Redes industriais

Redes industriais

Carlos Roberto da Silva Filho, M. Eng.

Profibus

• Profibus (Process FieldBus) é um protocolo de comunicação que provê uma solução de propósitos gerais para manufatura, processos e automação predial;

• Ele efetua tarefas de comunicação do tipo mestre-escravos e perfis de aplicações associadas a automação;

• A rede Profibus é um conjunto de três redes ou communication profiles no jargão Profibus.

Profibus• Profibus DP (Distributed Peripherals): Esta rede

é especializada na comunicação entre sistemas de automação e periféricos distribuídos;

• Profibus FMS (Fieldbus Message Specification): Tem uma ampla capacidade para comunicação de dispositivos inteligentes como: CLPs, DCS, Computadores ou outros sistemas que precisam de alta demanda de transmissão de dados.

Profibus

• A rede FMS vem sendo substituído pela rede Ethernet TCP/IP – no caso da Siemens pela Profinet.

• Profibus PA (Process Automation): projetada para aplicação em processos contínuos.

• Permite a conexão de sensores e atuadores em um barramento único e comum, em áreas intrinsecamente seguras.

Profibus

• A rede Profibus PA possibilita a comunicação de dados e alimentação no mesmo barramento, usando tecnologia a 2 fios, de acordo com o padrão internacional IEC 1158-2.

Profibus

Profibus - aplicações

Profibus

Profibus

Características Gerais

• Profibus é uma rede multimestres.

• A especificação fieldbus distingue 2 tipos de dispositivos:

• Dispositivo Mestre: Um mestre é capaz de enviar mensagens independente de solicitações externas quando tiver a posse do token.

• São também chamados de estações ativas;

Características Gerais

• Dispositivo Escravo: Não possuem direito de acesso ao barramento e podem apenas confirmar o recebimento de mensagens ou responder a uma mensagem enviada por um mestre.

• São também chamadas de estações passivas.

• Sua implementação é mais simples e barata que a dos mestres.

Arquitetura

• A arquitetura especifica como o protocolo interage na rede em função do modelo de camadas de referência OSI.

• As redes industriais implementam as camadas 1, 2 e 7 do modelo OSI.

• A rede Ethernet Industrial implementa as camadas 1, 2, 3, 4 e 7 do Modelo OSI.

Arquitetura

Arquitetura• O Profibus-DP utiliza os níveis 1 e 2, e uma

interface de aplicação, que assegura transmissão de dados rápida e eficiente.

• O DDLM (Direct Data Link Mapper) facilita o acesso da aplicação ao nível 2.

• As aplicações disponíveis, bem como o comportamento dos vários tipos de dispositivos, estão especificados na interface do usuário.

• As tecnologias de transmissão disponíveis são RS 485 ou fibras ópticas.

Arquitetura• Na Profibus-FMS, utilizam-se os níveis 1,2 e

7 do Modelo OSI;

• O nível de aplicação é composto de mensagens FMS (Fieldbus Message Specification) e LLI (Lower Layer Interface).

• As mensagens FMS contem o protocolo de aplicação, proporcionando ao usuário uma grande seleção de serviços de comunicação.

• As mensagens LLI implementam as várias relações de comunicação, e habilitam o acesso independente de fornecedor ao FMS.

Arquitetura

• O nível 2 (FDL, Fieldbus Data Link) implementa o controle de acesso à rede e a segurança dos dados.

• Tecnologias de transmissão RS 485 ou fibras ópticas podem ser utilizadas.

• O Profibus-DP e o FMS utilizam a mesma tecnologia de transmissão e o mesmo protocolo de acesso à rede.

• Ambas as versões podem ser utilizadas no mesmo cabo ao mesmo tempo.

Arquitetura• O Profibus-PA usa o protocolo estendido do

Profibus-DP para transmissão de dados.• O Profibus-PA tem um formato que define o

comportamento dos dispositivos de campo;• A tecnologia de transmissão segue a norma

IEC 1158-2, incluindo segurança intrínseca;• Ele permite que os dispositivos de campo

sejam alimentados pelo próprio barramento;• Os dispositivos podem ser interligados ao

barramento DP através de um acoplador;

Arquitetura

Arquitetura

Arquitetura

Arquitetura

Meio de Transmissão

• O padrão RS 485 é a tecnologia de transmissão mais encontrada no Profibus.

• Sua aplicação inclui todas as áreas nas quais uma alta taxa de transmissão aliada à uma instalação simples e barata.

• Um par trançado de cobre blindado (shield) com um único par condutor é o suficiente neste caso.

• O uso de par trançado não requer nenhum conhecimento ou habilidade especial.


• A topologia permite a adicionar e remover estações, sem afetar outras estações.

• Ampliações futuras, podem ser implementadas sem afetar as estações já em operação.

• Taxas de transmissão entre 9,6 kbps e 12 Mbps podem ser selecionadas, porém uma única taxa de transmissão é selecionada para todos os dispositivos no barramento, quando o sistema é inicializado.


Meio de Transmissão• Todos os dispositivos são ligados à uma

estrutura de tipo barramento linear.• Até 32 estações (mestres ou escravos)

podem ser conectados à um único segmento.• O barramento é terminado por um terminador

ativo do barramento no início e fim de cada segmento.

• Para garantir uma operação livre de erros, ambas as terminações do barramento devem estar sempre ativas.



Meio de Transmissão• Em Geral, estes terminadores encontram-se

nos próprios conectores de barramento ou nos dispositivos de campo, acessíveis através de uma dip-switch.

• No caso em que mais que 32 estações necessitem ser conectadas ou no caso que a distância total entre as estações ultrapasse um dado limite, devem ser utilizados repetidores (repeaters) para se interconectar diferentes segmentos do barramento.

Meio de Transmissão• O comprimento máximo do cabo depende

da taxa de transmissão. As especificações de comprimento de cabo, são baseadas em um cabo tipo-A, com o seguintes parâmetros:

• Impedância: 135 a 165 Ohms;

• Capacitância: < 30 pF/m;

• Resistência: 110 Ohms / km;

• Medida do cabo: 0,64 mm

• Área do condutor: 0,34 mm2



• Para a conexão em locais com grau de proteção IP20, utiliza-se conectores tipo DB9 (9 pinos).

• Já no caso de grau de proteção IP65/67, existem 3 alternativas para a conexão:

• Conector circular M12 (IEC 947-5-2);

• Conector Han-Brid, conforme recomendação DESINA;

• Conector híbrido SIEMENS;

Conector DB9

Conector DB9

Conector

Formas de Transmissão

• Geralmente, a transmissão pode ser realizada de forma bidirecional, de forma alternada ou simultânea.

• Assim, a cada elemento na rede deverá estar associado um equipamento transmissor e um receptor compondo o conjunto transceptor;

• A transmissão de dados em um único sentido é denominada simplex, e quando realizada nos dois sentidos é denominada duplex.


• No caso em que ela se realiza alternadamente, ou seja, ora num sentido, ora no outro, ela se denomina half-duplex.

• No caso em que ela se realiza simultaneamente nos dois sentidos, esta será denominada full-duplex.

• Televisão – simplex;• Rádio amador – half-duplex;• Rede – full-duplex;

Formas de Transmissão• Os modos de transmissão caracterizam as

diferentes formas como os bits de informação transmitidos são delimitados e encaminhados ao longo da linha de comunicação;

• Neste caso, podem ser transmitidos no modo serial e paralelo;

• Na forma paralela, os bits são transportados simultaneamente em várias linhas em paralelo, sendo apropriado apenas à comunicação entre equipamentos à curtas distâncias.

Formas de Transmissão• Na transmissão serial, mais adequada a

comunicação entre equipamentos separados por grandes distâncias, os bits são encaminhados serialmente através de uma única linha de comunicação, usualmente com 2 ou 4 fios.

• Pode-se considerar outros parâmetros para a classificação dos modos de transmissão, como, por exemplo, a forma de sincronia entre emissor e receptor, associada à temporização, ou seja, transmissão síncrona ou assíncrona.


• Na transmissão síncrona, os bits de dados são enviados segundo uma cadência pré-definida, obedecendo a um sinal de temporização (clock). O receptor, por sua vez, conhecendo os intervalos de tempo que permitem delimitar um bit, poderá identificar a seqüência dos bits fazendo uma amostragem do sinal recebido.

• Na transmissão assíncrona, não existe a fixação prévia de um período de tempo de emissão entre o transmissor e o receptor.


• A separação entre os bits é feita através de um sinal especial com duração variável.

• Um caso típico de transmissão assíncrona é a transmissão de caracteres;

• Neste caso, a cada grupo de bits constituindo um caracter são adicionados bits especiais para representar o start bit e o stop bit;

• Neste tipo de comunicação, apesar da assincronia ao nível de caracteres, ocorre uma sincronização ao nível de bit.

Camada Física - RS 232• A transmissão serial RS 232 é sinalizada

eletricamente através dos níveis de tensão para representar os bits 0 e 1.

• A especificação RS 232C foi a mais utilizada e trabalha com tensões entre – 15V e + 15V.

• A representação dos bits 0 e 1 são feitos da seguinte forma:

• 0 corresponde à uma tensão entre +3V e +15V;• 1 corresponde à uma tensão entre – 3V e –

15V;• Esta forma de representação é dita bipolar;

Camada Física - RS 232

• As tensões entre + 3V e – 3V é considerado indefinido e indica um erro de transmissão de dados;

• Além da representação física a interface RS 232 é uma forma de comunicação half-duplex;

• A recepção do sinal é feita de forma que se em um dado intervalo de tempo se o sinal estiver em nível fixo, o mesmo é interpretado como 1 ou 0;

Camada Física - RS 232

Protocolo - RS 232

• Start bit – inicialização da mensagem;

• Dados – representa os dados transmitidos;

• Paridade – técnica verificação de erros de transmissão;

• Stop bit – finalização de uma transmissão;

Protocolo - RS 232

Protocolo - RS 232

Paridade no Protocolo - RS 232

Paridade no Protocolo - RS 232

Camada física – RS 485

• A camada física da RS 485 é chamada de linhas de comunicação balanceadas;

• Os circuitos transmissores e receptores adotados nestas interfaces utilizam como informação a diferença entre os níveis de tensão em cada condutor do par trançado.

• Os códigos binários são identificados pela polaridade (+ ou -) da diferença de tensão entre os condutores do par;


• Ou seja, quando a tensão no condutor “+” for maior que no condutor “-”, é caracterizado um nível lógico “1”;

• Porém, quando, ao contrário, a tensão no condutor “-” for maior que no condutor “+”, é caracterizado um nível lógico “0”.

• Uma margem de ruído de ±0,2 V é definida para aumentar a tolerância a interferências.

Camada física – RS 485• Esta técnica resulta no cancelamento de

ruídos induzidos no meio de transmissão, pois se o mesmo ruído é induzido nos 2 condutores, a diferença de tensão entre eles não se altera e a informação é preservada.

• A interferência eletromagnética emitida por um barramento de comunicação diferencial é também menor que a emitida por barramentos de comunicação não-diferenciais.


• Os circuitos eletrônicos de transmissão e recepção da rede podem ser danificados se cabo apresentar um potencial muito elevado em relação ao referencial (comum ou terra).

• A norma EIA/TIA-485 especifica que a máxima diferença de potencial entre os equipamentos da rede deve estar entre – 7V e + 12V, conhecida como tensão de modo comum.



• Além do dois estados lógicos, um transmissor RS-485 pode operar em um terceiro estado, chamado de “tri-state” ou alta impedância.

• Este estado é conhecido com estado desabilitado e pode ser iniciado por um pino de controle no seu circuito integrado.

• Operação em “tri-state” permite que, em uma rede, apenas um dispositivo esteja ativo em cada momento.


• O código usado pelo padrão RS 485 é o NRZ – Non Return to Zero;

• Neste padrão o sinal permance totalmente em “zero” ou “um” durante todo o tempo de bit;

• A figura abaixo mostra a codificação.





Sinal Bom


Ruído Entrando pelo Shield

Protocolo – RS 485

• Para o padrão RS 485, o protocolo de comunicação não é especificado.

• O usuário deve especificar o protocolo.

• Alguns protocolos que utilizam o padrão são oModbus, Devicenet, Profibus DP, etc.

Protocolo Profibus DP

• Os “perfis” de comunicação Profibus usam um protocolo uniforme de acesso ao meio.

• Este protocolo é implementado pela camada 2.

• Isto inclui também a segurança de dados e a manipulação do protocolos de transmissão e mensagens.

• No Profibus a camada 2 é chamada Fieldbus Data Link (FDL).


• O Controle de Acesso ao Meio (MAC) especifica o procedimento quando uma estação tem a permissão para transmitir dados.

• O MAC deve assegurar que uma única estação tem direito de transmitir dados em um determinado momento.

• O protocolo do Profibus foi projetado para atender os dois requisitos básicos do Controle de Acesso ao Meio:

Protocolo Profibus DP• Para durante a comunicação entre sistemas

(mestres), deve ser assegurado que cada uma destas estações detém tempo suficiente para executar suas tarefas de comunicação dentro de um intervalo definido e preciso de tempo.

• Para que na transmissão cíclica de dados em tempo real deverá ser implementada tão rápida e simples quanto possível para a comunicação entre um CLP complexo e seus próprios dispositivos de I/O’s (escravos).


• Portanto, o protocolo Profibus de acesso ao barramento inclui o procedimento de passagem do Token, que é utilizado pelas estações ativas, os mestres, para comunicar-se uns com os outros;

• Enquanto que o procedimento de mestre-escravo que é usado por estações ativas para se comunicarem com as estações passivas, os escravos.


Protocolo Profibus DP• O procedimento de passagem do Token que

garante o direito de acesso ao meio é passado a cada mestre dentro de um dado tempo.

• A mensagem de Token, deve ser distribuída no anel lógico de pelo menos uma vez a todos mestres dentro de um certo tempo máximo denominado tempo de rotação do Token.

• Na inicialização do sistema, a tarefa do controle de acesso dos mestres é captar esta designação lógica e estabelecer o anel de Token.

Protocolo Profibus DP• Outra tarefa importante de camada 2 é a

segurança de dados, ou seja, formata frames para assegurar a integridade de dados.

• Todos os telegramas têm Hamming Distance HD=4, alcançada através do uso de telegramas especiais delimitadores de início/fim, bit de paridade e byte de check.

• HD 4 significa que até 3 falhas de transmissões ao mesmo tempo podem ser detectadas;

Protocolo Profibus DP• A camada 2 opera num modo chamado “sem

conexão”, e além de transmissão de dados ponto-a-ponto, proporciona comunicações do tipo multi-ponto, ou seja, Broadcast e Multicast.

• Broadcast: uma estação ativa envia uma mensagem sem confirmação a todas outras estações (mestres e escravos).

• Multicast: uma estação ativa envia uma mensagem sem confirmação a um grupo de estações pré-determinadas (mestres e escravos).

Profibus DP - resumo


Profibus DP – versões do protocolo



Protocolo Profibus DP• A transmissão de dados entre o DPM1 e os

escravos DP associados a ele é executado sempre na mesma ordem, que repete-se.

• Quando configurando o sistema, o usuário especifica a associação de um escravo DP ao DPM1 e quais escravos DP serão incluídos ou excluídos da transmissão cíclica de dados do usuário.

• A transmissão de dados entre o DPM1 e os escravos DP é dividida em três fases:


• Parametrização, configuração e transferência de dados.

• Na fase de configuração e parametrização de um escravo, sua configuração real é comparada com a configuração projetada no DPM1.

• Somente se corresponderem é que o escravo passará para a fase de transmissão de dados.


• Assim, todos os parâmetros de configuração, tais como tipo, formato e comprimento de dados, I/Os, etc., devem corresponder à real.

• Estes testes proporcionam ao usuário uma proteção contra erros de parametrização.

• Além da transmissão de dados, que é executada automaticamente pelo DPM1, uma nova parametrização pode ser enviada à um escravo sempre que necessário.



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