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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
REDES LOCAIS INDUSTRIAIS
PROF. DR. JOSÉ JEAN-PAUL ZANLUCCHI DE SOUZA TAVARES
Simulação de redes de comunicação industriais
Bruno Botelho Prudente 93697 Vandemberg Vasconcelos da Silva 85731
Vítor Alexandre Caixeta Ildeu 87262
Uberlândia, 26 de Junho de 2012
Sumário
1. OBJETIVOS...................................................................................................................3
2. INTRODUÇÃO.............................................................................................................4
3. EQUIPAMENTOS UTILIZADOS...............................................................................6
4. CONFIGURAÇÕES.......................................................................................................8
CLP............................................................................................................................................9
OTB I/O Station protocolo Ethernet..............................................................11
Murr I/O Station protocolo AS-i....................................................................13
Murr I/O Station (Impact20) protocolo Profibus-DP.....................................14
Rede Profibus.................................................................................................18
Rede AS-i........................................................................................................20
5. CONCLUSÃO...............................................................................................................21
6. BIBLIOGRAFIA..........................................................................................................22
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Objetivos
Esta atividade prática tem como objetivo a simulação de redes de comunicação
industriais no sistema didático para Redes Industriais, adquirido pelo Laboratório de
Ensino de Mecatrônica (LEM). Este sistema possui em seu conjunto, um CLP, com
protocolo de comunicação PROFIBUS-DP, entradas e saídas digitais integradas na CPU,
interface de comunicação AS-I, interface de comunicação Ethernet, interface de
entradas e saídas analógicas.
Além dessa atividade prática, iremos especificar um projeto de expansão da
rede existente, a saber, ampliação da rede PROFIBUS-DP para acrescentar rede
PROFIBUS-PA com 01 acoplador, responsável pela coleta de dados de um sensor de
temperatura do tipo Pt100; e 01 link, vinculado ao acionamento de uma válvula de 3
vias proporcional de 1 polegada para água gelada.
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Introdução
As condições ideais de redes abertas em sistemas industriais dependem de uma
combinação gradual de diferentes sistemas de comunicação, tais como Ethernet,
PROFIBUS e AS-Interface.
No nível de atuadores/sensores o AS-Interface é o sistema de comunicação de
dados ideal, pois os sinais binários de dados são transmitidos via um barramento
extremamente simples e de baixo custo, juntamente com a energia (24Vdc) necessária
para alimentar estes mesmos sensores e atuadores.
No nível de campo, a periferia distribuída, tais como módulos de E/S,
transdutores, acionamentos (drives), válvulas e painéis de operação, comunicam-se
com sistemas de automação via um eficiente sistema de comunicação em tempo real,
o PROFIBUS DP ou PA.
No nível de célula, os controladores programáveis, tais como CLP’s e PC’s
comunicam-se uns com os outros, o que requer grandes pacotes de dados e um
grande número de funções poderosas de comunicação. Além disto, uma integração
eficiente aos sistemas de comunicação corporativos existentes, tais como: Intranet,
Internet e Ethernet é um requisito mandatório.
Em uma indústria moderna coexistem muitos dispositivos e equipamentos
destinados ao controle, por exemplo, os controladores lógicos programáveis, os
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Sistemas Digitais de Controle Distribuído (SDCD), computadores de gerência, de
projetos, sensores etc. O desenvolvimento das redes industriais visa unir todos estes
dispositivos com o objetivo de aumentar o rendimento e diminuir os custos. As
principais vantagens são:
1) Visualização e supervisão do processo de produção;
2) Aquisição de dados do processo mais eficiente e rápida;
3) Melhora do rendimento do processo;
4) Aumento do intercâmbio de dados de processo entre sensores e
departamentos vizinhos;
5) Programação remota, sem necessidade de acesso físico a dispositivos de
chão de fábrica.
A redução de custos é outra questão importante da utilização das Redes de
Comunicação, uma vez que computadores de pequeno porte apresentam uma menor
relação preço/desempenho que os grandes. Assim, sistemas que utilizariam apenas
uma máquina de grande porte e de custo muito elevado podem ser concebidos à base
da utilização de um grande número de microcomputadores (ou estações de trabalho)
manipulando dados presentes num ou mais servidores de arquivos. Outro ponto
importante da existência das Redes de Comunicação é relacionado a um aumento na
confiabilidade do sistema como um todo.
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Equipamentos utilizados
O equipamento didático utilizado é para sistema de treinamento em
Controladores Lógicos Programáveis, que possibilita demonstrações práticas de
desenvolvimento de controle e sistemas automatizado, simulações em aplicações
pneumáticas, e redes de comunicações industriais, presente no ramo da indústria.
O sistema didático possui:
CLP Modicon M340 da Schneider Electric
Profibus Remote Master também da Schneider Electric
I/O Station Profibus Impact 20 da Murr Elektronik
I/O Station AS-i da Murr Elektronik
I/O Station OTB Ethernet
Divisões do sistema didático:
1) Conjunto de CLP e IHM e Módulos de Comunicação: Este conjunto tem como
principal finalidade efetuar o controle das lógicas realizadas no CLP. Criar as telas de
interface com o operador, efetuar simulações utilizando a IHM. Simulação e
configuração de protocolo de comunicação industrial. Profibus-DP, AS-I, Ethernet.
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2) Conjunto dos componentes pneumáticos: Este conjunto tem como principal
finalidade acionar as entradas.
3) Conjunto de entradas e saídas: Ilustração das entradas e saídas do
equipamento didático.
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Configurações
É preciso definir um IP fixo para o PC. É Importante ficar atento para não haver
conflitos de IP com outras máquinas ou equipamentos. A máscara de sub-rede deve
ser definida também.
A figura acima demonstra o esquema de conexão entre os equipamentos da
rede juntamente com o endereço IP referente a cada dispositivo. Para que a rede
funcione sem problemas, cada componente deve ser configurado individualmente
perante uma lógica de endereços gerenciada pelo UnitPro.
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CLP
Com o software Unity Pro XL é possível realizar a configuração e a programação
do CLP Modicon M340 da Schneider.
Este CLP possui vários módulos, eles foram definidos no software para que o
controlador opere com todas as suas funcionalidades. Dentre estes módulos estão:
P34 2020, BMX NOE, BMX EIA:
P34 2020: é a definição da própria CPU do CLP
BMX NOE: módulo responsável pela comunicação do sistema
BMX EIA: módulo que realiza a interface com a rede AS-i
Além destes três módulos citados também existem: DDI, DDO, AMM, nos quais
tem como função a configuração das entradas e saídas digitais do CLP, entretanto, eles
não serão utilizados nesta aplicação, as entradas e saídas digitais serão varridas por
outros equipamentos.
Os módulos CPU e NOE são utilizados para configurar as definições de rede do
CLP. O protocolo do módulo CPU é definido como padrão Ethernet. É preciso criar uma
Network no Unity Pro para realizar a configuração do endereço IP da CPU, sendo que
ele seja diferente de qualquer outro IP de sua rede.
Para o módulo NOE também se cria uma Network onde é definido um IP fixo
que seja diferente dos outros componentes. Uma importante observação: o CLP será
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reconhecido na rede através do IP que foi definido na CPU, e a comunicação é
realizada através do protocolo TCP/IP.
Com os endereços IP corretamente configurados, foi possível reconhecer o CLP
pela rede e realizar a transferência do programa desenvolvido no Unity Pro para o CLP.
Com o CLP operando na rede, a próxima etapa foi começar as configurações
dos outros componentes da rede, tais como a I/O Station OTB Ethernet, I/O Station AS-
i da Murr Elektronik, o Profiubs Remote Master(PRM) e a I/O Station Profibus
Impact20 da Murr Elektronik.
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OTB I/O Station protocolo Ethernet
A configuração deste componente foi realizada no software Advantys.
Similarmente ao CLP, foi preciso definir um módulo para configurar a estação de I/O
OTB. O módulo utilizado foi o: OTB 1E0DM9LP-V2. Com o modelo selecionado, o
próximo passo foi configurar este módulo.
No módulo existem vários parâmetros para se configurar, dentre eles: a
definição do endereço IP, máscara de sub-rede, tempo de conexão latente entre
outros. Em seguida foi preciso configurar a conexão no Advantys para que este módulo
editado seja transferido para o OTB Ethernet.
No Advantys definiu-se o protocolo TCP/IP como padrão, e foi necessário
realizar um procedimento de identificação de IP MAC de fábrica para estabelecer uma
primeira conexão entre o PC e a estação de I/O OTB Ethernet.
Após estes passos, a comunicação entre o OTB Ethernet e o PC pôde ser
estabelecida. Com a primeira conexão realizada, é possível realizar o download do
programa desenvolvido no Advantys para o OTB. Com isso o OTB passará a ter o
endereço IP que foi configurado para ele no módulo 1E0DM9LP-V2.
Com a comunicação entre o OTB e o PC estabelecida, foi possível iniciar a etapa
de configuração do NOE do CLP para que o OTB Ethernet e o CLP pudessem
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estabelecer entre si uma comunicação independente do PC. Para isso foi necessário
sincronizar os endereços IP do NOE e do módulo do OTB Ethernet, depois disso as
variáveis varridas pela estação OTB podem ser acessadas pelo CLP.
Este equipamento em questão realiza a varredura de entradas no sistema e as
envia para o CLP, em seguida este sinal será processado e será gerada uma saída do
CLP, no qual o OTB enviará para o atuador do processo. Para que estas entradas e
saídas pudessem ser acessadas no diagrama Ladder do CLP, foi preciso criar variáveis
relacionadas com um endereço de entrada ou saída do equipamento.
Estas variáveis foram criadas no Unity Pro, mesmo programa no qual o
diagrama Ladder é desenvolvido.
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Murr I/O Station protocolo AS-i
Para que o CLP também reconheça as entradas e saídas geradas pela estação
I/O do protocolo AS-i da marca Murr, foi necessário a configuração do módulo EIA do
CLP através do software Unity Pro.
Para ser realizada esta configuração, foi adicionado o primeiro componente da
rede AS-i, um módulo de 8 entradas e 8 saídas. Neste módulo adicionado, é feita a
definição do ID do dispositivo e a habilitação de quantas entradas e saídas estarão
disponíveis. Nesta aplicação, as entradas são o sinal lido por sensores fim de curso
acoplados em pistões Festo.
Além da configuração deste módulo citado, também é preciso definir a ID das
saídas que serão utilizadas na aplicação. Neste caso as saídas foram utilizadas para
acionar uma válvula solenoide Festo.
Com esta etapa de configuração concluída, em seguida foi criado duas variáveis
para receberem o sinal dos sensores fim de curso. Para isso foi preciso relacionar qual
entrada da estação I/O corresponde o sinal lido.
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Murr I/O Station (Impact20) protocolo Profibus-DP
O protocolo Profibus é um pouco mais complexo, ele exige que um dispositivo
faça a interface entre a rede Profibus e a rede Ethernet. Este dispositivo é o Profibus
Remote Master(PRM) da Schneider Electric. Da mesma forma que a estação de I/O
Ethernet, a estação de I/O Profibus fará comunicação com o CLP através do módulo
NOE (lembrando que a estação de I/O AS-i se comunicou com o CLP através do módulo
EIA).
A configuração do PRM foi realizada pelo software Unity Pro. No software
existe um local para se inserir o DTM (Device Type Manager), neste local é definido
que o DTM é o PRM. Em seguida foi necessário definir que o PRM irá atuar na rede
como mestre.
O PRM Master irá fazer a varredura na rede criada buscando atualizar as
variáveis definidas no CLP, para isso, o Impact20 irá atuar como escravo fornecendo as
informações quando requisitado pelo mestre. Para que o PRM reconheça as variáveis
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geradas pelo Impact20 foi preciso adicionar uma biblioteca GSD no PRM através
programa no Unity Pro.
Com os componentes da rede Profibus definidos, a próxima etapa foi a
configuração dos endereços IP do PRM e do Impact20. Foi preciso inserir o endereço
MAC de fábrica do PRM no qual se encontrou na parte frontal do equipamento e
também definir um IP fixo que não estivesse sendo utilizado por nenhum outro
equipamento na rede. O Impact20 possui em sua parte frontal uma chave que indica
um número de 0 a 9, no software Unity Pro é preciso entrar com este número do
dispositivo como endereço da rede Profibus.
O Impact20 possui 3 módulos de configuração: 16 entradas digitais, 8 entradas
digitais e 8 saídas digitais e 16 saídas digitais. Para esta aplicação foi escolhido o
módulo de 8 entradas digitais e 8 saídas digitais.
Todos estes procedimentos citados foram realizados no software Unity Pro e
ainda não foram passados para o PRM pois similarmente ao OTB, foi preciso
estabelecer uma primeira conexão com o equipamento através do endereço de fábrica
MAC para que seja feito o download do programa com as configurações desejadas.
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Com o download realizado, foi estabelecida a comunicação entre o Impact20 e
o PRM Master através da rede Profibus e entre o PRM e o PC através da rede Ethernet.
O próximo passo é estabelecer a comunicação entre o CLP e o PRM diretamente.
Assim como foi dito no início desta seção, para estabelecer a comunicação
entre o CLP e o PRM diretamente, será utilizado o módulo NOE do CLP para definir o
endereço IP do PRM. Para isto, no módulo NOE foi preciso inserir o endereço IP do
PRM e a máscara de sub-rede. Com os parâmetros inseridos, foi feito o download do
programa para o CLP com as novas configurações, assim, o CLP reconheceu de forma
direta o PRM Master. Neste momento, foi possível observar que a comunicação havia
sido estabelecida, entretanto, o PRM estava em estado Stop impossibilitando assim a
varredura de variáveis pelo Impact20.
Para que o PRM passe para o estado Run é preciso que o CLP esteja rodando
algum programa. É de se esperar que isto acontecesse, pois até então foram
configurados apenas parâmetros de rede, nenhum programa de controle ou comando
elétrico foi desenvolvido ainda.
Através da lógica Ladder foi feita a programação do CLP para dar início aos
testes do sistema:
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Um primeiro programa foi implementado com um bloco funcional advindo da
biblioteca Profibus (bloco PRM_MGT_M), com este bloco foi possível realizar a
interface entre o CLP e o PRM.
Como é possível observar na figura acima, após estas configurações o PRM
passou a comunicar corretamente com o CLP e com o Impact20.
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Rede Profibus
Para testar a funcionalidade da rede Profibus, foi aplicada uma tensão de
entrada no dispositivo Impact20 gerando uma mensagem na rede de nível lógico alto.
Esta entrada digital altera o bit de algum endereço de memória gerenciado pelo PRM.
A partir disto, através do Unity Pro, é feita a definição deste bit agregando uma lógica
funcional.
A lógica funcional neste exemplo é acionar uma saída definida no Unity Pro a
partir da entrada digital lida pelo Impact20, levando em conta que o Ladder deverá
transformar bit em lógica booleana para acionar uma saída definida no Unity Pro
Este programa foi desenvolvido no diagrama Ladder e posteriormente feito o
download para o CLP.
A imagem abaixo demonstra que o sistema esta operando normalmente e que
o dispositivo Impact20 não está lendo nenhuma entrada, portanto, a Saída1 não esta
em nível lógico alto:
Nesta segunda imagem, demonstra-se que o sistema esta operando
normalmente e que o dispositivo Impact20 está lendo uma entrada, portanto, a Saída1
está em nível lógico alto:
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Rede AS-i
Como foi constatado anteriormente, a rede AS-i esta operando normalmente.
Os componentes nela envolvidos estão reconhecidos e com os endereços IP
configurados corretamente, entretanto, quando foi colocada uma tensão de entrada
na estação I/O do protocolo AS-i, o CLP não reconheceu tal fato.
Após uma análise minuciosa, percebeu-se que estava ocorrendo uma
queda de tensão na entrada do equipamento, ou seja, a tensão estava sendo aplicada
na entrada da estação I/O, mas ela não estava reconhecendo isto. Com isso, a rede AS-
i enviava para o CLP o sinal de nível lógico baixo.
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Conclusão
Conclui-se que as redes industriais são de fundamental importância para obter-
se eficiência e confiabilidade no sistema produtivo, pois além de proporcionar a
visualização e supervisão do processo de produção, também retira a necessidade de
acesso físico a dispositivos do chão de fábrica.
Além disso, com a descentralização das estações de I/O, torna-se mais
organizada a manipulação das variáveis do chão de fábrica, uma vez que os processos
podem ser separados por protocolos e dispositivos diferentes.
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Bibliografia
http://www.schneider-electric.com/site/home/index.cfm/br/
http://www.smar.com/brasil/index.asp
http://www.automationpartsexpress.com/
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