REDES INDUSTRIAIS UCGv2

8/8/2019 REDES INDUSTRIAIS UCGv2

1/157

REDES INDUSTRIAIS

Wilmar Oliveira de Queiroz

UCG 2008


2/157

Redes Industriais Tecnologias de automao Conceitos de redes industriais e corporativas Gerenciamento da informao em um processo industrial

Sistemas de automao Industrial Requisitos dos Sistemas Industriais Arquitetura de Controle Industrial

Nvel de Campo Nvel de Controle Nvel de Planta

Principais Componentes de Sistemas Industrias Computadores industriais Sensores e atuadores

Fundamentos de Redes Industriais- Meios Fsicos e Classificao de Protocolos- Modelos ISO/OSI- Acesso ao processo (dados, CRC, etc.).

Sistemas Industriais de Comunicao- Fieldbus Foundation- Profibus- Devicenet- Interbus- AS-I- Modbus- DPN 3.00


3/157

Tendncias Tecnolgicas- A Integrao Processo e Administrao- Aplicaes Especiais (medicina, robtica, etc.).- Ethernet Industrial (HSE)- Redes Wireless e Wire Wap (conceituao e aplicaes)- Tendncias de Integrao de Camadas

Implantao de Redes Industriais- Anlise de processo- Especificao- Projeto- Desenvolvimento- Implantao

Novos Conceitos de Controle e Gesto de Processos- OPC Server Conceitos, Estrutura e Aplicaes.- A Internet como Ferramenta na Gesto de Processos

Gesto Tcnica de Processos Automatizados- Gestores Envolvidos e suas Relaes- A importncia das redes no Supply Chain Management

Exemplos de Utilizao de Redes Industriais

Estudos de casos


4/157

Sistemas de Automao Industrial Requisitos dos Sistemas Industriais Arquitetura de Controle Industrial

Nvel de Campo Nvel de Controle

Nvel de Planta Principais Componentes de Sistemas Industriais

Computadores Industriais Sensores e Atuadores

Consideraes Finais

Redes Industriais de Comunicao

Requisitos de Tempo-Real Classificao de Sistemas e Tempos de Entrega Escalonamento de Mensagens

Arquitetura do Sistema de Comunicao Industrial Camadas OSI Camadas OSI Aplicadas Indstria


5/157

Topologias de Redes Industriais Topologias de Rede

Topologia Estrela Topologia de Barramento Topologia em Anel

Interconectores de Rede Hub Switch

Funcionamento

Mtodos de encaminhamento Store-and-forward Cut-through Adaptative Cut-through Vantagens do Uso de Switches em Redes Industriais

Ethernet Industrial A Rede Ethernet

Algoritmo CSMA/CD Componentes Principais de Sistemas Ethernet

Ethernet e as Restries de Tempo Real Determinismo em Redes Ethernet

Velocidade de Comunicao Domnios de Coliso com Switches Redundncia de Links com Switches

Exemplos de Aplicaes Industriais Baseadas em Redes Ethernet Linha de Produo Automotiva Ethernet no Controle de Navios


6/157

Sute de Protocolos TCP/IP Camadas

Arquiteturas de Comunicao Ponto-a-Ponto Mestre-Escravo Cliente-Servidor Produtor/Consumidor

Implementao

Arquitetura da Soluo Proposta RTnet

Servios Bsicos Gerenciamento de Pacotes Implementao UDP/IP Camada de Driver Media Access Control em Tempo Real Camada MAC Disciplina TDMA Servio de Configurao Tempo Real

O Protocolo RTPS / ORTE Arquitetura Mecanismos de Comunicao

ORTE Implementao da Base de Dados Arquitetura Proposta

Implementao

Resultados Obtidos e Anlise

Concluses Referncias Bibliogrficas


7/157

Histrico

Comunicao uma necessidade primordial: Local: fala, gestos Longa distncia: sinais de fumaa, pombo correio,

maratonistas Telgrafo em 1938 por Samuel Morse Telefone, Rdio, TV, TV a cabo, Internet

Fuso do processamento da informao com a

comunicao Sistemas computacionais Revoluo da Comunicao pode ser

comparada Revoluo Industrial?


8/157

Histrico

Ambiente industrial Mudanas conceituais e nos projetos Automao industrial

Automao predial Integrao de sistemas: CIs e mdulos dedicados Padronizao desses mdulos:

Intercambiabilidade Interoperabildade Expansividade

Reduo de custos Novos modos de gesto/manuteno


9/157

Histrico

SDCD Sistema Digital de Controle Distribudo Computadores especficos:

S.O.

Programas aplicativos de controle e superviso Hardware

Configurao de dispositivos de I/O

Capacidade de processamento

Memria de programao

Quantidade de I/O

Interface com o usurio/operador


10/157

Histrico

SDCD Sistema Digital de Controle Distribudo Arquitetura:

Estaes locais de interface com o processo: Controle contnuo e sequncial Monitorao

Comunicao com controladores de malha simples Interface H-M interativa para superviso e monitorao do processo(monitor e teclado)

Redes de comunicao redundante (cabo coaxial ou fibra ptica) So usados em processos no industriais

Sistemas de gua e esgoto Energia eltrica

Telecomunicaes Automao predial Controle de utilidades Deteco e alarme de incndio Controle de acesso


11/157

Histrico

Desenvolvimento dos CLPs (ControladoresLgicos Programveis), das IHM (InterfaceHomem Mquina), dos sensores, atuadores e

sistemas de comunicao levaram a: SDCDs com arquiteturas mais flexveis

Custo menor com mais eficincia e confiabilidade

Implementaes atuais so Redes de CLPsgerenciadas por SCADA (Supervisory Controland Data Acquisition)


12/157

CIM

CIM (Computer Integrated Manufacturing) Sistemas que gerenciam processos de forma

integrada (Manufatura Integrada por

Computador) Caractersticas:

Vrios nveis (hierarquia) Protocolos diferentes para cada nvel

Controle distribudo Centralizao das macro-decises Integrao das gerncia tcnico e administrativa


13/157

CIM


14/157

CIM


15/157

CIM


16/157

CIM

Atualmente a base de um CIM formadapor:

SDCD, que atua nos nveis: Controle Processo (execuo, campo)

SCADA, que atua em todos os nveis

Redes de comunicao, que utilizamprotocolos industriais (fieldbus)


17/157

CIM Nveis hierrquicos de um CIM

3CoordenaoEngenharia

2 Controle

4 PlanejamentoOperacional

5AdministraoGerenciamento

1 Execuo

Contabilidade de custos,lucros e investimentos

Desenvolvimento, projeto e planejamento (qualidade ecapacidade). Supervisiona o sistema para otimizao

Definio, resoluo e restrio das atividades eplanos de trabalho detalhados

Controle emonitoramento em tempo real

Processo.Cho de fbrica


18/157

Arquiteturas Incio: baseavam-se em Controladores de Malha nica deRealimentao (SLC Single-Loop Controllers) Nos anos 60: Controles Digitais Diretos (DDC Direct Digital

Controller) Grande nmero de malhas em um nico computador Cada computador centraliza todas as informaes e funes de controle

Nos anos 70/80: Sistemas de Controle Distribudo (DCS DistributedController Sistem) Nos anos 90: SDCD Sistemas Digitais de Controle Distribudo, que

um misto de SLC e o DDC Malhas de controle em pequenos grupos Cada grupo tem seu prprio processamento (controlador)

Controladores so conectados atravs de um barramento decomunicao de dados (Data Highway Bus) O barramento normalmente duplicado Razes para se usar o processamento distribudo e paralelo

Tempos de resposta necessrios em alguns processamentos podem no seralcanados com um nico processador

Mltiplas cpias dos componentes dos sistemas levam a uma maior

flexibilidade e redundncia Algumas aplicaes so, por natureza, geograficamente distribudas


19/157

Arquiteturas

Unidadede

Controle

Unidadede

Controle

Unidadede

Controle

Unidadede

Controle

Unidadede

Controle

Data highway

Duplicao

Sensores/Atuadores

Sensores/Atuadores

Sensores/Atuadores

Sensores/Atuadores

Sensores/Atuadores

Estrutura de um SDCD com barramento duplo


20/157

Topologias

A topologia refere-se forma com que os enlaces fsicose os ns de comutao esto organizados

Estrela N central (mestre) se comunica com cada um dos demais ns

(escravos) No existe comunicao direta entre dois escravos A gerncia das comunicaes feita pelo mestre Os escravos podem ter protocolos e/ou velocidades de

transmisso diferentes

Cada n interligado rede atravs de uma interface de acessoao meio Falhas em um n escravo afetam somente o n defeituoso Falha no n central compromete toda a rede


21/157

Topologias - Estrela

o e

o e

orkstatio I

o pati le

ac II

orkstatio

I

/Ter i al

op ac i e


22/157

Topologias - Anel

Ligao sequencial fechada entre todas as estaes detrabalho da rede

Ligaes so unidirecionais e os dados circulam no anel As estaes so conectadas atravs de repetidores

Uma estao coloca seus dados no anel enviando suamensagem para a estao seguinte A mensagem passa de estao em estao at o seu

destino A mensagem retirada do anel ou pela estao de

origem, ou de destino ou pela estao controladora Falhas em uma estao afeta somente essa estao Falhas no anel ou nos repetidores comprometem toda a

rede


23/157

Topologias - Anel

ANEL

orkstation

I

o

patile

ac II

orkstation

I

/!

Ter

inal

op" ac # ine


24/157

Topologias - Barramento

As estaes esto conectadas a um barramento

Todos os dados enviados so recebidos portodas as estaes

O controle de acesso ao meio, normalmente, distribudo

Falha em uma estao afeta somente essa

estao Falha no barramento compromete toda a rede


25/157

Topologias - Barramento

BARRAMENTO

Workstation IBM Compatible Mac II

Terminal Copy machine


26/157


27/157

Modelo OSI


28/157

Modelo OSI

Camada Fsica Responsvel pela ativao, desativao e

manuteno do sinal no meio fsico Define a interface eltrica e mecnica com a rede:

RS-232, RS-422, RS-485, V.35, G.703, RJ-45, etc. Define o tipo do sinal: digital/broadband ou

analgico/baseband Define o tipo de conexo: ponto-a-ponto ou

multiponto

Define o sentido de transmisso: simplex, halfduplexe fullduplex Define a forma de multiplexao do sinal: FDM, TDM Equipamentos: repetidores, hubs, modens e

multiplexadores

Unidade de dados: bit


29/157

Modelo OSI

Camada de Enlace Gerenciamento do enlace Deteco e correo de erros causados pelo meio

fsico

Controle de fluxo dos dados Enquadramento da mensagem Endereamento fsico na rede Controla o acesso ao meio

Protocolos: IEEE 802.2 (LLC), Frame Relay, SDLC,HDLC, SLIP, PPP Equipamentos: bridges e switches Subcamadas: LLC e MAC:Ethernet, Token Ring,

FDDI

Unidade de dados: quadro


30/157

Modelo OSI

Camada de Rede Realiza o roteamento dos pacotes Compatibilizao entre redes de tecnologias

diferentes

Controle de fluxo dos dados Servios: datagrama (correio eletrnico, transferncia

de arquivos, etc.) e circuito virtual (aplicaes emtempo real, etc.)

Pode fragmentar/remontar os pacotes

Endereamento lgico Protocolos: IP, IPX, XNS, CLNP Unidade de dados: datagrama ou pacote


31/157


32/157

Modelo OSI

Camada de Sesso Sincronizao das tarefas entre mquinas Gerenciamento de dilogos e de atividades

Controla o intercmbio de dados Estabelece, gerencia e finaliza sesses entreaplicaes

Protocolos: NetBIOS (Network Basic Input OutputSystem - IBM/Microsoft), Netware RPC (Novell),

VINES NetRPC (Banyan), ASP (AppleTalk SessionProtocol- Apple), DNASCP (DigitalNetwork

Architecture Session Control Protocol- DEC)


33/157

Modelo OSI

Camada de Apresentao Interpretao e representao/sintaxe dos dados

(codificao)

Uniformiza o formato de dados Compresso de dados, criptografia

Segurana e privacidade da rede

Codificao de textos e dados: EBCDIC, ASCII

Codificao de grficos e imagens: CGM, PICT, TIFF,JPEG

Codificao de sons e animaes: WAV, MPEG


34/157

Modelo OSI

Camada de Aplicao Servios transparentes para o usurio

Aplicaes para estaes: Processador de textos,

Banco de dados, Planilha de clculo Aplicaes para rede: Correio eletrnico,

Transferncia de arquivos, Emulao de terminal,gerenciamento

Elementos de servio genrico: ACSE, ROSE, RTSE Elementos de servio especfico: FTAM, VT, X.400,

MHS


35/157

Modelo OSI x TCP/IP

Aplicao -Aplicaes e processosque usam a rede

Transporte - Transporte de dadosfim-a-fim, confivel ou no

Internet - Roteamento de datagramasna rede

Acesso Rede -Acesso ao nvelfsico da rede

Transporte Transporte fim-a-fim comcorreo de erros, confivel ou no

Rede - Transferncia de pacotes na redeatravs do roteamento

Enlace - Comunicao confivel, ou no,ponto-a-ponto

Fsico Transmisso de bits no meio fsico.Caractersticas fsicas da rede

Aplicao -Aplicaes que usam a rede:emulao de terminal, transferncia de arquivos

Apresentao - Padronizao darepresentao dos dados e criptografia

Sesso Estabelecimento e manuteno desesses, gerncia de dilogos entre aplicaes


36/157


37/157

Controle Centralizado

Os dispositivos ficam em um mesmo ambiente Vrios computadores compartilham um barramento comum Solues comerciais mais utilizadas:

UME FUTUREBUS

S100 MULTIBUS II GPIB (General Purpose Interface Bus) 488 da IEEE (substituiu o S100)

O controlador mestre executa tarefas de controle global Comunicao com os nveis de controle superior Operaes de sincronizao Coordenao de movimentos Clculos

O escravo opera em nvel de atuador Tarefas de controle ou malha fechada Processamento de sinais Medidas


38/157

Controle Distribudo

Os controladores, atuadores e transdutores sodistribudos espacialmente

So conectados por uma rede de comunicao

chamada FIELDBUS, ou barramento de campo O cabeamento bastante reduzido

O controlador coleta informaes de vrios

transdutores, e baseado nos algoritmos dosprogramas aplicativos, controla vrios atuadores

As tarefas de controle so centralizadas


39/157

Transmisso de sinais

Comunicao paralela Ocorre entre sistemas digitais localizados prximos

um do outro

So enviados vrios bits de cada vez O meio de transmisso composto de vrios canais,

um para cada bit

Para grandes distncias muito caro

mais complexa que a serial As velocidades so maiores

Apresenta baixa imunidade a rudos


40/157

Transmisso de sinais

Comunicao serial Os dados so transmitidos em uma sequncia serial

de bits

menos complexa que a paralela Utiliza apenas um canal de comunicao

As velocidades so menores

O custo menor

Maior imunidade a rudos Modos de comunicao:

Sncrono

Assncrono


41/157

Transmisso serial sncrona

Necessita de um sincronismo entre os sistemasde comunicao Um dos sistemas deve gerar o clock (largura do

pulso) Os sistemas transmitem e recebem os dados como

registradores de deslocamento (shift-registers) entrada paralela e sada serial

O tempo dividido em intervalos de tamanho fixo(corresponde a um bit)

No necessita de sinais adicionais de incio e fim damensagem


42/157

Transmisso serial assncrona

No necessrio gerar clock O clock interno em cada sistema mas devem ter a mesma taxa de

transmisso de dados (baud rate) O controle de tempo de uma sequncia de bits (byte) muito

importante

A transmisso feita caracter a caracter (byte a byte) Cada caractere encapsulado por um sinal de starte um de stop Os dados podem ento serem transmitidos aleatoriamente no

tempo Erros podem ocorrer e devem ser tratados:

Paridade (par ou mpar)

Checksum CRC

o mais utilizado pois o hardware mais simples


43/157

Transmisso serial de sinais

Tipos de comunicao Simplex Half-duplex Duplex

Classificao quanto referncia Desbalanceada

O sinal de dados tem como referncia o terra dos sistemasconectados

Baixa imunidade a rudos (interferncia somente nos fios de dados)

Balanceada A referncia do terra desconectada entre os sistemas Alta imunidade a rudos (interferncia afeta igualmente o sinal e a

referncia)


44/157

Transmisso serial de sinais

Principais padres de interface serial RS-232

RS-422

RS-485

V.35

USB


45/157

RS-232 Desenvolvido originalmente para as conexes entre DTE (Data Terminal

Equipment microcomputadores, terminais, controladores) e DCE (DataComunication Equipment modens)

Usa a transmisso desbalanceada com trs fios (tx, rx e terra) Pinos utilizados:

1 DCD (Data Carrier Detect)

2 - Rxd (Receive data)3 - Txd (Transmit data)4 - DTR (Data Terminal Ready)5 - SG (Signal Ground)6 - DSR (Data Set Ready)7 - RTS (Request To Send)8 - CTS (Clear To Send)9 RI (Ring Indicator)

Usa-se normalmente o conector de 9 pinos (DB-9) Alcance mximo de 15m Bit 0: +5V a +15V na sada e +3V a +15V na entrada Bit 1: -5V a -15V na sada e -3V e -15V na entrada


46/157

RS-232


47/157

RS-232


48/157

RS-422

Usa a transmisso balanceada Utiliza conectores existentes:

DB-9 ou DB-25 com pinagem no padronizada DB-25 com padro RS-530 DB-37 com padro RS-449

usado comumente em comunicaes ponto aponto realizadas por um drive dual-state

usado em transmisses de longa distncia

(1200m), altas velocidades (dois pares de fiopara transmisso duplex) A verso desbalanceada a RS-423


49/157

RS-485 Desenvolvido pela EIA Electronics Industry Association Somente um par de fio compartilhado para transmisso e recepo

Vantagem: pode-se interligar vrios equipamentos no mesmo cabo Desvantagem: a comunicao deve ser half-duplex, deve existir algoritmo (ou

gerenciador de rede) para gerenciar a transmisso (evitar/tratar colises) No especifica ou recomenda protocolos

O alcance de at 1200m (compatvel com RS-422) Mximo de 32 terminais remotos em cada n da rede que devem ser

endereveis nico PC como mestre da rede Taxa de transmisso: 15m ~ 10Mbps e 1200m ~ 100Kbps Caractersticas eltricas:

Comunicao em modo diferencial com tenso de 5V em relao ao terra

Grande imunidade a IEM Interferncia Eltrico-Magntica devido ao mododiferencial

Obrigatrio o uso de resistores pull-up e pull-down na linha principal e

resistores de terminao da rede para o casamento de impedncia


50/157

RS-485

Transceptor MAX-485 RO entrada para recepo RE habilitao da recepo DE habilitao da transmisso DI entrada para transmisso GND e Vcc alimentao do CI

A entrada no inversora B entrada inversora

Normalmente os pinos DE e RE so jumpeados Para transmitir habilita o pino DE e desabilita o pino RE Normalmente o transceptor fica no modo recepo (pino RE ativado)


51/157

RS-485

Exemplo de um sistema RS-485


52/157

RS-485

Exemplo de um sistema RS-485


53/157

RS-232 para RS-485

RS232 para RS485


54/157

RS-485

Aplicao tpica:mestre-escravo Os escravos recebem

um endereo eapenas respondemao mestre (evita-secolises)

O computador centralcontrola vriasmquinas deControle Numrico


55/157

RS-485

Aplicao tpica: half-duplex com todos secomunicando O funcionamento depende do protocolo de

comunicao adotado Exemplo: sistema de rob da Mecajun/LCVC

A cmera transmite informaes para a placa central,(Vortex86) que envia a s decises para a placa de

controle dos motores. Quando um evento ocorre comos sensores de toque e/ou de luz a informao deveser enviada tanto para os motores como para a placade controle central


56/157

RS-485


57/157

Montagem da rede

RS-485


58/157

RS232, RS423, RS422 e RS485

32102/102Quantidade de

dispositivos1200m1200m1200m15mDistncia mxima

10 Mbps10 Mbps100 Kbps20 KbpsTaxa transm. mxima

+12V a -7V+ - 6 a -0,25V+ - 6V+ - 25VTenso mximacomum

1,5V min

2V mx

2V min

2V mx

2V min

2V mx

5V min

15V mx

Nvel transmisso

>12 KOhm>4 KOhm>4 KOhm3 a 7 KOhmResistncia entrada

+ - 0,3V+ - 0,2V+ - 0,2V+ - 3VSensibilidade entrada

BalanceadaBalanceadaDesbalanceadaDesbalanceadaReferncia

RS485RS422RS423RS232Caractersitcas


59/157

Conectores industriais


60/157

Conversores


61/157

Meios fsicos de transmisso Par tanado Cabo coaxial Fibra tica

Multimodo com ndice degrau Multimodo com ndice gradual Monomodo

Transmisso sem fio

Spread spectrum Modulao FHSS Modulao DSSS

Modem Transmisso de dados sem fio de uso industrial

Rdio de dados (Data Radios) Rdio MODEM transparente Rdio MODEM inteligente Rdio-telemetria

Rdio-telemetria com integrao de CLP e sistemas SCADA Transmisso de dados via sistema de telefonia mvel celular

SMS x GPRS Bluetooth Zigbee


62/157

Par tranado UTP (Par Tranado No Blindado), originalmente projetado paravoz, o tipo de cabo mais utilizado em razo:

Do seu baixo custo, facilidade de instalao, flexibilidade emmudanas e alteraes

Da capacidade de suportar a completa largura de banda Boa resistncia ao crosstalk (as tranas evitam a interferncia

entre os pares do cabo O padro Categoria 5 (CAT5) estabelece os requisitos mnimospara o cabeamento de telecomunicaes dentro dos prdios ouentre os prdios do campus e o cabeamento UTP mais popularinstalado em comunicao de dados. O CAT5 deve ser capaz desuportar voz ou dados a 100 MHz sobre fios 22 ou 24 AWG

A Categoria 5 enhanced (CAT5e) um padro com requisitosligeiramente superiores ao CAT5.

A Categoria 6 Classe E (CAT6) o padro em estudo pela TIA/EIA.Tanto a CAT6 como a Categoria 7 Classe F (CAT7) so apenaspropostos no existindo padronizao oficial.


63/157

Par tranado Cabos UTP Blindados vs. No Blindados O ambiente em que ser instalado que determina se o cabo a ser

utilizado dever ser blindado ou no blindado A blindagem a capa que envolve os fios de um cabo e protegem contra a

interferncia e descarga eletromagntica (EMI). Essa atividadeeletromagntica conhecida por rudo

As fontes de EMI em um ambiente de trabalho podem ser motores deelevadores, lmpadas fluorescentes, geradores, compressores,condicionadores de ar e fotocopiadoras

Para proteger os dados em um ambiente ruidoso (nvel elevado de EMI),utiliza-se cabos blindados. O tipo de blindagem mais comum a folhametalizada, porm a malha de cobre oferece maior proteo

Em ambientes de escritrio sem fontes de interferncia pode-se utilizarcabos no blindados, em escritrios ou lojas movimentadas sujeitas aalguma interferncia recomenda-se o uso de cabos com blindagem de folhametalizada e em ambientes industriais o mais recomendado o cabo comblindagem de malha de cobre.


64/157

Par tranado

Crosstalk Uma das mais importantes diferenas entre os padres CAT5 e os mais novos est

nas especificaes NEXT O NEXT (Near-End Crosstalk) a interferncia no sinal de um par sobre um outro na

mesma extremidade do cabo. O Crosstalk no ocorre apenas no par adjacente (pairto pair NEXT), mas todos os outros pares de um cabo UTP podem interferir comseus prprios nveis em ambas as extremidades do cabo, multiplicando o efeito

dessa interferncia sobre o par transmissor ou receptor Em razo destes nveis de interferncia poder debilitar redes de alta velocidade,

alguns fabricantes de cabos comearam a apresentar as taxas de NEXT, FEXT, PS-NEXT, ELFEXT e PS-ELFEXT para seus cabos CAT5e e Categoria 6 (proposto)

O PS-NEXT inclui a soma total de todas as interferncias que podem ocorrer entreum par e todos os pares adjacentes de um cabo

O FEXT mede a interferncia de um par em uma extremidade do cabo em outro parna outra extremidade do cabo

O ELFEXT (Equal-Level Far-End Crosstalk) mede o FEXT em relao ao nvel dosinal recebido medido no mesmo par. Ele mede basicamente a interferncia sem osefeitos da atenuao - o nvel equalizado.

O PS-ELFEXT mede a soma total de todas as interferncias dos pares de umaextremidade em um par da outra extremidade sem os efeitos da atenuao.


65/157

Par tranado

Crosstalk


66/157

Par tranado Decibel (dB) um termo muito utilizado em diversas reas, como: udio, eletrnica, telecomunicaes, entre

outras Representa o ganho ou a atenuao de um sinal, de um som, etc O decibel uma unidade logartmica que representa uma relao entre um valor de entrada e um

de sada (som, alimentao, voltagem, corrente, campo magntico etc) O resultado desta relao pode ser ganho, quando a sada maior que a entrada (nmero

positivo), ou atenuao, quando a sada menor que a entrada (nmero negativo) O ganho ou atenuao, podem ser calculadas pela frmula 10log(out/in), com log na base 10 eresultado em dB

Alm do decibel apresentado, onde os valores de entrada e sada so variveis, existem algumasderivaes utilizando um valor de entrada padro fixo

O dBm que utiliza um sinal padro de 1 miliwatt resultando na frmula 10log(sada(mw)/1mw) O dBu que utiliza 0,775volts como sinal padro e tem como frmula 20log(tenso de

sada(volts)/0,775volts) O dBVU de sinal padro 250 nano webers/m (medida de campo magntico) e frmula

10log(sada (em nw/m)/(250nw/m)). Como ilustrao, cabos de par tranado CAT5e de boa qualidade apresentam atenuao em

torno de 26,4 dB/100m a 100 MHz e de 53,8 dB/100m a 350MHz. Os Cabos de Fibra pticamultimodo apresentam atenuao menor que 3,75 dB/Km em 850 nm e menor que 1,5 dB/Km em1300 nm. E os cabos de Fibra monomodo em torno de 1 dB/Km em 1300 nm.


67/157

Fibra tica


68/157

Protocolos industriais e prediais

Avano das tecnologias

Queda nos preos dos dispositivos

Aumento no uso de sistemas informatizados

Redes locais em ambientes administrativos: Redes corporativas

Redes locais em ambientes industriais:

Redes fieldbus (industriais) Maior confiabilidade

Tempo real


69/157

Sistemas de comunicao de dados utilizadospara troca de informaes dentro de processosindustriais e entre processos industriais.

Possuem como requisitos: Boa resistncia mecnica Resistncia a chama, umidade e corroso Alta imunidade a rudos

Taxa de erros baixa ou quase nula Tempo de acesso e de propagao limitados Tempo entre falhas e tempo de reparo baixos Boa modularidade e possibilidade de interconexo



70/157


Os protocolos de campo podem ser separados em trscategorias: Nvel mais baixo (sensorbus) redes de dispositivos simples

(sensores/atuadores em nvel de bit I/O): ASI (Actuator SensorInterface), SERIPLEX, Interbus-S, Profibus-PA, HART

Nvel mdio (devicebus) redes de controladores de campo(comunicao serial entre CLP): CAN (Controller Area Network),Lonworks, DeviceNET, Profibus-DP

Nvel alto (fieldbus) redes de controladores (mestres) paracontroles e instrumentao mais sofisticada: SP50-H2, Ethernet

Industrial, Profibus-FMS


71/157


Common Industrial Protocol CIP


72/157

Common Industrial Protocol - CIP


73/157

Domnios e aplicaes


74/157

MODBUS O Protocolo Modbus

Desenvolvido pela Modcon em 1979 um protocolo de mensagens, localizado na Camada de Aplicao do

Modelo OSI, que prov comunicao cliente/servidor entre dispositivosconectados por diferentes tipos de barramentos ou redes

Baseado no modelo mestre/escravo Os escravos no podem dialogar entre si

O mestre trabalha em dois modos: modo requisio/resposta: pode enviar mensagem para um escravo

(sensor, vlvula, driverde rede, ..) em particular modo difuso:pode enviar uma mensagem comum a todos os escravos

Como o mestre e os escravos esto ligados a um barramentobidirecional necessrio designar um endereo (de 1 a 247) para cadaescravo (unicast). O endereo 0 usado para broadcast

Atribuies do mestre: Assegurar a troca de informaes entre as ECL (Estaes de Controle

Local) ou ETD (Equipamento Terminal de Dados) Assegurar o dilogo com o operador do sistema (homem/mquina) Assegurar um dilogo com outros mestres ou com um computador (gesto

centralizada do conjunto do processo) Assegurar a programao ou passagem de parmetros para os escravos


75/157

MODBUS

Atualmente implementado usando: TCP/IP sobre Ethernet (MODBUS TCP/IP)

Usado para comunicao entre sistemas de superviso e CLPs Os dados, em formato binrio, so encapsulados em quadros Ethernet e

pacotes TCP/IP Utiliza a porta 502 da pilha TCP/IP

MODBUS PADRO Usado para comunicao dos CLPs com os mdulos de E/S, atuadores de

vlvulas, transdutores de energia, etc O Protocolo o Mestre-Escravo Transmisso serial assncrona sobre vrios meios:

EIA/TIA-232-E, EIA/TIA-422, EIA/TIA-485-A, Fibra tica, Rdio

MODBUS PLUS

Rede de passagem de token de alta velocidade Usado para comunicao entre si de CLPs, mdulos de E/S, IHM, etc O meio fsico o RS485, taxa de transmisso de 1 Mbps Controle de acesso ao meio atravs do Protocolo HDLC


76/157

MODBUS

Tipos de Protocolos MODBUS


77/157

Referncia: MODBUS Application Protocol Specification V1.1b

MODBUS


78/157

Referncia: MODBUS Application Protocol Specification V1.1b


79/157

MODBUS

Abreviaturas ADU Application Data Unit HDLC High level Data Link Control HMI Humam Machine Interface IETF Internet Engineering Task Force

I/O Input/Output IP Internet Protocol MAC Medium Access Control MB MODBUS Protocol MBAP MODBUS Application Protocol PDU Protocol Data Unit

PLC Progammable Logic Controller TCP Transmission Control Protocol TIA Telecommunication Industry Association EIA - Electonic Industries Alliance


80/157

MODBUS

Descrio do protocolo O protocolo MODBUS define uma nica PDU,

independente do protocolo de comunicao

O mapeamento (encapsulamento) doprotocolo MODBUS em um barramento ourede especfica introduz alguns camposadicionais, criando a ADU


81/157

MODBUS

Codificao de mensagens As mensagens so constitudas por um conjunto de

caracteres hexadecimais ou ASCII O tamanho mximo da PDU de 253 bytes, ento:

RS232/RS485 ADU = 253 (dados) + 1 (endereo) + 2 (CRC) TCP/IP MODBUS ADU = 253 (dados) + 7 (MBAP)

Os servios so especificados por cdigos de funo Cada servio possui um formato de mensagem para

a requisio e outro para a resposta

Cdigos vlidos vo de 1 a 255, sendo que de 128 a255 so reservados para respostas de exceo. O bitmais significativo o que decide o tipo do cdigo

Cdigos de sub-funo podem ser adicionados aoscdigos de funo para definir mltiplas aes


82/157

MODBUS

Transaes entre mestre e escravo


83/157

MODBUS

O campo dados da mensagem enviada de um mestre para umescravo (dispositivo servidor) contm informaes adicionais queauxiliam o escravo a executar a ao requerida no campo cdigo dafuno, como: Endereos dos registradores (registro inicial) Quantidade de registros a serem lidos

Contador da quantidade de bytes no campo de dados O campo de dados pode no existir. Neste caso o prprio cdigo da

funo sozinho especifica a ao requerida Se no ocorrer nenhum erro na funo especificada na requisio,

a resposta do escravo conter o dado requisitado, caso contrrio ocampo dados conter um cdigo de exceo


84/157

MODBUS

Formato da requisio: N do endereo do escravo (1 byte)

Cdigo da funo a realizar (1 byte)

Comandos de escrita ou leitura Dados

Endereo da posio de memria (2 bytes)

Quantidade de operandos (2 bytes) Para mltiplos operandos o 1 byte especifica o operando e o

2 especifica o nmero de operandos Dados a serem escritos no escravo (at 250 bytes)

Controle de erros (2 bytes): CRC-16


85/157

MODBUS

Formato da resposta: N do endereo do escravo (1 byte)

Cdigo da funo realizada (1 byte) Comando solicitado de escrita ou leitura

Dados Quantidade de dados da resposta (1 bytes)

Dados solicitados para o escravo (at 250 bytes) Controle de erros (2 bytes): CRC-16


86/157

MODBUS

Funes para troca de mensagens Leitura de dados Escrita de dados Difuso de dados (broadcast)

Tipos de dados Dados de 1 bit

Bobinas (coils): podem ser lidos ou escritos no escravo Entradas (inputs): leitura do escravo

Dados de 16 bits (registros) Retentivos (holding): podem ser lidos ou escritos no escravo Entradas (inputs): leitura do escravo


87/157

MODBUS

Alguns cdigos de requisio de servios (comandos)01 - Read coil status: leitura de mltiplos operandos do tipo coil (leitura do

estado das sadas discretas)02 - Read input status: leitura de mltiplos operandos do tipo input (leitura

do estado das entradas discretas)03 - Read holding register: leitura de mltiplos operandos do tipo holding

register (leitura dos valores dos registradores de memria)04 -Read input register: leitura de mltiplos operandos do tipo input

register (leitura dos valores das entradas analgicas)05 - Force single coil: escrita de um nico operando do tipo coil (escrita de

uma nica sada discreta)06 - Preset single register: escrita de um nico operando do tipo holding

register (escrita de um valor em um registrador de memria)0F - Force multiple coils: escrita de mltiplos operandos do tipo coil

(escrita de mltiplas sadas discretas)10 - Preset multiple registers: escrita de mltiplos operandos do tipo

holding register (escrita de mltiplos valores em registradores dememria)


88/157

MODBUS Endereos lgicos dos dados (memria dividida em registradoresde 16 bits)

00001 a 09999 coils (solenides, sadas discretas para os atuadoresON-OFF utilizam um bit. Cada registrador comporta 16 sadas)

10001 a 19999 inputs (entradas discretas para os sensores ON-OFFutilizam um bit. Cada registrador comporta 16 sadas)

30001 a 39999 inputs registers (entradas analgicas utilizam

registradores de 16 bits para os valores obtidos dos conversores A/D apartir do sinais dos sensores analgicos) 40001 a 49999 holding registers (registradores de memrias com 16

bits para os valores utilizados internamente nos CLPs)

Na prtica todos os endereos lgicos variam de 0 a 9998 e aidentificao est associada ao tipo do servio (cdigo da funo)

Endereos dos dispositivos 0 para difuso De 1 a 247 para os escravos (dispositivos)


89/157

MODBUS

Deteco de erros Checagem de paridade do caracter do frame

Par mpar Sem paridade

Checagem de quadro na mensagem ASCII LRC (2 bytes) RTU CRC (2 bytes) complemento a 2 da soma de todos os bytes da

mensagem, exceto os delimitadores

Temporizaes O tempo de linha inativa entre bytes de uma mesma mensagem deve

ser menor que 1,5 tempos de byte

Entre duas mensagens consecutivas deve existir um tempo mnimo deinatividade na linha de 3,5 tempos de byte Existe um atraso mximo (timeout) para receber uma resposta do

escravo. Se o timeout estourar, o mestre faz nova tentativa


90/157

MODBUS

Formatos dos pacotes de comunicao (modo de transmisso) MODBUS ASCII

Os dados so codificados em caracteres ASCII de 7 bits (0 a 9 e A a F) Intervalos


91/157

MODBUS

MODBUS RTU (Remote Terminal Unit) Os dados so transmitidos em formato binrio de 8 bits (0 a 252 bytes) Os delimitadores de incio e fim so um intervalo (silncio) de 3,5 caracteres 11 bits por byte (caractere):

1 start bit 8 bits de dados

1 bit de paridade 1 stop bit

Sem paridade, ento: 2 stop bit

Silncio 3,5 caracter

D R O U O D DOS RST RT

8 bits 8 bits n 8 bits

STO

1 bits silnciosilncio

ormato do uadro usado no MODBUS RTU


92/157

MODBUS Transmisso de quadros no modo RTU ao longo do tempo com os

intervalos mnimos de tempo entre quadros e mximos entre caracteres

Diagrama de tempo em um cenrio mestre/escravo


93/157

Diagrama de tempo em um cenrio mestre/escravo


94/157

MODBUS

RTU CRC (Cyclical Redundancy Checking) O CRC aplicado na mensagem inteira indiferente ao tipo de paridade usado nos caracteres individuais da mensagem Os bits de start, stop e paridade no entram no clculo Os dois bytes so adicionados ao final da mensagem (byte de baixa ordem + byte

de alta ordem) O CRC calculado pelo transmissor. O receptor calcula o CRC e compara com o

valor recebido. Se no so iguais existe um erro e a mensagem descartada O clculo do CRC feito da seguinte forma:1. Carregue o registrador CRC de 16 bits com FFFF (tudo 1)2. Faa a operao XOR do primeiro byte da mensagem com o byte de mais baixa ordem do

registrador, colocando o resultado no registrador3. Desloque o registrador de um bit para a direita, em direo ao bit LSB, colocando o valor 0

na posio do bit MSB4. Extraia e examine o LSB:

Se LSB=0, volte ao passo 3 e faa novo deslocamento Se LSB=1 faa um XOR do valor do registrador com o valor do polinmio 0xA001 (x15 + x13 + 1)

Repita os passos 3 e 4 at que 8 deslocamentos tenham sido realizados para que um byteseja completamente processado

Repita os passos 2 at 5 para o prximo byte da mensagem. Continue repetindo at quetodos os bytes da mensagem tenham sido processados

O contedo final do registrador o valor do CRC Na mensagem o byte menos significativo colocado primeiro


95/157

MODBUSASCII LRC (Longitudinal Redundancy Checking) O LRC aplicado na mensagem inteira indiferente ao tipo de paridade usado nos caracteres individuais da

mensagem Os caracteres : e CRLF no entram no clculo O clculo feito antes de codificar cada byte hexadecimal em dois bytes

ASCII Os bytes de LRC so adicionados ao final da mensagem O LRC calculado pelo transmissor. O receptor calcula o LRC e compara

com o valor recebido. Se no so iguais existe um erro e a mensagem descartada

O clculo do LRC feito da seguinte forma: Adiciona-se, sucessivamente, cada byte da mensagem Os bits de carry so descartados Ao resultado aplica-se o complemento a dois O resultado codificado em dois bytes ASCII O byte mais significativo transmitido primeiro

EXEMPLO DE CLCULO DE CRC PARA OS VALORES 0207


96/157

SOMAR COM O SEGUNDO BYTE

1110001100011000XOR

0001000000001010FLAG=1, XOR COM POLINMIO

11111001100010010DESLOCAMENTO 8

01111011100100100DESLOCAMENTO 7

1110111101001000XOR


11111111101000010DESLOCAMENTO 6

01111111110010100DESLOCAMENTO 5

1110111100111001XOR


11111111100110011DESLOCAMENTO 4

01111111101110110DESLOCAMENTO 3

1110111111111100XOR


11111111111110110DESLOCAMENTO 2

1111111111111101XOR


11110111111110111DESLOCAMENTO 1

1101111111111111XOR ENTRE REGISTRADOR E 1 CARACTER

00100000000000001 CARACTERE

1111111111111111INICIALIZAO DO REGISTRADOR CRC

FLAG2 BYTE1 BYTEAO

1110001100011000CONTEDO DO REGISTRADOR CRC (1 BYTE)

FLAG2 BYTE1 BYTEAO


97/157

2114CONTEDO DO CAMPO CRC NO QUADRO

1421CONTEDO DO REGISTRADOR CRC

00001010000100001DESLOCAMENTO 8

00010100001000010DESLOCAMENTO 7

00100000010010100DESLOCAMENTO 6

1000000000101001XOR


11001000000100011DESLOCAMENTO 5

00011000101000110DESLOCAMENTO 4

0110001010001100XOR


10111001010000110DESLOCAMENTO 3

1111010000001101XOR


11110010000000111DESLOCAMENTO 2

1101100100001110XOR


11100100100000100DESLOCAMENTO 1

1001001100011000XOR ENTRE REGISTRADOR E 2 CARACTER

01110000000000002 CARACTERE

1110001100011000CONTEDO DO REGISTRADOR CRC (1 BYTE)


98/157

MODBUS

Clculo do LRC Endereo (12): 0001 0010 Funo (01): 0000 0001 End. Inicial Hi (02): 0000 0010

End. Inicial Lo (10): 0001 0000 Quantidade Hi (00): 0000 0000 Quantidade Lo (01): 0000 0001 Checksum: 0010 0110 Complemento a 1: 1101 1001 Complemento a 2: 1101 1010 LRC (hexadecimal): D A LRC (ASCII-binrio): 0100 0100 0100 0001


99/157

MODBUS Caractersticas fixas:

Formato da mensagem Funes disponveis Tratamento de erros

Caractersticas selecionveis: Meio de transmisso

Velocidade Timeout Bits de parada e de paridade Modo de transmisso (RTU ou ASCII)

Define como os bits sero codificados Endereo 3Bh no RTU: 0011 1011 Endereo 3Bh no ASCII: 3=33h 0011 0011 e B=42h 0100 0010

Nos Protocolos MODBUS Plus e MODBUS TCP/IP as mensagens socolocadas em frames e usa-se o modo de transmisso RTU O tamanho da mensagem ASCII duas vezes maior que a RTU No modo RTU todos os caracteres devem ser enviados em uma sequncia

contnua O modo RTU tambm conhecido como MODBUS-B ou MODBUS Binrio


100/157

MODBUS Exemplos de perguntas e respostas:

O mestre solicita uma leitura dos registradores 40108 a 40110 ao escravo 06 O dispositivo 06 responde com o contedo das trs palavras O 1 registrador o 40001 que endereado como 0, portanto o endereo do 40108 107d=006Bh Registrador 40108 = 02 2Bh = 555 Registrador 40109 = 00 00h = 0 Registrador 40110 = 00 63h = 99

CRC(2)LRC(2)CRCControle de erro

Nenhum:Cabealho

NenhumCR LFTrailer

0110 00116363Dado LO

2 00000000Dado HI

1 00000000Dado LO

0000 00000000Dado HI

0010 10112B2BDado LO

0000 00100202Dado HI

0000 01100606Quantidade de bytes

0000 00110303Cdigo da funo

0000 01100606Endereo do escravo

RTUASCIIHexaNome do campo

CRC(2)LRC(2)CRCControle de erro

Nenhum:Cabealho

NenhumCR LFTrailer

0000 00110303Nmero de registros LO

0000 00000000Nmero de registros HI

0110 10116B6BEndereo de incio LO

0000 00000000Endereo de incio HI

0000 00110303Cdigo da funo


RTUASCIIHexaNome do campo


101/157

MODBUS

Exemplos de perguntas e respostas:

O mestre solicita a leitura de algumas entradas digitais, nointervalo de endereo 10197 a 10218 ao dispositivo 17

O dispositivo cujo endereo 17 responde ao mestre

CRCCRCControle de erro

0001 011016Nmero de registros LO

0000 000000Nmero de registros HI

1100 0100C4Endereo de incio LO0000 000000Endereo de incio HI

0000 001002Funo


RTUHexaNome do campo


0011 010135Dado (10218 ... 10213)

1101 1011DBDado (10212 ... 10205)

1010 1100ACDado (10204 ... 10197)0000 001103Contagem de bytes

0000 001002Funo



MODBUS


102/157

MODBUS

Exemplos de perguntas e respostas:

Requisio para ler os registros 108 a 110

MODBUS


103/157

MODBUS

Exemplos de perguntas e respostas: Requisio para ler a entrada do registro 9

Requisio para escrever o valor 00 03 no registro 2

MODBUS


104/157

MODBUS

Exemplos de perguntas e respostas: O mestre solicita a escrita de um bit, valor 1, no endereo lgico

173 do escravo cujo endereo 17 O dispositivo cujo endereo 17 responde ao mestre


0000 000000Force dado LO

1111 1111FFForce dado HI

1010 1100ACEndereo solenide LO0000 000000Endereo solenide HI

1010 1100ACEndereo de incio LO

0000 000000Endereo de incio HI

0000 010105Funo




0000 000000Force dado LO1111 1111FFForce dado HI

1010 1100ACEndereo solenide LO

0000 000000Endereo solenide HI

0000 001005Funo



MODBUS TCP/IP


105/157

MODBUS TCP/IP

No h distino entre mestre e escravo, ento qualquern pode acessar qualquer n

A mensagem encapsulada em um pacote TCP/IP Permite assim o acesso remoto via WEB

Os comandos so enviados por um cliente para a porta502 de um servidor

O encapsulamento no alterou a estrutura bsica damensagem original Modbus O endereo agora tem 1 byte e chama-se Identificador nico O campo CRC no usado

Usa o TCP na camada de transporte e o CSMA/CDcomo controle de acesso ao meio

MODBUS TCP/IP


106/157

MODBUS TCP/IP

O protocolo MODBUS define uma nica PDU,independente do protocolo de comunicao

MBAP Modbus Application Protocol

MODBUS TCP/IP


107/157

MODBUS TCP/IP

O formato e o contedo dos dados contidos em uma mensagemModbusTCP/IP identificado pelo campo cdigo de funo e seuvalor 91d (5Bh)

As transaes entre nodos so associadas a request(cdigo par) eresponse (cdigo mpar) ou notifypara excees

Estrutura do cabealho MBAP:

MODBUS TCP/IP


108/157

MODBUS TCP/IP

Estrutura do campo de dados:

MODBUS TCP/IP


109/157

MODBUS TCP/IP

Um esquema de endereamento deve ser usado dentrodo protocolo para providenciar a comunicao entrecliente/servidores

O endereo deve ser: IP+Unit ID Unit ID vlidos: faixa entre 0 e 247 (255 usado para

comunicao com um gateway) Cada mensagem constituda de um ou mais

fragmentos de mensagem. O tamanho mximo dedados de cada fragmento de 195 bytes

Cada fragmento contm 7 campos: Byte 0 Fragment Byte Count (8 bits):

contm o comprimento em bytes da mensagem Modbus. Omximo 197 bytes, excluindo ele prprio e o Stuff

MODBUS TCP/IP


110/157

MODBUS TCP/IP

Byte 1 Fragment In Process Indicator (1 bit): Se =1 indica que o campo de dados um fragmento de uma

mensagem com multi-fragmentos

Byte 1 Last Fragment Indicator (1 bit):

Se =1 indica que o ltimo fragmento da mensagem Byte 1 Reserved (3 bits): No usado e deve ser =0

Byte 1 Fragment Sequence Number (3 bits): Contador que indica o nmero sequencial do fragmento

Bytes 2 e 3 Class ID (16 bits): A classe do objeto associada com o servio. Em uma

requisio de servio a Class ID especifica o servio a serexecutado em uma determinado objeto

MODBUS TCP/IP


111/157

MODBUS TCP/IP

Bytes 4 e 5 Instance ID (16 bits): A instncia do objeto associada ao servio

Bytes 6 e 7 Service Code (16 bits): O cdigo especifica o servio requisitado

Bytes 8 ... Data (n*16 bits): Dados associados aos servio requisitado, isto ,

parmetros do servio

Stuff Byte Condicional (8 bits): Se o comprimento do campo de dados no

mltiplo de 16, necessrio acrescentar esse byteao final da mensagem

MODBUS TCP/IP


112/157

MODBUS TCP/IP

Protocolo de Endereamento a Objeto do Modbus: O Modelo do Objeto especifica o agrupamento, a estrutura e o

comportamento dos dispositivos Objetos so considerados entidades que agrupam estruturas e

comportamentos de uma maneira lgica Em um dispositivo, os objetos tem uma estrutura fsica ou

conceitual anlogas Um objeto pode ser associado a um sensor em um dispositivo, ou

pode ser o conjunto de estrutura e comportamento que compreendeo gerenciamento do dispositivo

A hierarquia Classe/Instncia utilizada para suportar a herana,permitindo assim a definio do tipo do objeto (classe) e especificar

as implementaes desses objetos (instncia) Exemplo: em um banco de dispositivos fotodetectores a classe

pode ser definida como fotodetector e a instncia cadafotodetector individualmente

PROFIBUS


113/157

PROFIBUS

Principal sistema aberto para fieldbus

Baseado nos padres: EN 50170 e EN 50254

IEC 61158 e IEC 61784

Independncia de fabricantes (dispositivos devemcomunicar-se)

Utiliza o protocolo de acesso ao barramento tokenpassingpara comunicao entre os mestres (estaes

ativas), usando um anel lgico E o procedimento mestre-escravo para comunicaoentre o mestre e os escravos (estaes passivas)

Atende vrios nveis em sistemas de automao

PROFIBUS


114/157

PROFIBUS

Protocolos de acesso

PROFIBUS


115/157

PROFIBUS

PROFIBUS


116/157

PROFIBUS

No nvel de sensores e atuadores permiteinteroperabilidade com: RS-485, IEC 61158, fibra tica e protocolo As-i

No nvel de campo os protocolos Profibus-DP(Decentralized Periphery) e Profibus-PA (Process

Automation) transmitem dados a partir de mdulos deE/S, transdutores, acionamentos, etc

No nvel de clula esto os CLP`s, PC`s, IHM. Podemcomunicar-se entre si e entre os nveis acima e abaixoutilizando os protocolos Profibus-FMS (Fieldbus Message

Specification) ou ProfiNet O nvel de clula troca informaes com o nvel de fbrica

utilizando o Ethernet/TCP-IP

PROFIBUS


117/157

PROFIBUS

PROFIBUS


118/157

PROFIBUS

PROFIBUS


119/157

PROFIBUS

PROFIBUS


120/157

PROFIBUS

PROFIBUS


121/157

PROFIBUS

Perfil de comunicao

PROFIBUS


122/157

PROFIBUS

Tecnologias de transmisso: RS-485 (Profibus-DP/FMS)

Cabo de par tranado, blindado ou no como barramento linear

Taxa de transmisso: 9,6 Kbps at 12 Mbps

Comunicao bilateral

32 estaes por segmento sem repetidores e at 127 estaes comrepetirodres

Conectores DB9

IEC 1158-2 (Profibus-PA) Usado na indstria petroqumica/produtos qumicos

Corrente de modulao de no mnimo 10 mA Transmisso digital, com sincronismo bit a bit

Taxa de transmisso: 31,25 Kbps

Cabo de par tranado, blindado ou no como barramento linear

32 estaes por segmento (pode usar repetidores)

PROFIBUS


123/157

PROFIBUS

Tecnologias de transmisso: Fibra tica

Usado em ambientes ruidosos e com interferncia eletromagnticamuito elevada, aumentar a distncia mxima e elevadas taxa detransmisso

Fibra multimodo: 2 a 3 km Fibra monomodo: at 15 km

Existem conversosres RS-485/Fibra

PROFIBUS


124/157

PROFIBUS

Detalhamento da Arquitetura Bsica de uma Instalao

PROFIBUS


125/157

PROFIBUS

Arquiteturas

PROFIBUS


126/157

PROFIBUS

Arquiteturas: Profibus-DP

Automao de cho de fbrica (nvel de dispositivo: CLP com drivers,vlvulas, I/O, etc)

Usa as camadas 1 e 2 (FDL Field Data Link) do MR-OSI e a

interface com o usurio O acesso camada 2 feito pelo protocolo DDLM Direct Data Link

Mapper

Funes bsicas:

Tecnologia de transmisso:

RS-485 ou fibra tica Taxa de transmisso de 9,6 Kbps a 12 Mbps

Acesso ao barramento:

Procedimento mestre-mestre e mestre-escravo

Possibilidade de sistemas mono-mestre ou multi-mestre Mximo de 126 estaes por barramento

PROFIBUS


127/157

PROFIBUS

Arquiteturas: Profibus-DP

Funes bsicas:

Comunicaes: Ponto-a-ponto ou multicast (comandos de controle)

Mestre-escravo cclica e mestre-mestre acclica Modos de operao:

Operate transmisso cclica de dados de E/S

Clear as entradas so lidas e as sadas so colocadasnum status prova de falhas

Stop somente transmisses mestre-mestre so permitidas Sincronizao:

Comandos de controle realizam as sincronizaes nasentradas e sadas

Modo sncrono as sadas so sincronizadas

Freeze mode as entradas so sincronizadas

PROFIBUS


128/157

PROFIBUS Arquiteturas:

Profibus-PA Soluo Profibus para automao de processos Conecta sistemas de automao e de controle de processos com os

dispositivos de controle (controladores de presso, controladores detemperatura e posicionadores de vlvulas)

Pode ser usado como um substituto para a tecnologia analgica (4 a20 mA)

Utiliza as mesmas funes bsicas do Profibus-DP Satisfaz as exigncias da indstria de controle e processos:

O perfil original da aplicao para a automao do processo einteroperabilidade dos equipamentos de campo dos diferentesfabricantes

Adio e remoo de estaes de barramentos, mesmo em reasintrinsecamente seguras, sem influncia pra outras estaes

Comunicao transparente atravs dos acopladores do segmento entreo barramento de automao do processo Profibus-PA e do barramentode automao industrial Profibus-DP

Alimentao remota e transmisso de dados sobre o mesmo par de fiosbaseado na tecnologia IEC 1158-2

Uso em rea potencialmente explosivas com blindagem explosiva tipointrinsecamente segura

PROFIBUS


129/157

PROFIBUS

Arquiteturas: Profibus-FMS

Os CLP`s esto no mesmo nvel e a comunicao feita entre eles

Neste nvel um elevado grau de funcionalidades mais importante doque o tempo de resposta

Servios disponveis: Estabilizar conectores lgicos (context management)

Leitura e escrita de variveis (variable access)

Carrega reas de memrias lidas (domain management)

Conexes mestre-mestre

Conexes mestre-escravo para transmisses cclicas eacclicas

PROFIBUS


130/157

PROFIBUS

PROFIBUS


131/157

PROFIBUS

Implementao de escravo Profibus com interface IEC1158-2

PROFIBUS


132/157

PROFIBUS

Novos desenvolvimentos tcnicos

PROFIBUS


133/157

PROFIBUS

Smar Equipamentos Industriais Ltda


134/157

FOUNDATION


135/157

FOUNDATION

Surgiu como mais uma proposta depadronizao de protocolos, patrocinada pelaWorldFIP (WorldFactory InstrumentationProtocol) e ISP (Interoperable Systems Project)

Plantas industriais e qumicas Participa da ISA/IEC SP50

O protocolo Foundation Fieldbus especifica as

camadas fsica, enlace e aplicao, do RM-OSImais a camada de usurio

FOUNDATION


136/157

FOUNDATION

Reduo do hardware

FOUNDATION


137/157

FOUNDATION

Economia de instalao

FOUNDATION


138/157

FOUNDATION

Mltiplas variveis, ambas direes

FOUNDATION


139/157

FOUNDATION

RM-OSI e Fieldbus Foundation

FOUNDATION


140/157

FOUNDATION

Encapsulamento dos protocolos

FOUNDATION


141/157

FOUNDATION Camada fsica:

Utiliza apenas par tranado Especifica duas taxas de transmisso:

H2 (higher-speed fieldbus), utiliza 1,0 e 2,5 Mbps (interligaequipamentos de usurio (PCs, etc) e dispositivos mais rpidos docho de fbrica)

H1 (lower-speed fieldbus), utiliza 31,25 Kbps (interliga

dispositivos mais lentos de cho de fbrica podendo operar nasmesmas instalaes do padro 4-20 mA) Permite o uso de at 32 dispositivos conectados ao barramento O tamanho do cabo funo da qualidade do mesmo:

Tipo 31,25 Kbps 1 Mbps 2,5 Mbps Comentrios "A 1900 m 750 m 500 m apenas 1 par-tranado em um

cabo blindado "B 1200 m - - mltiplos pares tranados

com uma blindagem externa "C 400 m - - um ou vrios pares tranados,

mas sem blindagem "D 200 m - - mltiplos condutores sem ser

par-tranado

FOUNDATION


142/157

FOUNDATION

Codificao dos bits

FOUNDATION


143/157

Prembulo e delimitadores de incio e fim

FOUNDATION


144/157

Instalao eltrica

FOUNDATION


145/157

Interligao com redes de alta velocidade

FOUNDATION


146/157

Grandes redes

FOUNDATION


147/157

Camada de enlace de dados O acesso ao fieldbus gerenciado por um

escalonador de barramento centralizado edeterminstico, o LAS (Link Active Scheduler)

O padro estabelece 2 tipos de dispositivos:

LinkMaster: o LAS, podendo controlar as comunicaes nobarramento (mestre)

Basic: so todos os outros dispositivos (escravos)

Na configurao do fieldbus, a estao LAS recebeuma lista de todos os dispositivos no barramento,quais dados devem ser disponibilizados por cada um ea que instante (mensagens escalonadas)

LAS redundantes podem ser includos para garantir aoperao contnua da rede

FOUNDATION


148/157

Dispositivos do Fieldbus Foundation

FOUNDATION


149/157

No momento agendado, o LAS emite uma mensagemde dados compilados (CD) para cada dispositivo O dispositivo endereado (editor) coloca seus dados

no barramento (broadcast) Os dispositivos configurados para receber os dados

(assinante) iro receb-los simultaneamente Transferncia de dados agendados so tipicamenteusadas para regular a transferncia cclica de dadosda malha de controle entre os dispositivos e ofieldbus

Para os outros tipos de mensagens, as no-

escalonadas, tais como os pedidos eventuais dedados e alarmes, o LAS deve deixar espaos vagosno escalonamento para poder atender a essespedidos

FOUNDATION


150/157

Transferncia agendada de dados

CD (a)

LAS

FOUNDATION


151/157

Transferncia no agendada de dados

FOUNDATION


152/157

Camada de Aplicao de interesse principalmente de desenvolvedores Permite a comunicao entre dispositivos atravs de uma interface

padronizada (por meio de nomes, ndices e/ou endereos reunidos numdicionrio de objetos)

Camada de Usurio Realiza o gerenciamento da rede (configurao do LAS,monitoramento), o gerenciamento do sistema (clock, endereos, etc.) esuporta a aplicao do usurio (blocos ou objetos que do afuncionalidade da aplicao)

O Fieldbus Foundation tem a vantagem de utilizar um devicedescription (DD) para cada dispositivo. Esta descrio serve como sefosse um driver, fornecendo todas as opes de atuao ecomunicao do mesmo. Com isso, pode-se, numa mesma rede,substituir e misturar dispositivos de fabricantes diferentes mas demesma funcionalidade, sem nenhum problema de comunicao e deforma transparente para o usurio (interoperabilidade)

FOUNDATION


153/157

As conexes Fieldbus Foudation convergem para um s ponto

FOUNDATION


154/157

ControlNet & Fieldebus

FOUNDATION


155/157

Arquitetura integrada

AbreviaturasAI Analog In

ADU Application Data Unit

IP Internet Protocol

IS Integrated System


156/157

pp

ALI Application Layer Interface

AO Analog Out

AUI Attachment Unit Interface

CD Compel Data

CIM Computer Integrated Manufacturing

CLP Controlador Lgico Programvel

DCS Distributed Controller Sistem

DDC Direct Digital Controller

DD - Device Description

DIS Data Independent Sublayer

DLL Data Link Layer

EIA - Electonic Industries Alliance

FAS Fieldbus Access Sublayer

FMS Fieldbus Message Specification

HDLC High level Data Link Control

HMI Humam Machine Interface

HSE High Speed Equipment

IETF Internet Engineering Task Force

I/O Input/Output

g y

ISA Instrumentation Society of America

LAS Link Active Scheduler

LD -

LLI Lower Layer Interface

MAC Medium Access Control

MAU Medium Attachment Unit

MB MODBUS Protocol

MBAP MODBUS Application Protocol

MDS Medium Dependent Sublayer

PCI Protocol Control Information

PDU Protocol Data Unit

PID Proportional/Integral/Derivative

PLC Progammable Logic Controller

PROFIBUS Process Field Bus

RTU Remote Terminal Unit

SDCD Sistema Digital de Controle Distribudo

SCADA Supervisory Control and Data Acquisition

SLC Single-Loop Controllers

TCP Transmission Control Protocol

TIA Telecommunication Industry Association

Referncias bibliogrficas

M. R. Stemmer, LCMI/DAS/UFSC


157/157

M. R. Stemmer, LCMI/DAS/UFSC

Documents

REDES INDUSTRIAIS UCGv2