshielded twisted pair ou par trançado sem blindagem) ou

STP (shielded twisted pair ou par trançado com blindagem); • o próprio ar para redes wireless (via rádio ou infraread), dentre outros.

O meio físico segue um padrão estabelecido, para garantir a interoperabilidade entre dispositivos de fabricantes diferentes. Dentro desses padrões, podemos citar os mais usuais para redes industriais, que são o EIA-232 (antigamente chamado de RS-232) e o EIA-485 (chamado de RS-485). 1.1.2 – Endereçamento Por endereçamento, entendemos que seja o nome ou identificador de cada dispositivo na rede. O endereçamento pode ser físico ou lógico, ou seja, pode ser definido no hardware do dispositivo ou através do software, respectivamente. O importante é que esse identificador deverá ser único dentro da rede, ou seja, não poderá haver dispositivos com o mesmo endereço. Alguns tipos de endereçamento que podemos citar são:

• Endereço MAC (Media Access Control, ou controle de acesso ao meio), é um endereço físico dado a todas as interfaces de rede para computadores no mercado, sendo este endereço formado por seis conjuntos de 8 bits no formato hexadecimal (exemplo: 00:1C:23:AB:1D:E1).

• Endereço IP (Internet Protocol ou protocolo de internet), é um endereço lógico atribuído a uma interface de rede para computadores.

1.1.2.1 – Endereço IP (Informações Adicionais): O endereço IP, na versão 4 (IPv4), é um número de 32 bits escrito com quatro octetos representados no formato decimal (exemplo: 128.6.4.7). A primeira parte do endereço identifica uma rede específica na inter-rede, a segunda parte identifica um host dentro dessa rede. Devemos notar que um endereço IP não identifica uma máquina individual, mas uma conexão à inter-rede. Assim, um gateway conectando à n redes tem n endereços IP diferentes, um para cada conexão. Os endereços IP podem ser usados tanto para nos referir a redes quanto a um host individual. Por convenção, um endereço de rede tem o campo identificador de host com todos os bits iguais a 0 (zero). Podemos também nos referir a todos os hosts de uma rede através de um endereço por difusão, quando, por convenção, o campo identificador de host deve ter todos os bits iguais a 1 (um). Um endereço com todos os 32 bits iguais a 1 é considerado um endereço por difusão para a rede do host origem do datagrama. O endereço 127.0.0.1 é reservado para teste (loopback) e comunicação entre processos da mesma máquina. O IP utiliza três classes diferentes de endereços. A definição de tipo de endereço classes de endereços deve-se ao fato do tamanho das redes que compõem a inter-rede variar muito, indo desde redes locais de computadores de pequeno porte, até redes públicas interligando milhares de hosts. Existe uma outra versão do IP, a versão 6 (IPv6) que utiliza um número de 128 bits. Com isso dá para utilizar 25616 endereços. O endereço de uma rede (não confundir com endereço IP) designa uma rede, e deve ser composto pelo seu endereço (cujo último octeto tem o valor zero) e respectiva máscara de rede (netmask). Uma máscara de subrede também conhecida como subnet mask ou netmask é um número de 32 bits usada para separar em um IP a parte correspondente à rede pública, à subrede e aos hosts. Uma subrede é uma divisão de uma rede de computadores - é a faixa de endereços lógicos reservada para uma organização. A divisão de uma rede grande em menores resulta num tráfego de rede reduzido, administração simplificada e melhor performance de rede. A máscara de rede padrão acompanha a classe do endereço IP: num endereço de classe A, a máscara será 255.0.0.0, indicando que o primeiro octeto se refere à rede e os três últimos ao host. Num endereço classe B, a máscara padrão será 255.255.0.0, onde os dois primeiros octetos referem-se à rede e os dois últimos ao host, e num endereço classe C, a máscara padrão será 255.255.255.0 onde apenas o último octeto refere-se ao host.

Os 32 bits das Máscaras de Subrede são divididos em duas partes: um primeiro bloco de 1s seguido por um bloco de 0s. Os 1s indicam a parte do endereço IP que pertence à rede e os 0s indicam a parte que pertence ao host. Normalmente, as máscaras de subrede são representadas com quatro números de 0 a 255 separados por três pontos. A máscara 255.255.255.0 (ou 11111111.11111111.11111111.00000000), por exemplo, em uma rede da classe C, indica que o terceiro byte do endereço IP é o número de subrede e o quarto é o número do host. 1.1.3 – Protocolo Por último, por protocolo entedemos que seja o conjunto de regras e, digamos, o "idioma" falado pelos dispositivos na rede. Ou seja, para que dois dispositivos possam trocar informações, eles precisam estar conectados ao mesmo meio físico, possuírem cada um os seus próprios endereços e também trabalharem com o mesmo conjunto de regras, falando o mesmo idioma. Na ciência da computação, um protocolo é uma convenção ou padrão que controla e possibilita uma conexão, comunicação ou transferência de dados entre dois sistemas computacionais. De maneira simples, um protocolo pode ser definido como "as regras que governam" a sintaxe, semântica e sincronização da comunicação. Os protocolos podem ser implementados pelo hardware, software ou por uma combinação dos dois. É difícil generalizar sobre protocolos, pois eles variam muito em propósito e sofisticação. A maioria dos protocolos especifica uma ou mais das seguintes propriedades:

• Detecção da conexão física subjacente ou a existência de um nó; • Handshaking (estabelecimento de ligação); • Negociação de várias características de uma conexão; • Como iniciar e finalizar uma mensagem; • Como formatar uma mensagem; • O que fazer com mensagens corrompidas ou mal formatadas; • Como detectar perda inesperada de conexão e o que fazer em seguida; • Término de sessão ou conexão.

Como exemplo de protocolos podemos citar:

• TCP/IP (Transport Control Protocol/Internet Protocol ou Protocolo de Controle do Transporte/Protocolo de Internet), que é o protocolo mais utilizado para redes de computadores;

• MODBUS RTU, onde MODBUS é um dos primeiros (se não for o primeiro) protocolo de comunicação entre PLC’s largamente utilizado, e nesse caso, RTU significar Remote Terminal Unit ou unidade terminal remota.

• MODBUS TCP, que é o mesmo MODBUS RTU, porém "encapsulado" sobre Ethernet TCP/IP.

• Profibus-DP, que é um protocolo de comunicação entre dispositivos industriais.

• DeviceNET, que também é um protocolo de comunicação entre dispositivos industriais, baseado na rede CAN.

1.1.3.1 – TCP (Informações Adicionais): O TCP (acrônimo para o inglês Transmission Control Protocol) é um dos protocolos sob os quais assenta o núcleo da Internet. A versatilidade e robustez deste protocolo tornou-o adequado a redes globais, já que este verifica se os dados são enviados de forma correta, na sequência apropriada e sem erros, pela rede. As características fundamentais do TCP são:

• Orientado à conexão - A aplicação envia um pedido de conexão para o destino e usa a "conexão" para transferir dados.

• Ponto a ponto - uma conexão TCP é estabelecida entre dois pontos. • Confiabilidade - O TCP usa várias técnicas para proporcionar uma

entrega confiável dos pacotes de dados, que é a grande vantagem que tem em relação ao UDP, e motivo do seu uso extensivo nas redes de computadores. O TCP permite a recuperação de pacotes perdidos, a eliminação de pacotes duplicados, a recuperação de dados corrompidos, e pode recuperar a ligação em caso de problemas no sistema e na rede.

• Full duplex - É possível a transferência simultânea em ambas direções (cliente-servidor) durante toda a sessão.

• Handshake - Mecanismo de estabelecimento e finalização de conexão a três e quatro tempos, respectivamente, o que permite a autenticação e encerramento de uma sessão completa. O TCP garante que, no final da conexão, todos os pacotes foram bem recebidos.

• Entrega ordenada - A aplicação faz a entrega ao TCP de blocos de dados com um tamanho arbitrário num fluxo (ou stream) de dados, tipicamente em octetos. O TCP parte estes dados em segmentos de tamanho especificado pelo valor MTU. Porém, a circulação dos pacotes ao longo da rede (utilizando um protocolo de encaminhamento, na camada inferior, como o IP) pode fazer com que os pacotes não cheguem ordenados. O TCP garante a reconstrução do stream no destinatário mediante os números de sequência.

• Controle de fluxo - O TCP usa o campo janela ou window para controlar o fluxo. O receptor, à medida que recebe os dados, envia mensagens ACK (=Acknowledgement), confirmando a recepção de um segmento; como funcionalidade extra, estas mensagens podem especificar o tamanho máximo do buffer no campo (janela) do segmento TCP, determinando a quantidade máxima de bytes aceita pelo receptor. O transmissor pode transmitir segmentos com um número de bytes que deverá estar

confinado ao tamanho da janela permitido: o menor valor entre sua capacidade de envio e a capacidade informada pelo receptor.

1.1.4 – Exemplo Se considerarmos um PLC Rockwell família SLC500, CPU 5/05, veremos que a mesma possui uma porta Ethernet que pode ser ligada a um switch de rede. Da mesma maneira, consideremos um PLC Schneider da Família Premium que também possui uma porta Ethernet que também pode ser ligada ao mesmo switch do PLC anterior. Assim, ambos estão no mesmo switch, portanto, existe um meio físico que os interliga. Considerando que cada PLC possui o seu próprio endereço IP, por exemplo, 192.168.1.122 para o PLC Rockwell e 192.168.1.123 para o PLC Schneider, temos agora um endereçamento para cada PLC. Através de um computador, podemos disparar comandos ping para ambos os PLCs e eles respondem. Isso indica que eles falam o Protocolo TCP/IP. Contudo, se precisarmos transferir dados de processo do PLC Rockwell para o PLC Schneider, será impossível diretamente, pois o PLC Rocwell trabalha com um tipo de protocolo (o Ethernet/IP, por exemplo - nesse caso, IP = Industrial Protocol) e o Schneider trabalhará com outro tipo de protocolo para transferência de dados de processo (o Modbus TCP). Portanto, não falam o mesmo idioma para essa função e, portanto, não haverá conectividade.

1.1.5 – Conclusão Assim, concluindo essa parte, é muito importante considerar todos os itens que compõem uma rede para estabelecer efetivamente a comunicação entre dispositivos. É muito importante verificar, antes de implementar uma rede, qual será o meio físico mais adequado para toda a rede ou parte dela, verificando onde será necessário utilizar algum tipo de conversor de meio (por exemplo, de cabos elétricos para fibras óticas, muito usadas no ambiente industrial por causa das interferências elétricas). Ainda no meio físico, observar as recomendações da instituição que regulamenta aquele tipo de rede, verificando tipos de cabos recomendados, comprimento máximo de cabos, velocidades que podem ser utilizadas para cada comprimento de cabo, terminações de rede, etc. Digo que a maioria dos problemas observados em redes industriais se deve a algum tipo de negligência às considerações estabelecidas pelos fabricantes ou instituições que regulamentam as redes. Um outro ponto muito importante é verificar se os dispositivos que são usados naquela rede são certificados por alguma instituição regulamentadora. Por exemplo, para se utilizar dispositivos DeviceNet, ControlNet e Ethernet/IP, a ODVA, que é a instituição que regulamenta essas redes, possui uma lista de fabricantes e dispositivos aprovados para uso. Se o dispositivo desejado não está nessa lista, a chance de problemas é maior.

2 – Parâmetros Básicos de Redes 2.1 – Velocidade ou Baud Rate Baud deriva do sobrenome de J.M.E. Baudot, francês inventor do código telegráfico Baudot. Um Baud é uma medida de velocidade de sinalização e representa o número de mudanças na linha de transmissão (seja em frequência, amplitude, fase etc...) ou eventos por segundo. Para se determinar a taxa de transmissão de um canal em bits por segundo - bps, deve ser levado em consideração o tipo de codificação utilizada, além da velocidade de sinalização do canal de comunicação. A velocidade ou baud rate determina quantas unidades de informação por unidade de tempo poderão ser transmitidas através de uma rede. Em geral a unidade de dados considerada é o bit e a unidade de tempo é o segundo. Assim os baud rates mais comuns para protocolos seriais, padrão RS/EIA-232 ou RS/EIA-485, são de 110 bps a 115.200bps (bps=bits por segundo). Em geral, os protocolos industriais possibilitam velocidades até 12Mbps (mega bits por segundo) para meios seriais, sendo que para obter essa velocidade, são necessárias diversas observações quanto ao tipo e comprimento de cabos utilizado. Quando o meio físico é o padrão Ethernet, é possível obter velocidades de até 100Mbps (ou 1Gbps, no caso de redes Gigabit). 2.2 – Topologia Ponto-a-Ponto ou Ponto-Multiponto Essa característica se refere à quantidade de dispositivos que podem compartilhar o mesmo barramento de dados. As redes industriais de um modo geral utilizam a topologia ponto-multiponto (multidrop), ou seja, interconectam diversos dispositivos em um mesmo barramento de dados. Alguns poucos dispositivos utilizam a topologia ponto-a-ponto para comunicação, geralmente trabalhando com meio físico serial EIA/RS-232. 2.3 – Modo de Transmissão O modo de transmissão de uma rede estabelece o sentido e simultaneidade dos dados trafegados e poderá ser simplex, half-duplex ou full-duplex.

• Simplex é um modo de transmissão unidirecional, ou seja, um dispositivo apenas transmite e o outro apenas recebe. Podemos comparar esse modo com uma estação de rádio FM. A informação (voz ou música) é modulada e enviada para as estações receptoras, que decodificam a mensagem, mas não há uma maneira de enviar informações da unidade receptora para a transmissora. É uma via de mão única.

• Half-duplex é um modo de transmissão bidirecional não simultâneo, ou seja, um dispositivo dentro da rede pode transmitir e receber informações, mas em momentos diferentes. Ou seja, quando um dispositivo está

transmitindo, não pode receber dados ou, se estiver recebendo dados, não poderão transmitir nenhuma informação. Podemos comparar esse modo de transmissão com um walk-talkie ou como um sistema da Nextel. Se o botão "falar" estiver pressionado, é impossível ouvir qualquer mensagem recebida, e vice-versa.

• Full-duplex já é um modo de transmissão bidirecional e simultâneo, ou seja, qualquer dispositivo poderá enviar e receber dados simultaneamente. Podemos compará-lo com um telefone, onde é possível ouvir e falar ao mesmo tempo (embora nosso cérebro não consiga fazer isso simultaneamente).

Geralmente, as redes industriais são half-duplex, pois full-dulpex exigiria uma linha de dados para cada função (transmissão ou recepção), aumentando o número de cabos e encarecendo a instalação e simplex não é um modo muito comum de operação de dispositivos industriais. 2.4 - Paridade, start e stop bits e controle de fluxo: Esses são parâmetros comuns para redes seriais, padrão RS/EIA-232 ou RS/EIA-485.

3 – Níveis de Rede

3.1 - Rede Sensorbus (Nível de Campo) A rede sensorbus conecta equipamentos simples e pequenos diretamente à rede. Os equipamentos deste tipo de rede necessitam de comunicação rápida em níveis discretos e são tipicamente sensores e atuadores de baixo custo. Estas redes não almejam cobrir grandes distâncias, sendo sua principal preocupação manter os custos de conexão tão baixos quanto for possível. Exemplos típicos de rede sensorbus incluem ASI e INTERBUS Loop.

3.2 - Rede Devicebus (Nível de Controle) A rede devicebus preenche o espaço entre redes sensorbus e fieldbus e pode cobrir distâncias de até 500 m. Os equipamentos conectados a esta rede terão mais pontos discretos, alguns dados analógicos ou uma mistura de ambos. Além disso, algumas destas redes permitem a transferência de 6 blocos em uma menor prioridade comparado aos dados no formato de bytes. Esta rede tem os mesmos requisitos de transferência rápida de dados da rede de sensorbus, mas consegue gerenciar mais equipamentos e dados. Exemplos de redes deste tipo são DeviceNet, Profibus DP e INTERBUS-S. 3.3 - Rede Fieldbus (Nível de Planta) A rede fieldbus interliga os equipamentos de I/O mais inteligentes e pode cobrir distâncias maiores. Os equipamentos acoplados à rede possuem inteligência para desempenhar funções específicas de controle tais como loops PID, controle de fluxo de informações e processos. Os tempos de transferência podem ser longos, mas a rede deve ser capaz de comunicar-se por vários tipos de dados (discreto, analógico, parâmetros, programas e informações do usuário). Exemplo de redes fieldbus incluem Profinet (Industrial Ethernet).

4 - RS-232/EIA-232: Consiste em um padrão para interconexão entre dispositivos (interface) para comunicação de dados. A sigla RS vem de "Recommended Standard" ou Padrão Recomendado e, a partir de 1991 passou a ser chamado de EIA-232, onde EIA é a sigla do comitê responsável por esse padrão (Electronics Industries Association ou Associação das Indústrias Eletrônicas ou de componentes eletrônicos). Este foi um dos primeiros padrões para comunicação entre dispositivos, criado na década de 60. O padrão EIA-232 define como devem ser as ligações físicas entre dispositivos, os níveis de tensão utilizados, as temporizações e funções dos sinais, ou seja, um conjunto de conceitos para ligações elétricas e regras para comunicação. Esse meio físico é somente ponto-a-ponto, ou seja, somente dois dispositivos podem se comunicar. Basicamente, um dispositivo EIA-232 possui os seguintes sinais:

DCD - Data Carrier Detect - Detecção de portadora de dados Rx - Receive data - Recepção de dados Tx - Transmit data - Transmissão de dados DTR - Data Terminal Ready - Terminal de dados pronto GND - Signal Ground - Tensão de referência

DSR - Data Set Ready - Conjunto de dados pronto CTS - Clear to send - Pronto para enviar RTS - Request to send - Requisição para envio RI - Ring Indicator - Indicador de chamada Todos esses sinais foram criados tanto para o envio e recebimento efetivo dos dados como também para o controle do fluxo desses dados. Entretanto, a maioria dos dispositivos atuais não utiliza controle de fluxo por hardware, ou seja, dispensa a maior parte dos terminais, utilizando apenas Rx, Tx e GND. Geralmente, os cabos utilizados no padrão RS-232 podem ter um comprimento máximo em torno de 20 metros, o que viabiliza apenas a comunicação de dispositivos próximos ou no mesmo painel. Em particular, baseado em minha própria experiência, estimo que 60% dos problemas de comunicação de dados em EIA-232 está na ligação errada dos cabos de comunicação. E realmente, não é muito fácil construir um cabo de comunicação serial, mas existem alguns macetes (que não são encontrados em nenhum livro, pelo menos que eu conheça) que podem ser aplicados. Uma regra que quase sempre funciona da primeira vez (se houver tempo para colocar em prática a técnica da "tentativa e erro") é observar o tipo de conector usado. Geralmente, os dispositivos que apresentam um conector DB9 do tipo macho, são dispositivos DTE (Data Terminal Equipment) e os que apresentam um conector DB9 do tipo fêmea, são dispositivos DCE (Data Communication Equipment). Para interconectar um dispositivo DTE em um DCE, basta interligar cada pino do DB9 Macho ao DB9 fêmea (1 com 1, 2 com 2... etc).

4.1 – Configurações Há várias configurações de software para conexões seriais. As mais comuns são velocidade e bits de paridade e parada. A velocidade é a quantidade de bits por segundo transmitida de um dispositivo para outro. Taxas comuns de transmissão são 300, 1200, 2400, 9600, 19200, etc. Tipicamente ambos os dispositivos devem estar configurados com a mesma velocidade, alguns dispositivos, porém, podem ser configurados para auto-detectar a velocidade. Paridade é um método de verificar a precisão dos dados. Paridade é normalmente nula (não usada), mas pode ser par ou ímpar. Paridade funciona modificando os dados, em cada byte enviado. Paridade nula é simples, os dados não são modificados. Na paridade par, os dados são acomodados de modo que o número de bits 1 (isto é, sua contagem em um byte) seja um número par; isto é feito definindo o bit de paridade (geralmente os bits mais ou menos significativo) como 0 ou 1. Na paridade impar, o número de bits 1 é um número impar. A paridade pode ser usada pelo receptor para detectar a transmissão de erros - se um byte foi recebido com o número errado de bits 1, então ele deve estar corrompido. Se a paridade estar correta então não devem haver erros, ou então há um número par de erros. Bits de parada são enviados no fim de cada byte transmitido com o intuito de permitir que o receptor do sinal se sincronize. Existe uma convenção para a notação se uma configuração de software de uma conexão serial, esta notação é da forma D/P/S. Sendo que a configuração mais comum é a 8/N/1 que especifica que são transmitidos 8 bits de dados, paridade nula e um bit de parada. O número de bits de dados pode ser 7, 8 ou (às vezes) 9. Paridade pode ser nula (N), impar (O) ou par (E); o bit de paridade é emprestado dos bits de dados, então 8/E/1 significa que um dos oito bits de dados é utilizado como bit de paridade. Podem haver 1, 1,5 ou 2 bits de parada (1,5 era utilizado em teletypewriters baudot de 60 palavras por minuto). Outra configurações definem quando pinos enviam sinais de "handshake", ou outras checagem de integridade dos dados. Combinações comuns são RTS/CTS, DTR/DSR, ou XON/XOFF (que não usam pinos no conector, mas caracteres especiais no fluxo dos dados). O caractere XON diz ao receptor que o remetente do caractere está pronto para receber mais dados. O caractere XOFF diz ao receptor para parar de enviar caracteres. O XON/XOFF está em desuso, e é preferível que se utilize o controle de fluxo RTS/CTS. XON/XOFF é um método "em banda" que funciona entre dois pontos, mas ambos devem suportar o protocolo, e há uma confusão em potencial no início. Pode ser feito numa interface com três fios. RTS/CTS foi desenvolvido com o intuito de permitir que a teletypewriter e o modem coordenassem ligações half-duplex onde apenas um modem pode transmitir por vez. O terminal deve "levantar" o sinal Pronto Para Enviar e esperar que o modem responda com Envie os Dados. RTS/CTS é um "handshake" no nível do hardware, mas tem suas vantagens. Uma teletypewriter ASR tinha um leitor de fita de papel. Os caracteres eram enviados quando a fita era lida (ASR vem de Automatic Send Receive, envia e recebe automaticamente). Quando a máquina recebia um caractere XOFF, ela desligava a leitora de fita e ao receber um XON a religava. O sistema remoto poderia enviar um XOFF quando era necessário

que o remetente diminuísse sua velocidade. Nos sistemas, originalmente, as mensagens eram previamente preparadas na fita de papel para que o tempo de transmissão fosse minimizado. Largura de banda era muito escassa e cara. Em alguns minicomputadores antigos, a fita de papel era a única maneira de efetuar guardar e restaurar dados.

5 - RS-485/EIA-485: Este também foi um dos primeiros padrões recomendados para comunicação pontomultiponto e é adotada por diversas redes industriais, como a Profibus-DP. O padrãoRS/EIA-485 pode ter 2 fios, podendo operar nesse caso em half-duplex ou 4 fios, possibilitando a operação em full-duplex. O padrão a 2 fios é o mais utilizado, por simplificar todo o processo de instalação.O padrão RS/EIA-485 permitem cabos com um comprimento até 1,2km, dependendo do baud rate utilizado, sendo necessária a terminação da rede nas extremidades, ou seja,no início e no final da rede, é necessário instalar um resistor de terminação, geralmente na faixa de 120 ohms a 390 ohms. Por praticidade, todos os fabricantes incluem um resistor interno, ativado por uma chave ou dipswitch, para facilitar a instalação e contribuir para um aspecto final mais profissional (imagine um resistor pendurado nos terminais). A figura abaixo mostra um exemplo de uma rede que utiliza o meio físico RS/EIA-485 a 2 fios. Observe a representação dos resistores de terminação. Esses componentes são requeridos para eliminar a reflexão de sinal entre os terminais da rede, bem como a redução de ruídos em função da redução da impedância da linha.

6 – Rede AS-i 6.1 – Introdução Surgiu em 1990, na Alemanha. Esse sistema surgiu para atender a alguns requisitos definidos a partir da experiência de seus membros fundadores e para suprir o mercado cujo nível hierárquico é orientado a bit. Desta forma, a rede AS-i foi concebida para complementar os demais sistemas e tornar mais simples e rápida as conexões entre sensores e atuadores com os seus respectivos controladores. 6.2 – Associações A partir de 1999 a rede AS-i foi padronizada pela norma EN 50295/IEC 62026-2 e as associações que regulam AS-International Association (2008) (www.as-interface.net) ou AS-Interface UK Expert Alliance (www.as-interface.com) são abertas a novos membros que queiram desenvolver produtos certificados. O grupo fornece aos seus membros as últimas informações do mercado e tecnologia, incluindo suporte às informações técnicas, certificação de produtos, atividades, cursos, feiras e outros eventos. 6.3 – Benefícios Simplicidade

• Requer apenas um único cabo para conectar módulos de entradas e saídas de quaisquer fabricantes.

• Usuários de uma rede AS-i não precisam ter profundos conhecimentos em sistema industriais ou protocolos de comunicação.

• Não precisa de terminadores e de arquivos de descrição de equipamentos.

Desempenho

• Sistemas AS-i são eficazes e incrivelmente rápidos. • Existem mestres AS-i, especialmente, desenvolvidos para comunicarem

com sistemas legados de controle e promoverem uma suave integração entre as tecnologias existentes.

Flexibilidade

• A expansibilidade é muito fácil – apenas conecte um módulo, enderece-o e, então, conecte o cabo da rede. Verifique se LED de alimentação está ligado e, então, você já está liberado para a conexão do próximo módulo.

• A rede AS-i suporta qualquer topologia de cabeamento: estrela, barramento, árvore, anelar ou qualquer outra configuração com até 100 metros de cabo. Ou, então, com a adição de repetidores é possível expandir o sistema até 300 metros. A rede AS-i é de fácil instalação, pois não há necessidade de terminadores nos pontos finais.

6.4 – Versões e Especificações Especificação Original (1994, Versão 2.04) Nas primeiras redes, os módulos (escravos) de interligação dos elementos finaispermitiam a conexão de quatro entradas digitais e quatro saídas digitais, resultando nototal de 124 entradas e 124 saídas em uma única rede (especificação AS-i 2.0 ou AS-i1).Porém, nessa arquitetura, o número máximo de escravos é limitado a 31.

Inclusão de Melhorias (1998, Versão 2.14)

• Ampliação do número de escravos de 31 para 62. A capacidade máxima do barramento foi ampliada para 248 + 186 E/S, mas o tempo de ciclo passou para 10ms.

• Um bit adicional no registro de status é utilizado para sinalizar erros de periféricos. A indicação de status de funcionamento dos escravos foi padronizada e ampliada.

• O número de profiles de escravos foi ampliado de 15 para 225 com a adição de novos ID codes.

• Melhor tratamento de sinais analógicos, ampliando o espectro de atuação das redes AS-i.

Características Adicionais (2005/2007, Versão 3.0) Até o ano de 2005 o sucesso mundial da rede AS-i, com aproximadamente 10 milhões de nós em operação, promoveu a introdução de novos requisitos para a rede. Além disto, o crescente uso da Ethernet em protocolos industriais demandou soluções debaixo nível que superassem as inerentes falhas da Ethernet (por exemplo: topologia limitada, grandes pacotes de dados, alto custo no uso de roteadores, entre outros). Essa especificação atende aos usuários de forma a definir novos profiles para dados discretos e analógicos além da introdução de um profile de transmissão de dados serial(especificação 3.0 ou AS-i 3).

• Nós de entradas e saídas discretas suportando endereçamento estendido (A/B) com 4 entradas e 4 saídas;

• Nós de entradas e saídas discretas suportando endereçamento estendido (A/B) com 8 entradas e 8 saídas;

• Canal analógico configurável (8, 12 ou 16 bits); • Canal de dados discreto com comunicação serial full-duplex.

Com essas novas características, a rede AS-i torna-se uma parceira ideal para quaisquer outros protocolos industriais baseados na comunicação Ethernet. Gateways para EtherNet/IPTM, PROFINET, Modbus/TCP e outros estão disponÍveis. Alguns especialistas da área de controle dizem que nos próximos 10 anos não haverá mais soluções intermediárias entre a rede AS-i e a Ethernet para novas instalações. 6.5 – Características Compatibilidade: sensores e Atuadores de diferentes fabricantes podem ser conectados a uma interface digital serial padronizada; Controle de acesso ao meio: sistema com um único mestre e varredura cíclica; Endereçamento: escravos recebem um endereço permanente do mestre ou via hand-held; Estrutura da rede: sem restrições (linear, anel, estrela ou árvore);

Meio de transferência: dois cabos não-trançados e sem blindagem para dados e energia (24 VDC), tipicamente até 200 mA por escravo, até 8A por barramento; Rápida instalação: por meio de conectores auto-perfurantes Tamanho de cabo: máximo de 100 m ou até 300 m com o uso de repetidores; Sinais e alimentação: estão presentes em um mesmo barramento (24VDC); Número de escravos: até 62 escravos por rede (versão 2.1); Telegramas: telegrama do mestre contendo o endereço, resposta direta do escravo; Dados: 4 entradas e 4 saídas para cada escravo e no caso de mais de 31 escravos têm, então, apenas 3 saídas; (máximo de 248 participantes binários por rede). Carga útil: Transmite 4bits/escravo/mensagem. Todos os escravos são chamados seqüencialmente pelo mestre e recebem 4 bits de dados. Cada escravo responde imediatamente com 4 bits de dados. Tempo de ciclo: 10 ms para a versão 2.1; Detecção de erros: detecção eficiente e retransmissão de telegramas incorretos. Chip AS-Interface: 4 E/S configuráveis para dados, 4 parâmetros de saídas e 2 saídas de controle. Funções do mestre: varredura cíclica em todos os escravos, transmissão de dados para escravos e para a unidade de controle (CLP ou PC). Inicialização da rede, identificação dos escravos, diagnóstico dos escravos e de dados transferidos. Além disso, reporta erros ao controlador e endereça escravos substituídos. Válvulas: são instaladas diretamente no local da aplicação, diminuindo a tubulação e aumentando a velocidade de resposta dos atuadores; Baixo custo: de conexão por escravo e elimina módulos de entradas e saídas no CLP; Confiabilidade: alto nível de confiabilidade operacional em ambientes industriais agressivos; Padrão aberto: elaborado por renomados fabricantes, filiados à Associação Internacional AS-i, cujo protocolo de transmissão é normalizado. Opcional: cabo de alimentação para saídas e controle de parada. 6.6 – O Sistema Actuator Sensor Interface O sistema AS-i é configurado e controlado por um mestre, o qual programa a interface entre um controlador e o sistema AS-i. Esse mestre troca informações continuamente com todos os sensores e atuadores ligados ao barramento AS-i de forma pré-determinada e cíclica. Interface 1: entre o escravo e os sensores e atuadores; Interface 2: entre os equipamentos (fonte, mestre e escravo) e o meio de transmissão;

Interface 3: entre o mestre e o host, ou seja, uma entidade qualquer que acessa a rede AS-i de um nível superior. 6.7 – Meio de Transmissão A rede AS-i se caracteriza por somente em um par de fios, caminharem junto a alimentação dos sensores ou atuadores em 24Vcc e a informação do estado dos mesmos. A configuração máxima da rede é de 62 participantes (escravos) que são acessados ciclicamente por um mestre no nível de controle superior. O tempo de reação é curto, para todos os escravos conectados, o tempo de resposta é de 10ms.Um cabo padronizado com 2 fios habilita a troca de informações e ao mesmo tempo a alimentação dos equipamentos. Escravos são conectados diretamente no barramento sem a necessidade de interligação adicional.

6.8 – Cabo Flexível Padrão Este cabo flexível de alta tensão está em conformidade com as normas CENELEC ou DIN VDE 0281, designado por H05VV-F 2X1.5 e é barato e fácil de se obter. O cabo AS-i, não blindado, não trançado, possui dois condutores paralelos e conduz tanto dado quanto a alimentação dos escravos. O seu isolamento externo é amarelo e possui uma forma geométrica característica, desenhada para se evitar a fixação com a polaridade invertida.O cabo não precisa ser cortado ou "descascado" para ser conectado. Isso em geral é causa de quedas de tensão indesejáveis e são potenciais fontes de mal-contato. Em contrapartida possui uma forma de instalação bastante interessante, que contribui para economia de custos em sua implementação.

O princípio é simples: o contato com os condutores internos é realizado por meio de lâminas condutoras, que penetram os isolamentos plásticos até os fios de cobre internos. Além da alimentação disponível para os escravos através do cabo amarelo, que se tornou uma espécie de marca registrada do sistema AS-i, e que atende quase todos os casos práticos, pode ser necessária alimentação suplementar para alguns escravos, principalmente atuadores mais potentes. Nesse caso um cabo preto adicional é utilizado,com as mesmas características do primeiro, mas dedicado exclusivamente a alimentação. Ele também faz uso da técnica de penetração descrita anteriormente e é reservado para fornecer até 30 V. Há duas considerações elétricas relevantes envolvidas na seleção de um meio de transmissão adequado: a resistência CC para alimentação e as características de transmissão na faixa de freqüência usada na comunicação. Pelo menos 2A de corrente devem ser possíveis de serem transmitidos para alimentação dos escravos.Dentro dessas exigências, outros cabos podem ser usados, possibilitando projetos para casos específicos, como por exemplo, condução de correntes maiores ou necessidade de cabos móveis. Além destas duas classes de cabos, existe ainda a versão vermelha, que fornece até230V AC.

O comprimento máximo de um cabo do barramento AS-i é de 100 m sem o uso de repetidores. No caso de serem utilizados os repetidores um comprimento máximo de 300m é permitido. O comprimento do barramento AS-i pode ser calculado pela adição do tamanho do cabo do barramento mais 2x o tamanho dos acessórios conectados a rede. Exemplo: 50 metros do cabo amarelo e 5 tap-offs com 2m de cabo nos dá uma rede do tamanho igual a: 50 + 2 x 5 x = 70 m.

6.7 – Conexões na Rede AS-i Quaisquer conexões na rede AS-i que não sejam as tecnologias convencionais ou de perfuração devem respeitar os seguintes requisitos.

• Resistência de contato de no máximo 6 mΩ; • Corrente mínima permitida de 1,5 Inom (mínimo de 3A para rede AS-i no

geral); • Faixa de tensão de contato de 10V a 70 V d.c; • Choques e vibrações de acordo com o item 7.4 da IEC 60947-5-2; • Força de ruptura de acordo com o anexo E da IEC 60947-5-2;

Se grampos ou terminais para conexões de parafusos são utilizados, sua espessura deve ser de no mínimo 2 x 2 x 1.5 mm2. Se pinos de tomadas são usados, o tipo D.2 de acordo com o anexo D da normal of IEC 60947-5-2 é o recomendado. 6.8 – Fontes de Alimentação A unidade de fonte de alimentação trabalha em uma tensão de 29,5V a 31,6V DC e sob condições normais de operação, fornece uma corrente de 0A a 8A. A fonte fornece alimentação para os escravos e parcialmente para o mestre através de dois fios, o mesmo utilizado para transmissão de dados AS-i, e podendo ser conectada na rede em qualquer ponto. Em linhas longas, a queda de tensão deve ser considerada e geralmente não deve ser maior que 3V. A fonte possui internamente um circuito de proteção de sobrecarga com limite de corrente. Balanceamento A fonte é responsável também por balancear a rede AS-i. O AS-i é operado como um sistema simétrico, não aterrado. Para imunidade a ruídos o cabo AS-i precisa ser instalado tão simétrico quanto possível. Isso é possível através do circuito de balanceamento. A conexão de blindagem deve ser ligada num ponto apropriado da máquina ou sistema. Apenas esse ponto pode ser conectado à terra do sistema (GND). Desacoplamento dos Dados A terceira função da fonte é prover desacoplamento dos dados. A rede de desacoplamento, que em geral encontra-se no mesmo módulo da fonte de alimentação,consiste de dois indutores de 50µH cada (L1 e L2) e dois resistores em paralelo de 39Ω cada. Os indutores realizam uma operação de diferenciação sobre os pulsos de tensão para converter os pulsos de corrente gerados pelos transmissores conectados à rede.Ao mesmo tempo, eles previnem um curto circuito no cabo. O acoplamento entre os indutores deve ser tão próximo quanto possível de 1, o que equivale a dizer que a indutância mútua deve tender a 200µH.

Segurança A quarta função é uma consideração de segurança. O sistema AS-i foi projetado como um sistema para baixas tensões com isolação segura (Protective Extra Low Voltage). Isso significa que de acordo com os padrões IEC relevantes, "isolação segura" é requerida da fonte entre a rede de alimentação e a rede AS-i. 6.9 – Redundância Esta questão não é muito comum em redes AS-i, por se tratar de uma rede na qual predomina a comunicação discreta e também devido a sua robustez, determinismo e simplicidade. A redundância pode ser feita ao nível de mestre e fontes de alimentação.Ainda não existe redundância ao nível de cabos e escravos. É possível em uma rede se ter um mestre redundante. Este mestre permanece em modo de monitoramento e ao perceber uma falha ou falta de comunicação do mestre ativo, tomará posse do controle da rede. Em relação à fonte de alimentação, isso também é possível usando um “Power Extender”, desta forma as duas fontes são ligadas em modo redundante. 6.10 - Sensores e Atuadores (Interface 1)

O escravo AS-i, faz a conexão entre o sistema de transmissão e a interface 1, na qual estão conectados os sensores e atuadores. O escravo os alimenta e gerencia sua comunicação com o mestre. Desde o início do desenvolvimento da especificação do AS-i esteve claro que o escravo deveria ser pequeno e compacto para poder ser integrado diretamente aos sensores e atuadores. Isso foi atingido graças ao uso de circuitos integrados, dando origem ao famoso chip AS-i. O chip escravo AS-i permite que sensores, atuadores e ou módulos possam ser ligados ao barramento AS-i como um dispositivo escravo, reconhecendo os comandos de saída do mestre e enviando dados de resposta. Um grande número de sensores e atuadores utilizados ultimamente na automação, permitem um baixo custo por conexão em dispositivos escravos AS-i. No caso de dispositivos analógicos, os dados ultrapassamos 4 bits de informação útil por ciclo. Neste caso, os dados são divididos e enviados em vários ciclos. Existem duas possibilidades de uso de um chip escravo AS-i:

O chip AS-i pode ser embutido em sensores ou atuadores (Figura 7.9), desta forma os elementos estão integrados com AS-i e todos os bits de dados e parâmetros estão disponíveis ao dispositivo (sensor ou atuador).

Outra forma é a utilização de um chip escravo AS-i embutidos em módulos no qua pode-se conectar sensores e atuadores convencionais. Na Figura 7.10 é apresentado um módulo com duas entradas para sensores e duas saídas para atuadores binários. 6.11 - Sistemas de Transmissão (Interface 2) A interface 2 inclui as especificações necessárias para a efetiva troca de dados entre os elementos conectados no barramento AS-i. Ela define a forma de acesso ao meio físico,a troca de dados no nível elétrico e o tratamento de alguns erros de comunicação, bem como os requisitos de tempo nas transações.

6.12 – Acesso ao Meio (Interface 2)

Como o AS-i foi projetado para substituir conexões ponto a ponto tipo estrela, um procedimento de acesso ao meio que reproduz essa topologia e que garante um tempo de resposta definido foi selecionado - o acesso do tipo mestre-escravo com polling cíclico. O mestre envia um telegrama que é recebido pelo escravo em um endereço particular e o escravo contactado nesse endereço responde dentro do tempo previsto. Essa operação é designada como uma transação. O sistema de transmissão permite a conexão ao barramento de um mestre e de até 62 escravos. O procedimento escolhido permite a construção de escravos muito simples e, portanto, de custo-efetivo, enquanto provê flexibilidade e integridade. No caso de pequenas perturbações na rede, o mestre pode, por exemplo, repetir telegramas para o endereço do qual não recebeu resposta, ou reposta inválida. As mensagens AS-i, portanto, são de dois tipos: as que são enviadas pelo mestre e as repostas do escravo. Segue abaixo uma ilustração de uma transação e os tempos envolvidos. Ela é constituída de:

• uma requisição do mestre, • uma pausa do mestre, • uma resposta do escravo e •• uma pausa do escravo.

A requisição do mestre se estende sempre por 14 tempos de bit, e a resposta do escravo por 7. Um tempo de bit corresponde a um intervalo de tempo uniforme de 6µs. A pausa do mestre deve estar em um intervalo de no mínimo 2 tempos de bit e um máximo de 10 tempos de bit. Se o escravo está sincronizado, ele pode começar a transmitir tão logo 2 tempos de bit tenham se passado, caso contrário ele necessitará mais dois tempos, haja vista ele estar monitorando a pausa do mestre neste período para qualquer informação adicional antes de aceitar a chamada como válida. O mestre, no entanto, caso não tenha recebido resposta dentro de no máximo 10 tempos de bit, pode assumir que não haverá resposta e iniciar a transação seguinte. A pausa entre o final de uma resposta do escravo e a próxima requisição do mestre deve estar entre 1,5 e 2 tempos de bit.

Uma requisição do mestre consiste de: • Start Bit (SB). Identifica o início de uma requisição do mestre no

barramento. Seu valor é sempre "0". • Control Bit (CB). Identifica o tipo de requisição: "0" para requisição de

dados, parâmetros ou atribuição de endereço e "1" para chamadas de comando.

• Address (A4..A0). Endereço do escravo requisitado. • Informação (I4..I0). Esses 5 bits compõem, dependendo da requisição a

ser feita, os dados passados ao escravo. • Bit de Paridade (PB). O número de bits com valor "1" numa requisição,

excetuando o end bit, deve ser par. • End Bit (EB). Identifica o final de uma requisição do mestre. Sempre

possui valor "1". E uma resposta de qualquer escravo consiste de:

• Start Bit (SB). Identifica o início de uma resposta do escravo. Possui sempre valor "0".

• Informação (I3..I0). Esses bits compõem a informação propriamente passada ao mestre.

• Bit de Paridade (PB). Assim como uma requisição, uma resposta também deve possuir paridade par.

• End Bit(EB). Sempre de valor "1", assinala o final de uma resposta do escravo.

A versão 2.1 da especificação AS-i (1998) criou a possibilidade de endereçar o dobro de escravos anteriormente permitidos. Com ela, até 62 escravos podem ser conectados. Para que isso fosse possível, um bit do campo de informação é utilizado como o que se convencionou chamar "select bit", ou, bit de seleção. Dessa forma, os escravos conectados ao barramento foram divididos em dois grupos de 31 escravos no máximo cada: grupo A e grupo B. Assim, um escravo passou a possuir além de um endereço, um tipo - A ou B. Essa modificação foi introduzida de forma a não se perder a compatibilidade de escravos da versão antiga com mestres da nova versão. 6.13 - Tratamento de Erros (Interface 2) O reconhecimento confiável de erros é de grande importância para comunicação sem falhas através do cabo AS-i, que geralmente não é blindado. Devido ao fato de os telegramas AS-i envolvidos nas transações serem bastante curtos, a detecção de erros é diferente daquela aplicada em geral a outras redes de campo. A requisição do mestre possui apenas 11 bits de dados a serem checados, e a resposta do escravo, 4 bits. Adicionar bits para verificação de erros nas mensagens faria com que a taxa de transmissão caísse drasticamente. Ao invés disso, o AS-i faz uso do tamanho conhecido das mensagens, dos padrões de bits especificados e da modulação de pulsos alternados para ser capaz de distinguir os seguintes erros:

• Erro de Start Bit; • Erro de alternância; • Erro de pausa; • Erro de Informação; • Erro de paridade; • Erro de End Bit e; • Erro de tamanho do telegrama.

Cada requisição do mestre e cada resposta do escravo é submetida a uma verificação desses 7 tipos de erro. Se algum deles é detectado, a requisição (ou resposta) é considerada inválida. 6.14 - Sinais Analógicos de E/S (Interface 2) AS-i suporta transmissão de sinais analógicos. Para isto o valor analógico digitalizado será separado em várias partes e transmitido, através de vários ciclos. Para um sinal de entrada analógico de 12 bits de dados, 6 ciclos serão necessários, constituindo um tempo total de transmissão de 30 ms (na versão 2.1 da especificação AS-i). Um circuito de conversão A/D deverá ser parte integrante do dispositivo escravo que possui E/S analógicos. Neste circuito será feito não só a conversão de sinais, mas ele deve ser capaz de congelar o valor convertido até que todos os bits sejam totalmente transmitidos, e só então estará pronto para uma nova amostra do sinal analógico. A AS-International definiu um padrão para transmissão de valores de sinais analógicos (definido no profile S-17 da especificação AS-Inteface). Para facilitar o uso prático, alguns CLPs já oferecem blocos funcionais para aplicação com valores de sinais analógicos. Para assegurar a consistência dos dados entre mestre e escravo, um handshake bit foi definido neste profile, o qual é invertido pelo escravo e então retornado. Assim, o mestre pode checar se já tem uma resposta do escravo e o escravo pode checar se o mestre quer a repetição da última requisição ou se quer a próxima parte dos dados. Por outro lado, isto reduz a carga útil em cada frame para 3 bits por ciclo. Entretanto assegura a transmissão correta de dados mesmo com distúrbios. Para entradas analógicas, o mestre requisita e o escravo responde; para saídas analógicas o escravo requisita e o mestre responde.

6.15 - O Mestre AS-i (Interface 3)

O mestre AS-i faz a ligação entre um controlador ou um sistema Fieldbus (Host) os sensores e atuadores da rede AS-i. Ele gerencia o tráfego de mensagens no barramento de forma independente, de forma que para o Host os sensores e atuadores são vistos como na arquitetura tradicional. Além disso, o mestre provê funções adicionais de configuração e diagnóstico da rede AS-i. A especificação do AS-i divide o mestre em três camadas, que o descreve desde o cabo de transmissão até a interface 3.

A transmissão física das requisições do mestre é especificada pela interface 1 e possui basicamente as mesmas características do escravo. A camada lógica mais baixa é a camada de transmissão, que é responsável pela transmissão e recepção de telegramas individuais. A repetição automática de telegramas quando uma reposta do escravo falha é possível, garantindo integridade para as camadas superiores.

O controle de seqüência, ou controle de execução, está logo acima da camada de transmissão e passa requisições de transmissão de dados para ela. A função dessa camada é controlar a seqüência em que os telegramas são enviados, e também processar as funções chamadas pela camada superior, gerando os telegramas corretamente e na seqüência requerida. A camada mais alta é chamada de camada mestre, e realiza a interface com o Host. O mestre AS-i realiza sua função de interconectar as interfaces 2 e 3 através de mensagens enviadas aos escravos, um a um. Apresentaremos aqui as possíveis requisições - que são poucas - que o mestre pode realizar a um determinado escravo, através da interface 2, assim como o comportamento esperado do escravo frente a essas requisições, ou seja, suas respostas. A figura abaixo apresenta todas as possíveis requisições que um mestre pode realizar a um escravo, a partir da especificação 2.1 do AS-i, a qual admite o endereçamento estendido. Pode-se observar nas requisições a presença de um select bit. Este bit toma o lugar de um bit anteriormente utilizado para troca de dados comuns. Com a adição desse novo bit, tornou-se possível o endereçamento do dobro de escravos inicialmente possíveis: 62. Os escravos passaram então a ter, além de um endereço entre 0 e 31, um tipo: A ou B, que é definido pelo bit de seleção (select bit ).

6.16 - Expansão para Safety at Work Com AS-i Safety Work é possível conectar componentes de segurança (safe components), tais como chave de emergência e barreiras de segurança diretamente à rede AS-i. O objetivo é adicionar funcionalidades relacionadas à segurança pessoal e de equipamentos. Não há necessidade de trocas ou

expansão no sistema existente. Porque os componentes de segurança e o monitor trabalham com o protocolo padrão AS-i. É necessária apenas a adição dos componentes de segurança no sistema. O monitoramento de segurança não é feito pelo mestre da rede. Para isso, um componente requerido em uma rede com componentes seguros é o safe monitor (monitor de segurança). O monitor não interfere no tráfego de frames da rede, ele apenas monitora o tráfego, utilizando-o para determinar o estado de segurança. Desta forma, máquinas e plantas podem ser ajustadas a um estado seguro através das saídas do monitor de segurança. Um exemplo de uma rede com componentes seguros é apresentado na figura abaixo.

6.17 – Limitações O AS-i foi conscientemente construído e otimizado para uso em aplicações abaixo dos fieldbuses. Sendo assim, algumas capacidades dos fieldbuses de alto nível não podem ser realizadas em AS-i. Algumas limitações devem ser conhecidas.

• Os dados transmitidos em AS-i são limitados a 4 bits por escravos que podem ser trocados a cada ciclo. Mensagens longas podem ser transmitidas dividindo-as em vários ciclos. Isto pode ser usado em processos de dinâmicas lentas, como pressão ou temperatura (valores analógicos).

• AS-i é estritamente mestre-escravo, com varredura cíclica por escravos. Isto impede a transmissão assíncrona pelos sensores e atuadores. Os

escravos devem aguardar 10 ms (no caso de uma rede com 62 escravos) até ser chamado novamente.

• A transferência de dados de escravo para escravo só é possível via mestre.

• A limitação de comprimento do cabo é de 100m sem o uso de repetidores. Esta limitação física se deve a manutenção de outros critérios como o tempo de ciclo da rede, tipo de topologia livre e a não exigência de resistores de terminação.

7 – Rede DeviceNet DeviceNet é um rede digital, multi-drop para conexão entre sensores, atuadores e sistema de automação industrial em geral. Ela foi desenvolvida para ter máxima flexibilidade entre equipamentos de campo e interoperabilidade entre diferentes vendedores. Apresentado em 1994 originalmente pela Allen-Bradley, o DeviceNet teve sua tecnologia transferida para a ODVA em 1995. A ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) é uma organização sem fins lucrativos composta por centenas de empresas ao redor do mundo que mantém, divulga e promove o DeviceNet e outras redes baseadas no protocolo CIP (Common Industrial Protocol). Atualmente mais de 300 empresas estão registradas como membros, sendo que mais de 800 oferecem produtos DeviceNet no mundo todo. A rede DeviceNet é classificada no nível de rede chamada devicebus, cuja características principais são: alta velocidade, comunicação a nível de byte englobando comunicação com equipamentos discretos e analógicos e alto poder de diagnóstico dos devices da rede (como mostrado na figura abaixo).

A tecnologia DeviceNet é um padrão aberto de automação com objetivo de transportar 2 tipos principais de informação:

• dados cíclicos de sensores e atuadores, diretamente relacionados ao controle e,

• dados acíclicos indiretamente relacionados ao controle, como configuração e diagnóstico.

Os dados cíclicos representam informações trocadas periodicamente entre o equipamento de campo e o controlador. Por outro lado, os acíclicos são informações trocadas eventualmente durante configuração ou diagnóstico do equipamento de campo. A camada física e de acesso da rede DeviceNet é baseada na tecnologia CAN (Controller Area Network) e as camadas superiores no protocolo CIP, que define uma arquitetura baseada em objetos e conexões entre eles. O CAN originalmente foi desenvolvido pela BOSCH para o mercado de automóvel Europeu para substituir os caros chicotes de cabo por um cabo em rede de baixo custo em automóveis. Como resultado, o CAN tem resposta rápida e confiabilidade alta para aplicações principalmente nas áreas automobilística. Uma rede DeviceNet pode conter até 64 dispositivos onde cada disposito ocupa um nó na rede, endereçados de 0 a 63. Qualquer um destes pode ser utilizado. Não há qualquer restrição, embora se deva evitar o 63, pois este costuma ser utilizado para fins de comissionamento. Um exemplo de rede DeviceNet é mostrada na figura abaixo.

7.1 - Características da Rede

• Topologia baseada em tronco principal com ramificações. O tronco principal deve ser feito com o cabo DeviceNet grosso, e as ramificações com o cabo DeviceNet fino ou chato. Cabos similares podem ser usados desde que suas características elétricas e mecânicas sejam compatíveis com as especificações dos cabos padrão DeviceNet.

• Permite o uso de repetidores, bridges, roteadores e gateways. • Suporta até 64 nós, incluindo o mestre, endereçados de 0 a 63 (MAC ID). • Cabo com 2 pares: um para alimentação de 24V e outro para

comunicação. • Inserção e remoção à quente, sem perturbar a rede. • Suporte para equipamentos alimentados pela rede em 24V ou com fonte

própria. • Uso de conectores abertos ou selados. • Proteção contra inversão de ligações e curto-circuito. • Alta capacidade de corrente na rede (até 16 A). • Uso de fontes de alimentação de prateleira. • Uso de fontes de alimentação de prateleira. • Diversas fontes podem ser usadas na mesma rede atendendo às

necessidades da aplicação em termos de carga e comprimento dos cabos.

• Taxa de comunicação selecionável :125,250 e 500 kbps. • Comunicação baseada em conexões de E/S e modelo de pergunta e

resposta. • Diagnóstico de cada equipamento e da rede. • Transporte eficiente de dados de controle discretos e analógicos. • Detecção de endereço duplicado na rede. • Mecanismo de comunicação extremamente robusto a interferências

eletromagnéticas. 7.2 – Protocolo DeviceNet é uma das três tecnologias abertas e padronizadas de rede, cuja camada de aplicação usa o CIP (Common Application Layer). Ao lado de ControlNet e EtherNet/IP, possuem uma estrutura comum de objetos. Ou seja, ele é independente do meio físico e da camada de enlace de dados. Essa camada de aplicação padronizada, aliada a interfaces de hardware e software abertas, constitui uma plataforma de conexão universal entre componentes em um sistema de automação, desde o chão-de-fábrica até o nível da internet. A figura abaixo mostra um overview do CIP dentro do modelo OSI.

CIP tem dois objetivos principais: • Transporte de dados de controle dos dispositivos de I/O. • Transporte de informações de configuração e diagnóstico do sistema

sendo controlado. Um nó DeviceNet é então modelado por um conjunto de objetos CIP, os quais encapsulam dados e serviços e determinam assim seu comportamento. O Modelo de Objeto Um nó DeviceNet é modelado como uma coleção de objetos. Um objeto proporciona uma representação abstrata de um componente particular dentro de um produto. Um exemplo de objeto e uma classe de objeto têm atributos (dados), fornecem serviços (métodos ou procedimentos), e implementa comportamentos. Atributos, exemplos, classe e endereço de nó (0-63) são endereçados por número. Existem objetos obrigatórios (todo dispositivo deve conter) e objetos opcionais. Objetos opcionais são aqueles que moldam o dispositivo conforme a categoria (chamado de perfil) a que pertencem, tais como: AC/DC Drive, leitor de código de barras ou válvula pneumática. Por serem diferentes, cada um destes conterá um conjunto também diferente de objetos.

Para maiores informações, consulte a especificação do DeviceNet (www.odva.org) A camada de link de dados (Data link layer) Devicenet utiliza o padrão CAN na camada de link de dados. O mínimo overhead requerido pelo protocolo CAN no data link layer faz o DeviceNet eficiente no tratamento de mensagens. Frame de dados DeviceNet utiliza somente o tipo de frame de dados do protocolo CAN (dentre outros existentes no protocolo CAN). O protocolo utiliza um mínimo de largura de banda para transmissão das mensagens CIP. O formato do frame de dados DeviceNet é mostrado na figura abaixo. 7.3 – Modos de Comunicação O protocolo DeviceNet possui dois tipos básicos de mensagens, cyclic I/O e explicit message. Cada um deles é adequado a um determinado tipo de dado, conforme descrito abaixo: Cyclic I/O Tipo de telegrama síncrono dedicado à movimentação de dados prioritários entre um produtor e um ou mais consumidores. Dividem-se de acordo com o método de troca de dados. Os principais são:

• Polled: método de comunicação em que o mestre envia um telegrama a cada um dos escravos da sua lista (scan list). Assim que recebe a solicitação, o escravo responde prontamente a solicitação do mestre. Este processo é repetido até que todos sejam consultados, reiniciando o ciclo.

• Bit-strobe: método de comunicação onde o mestre envia para a rede um telegrama contendo 8 bytes de dados. Cada bit destes 8 bytes representa um escravo que, se endereçado, responde de acordo com o programado.

• Change of State: método de comunicação onde a troca de dados entre mestre e escravo ocorre apenas quando houver mudanças nos valores monitorados/controlados, até um certo limite de tempo. Quando este limite é atingido, a transmissão e recepção ocorrerão mesmo que não tenha havido alterações. A configuração desta variável de tempo é feita no programa de configuração da rede.

• Cyclic: outro método de comunicação muito semelhante ao anterior. A única diferença fica por conta da produção e consumo de mensagens. Neste tipo, toda troca de dados ocorre em intervalos regulares de tempo, independente de terem sido alterados ou não. Este período também é ajustado no software de configuração de rede.

Explicit Message Tipo de telegrama de uso geral e não prioritário. Utilizado principalmente em tarefas assíncronas tais como parametrização e configuração do equipamento. 7.4 - Arquivo de Configuração Todo nodo DeviceNet possui um arquivo de configuração associado, chamado EDS (Electronic Data Sheet). Este arquivo contém informações importantes sobre o funcionamento do dispositivo e deve ser registrado no software de configuração de rede.

7.5 - Camada Física e Meio de Transmissão DeviceNet usa uma topologia de rede do tipo tronco/derivação que permite que tanto a fiação de sinal quanto de alimentação estejam presentes no mesmo cabo. Esta alimentação, fornecida por uma fonte conectada diretamente na rede, e possui as seguintes características:

• 24Vdc; • Saída DC isolada da entrada AC; • Capacidade de corrente compatível com os equipamentos instalados. • O tamanho total da rede varia de acordo com a taxa de transmissão

(125,250, 500Kbps) Consulte também o documento “DeviceNet Cable System - Planning and Installation Manual - www.odva.org” para mais informações sobre instalação da rede DeviceNet. 7.6 – Topologia da Rede As especificações do DeviceNet definem a topologia e os componentes admissíveis. A variedade de topologias possíveis é mostrada na figura a seguir.

A especificação também trata do sistema de aterramento, mix entre cabo grosso e fino (thick e thin), terminação, e alimentação de energia. A topologia básica tronco-derivação (“trunkline-dropline”) utiliza 1 cabo (2 pares torcido separados para alimentação e sinal). Cabo grosso (thick) ou fino (thin) podem ser usados para trunklines ou droplines. A distância entre extremos da rede varia com a taxa de dados e o tamanho do cabo. 7.7 – Cabos Há 4 tipos de cabos padronizados: o grosso, o médio, o fino e o chato. É mais comum o uso do cabo grosso para o tronco e do cabo fino para as derivações.

Os cabos DeviceNet mais usados (fino e grosso) possuem 5 condutores identificados e utilizados de acordo com a tabela seguinte:

7.8 – Conectores Há três tipos básicos de conectores: o aberto, o selado mini e o selado micro. O uso de um ou de outro depende da conveniência e das características do equipamento ou da conexão que deve ser feita. Veja nas figuras seguintes a codificação dos fios em cada tipo.

7.9 – Terminadores de Redes As terminações na rede DeviceNet ajudam a minimizar as reflexões na comunicação e são essenciais para o funcionamento da rede. Os resistores de terminação (121W, 1%, ¼ W) devem ser colocados nas extremidades do tronco, entre os fios CAN_H e CAN_L (branco e azul).

• Não coloque o terminador dentro de um equipamento ou em conector que ao ser removido também remova o terminador causando uma falha geral na rede. Deixe os terminadores sempre independentes e isolados nas extremidades do tronco, de preferência dentro de caixas protetoras ou caixas de passagem.

• Para verificar se as terminações estão presentes na rede, meça a resistência entre os fios CAN_H e CAN_L (branco e azul) com a rede desenergizada: a resistência medida deve estar entre 50 e 60 Ohms.

7.10 – Derivadores “TAPS” Existem vários tipos de derivadores “TAPS” para serem conectados em uma rede do tipo DeviceNet. Estes derivadores permitem ligar os vários elementos da rede. Classificam-se como: Derivação T “T-Port TAP “ O derivador “T-Port” conecta um dispositivo simples ou uma linha de derivação “drop line” através de um conector estilo plug-rápido. Derivação de dispositivo “Device-Port” “DevicePort” são componentes selados que conectam ao “trunk line” via “drop line” através de conectores de desconexão rápida somente dispositivos compatíveis a rede DeviceNet. Existem DevicePort para conectar 4 ou 8 dispositivos.

Derivação tipo box “DeviceBox” “DeviceBox” são elementos passivos que conectam diretamente os dispositivos DeviceNet no “Trunk Line” através de conexões de terminais para até 8 nós. Eles possuem tampa removível selada que permite montagem em máquina ou no chão de fábrica. Derivação de Alimentação “PowerTap” O “PowerTap” possue proteção de sobre corrente para o cabo tipo “thick” (grosso). Com proteção a diodo é possível utilizar vários “PowerTaps” permitindo assim o uso de várias fontes de alimentação. 7.11 – LED’s Indicadores Embora um produto DeviceNet não necessite ter indicadores, se este produto possuir indicadores, devem aderir à Especificação de DeviceNet. É recomendado que ou um Led de Estado do Módulo “Module Status” e um Led de Estado da Rede “Network Status”, ou uma combinação dos dois seja incluído. O(s) indicador(es) consiste em um Led bicolor (verde/vermelho) que pode ter combinações de ligado, desliga e piscando. O Led de Estado do Módulo “Module Status” indica se o dispositivo tem alimentação e está operando adequadamente. O Led de Estado da Rede “Network Status” indica o estado do link de comunicação.

8 – Rede Profibus O PROFIBUS é um padrão de rede de campo aberto e independente de fornecedores, onde a interface entre eles permite uma ampla aplicação em processos, manufatura e automação predial. Esse padrão é garantido segundo as normas EN 50170 e EN 50254. Desde janeiro de 2000, o PROFIBUS foi firmemente estabelecido com a IEC 61158, ao lado de mais sete outros fieldbuses. A IEC 61158 está dividida em sete partes, nomeadas 61158-1 a 61158-6, nas quais estão as especificações segundo o modelo OSI. Nessa versão houve a expansão que incluiu o DPV-2. Mundialmente, os usuários podem agora se referenciar a um padrão internacional de protocolo, cujo desenvolvimento procurou e procura a redução de custos, flexibilidade, confiança, orientação ao futuro, atendimento as mais diversas aplicações, interoperabilidade e múltiplos fornecedores. Hoje, estima-se em mais de 20 milhões de nós instalados com tecnologia PROFIBUS e mais de 1000 plantas com tecnologia PROFIBUS PA. São 24 organizações regionais (RPAs) e 33 Centros de Competência em PROFIBUS (PCCs), localizados estrategicamente em diversos países, de modo a oferecer suporte aos seus usuários, inclusive no Brasil, junto a Escola de Engenharia de São Carlos-USP, existe o único PCC da América Latina.

• Mais de 1300 associados ao redor do mundo. • Mais de 20 milhões de nós instalados com sucesso. • Mais de 2800 produtos e mais de 2000 fornecedores, atendendo às mais

diversas necessidades de aplicações.

Um extensivo catálogo de produtos pode ser obtido no site www.profibus.com.

8.1 – Níveis de Rede e o Profibus

No nível de campo, a periferia distribuída, tais como: módulos de E/S, transdutores, acionamentos (drives), válvulas e painéis de operação, trabalham em sistemas de automação, via um eficiente sistema de comunicação em tempo real, o PROFIBUS DP ou PA. A transmissão de dados do processo é efetuada ciclicamente, enquanto alarmes, parâmetros e diagnósticos são transmitidos somente quando necessário, de maneira acíclica. No nível de célula, os controladores programáveis, como os CLPs e os PCs, comunicam-se entre si, requerendo, dessa maneira, que grandes pacotes de dados sejam transferidas em inúmeras e poderosas funções de comunicação. Além disso, a integração eficiente aos sistemas de comunicação corporativos existentes, tais como: Intranet, Internet e Ethernet, são requisito absolutamente obrigatório. Essa necessidade é suprida pelos protocolos PROFIBUS FMS e PROFINet. A revolução da comunicação industrial na tecnologia da automação revela um enorme potencial na otimização de sistemas de processo e tem feito uma importante contribuição na direção da melhoria no uso de recursos. As informações a seguir fornecerão uma explicação resumida do PROFIBUS como um elo de ligação central no fluxo de informações na automação. 8.2 – Profibus DP O PROFIBUS DP é a solução de alta velocidade (high-speed) do PROFIBUS. Seu desenvolvimento foi otimizado especialmente para comunicações entres os sistemas de automações e equipamentos descentralizados. Voltada 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). A origem de cada versão aconteceu de acordo com o avanço tecnológico e a demanda das aplicações exigidas ao longo do tempo.

8.3 – Profibus FMS O PROFIBUS-FMS provê ao usuário uma ampla seleção de funções quando comparado com as outras variantes. É a solução de padrão de comunicação universal que pode ser usada para resolver tarefas complexas de comunicação entre CLPs e DCSs. Essa variante 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.

8.4 – Profibus PA

O 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 usada em substituição ao padrão 4 a 20 mA. Existem vantagens potenciais da utilização dessa tecnologia, onde resumidamente destacam-se as vantagens funcionais (transmissão de informações confiáveis, tratamento de status das variáveis, sistema de segurança em caso de falha, equipamentos com capacidades de autodiagnose, rangeabilidade dos equipamentos, alta resolução nas medições, integração com controle discreto em alta velocidade, aplicações em qualquer segmento, etc.). Além dos benefícios econômicos pertinentes às instalações (redução de até 40% em alguns casos em relação aos sistemas convencionais), custos de manutenção (redução de até 25% em alguns casos em relação aos sistemas convencionais), menor tempo de startup, oferece um aumento significativo em funcionalidade e segurança. O PROFIBUS PA permite a medição e controle por uma linha a dois fios simples. Também permite alimentar os equipamentos de campo em áreas intrinsecamente seguras. O PROFIBUS PA permite a manutenção e a conexão/desconexão de equipamentos até mesmo durante a operação sem interferir em outras estações em áreas potencialmente explosivas. O PROFIBUS PA foi desenvolvido em cooperação com os usuários da Indústria de Controle e Processo (NAMUR), satisfazendo as exigências especiais dessa área de aplicação:

• 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 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 61158-2.

• Uso em áreas potencialmente explosivas com blindagem explosiva tipo “intrinsecamente segura” ou “sem segurança intrínseca”.

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. Todas as variantes do PROFIBUS são baseadas no modelo de comunicação de redes OSI (Open System Interconnection) em concordância com o padrão internacional ISO 7498. Devido aos requisitos de campo, somente os níveis 1 e 2, e ainda o nível 7 no FMS, são implementados por razões de eficiência.

Nas três variantes os dois níveis inferiores são muito parecidos, sendo que a grande diferença está na interface com os programas de aplicação. O nível 1

define o meio físico. O nível 2 (nível de transporte de dados) define o protocolo de acesso ao barramento. O nível 7 (nível de aplicação) define as funções de aplicação. Essa arquitetura assegura transmissão de dados rápida e eficiente. As aplicações disponíveis ao usuário, assim como o comportamento dos vários tipos de dispositivos PROFIBUS-DP, estão especificados na interface do usuário. O PROFIBUS-FMS tem os níveis 1, 2 e 7 definidos, onde o nível de aplicação é composto de mensagens FMS (Fieldbus Message Specification) e da camada inferior (LLI -Lower Layer Interface). O FMS define um amplo número de serviços poderosos de comunicação entre mestres e entre mestres e escravos. O LLI define a representação de serviços do FMS no protocolo de transmissão do nível 2. 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.

8.5 - RS 485: O Meio Físico mais Aplicado do Profibus A transmissão RS 485 é a tecnologia de transmissão mais utilizada no PROFIBUS, embora a fibra ótica possa ser usada em casos de longas distâncias (maior do que 80Km). Seguem as principais características:

• Transmissão Assíncrona NRZ. • Baud rates de 9.6 kBit/s a 12 Mbit/s, selecionável. • Par trançado com blindagem. • 32 estações por segmento, máx. 127 estações. • Distância dependente da taxa de transmissão (tabela 1). • 12 MBit/s = 100 m; 1.5 MBit/s = 400m; < 187.5 kBit/s = 1000 m. • Distância expansível até 10Km com o uso de repetidores. • 9 PIN, D-Sub conector.

Normalmente se aplica em áreas envolvendo alta taxa de transmissão, instalação simples a um custo baixo. A estrutura do barramento permite a adição e remoção de estações sem influências em outras estações com expansões posteriores sem nenhum efeito em estações que já estão em operação.

Quando o sistema é configurado, apenas uma única taxa de transmissão é selecionada para todos os dispositivos no barramento. Há necessidade da terminação ativa no barramento no começo e fim de cada segmento, sendo que, para manter a integridade do sinal de comunicação, ambos terminadores devem ser energizados. 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, conforme a tabela abaixo: 8.6 – Profibus DP e a Alta Taxa de Velocidade de Comunicação O perfil PROFIBUS-DP foi desenvolvido para atender comunicação cíclica de forma rápida entre os dispositivos distribuídos. Além disso, o PROFIBUS DP oferece funções para serviços de acesso acíclico, como configuração, monitoração, diagnósticos e gerenciamento de alarmes de equipamentos de campo. Em 12Mbit/s, O PROFIBUS-DP requer somente 1 ms para transmitir 512 bits de entrada e 512 bits de saída, distribuídos entre 32 estações. Esse perfil é ideal para controles discretos, exigindo alta velocidade de processamento. A Figura 7 mostra o tempo típico de transmissão do PROFIBUS-DP, em função do número de estações e velocidade de transmissão, onde cada escravo possui 2 bytes de entrada e 2 bytes de saída e o “ Minimal Slave Interval Time ” é 200µs.

8.7 - Telegrama O FDL (Fieldbus Data link) é que define os telegramas, sendo que se pode ter:

• Telegramas sem campos de dados (6 bytes de controle). • Telegramas com um campo de dado de comprimento fixo (8 bytes de

dados e 6 de controle). • Telegramas com campo de dados variável (de 0 a 244 bytes de dados e

de 9 a 11 de controle). • Reconhecimento rápido (1 byte). • Telegrama de token para acesso ao barramento (3 bytes).

A integridade e a segurança das informações são mantidas em todas as transações, pois se incluem a paridade e a checagem do frame, alcançando-se dessa forma “Hamming Distance” de HD=4. A figura a seguir ilustra o princípio de transferência dos dados de usuários. Somente lembrando que, no lado DP, os dados são transmitidos de modo assíncrono sob a 485 e, no lado PA, de forma bit-síncrona, no H1. Para trocar dados com um escravo é absolutamente essencial que o mestre observe a seguinte seqüência durante o start-up:

• O endereço da estação. • Pedido de diagnóstico. • Parametrização do escravo.

• Checagem em pedido de diagnose antes de se estabelecer a troca de dados cíclica, como confirmação de que a parametrização inicial está OK.

• Troca de dados cíclicos. • Controle global.

8.8 – Tipos de Dispositivos Cada sistema DP pode conter três tipos diferentes de dispositivos: MESTRE DP CLASSE 1 (DPM1) É um controlador principal que troca informações ciclicamente com os escravos. Os controladores lógicos programáveis (CLPs) são exemplos desses dispositivos mestres MESTRE DP CLASSE 2 (DPM2) São as estações de engenharia utilizadas para configuração, monitoração ou sistemas de supervisão como, por exemplo, Simatic PDM, CommuwinII, Pactware, etc ESCRAVO Um escravo DP é um dispositivo periférico, tais como: dispositivos de I/O, atuadores, IHM, válvulas, transdutores, etc. Há também dispositivos que têm somente entrada, somente saída ou uma combinação de entradas e saídas. Aqui, ainda pode-se citar os escravos PA, uma vez que são vistos pelo sistema com se fossem escravos DP.

A quantidade de informação de entrada e saída depende do tipo de dispositivo, sendo que se permite até 244 bytes de entrada e 244 bytes de saída. A transmissão de dados entre o DPM1 e os escravos é executada automaticamente pelo DPM1 e é dividida em três fases: parametrização, configuração e transferência de dados.

Segurança e confiabilidade são indispensáveis para que se possa adicionar ao PROFIBUS-DP as funções de proteção contra erros de parametrização ou falha do equipamento de transmissão. Para isso, o mecanismo de monitoração é implementado tanto no mestre DP, quanto nos escravos, em forma de monitoração de tempo especificada durante a configuração. O Mestre DPM1 monitora a transmissão de dados dos escravos com o Data_Control_Timer. Um contador de tempo é utilizado para cada dispositivo. O timer expira quando uma transmissão de dados correta não ocorre dentro do intervalo de monitoração e o usuário é informado quando isso acontece. Se a reação automática a erro (Auto_Clear = true) estiver habilitada, o mestre DPM1 termina o estado de OPERAÇÃO, protegendo as saídas de todos os seus escravos e passando seu estado para “CLEAR”. O escravo usa o “watchdog timer” para detectar falhas no mestre ou na linha de transmissão. Se nenhuma comunicação de dados com o mestre ocorrer dentro do intervalo de tempo do “watchdog timer”, o escravo automaticamente levará suas saídas para o estado de segurança (fail safe state). As funções DP estendidas possibilitam funções acíclicas de leitura e escrita e reconhecimento de interrupção que podem ser executadas paralelamente e independentes da transmissão cíclica de dados. Isso permite que o usuário faça acessos acíclicos dos parâmetros (via mestre classe 2) e que valores de medida de um escravo possam ser acessados por estações de supervisão e de diagnóstico.

8.9 - Tempo de Resposta no Profibus DP O tempo de reposta em um sistema Profibus DP é essencialmente dependente dos seguintes fatores:

• MaxTSDR (tempo de resposta após o qual uma estação pode responder). • A taxa de comunicação selecionada. • Min_Slave_Intervall (tempo entre dois ciclos de polling, no qual um

escravo pode trocar dados com um escravo. Depende do ASIC utilizado, porém no mercado encontra-se tempos de 100µs).

Para efeitos práticos, à 12Mbits/s pode-se assumir que o tempo de ciclo de mensagem (Tmc), que envolve o promptingtelegram + TSDR + a resposta do escravo, onde N é o número de entradas e saídas do escravo, é: Tmc = 27µs + N x 1.5µs

Por exemplo: um mestre com 5 escravos e cada escravo com 10 bytes de entrada e 20 de saída, à 12Mbits/s teria um Tmc aproximado de 72µs/slave. O tempo de ciclo de barramento é obtido somando-se todos os ciclos de mensagem: Tbc = 5 x 72µs = 360µs Uma explicação mais detalhada sobre tempos do sistema pode ser consultada no padrão IEC 61158. 8.10 – Endereçamento Quanto ao endereçamento, pode-se ter duas arquiteturas a analisar onde fundamentalmente tem-se a transparência dos couplers e a atribuição de endereços aos links devices, conforme se pode ver nas figuras abaixo:

8.11 – Topologia Topologia Estrela:

Topologia Barramento: Topologia Ponto-a-Ponto: