FUNDAO EDSON QUEIROZ UNIVERSIDADE DE FORTALEZA

ENSINANDO E APRENDENDO

Sistema de Superviso e Controle de Plantas Industriais Utilizando Rede Profibus

FELIPE ROCHA GUITTI

Fortaleza 2009

FELIPE ROCHA GUITTI

Sistema de Superviso e Controle de Plantas Industriais Utilizando Rede Profibus

Monografia apresentada para a obteno dos crditos da disciplina Trabalho de Concluso de Curso do Centro de Cincias Tecnolgicas da Universidade de Fortaleza, como parte das exigncias para a graduao no curso de Engenharia de Controle e Automao.

Orientador da monografia: Prof. Esp. Fernando Arajo Barros Coordenador do curso: Prof. Dr. Daniel Thomazini

Fortaleza 2009

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Sistema de Superviso e Controle de Plantas Industriais Utilizando Rede Profibus

Felipe Rocha Guitti

PARECER: ______________________________________

Data: ______ / ______ / _______

BANCA EXAMINADORA:

___________________________________________

Prof. Esp. Fernando Arajo Barros

___________________________________________

Prof. MSc. Maria Daniela Santabaia Cavalcanti

___________________________________________

Prof. MSc. Halisson Alves de Oliveira

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meus pais, pelo amor e dedicao a minha formao pessoal e incentivo busca do conhecimento.

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AGRADECIMENTOS

Agradeo antes de tudo aos meus pais por seu carinho e apoio incontestveis.

Ao meu tio Roberto em quem sempre pude confiar e sem o qual no teria conseguido chegar at aqui.

Ao professor Fernando Barros, meu orientador, pelas sugestes e confiana em mim depositada.

Ao professor Daniel Thomazini, coordenador do curso de Automao por seu apoio indispensvel realizao deste trabalho.

A todos que de alguma forma contriburam para a minha formao acadmica e para a realizao deste trabalho.

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RESUMO

O objetivo principal deste projeto desenvolver uma estrutura de laboratrio para aplicao de atividades prticas da disciplina Redes Industriais, aproximando diversos conceitos estudados durante o curso, com as exigncias da indstria. Durante o trabalho foi realizado a especificao, montagem e configurao de uma rede utilizando o protocolo fieldbus Profibus-DP. Utilizando o aplicativo E3, desenvolveu-se um supervisrio para monitorar e controlar os dispositivos ligados a rede, composta por controladores lgicos programveis (CLP) S7-200 da Siemens equipados com um mdulo de comunicao Profibus (EM 277), estes servindo como escravos da rede. A conexo entre os CLP e o computador (PC) no qual est o supervisrio feita atravs de uma placa de interface modelo CP5613, que o controlador mestre.

Palavras chaves: Supervisrio, SCADA, Redes Industriais, Fieldbus, Profibus.

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SUMRIO

1 INTRODUO ..................................................................................... 1 1.1 Da motivao ........................................................................................... 2 1.2 Estrutura do trabalho ................................................................................ 3

2 REDES INDUSTRIAIS......................................................................... 4 2.1 Nveis hierrquicos das redes industriais ................................................. 6 2.2 Tecnologias de Controle de Acesso ao Meio ........................................... 8

2.2.1 Token-passing............................................................................................................. 9 2.2.2 Mestre/Escravo......................................................................................................... 10

2.3 Topologias de redes ............................................................................... 11 2.3.1 Topologia em anel .................................................................................................... 12 2.3.2 Topologia em estrela ................................................................................................ 12 2.3.3 Topologia em barramento ........................................................................................ 13 2.3.4 Topologia em rvore ................................................................................................ 13

2.4 Interfaces seriais .................................................................................... 14 2.4.1 Padres seriais RS-232 ............................................................................................ 14 2.4.2 Padres seriais RS-422 ............................................................................................ 15 2.4.3 Padres seriais RS-485 ............................................................................................ 15

2.5 Modelo de referncia OSI ...................................................................... 16 2.6 Protocolos de redes industriais .............................................................. 19

2.6.1 Modbus ..................................................................................................................... 21 2.6.2 HART ........................................................................................................................ 23 2.6.3 Foundation Fieldbus ................................................................................................ 25 2.6.4 AS-i ........................................................................................................................... 26 2.6.5 DeviceNet ................................................................................................................. 28

3 O PROTOCOLO PROFIBUS ............................................................ 31 3.1 Arquitetura do protocolo ........................................................................ 32 3.2 Meio fsico ............................................................................................. 33

3.2.1 RS-485 ...................................................................................................................... 34 3.2.2 IEC 1158-2 ............................................................................................................... 34 3.2.3 Fibra tica ................................................................................................................ 35

3.3 FDL (Fieldbus Data Link Layer) ........................................................... 35 3.3.1 Topologia ................................................................................................................. 36

3.4 Arquivos GSD ........................................................................................ 37 3.5 Operao bsica do Profibus-DP ........................................................... 38

4 SISTEMAS SUPERVISRIOS ......................................................... 39 4.1 SCADA .................................................................................................. 39 4.2 Elipse E3 ................................................................................................ 43 4.3 OLE for Process Control (OPC) ............................................................ 45

5 DESENVOLVIMENTO ..................................................................... 49

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5.1 Infraestrutura .......................................................................................... 49 5.2 Hardware utilizado ................................................................................. 53

5.2.1 CLP .......................................................................................................................... 53 5.2.2 Mdulo de comunicao .......................................................................................... 55 5.2.3 Placa de interface ..................................................................................................... 57

5.3 Montagem e configurao da rede ......................................................... 58 5.3.1 Cabeamento .............................................................................................................. 59 5.3.2 Configurao da rede ............................................................................................... 60 5.3.3 OPC x Driver ........................................................................................................... 62

5.4 Desenvolvimento do supervisrio.......................................................... 64 5.5 Resultados .............................................................................................. 66

6 CONCLUSO ...................................................................................... 67 6.1 Sugesto para trabalhos futuros ............................................................. 68

APNDICE I CONFIGURAO DA REDE PROFIBUS. ................ 73 APNDICE II DESCRIO DOS PROCESSOS SIMULADOS. ..... 89

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Protocolos - base instalada.............................................................................. 2 Figura 2 - Tipo de dado para os nveis da pirmide hierrquica. .................................... 7 Figura 3 A pirmide da Automao ............................................................................. 8 Figura 4 - Controle de acesso pelo mtodo Token-passing............................................. 9 Figura 5 - Mtodo de acesso mestre/escravo ................................................................. 11 Figura 6 Topologia em anel ........................................................................................ 12 Figura 7 Topologia em estrela .................................................................................... 12

Figura 8 - Topologia em barramento ............................................................................. 13 Figura 9 Topologia em rvore .................................................................................... 14 Figura 10 - Os nveis de camada do modelo OSI. ......................................................... 18 Figura 11 - Formato da mensagem Modbus ASCII. ..................................................... 21 Figura 12 - Formato da mensagem Modbus ASCII. ..................................................... 22 Figura 13 As camadas do protocolo Modbus e o modelo OSI. .................................. 23 Figura 14 - Comparativo entre o Modelo OSI e o HART. ............................................ 24 Figura 15 - As camadas do protocolo Fundation Fieldbus e o modelo OSI. ................ 25 Figura 16 - Mdulos escravos AS-i. .............................................................................. 27 Figura 17 - Exemplo de uma configurao de rede AS-i. ............................................. 28 Figura 18 - Relao entre as pilhas dos modelos OSI, CAN e DeviceNET. ................ 29 Figura 19 - Aplicaes da rede Devicenet. .................................................................... 30 Figura 20 - Arquitetura do protocolo Profibus. ............................................................. 33 Figura 21 - Controle de Acesso ao Meio em uma rede Profibus multi-mestre. ............ 35 Figura 22- Configurao de uma rede Profibus. ........................................................... 36 Figura 23 - Configurao do sistema usando os arquivos GSD. ................................... 38 Figura 24 Tela principal do E3 Studio. ...................................................................... 44 Figura 25 - Comunicao entre cliente e servidor via interface OPC. .......................... 46 Figura 26 - Arquitetura OPC. ........................................................................................ 46

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Figura 27 - Bancada didtica disponvel no laboratrio. ............................................... 50 Figura 28 - Exemplo de uma rede Modbus usando CLP S7-200. ................................. 51 Figura 29 - Rede PPI. .................................................................................................... 52 Figura 30 - CLP S7-200 CPU 222. ................................................................................ 54 Figura 31 - Tela do programa Step 7 - MicroWin. ........................................................ 55 Figura 32 - Mdulo escravo EM 277. ........................................................................... 55 Figura 33 Memria V e rea de endereo de E/S. ...................................................... 56 Figura 34 - Placa de interface CP5613 A2. ................................................................... 57 Figura 35 Diagrama da rede instalada no laboratrio. ............................................... 58 Figura 36 - Cabo Profibus padro. ................................................................................ 59 Figura 37 Conectores Profibus-DP ............................................................................. 59 Figura 38 Detalhes do cabeamento da rede. ............................................................... 60 Figura 39 - Rede Profibus-DP configurada no SIMATIC NCM PC. ........................... 62 Figura 40 - Tela da ferramenta de configurao do Servidor OPC. .............................. 63 Figura 41 - Uma das telas do supervisrio criado. ........................................................ 65 Figura 42 - cone do SIMATIC NCM Manager. ........................................................... 74 Figura 43 - Criando novo projeto. ................................................................................. 75 Figura 44 - Nomeando o novo projeto. ......................................................................... 75 Figura 45 - Inserindo uma SIMATIC PC Station. ......................................................... 76 Figura 46 - Abrindo o HW Config. ............................................................................... 76 Figura 47 - Seleo dos mdulos no catlogo de hardware. ......................................... 77 Figura 48 - Inserindo uma nova rede Profibus. ............................................................. 78 Figura 49 - Configurando a rede Profibus. .................................................................... 78 Figura 50 - Selecionando o OPC Server........................................................................ 79 Figura 51 - Configurando a placa como mestre Profibus. ............................................. 79 Figura 52 - Selecionando a aplicao do mestre DP. .................................................... 80 Figura 53 - Conectando os escravos Profibus. .............................................................. 81 Figura 54 - Propriedades do escravo Profibus. .............................................................. 81 Figura 55 - Configurando os mdulos de entrada e sada. ............................................ 82

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Figura 56 - Abrindo a tela de propriedades do mdulo escravo. .................................. 83 Figura 57 - Determinando o offset de memria. ........................................................... 83 Figura 58 - Salvando e compilando o projeto. .............................................................. 84 Figura 59 - cone do Station Configurator Editor. ........................................................ 84 Figura 60 - Station Configuration Editor....................................................................... 85 Figura 61 - Importando um arquivo XDB. .................................................................... 86 Figura 62 - Executando o OPC Server. ......................................................................... 86 Figura 63 - Adicionando um grupo ao OPC Server. ..................................................... 87 Figura 64 - OPC-Navigator. .......................................................................................... 87 Figura 65 - OPC Scout. ................................................................................................. 88 Figura 66 - Diagrama dos tanques do sistema de tratamento superficial. ..................... 93 Figura 67 - Diagrama da linha de montagem. ............................................................... 95

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Principais caractersticas das interfaces seriais ........................................... 16 Tabela 2 - Cdigo hexadecimal das funes mais usadas no Modbus. ......................... 23 Tabela 3 - Principais caractersticas do CLP. ................................................................ 54 Tabela 4 - Comprimento do cabo em funo da velocidade de transmisso. ............... 61 Tabela 5 - Resumo das configuras da rede Profibus. ................................................ 61

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ASCII American Standard Code for Information Interchange CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection CLP Controlador Lgico Programvel CIM Computer Integrated Manufacturing COM Component Object Model DAQ Data Acquisition Boards DCOM Distribuited Component Object Model EPS Enterpris Production Systems E/S Entrada/Sada IHM Interface Homem-Mquina

ISO International Standards Organization MES Manufacturing Execution System OLE Object Linking and Embedding OPC OLE for Process Control OSI Open Systems Interconnection

PIMS Plant Information Managment Systems RTU Remote Terminal Unit SCADA Supervisionary Control and Data Acquisition SDCD Sistema Digital de Controle Distribudo SED Sistemas a Eventos Discretos

UTR Unidade Terminal Remota

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1 INTRODUO

A tecnologia da informao tem um papel determinante no desenvolvimento da tecnologia da automao. Est cada vez mais presente nos diversos setores da indstria, desde o processo e manufatura at prdios e sistemas de logstica. A capacidade de comunicao entre dispositivos e o uso de mecanismos padronizados, abertos e transparentes so componentes indispensveis no conceito atual de automao. E a comunicao vem se expandindo rapidamente, integrando todos os nveis hierrquicos.

Diante desta realidade, imprescindvel que os profissionais de rea de Automao Industrial tenham um slido conhecimento de redes de forma a possurem as ferramentas necessrias para o desenvolvimento de aplicaes que atendam as necessidades atuais das indstrias.

Com os avanos da tecnologia da informao, possvel monitorar, supervisionar, tomar decises em funo da anlise crtica de dados e atuar sobre o futuro de uma indstria de maneira eficiente, rpida e segura, permitindo assim, uma maior coerncia estratgica de seu gerenciamento [1].

cada vez maior a necessidade de se ter, alm de um sistema automatizado que controle as mquinas e os processos de uma indstria, um sistema de informaes que fornea dados em tempo real sobre toda a produo e que estas informaes estejam disponveis em qualquer lugar e a qualquer hora a todas as pessoas envolvidas no processo.

Os programas de superviso e aquisio de dados e controle (SCADA Supervisory Control and Data Acquisition) e as redes industriais (fieldbuses) so elementos fundamentais dos sistemas de manufatura integrada (CIM) e dos sistemas digitais de controle distribudo (SDCD).

Os sistemas integrados de manufatura possibilitam a interligao dos nveis de gerenciamento, controle e superviso dos sistemas de automao de forma hierrquica com a utilizao de complexos algoritmos, distribuio do controle e

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centralizao de macro-decises, possibilitando o gerenciamento do processo tanto tcnico como administrativamente [2].

As redes de campo so usadas para integrar os nveis em que dividido o controle de processo. Fornecendo dados do cho de fbrica, gerados por dispositivos inteligentes (como sensores) para o nvel de processo, onde sistemas SCADA monitoram e armazenam essas informaes, que sero posteriormente utilizadas pelos nveis gerenciais nas tomadas de decises estratgicas. Essa integrao visa utilizar efetivamente toda a informao disponvel em cada nvel para se produzir mais rpido, com maior qualidade, diminuindo perdas e reduzindo custos.

O crescimento dos sistemas de controle das indstrias tem levado coexistncia em uma mesma instalao industrial de tecnologias e protocolos diferentes. CARO [3] citada uma pesquisa, realizada no mercado norte-americano, sobre o uso de protocolos de automao na indstria e suas tendncias. Os resultados mostram que 80% fazem uso de protocolos em seus processos, sendo que na maioria dos casos h mais de um protocolo sendo empregado na planta industrial. A Figura 1 mostra a base instalada dos protocolos revelada pela pesquisa.

Figura 1 - Protocolos - base instalada.

1.1 Da motivao

A ideia para este trabalho surgiu da necessidade de serem ministradas aulas prticas durante a disciplina de Redes Industriais do curso de Engenharia de Controle e

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Automao, entretanto no existia disponvel, em nenhum laboratrio da Universidade, uma estrutura completa que permitisse a realizao destas atividades.

Foi sugerido ento o desenvolvimento deste trabalho com o objetivo de estudar as solues existentes no mercado e ento instalar, no Laboratrio de PLC (I-02) da Universidade de Fortaleza, uma rede utilizando protocolos fieldbus encontrados na indstria, de forma a permitir que os alunos tenham a oportunidade de receber treinamento prtico, aplicando os conceitos aprendidos durante o curso e adquirindo alguma experincia, de forma que possam se adaptar mais rapidamente realidade do mercado.

Para a realizao deste trabalho foi utilizada bibliografia sobre os vrios temas abordados. Dada a natureza do assunto, foram consultados como fonte principalmente manuais e catlogos de softwares e equipamentos para automao, alm dos sites dos principais fabricantes e organizaes de pesquisa e padronizao. Apostilas de cursos e artigos de revistas da rea tcnica tambm serviram de referncia.

1.2 Estrutura do trabalho

Este trabalho est dividido em seis captulos. No captulo 1, feita uma breve introduo sobre o tema tratado no trabalho. O captulo 2 trata das redes industriais, sendo apresentados conceitos fundamentais para se entender o funcionamento de qualquer protocolo de rede. So apresentadas tambm algumas tecnologias de redes industriais existentes no mercado. O captulo 3 aborda com maior profundidade as caractersticas funcionais do protocolo Profibus, parte da soluo proposta neste trabalho. No captulo 4 so estudados os sistemas de superviso SCADA. O captulo 5 descreve o processo de especificao, montagem e configurao da rede, bem como o desenvolvimento do aplicativo supervisrio. Por fim, no captulo 6 seguem as concluses deste trabalho e sugestes para futuros trabalhos.

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2 REDES INDUSTRIAIS

Redes industriais so, essencialmente, sistemas distribudos, compostos por diversos elementos como sensores, atuadores, controladores lgicos programveis (CLP), interfaces homem mquina (IHM), computadores, etc., que trabalham de forma simultnea, trocando informao entre todo o sistema de automao da empresa, a fim de supervisionar e controlar um determinado processo. A integrao entre diversos nveis de equipamentos e sistemas de controle essencial para se alcanar o aumento de eficincia, flexibilidade e confiabilidade dos sistemas produtivos.

Nestes sistemas de controle distribudo, as famlias de protocolos usados na comunicao dos dispositivos de cho de fbrica so normalmente chamadas redes de barramento de campo ou fieldbus, no termo em ingls.

A maioria das redes de comunicao existentes no mercado procura atender as necessidades existentes na automao de escritrios [4]. Entretanto, a comunicao de dados em ambiente industrial apresenta caractersticas e necessidades especficas, o que torna inadequado o uso da maioria das redes corporativas para este tipo de aplicao. As redes industriais precisam atender requisitos mais rigorosos de resistncia mecnica, imunidade a interferncias eletromagnticas, confiabilidade (dos equipamentos e da informao), modularidade, interoperabilidade e desempenho [2], [4].

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Estas exigncias se justificam uma vez que dispositivos em um ambiente fabril operam em condies severas, tais como temperaturas elevadas, excesso de poeira e umidade, perturbaes eletromagnticas causadas pela presena de motores de induo e inversores de frequncia. Falhas nos dispositivos de rede ou mesmo a perda de pacotes de dados podem ter consequncias catastrficas com risco vida humana e ao meio ambiente, alm de prejuzos materiais.

Aplicaes industriais requerem ainda sistemas de controle e superviso com caractersticas de tempo real, caracterizados por pequenos tempos de resposta, trfego de informaes em alta velocidade e uso de protocolos determinsticos, o que significa que, mesmo no pior caso, o tempo mximo para entrega de um pacote no barramento pode ser especificado com exatido.

Espera-se tambm que seja possvel a interconexo e a troca de informao entre equipamentos fornecidos por fabricantes diferentes. A modularidade, capacidade de poder adicionar ou remover dispositivos rede sem afetar o seu funcionamento, outra caracterstica importante.

O uso das redes de campo traz diversas vantagens na automao, tais como:

Reduo de custos de instalao com fiao e armrios eltricos, uma vez que possvel conectar vrios dispositivos em um mesmo cabo de par-tranado;

Facilidade de instalao e manuteno, pela manipulao de menor nmero de cabos;

Possibilidade de acesso remoto aos dispositivos para configurao, diagnstico e identificao de falhas, fornecendo elementos para manuteno;

Descentralizao do processamento com a distribuio de tarefas de controle aos dispositivos de campo que so inteligentes (microprocessados);

Possibilidade da troca de informaes diretamente entre dispositivos conectados ao mesmo barramento de controle.

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Maior flexibilidade para expanso de funes e mdulos em virtude da modularidade do sistema.

Por outro lado, redes industriais exigem maior qualificao de usurios e equipes de manuteno, alm de possuir componentes individuais de maior custo.

2.1 Nveis hierrquicos das redes industriais

Redes industriais so usadas em todas as reas da automao, desempenhando diversas tarefas. Entretanto h diferenas entre as tarefas desempenhadas por aplicaes em diferentes setores da indstria, que possuem caractersticas nicas e requisitos variados. O modo como os dispositivos so conectados, configurados e a forma em que trocam dados tambm diferem [5].

Com a tendncia de descentralizao e aumento da inteligncia e da capacidade de deciso dos componentes dos sistemas de automao industrial, dividiu-se estes sistemas em diferentes nveis hierrquicos, cujos elementos inteligentes so interligados atravs de redes industriais. O objetivo desta hierarquizao manter as vantagens de uma superviso central do sistema, mas obter cada vez mais subsistemas independentes, dotados de inteligncia local, aproximando-se do processo [4].

No existe uma rede nica que corresponda s necessidades de todas as classes ou nveis de atividade existentes em uma fbrica, sendo adotada a soluo de vrias redes interconectadas, cada rede servindo de suporte comunicao no contexto de uma ou diversas atividades [4].

Desta forma, a diviso das redes industriais em nveis baseia-se nos tipos de dispositivos que interligam e nos requisitos de comunicao exigidos, como volume e tipos de dados que trafegam pela rede (bit, byte ou pacotes). Esta diviso normalmente representada por uma pirmide, onde em cada um dos nveis esto agrupados os vrios elementos da automao industrial.

O primeiro nvel, a base da pirmide, o mais prximo do processo, onde so realizadas as medies e controle regulatrio. Neste nvel encontram-se os dispositivos de campo como sensores e atuadores. As redes neste nvel caracterizam-se pela transmisso de mensagens curtas, geralmente um ou poucos bits, mas com grande

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frequncia e entre um grande nmero de dispositivos. A Figura 2 resume os tipos de dados para os nveis da pirmide.

No nvel acima, associado ao controle do processo, est o sistema de monitorao, alarmes e intertravamentos. Esto conectados dispositivos controladores (CLP) que conseguem realizar mltiplas funes e comunicar informaes sobre diagnsticos e funes a realizar e j realizadas. Para esta superviso do processo so utilizados sistemas SCADA (Supervisionary Control and Data Acquisition), IHM (Interface Homem Mquinas), etc. As mensagens trocadas na rede so da ordem de alguns bytes.

Figura 2 - Tipo de dado para os nveis da pirmide hierrquica.

No terceiro nvel esto presentes solues do controle de processo produtivo da indstria. Basicamente so manipuladas e tratadas informaes da rea industrial, como informaes sobre controle de qualidade, relatrios e estatsticas de processos, ndices de produtividade, entre outros. Os sistemas de gerenciamento de informaes do processo so denominados EPS (Enterprise Production Systems), no qual esto includos o MES (Manufacturing Execution System) e o PIMS (Plant Information Managment Systems). Estes sistemas concentram todas as informaes de produo das clulas, armazenando-as em um banco de dados para posterior consulta que auxilie na tomada de decises estratgicas da empresa. As redes neste nvel suportam uma maior transmisso de dados, mas geralmente a uma menor frequncia com tempo de transmisso no crtico.

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No topo da pirmide esto os sistemas corporativos de gesto, como ERP (Enterprise Resourse Planning), que so responsveis em transformar os dados de cho de fbrica em informaes de negcios.

Figura 3 A pirmide da Automao

Segundo SOUZA [6], o ERP um amplo sistema de solues e informaes, uma arquitetura de software multi-modular com o objetivo de facilitar o fluxo de informaes entre todas as atividades da empresa, como fabricao, compras, estoque, logstica, finanas, interao com fornecedores, vendas, servios a clientes e recursos humanos. O ERP responsvel, portanto, pela integrao de todas as reas da empresa, definindo, deste modo, um sistema de automao completo, que rene desde informaes de processo at informaes de negcio de forma integrada.

2.2 Tecnologias de Controle de Acesso ao Meio

Os mtodos de controle de acesso so especificados na subcamada MAC (Medium Access Control) da camada de enlace de dados do protocolo utilizado e determinam regras para o acesso ao meio fsico da rede e controlam a transmisso de dados entre as estaes. Podem ser dos tipos determinsticos ou no determinsticos.

Os mtodos de controle tm papel fundamental no tempo de entrega de uma mensagem via rede. Esse tempo importante para aplicaes com caractersticas de

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tempo real. Por isso, os protocolos de redes industriais utilizam tcnicas de acesso ao meio do tipo determinstico, de forma a ser possvel conhecer previamente o tempo mximo para transmitir uma determinada quantidade de dados. A seguir so apresentados os mtodos de acesso ao meio usados em redes de campo.

2.2.1 Token-passing

Esta tcnica usa um pacote de controle conhecido como token (ficha) que d o direito de acesso ao meio. Cada n possui um endereo ou nmero de ordem, o token que circula ciclicamente entre as estaes, que podem trocar dados entre si sem a intromisso de um mestre. Apenas uma estao por vez deve possuir o token. Em termos lgicos os ns esto dispostos em anel. Em termos fsicos os ns podem ter diversas disposies, mas raramente formam efetivamente um anel, como ilustra o diagrama da Figura 4.

Para evitar uma m distribuio da utilizao do meio de transmisso, as estaes s podem reter o token por um determinado tempo mximo. Aps esse tempo, o token passado estao seguinte.

Durante o tempo em que retm o token, a estao pode enviar ou requisitar dados de outro n. Ao concluir a transmisso ou o tempo mximo for excedido, a estao deve passar o token ao prximo n da lista e ficar aguardando, como se fosse um escravo, at receber a ficha novamente.

Emissor

Receptor

Token

Figura 4 - Controle de acesso pelo mtodo Token-passing.

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Desta forma possvel se determinar o tempo mximo entre duas oportunidades de transmisso para cada estao. Conhecendo-se o tempo de reteno do token e o nmero de estaes da rede pode-se determinar o tempo de rotao do token que o pior caso de tempo de espera para enviar uma mensagem a partir de uma estao qualquer.

A desvantagem deste mtodo a complexidade dos algoritmos necessrios em cada n, uma vez que providncias especiais tm de ser tomadas nos casos de inicializao do anel, sada e entrada de um n na rede ou falhas como mais de um ou nenhum n com o token.

2.2.2 Mestre/Escravo

No mtodo de controle de acesso ao meio do tipo mestre/escravo, somente uma estao tem o direito de requisitar a transmisso de dados. Esta estao chamada de mestre.

O direito de acesso ao meio fsico distribudo por um tempo limitado pelo mestre s outras estaes, denominadas escravos, ou ainda estaes passivas. Neste mtodo o mestre que sempre toma a iniciativa da comunicao e os escravos apenas aguardam uma requisio para responder, eles no tm direito de acesso ao barramento. Toda a troca de dados ocorre apenas entre o mestre e seus escravos, no h troca de informao diretamente entre os escravos. Cabe ao mestre tambm armazenar todas as configuraes necessrias comunicao. A Figura 5 ilustra esse mtodo.

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Figura 5 - Mtodo de acesso mestre/escravo

A estao mestre realiza uma varredura cclica (polling) de cada uma das estaes escravas, solicitando dados ou verificando se uma delas dispe de dados para enviar. Havendo ou no dados a serem trocados, o escravo sinaliza sua condio ao mestre enviando um quadro de dados especfico.

Embora neste mtodo o sistema fique dependente da disponibilidade do mestre, possvel garantir um tempo definido entre transmisses consecutivas a qualquer estao da rede. Uma vez conhecidos a taxa de transmisso e os formatos dos quadros de varredura do mestre e os de resposta dos escravos, pode-se determinar a durao de um ciclo de varredura completo. Este tempo corresponde ao pior caso de tempo de resposta de uma estao qualquer [4]. Aumentando-se o nmero de estaes na rede, este tempo tambm aumenta.

2.3 Topologias de redes

A topologia de uma rede refere-se estrutura fsica completa do meio de transmisso, a forma como todos os ns ou dispositivos esto interligados. As mais comumente utilizadas so as topologias em anel, em estrela, em barramento, em rvore ou uma combinao entre estas.

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2.3.1 Topologia em anel

Consiste na ligao em srie de todos os dispositivos da rede, formando um circuito fechado. Os dados circulam no anel em um fluxo unidirecional. Uma mensagem enviada rede passa sequencialmente por todas as estaes at encontrar a estao de destino. A Figura 6 apresenta um diagrama deste tipo de topologia.

Figura 6 Topologia em anel

Esta topologia tem como desvantagem o fato de que se um n falhar, toda a rede fica comprometida. Alm disto, o aumento no nmero de ns degrada o desempenho da rede.

2.3.2 Topologia em estrela

Nesta topologia, vrios ns escravos so conectados a um n central (mestre), que gerencia o fluxo de dados da rede. No existe comunicao direta entre dois escravos, toda comunicao passa pelo n central. A Figura 7 ilustra essa estrutura.

Figura 7 Topologia em estrela

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O mestre pode tambm executar o acoplamento entre escravos com caractersticas de protocolo ou de velocidade de transmisso diferentes, o que permite que sistemas de fabricantes diferentes trabalhem satisfatoriamente [2].

Nas redes em estrela, uma falha no n central compromete a comunicao com todos os outros ns, entretanto, se um n escravo sofre falha, apenas a comunicao com este n defeituoso comprometida, o que acaba por facilitar a localizao de problemas.

2.3.3 Topologia em barramento

Na topologia em barramento, todos os dispositivos so ligados em um mesmo meio fsico de transmisso de dados. Os dados disponibilizados no barramento so recebidos por todas as estaes ao mesmo tempo (difuso). Um campo de endereo na mensagem identifica o destinatrio, cabendo ao software controlar o acesso ao meio fsico. Falhas nas estaes no provocam a paralisao total da rede, s haver problemas se o barramento for quebrado. O aumento no nmero de ns compromete o desempenho da rede. Um diagrama deste tipo de rede apresentado na Figura 8.

Figura 8 - Topologia em barramento

2.3.4 Topologia em rvore

A topologia em rvore consiste em vrias barras interconectadas. Geralmente tem-se um barramento central, que pode ser comparado a um tronco, e diversos barramentos secundrios. Esse tipo de configurao apresenta um nvel de confiabilidade idntico ao da topologia em barra [2]. A Figura 9 ilustra essa topologia.

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Figura 9 Topologia em rvore

2.4 Interfaces seriais

As redes industriais utilizam padres seriais para a transmisso de dados. Os padres de interface serial especificam as caractersticas eltricas, mecnicas e funcionais dos circuitos entre dois equipamentos e determinam nomes, nmeros e fios necessrios para se estabelecer a comunicao. importante ressaltar que os padres seriais, como o EIA (Electronic Industries Association), especificam apenas as caractersticas eltricas, e no constituem um protocolo de comunicao completo. Os padres de interface seriais, na verdade compe a camada fsica dos protocolos de comunicao.

2.4.1 Padres seriais RS-232

Este sem dvida o mais conhecido e utilizado padro de comunio serial. Foi desenvolvido no incio dos anos 1960 para especificar a conexo entre terminais de computadores remotos e modems. O RS significa Recommended Standart, ou seja, era uma recomendao de um padro. Posteriormente, foi efetivamente padronizado pela Electronic Industries Association (EIA) tendo sido ento renomeado para padro EIA-232. O termo RS-232 mantm-se por tradio.

O padro RS-232 do tipo desbalanceado, ou seja, suas linhas de sinal esto referenciadas ao terra, sendo por isso muito suscetvel a rudos induzidos na linha. Em relao ao modo de comunicao, o mais empregado o do tipo assncrono.

A norma EIA-232 define como nvel lgico 1 para a entrada os sinais com tenso entre -3V e -15V e para a sada tenses entre -5V e -15V. So considerados

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nvel lgico 0 tenses entre +3V e +15V para entrada e entre +5V e +15V para a sada. Tenses entre -3V e +3V esto numa regio de transio para o qual o estado do sinal indefinido.

A taxa de transferncia refere-se velocidade com que os dados so enviados atravs de um canal e medida em transies eltricas por segundo. Para o RS-232, a taxa mxima de transferncia de dados especificada pela norma de 20kbits/s (o limite usual 19200bps), entretanto hoje existem dispositivos que podem operar a at 115200bps. Os valores de taxa de transmisso comumente usados so 300, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 e 115200bps.

O tamanho mximo do cabo especificado de 15m, porm a distncia efetiva est diretamente relacionada com a taxa de transmisso, o cabo utilizado e as condies de rudo ambiente.

Este padro serial permite apenas a conexo do tipo ponto-a- ponto entre dois dispositivos.

2.4.2 Padres seriais RS-422

uma interface do tipo balanceada tendo, portanto, uma maior imunidade a rudos. Com isso suas transmisses podem atingir distncias de at 1200m. A taxa mxima de transferncia especificada de 10Mbps.

Este padro no define um conector fsico especfico, fabricantes utilizam diversos tipos de conectores diferentes, incluindo terminais de parafuso, DB9, DB25, etc.

2.4.3 Padres seriais RS-485

O padro serial RS-485 uma extenso do padro RS-422 tambm do tipo balanceada e mantm as principais caractersticas como taxa mxima de transmisso de 10Mbps e comprimento do cabo de at 1200m. Uma diferena que podem ser ligados at 32 receptores, contra 10 do RS-422.

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Essas caractersticas fazem com que esse padro seja o mais empregado na indstria. A Tabela 1 resume as principais caractersticas desses trs padres.

Tabela 1 Principais caractersticas das interfaces seriais

RS232 RS422 RS485 Tipo de linhas de transmisso Desbalanceada Diferencial Diferencial

Nmero mximo de receptores 1 10 32

Comprimento mximo do cabo (m) 15 1200 1200 Taxa de transmisso mxima 20kb/s 10Mb/s 10Mb/s

Nveis de transmisso 5V min. 15V Max. 2V min

12V Max (6V) 1,5V min

12V Max (6V)

2.5 Modelo de referncia OSI

Logo aps o surgimento das redes de computadores, as solues eram, na maioria das vezes, proprietrias, e determinada tecnologia s era suportada por seu fabricante. Com o desenvolvimento na rea de redes de comunicao surgiu a necessidade de uma padronizao que permitisse a interconexo de computadores utilizando solues de diferentes fabricantes.

Iniciou-se ento um esforo no sentido de desenvolver uma arquitetura normalizada para as redes de comunicao com o objetivo de facilitar a interconexo de sistemas de computadores. A ISO (International Standards Organization) desenvolveu ento, em 1983, um modelo de referncia chamado OSI (Open Systems Interconnection), ou Modelo de Referncia para Interconexo de Sistemas Abertos. Aqui, um sistema aberto significa aquele capaz de se comunicar com outros equipamentos, de diferentes classes, modelo ou fabricante.

O modelo de referncia OSI foi criado usando a filosofia de arquitetura multicamadas [4]. Este modelo composto por sete camadas com funes bem definidas. As camadas so processos, implementados por hardware ou software, que se comunicam com o processo correspondente na outra mquina [7]. Cada camada

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oferece um conjunto de servios ao nvel superior, usando funes realizadas no prprio nvel e servios disponveis nos nveis inferiores.

Um servio um conjunto de operaes de processamento atravs do qual so adicionadas informaes aos dados recebidos da camada anterior.

Em uma estrutura baseada em camadas, os dados transferidos em uma comunicao de um nvel especfico no so enviados diretamente ao processo do mesmo nvel em outra estao, mas descem, atravs da cada camada adjacente da mquina transmissora, at o nvel inicial, onde transmitido, para depois subir atravs de cada nvel adjacente da mquina receptora.

A seguir so descritas as camadas do modelo OSI. A camada Fsica (intercomunicao eltrica) a responsvel pela

comunicao com o meio fsico, realizando a codificao e decodificao dos bits em sinais eltricos. Trabalha, portanto, com as caractersticas mecnicas e eltricas do meio fsico, como tenses que representam os nveis lgicos 1 e 0, velocidade mxima de transmisso, sentido de transmisso (simplex, duplex e half-duplex), nmero de pinos do conector, cabeamento, etc.

A funo da camada de enlace (ligao de dados) a deteco e correo de erros de transmisso. subdividida nas camadas de controle lgico de enlace (LLC Logical Link Control) responsvel pelo controle do fluxo de dados, evitando que transmissores rpidos sufoquem receptores lentos e subcamada de controle de acesso ao meio (MAC Medium Access Control) que controla o acesso ao meio fsico.

A camada de rede (endereamento) controla a operao da rede de um modo geral, cuidando das rotas que os dados devem seguir e controlando o congestionamento dos meios de transmisso quando existirem. Faz o roteamento dos pacotes de dados entre fonte e destino e a contabilizao de bytes utilizados.

A principal funo da camada de transporte (comunicao fim-a-fim) garantir uma transferncia de dados segura e econmica entre a origem e o destino. Inclui funes relacionadas com as conexes entre a mquina fonte e a mquina destino, segmentando os dados em unidades de tamanho apropriado para utilizao pelo nvel de rede.

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Na camada de sesso (ao remota) j se permite trabalhar com estrutura de dados de nvel mais alto, como transferncia de arquivos, por exemplo. A funo da camada de sesso administrar e sincronizar dilogos entre dois processos de aplicao. Neste nvel ocorre a quebra de um pacote com o posicionamento de uma marca lgica ao longo do dilogo, o que permite que a transferncia de um arquivo seja reiniciada em casos de erros de transmisso.

A funo da camada de apresentao (interpretao de dados) assegurar que a informao seja transmitida de forma que possa ser entendida e usada pelo receptor. Enquanto os nveis inferiores tratavam da transferncia segura dos dados, a camada de apresentao permite a alterao dos mesmos, de acordo com a codificao padro da mquina. Dessa forma, este nvel pode modificar a sintaxe da mensagem, mas preservando sua semntica. responsvel por outros aspectos da representao dos dados, como criptografia e compresso de dados.

A camada de aplicao (compatibilidade de aplicaes) a camada que mantm o contato com o usurio, fornecendo uma interface que permite acesso a diversos servios de aplicao. Pode cuidar de um correio eletrnico ou do controle de um processo, por exemplo. A Figura 10 ilustra as camadas do modelo OSI.

Figura 10 - Os nveis de camada do modelo OSI.

importante ressaltar que a maioria dos protocolos existentes no implementam todas as camadas do modelo OSI. Por exemplo, os protocolos de redes

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industriais que, para atender os requisitos de tempo de resposta, simplificam o modelo e normalmente implementam apenas trs camadas (fsica, de enlace de dados e a de aplicao).

2.6 Protocolos de redes industriais

Um protocolo de comunicao pode ser definido como um conjunto de regras, procedimentos e leis que governam a troca de informao entre dois ou mais processos, incluindo o formato e aes a serem executadas quando do envio e do recebimento desses dados.

Com o surgimento das comunicaes digitais, os fabricantes de equipamentos comearam a criar uma grande quantidade de protocolos de comunicao diferentes, e produtos projetados para determinado protocolo no eram capaz se comunicar com outro.

Com o desenvolvimento das tecnologias e a expanso no uso de redes de comunicao, percebeu-se que essa heterogeneidade de padres estava sendo prejudicial tanto a fabricantes como, principalmente, usurios.

Comeou-se ento a discutir a criao de um sistema aberto ao qual todos poderiam ter acesso. Foram criados comits com o objetivo de definir um protocolo padro que todos os dispositivos pudessem seguir, tornando possvel a interoperao de produtos de fabricantes diferentes.

A maioria dos fabricantes norte-americanos passou a usar o Modbus da empresa Modicon como padro em seus dispositivos de controle.

Na dcada de 80, a ISA (International Standards Association) reuniu uma comisso e criou o SP50 que falhou na tentativa de criar um padro mundial nico.

Em 1992, um grupo dos maiores fabricantes de CLP do mercado se uniram para criar o ISP (Interoperable Systems Project). E outro grande conjunto de empresas formou o WorldFIP, um padro com os mesmos objetivos do ISP. Em 1993 ISP e WorldFIP foram unificados para criar o Foundation Fieldbus.

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Esta busca por um padro nico acabou resultando no surgimento de vrios protocolos. Chegou-se ento a concluso de que um nico protocolo no capaz de suprir todas as diferentes necessidades da automao em seus diferentes nveis.

Assim, podem-se dividir os protocolos de campo basicamente em trs categorias:

Nvel mais baixo Redes de dispositivos simples tais como sensores/atuadores em nvel de bit (do tipo entrada/sada on/off). Ex: ASI; SeriPLEX; Interbus-S; Profibus-PA.

Nvel mdio Redes de controladores (comunicao serial entre dispositivos) de campo. Ex: CAN; LonWORKS; DeviceNET; Profibus-DP.

Alto nvel Redes de controladores (mestres) para controles, e instrumentao mais sofisticada (inteligentes). Ex: SP50-H2; Ethernet industrial; Profibus-FMS.

Existem protocolos para redes digitais que so desenvolvidos para aplicaes genricas (multi-propsitos), tais como: O Foundation Fieldbus, e a integrao dos Profibus (PA, DP e FMS).

A evoluo da tecnologia da informao e da tecnologia da automao, bem como a natural convergncia entre as duas, levou a uma situao em que, no nvel gerencial domina o protocolo Ethernet, interligando todos os computadores de vendas, logstica, administrao, planejamento e no cho de fbrica dominam os diferentes tipos de padres de comunicao.

No entanto h uma tendncia atual no sentido de se tentar integrar os dispositivos de campo rede corporativa utilizando Ethernet. Apesar desta tentativa ainda esbarrar em algumas limitaes tcnicas, j existem solues que so usadas para conectar controladores e estaes remotas a estaes de operao, como o Profinet, o Foundation Fieldbus-HSE e Modbus TCP que utilizam uma forma de Ethernet Industrial com uma camada de aplicao especfica.

A seguir sero descritos alguns dos protocolos de rede de campo mais utilizados. O Profibus, tema deste trabalho, ser tratado em um captulo parte.

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2.6.1 Modbus

O Modbus um protocolo para barramentos de campo criado pela Modicon (atualmente parte do grupo Schneider). Foi ento adotado por um grande nmero de fabricantes, sob autorizao da prpria Modicon, passando a ser um protocolo aberto. Na verdade, o Modbus utilizado por milhares de fabricantes de dispositivos para automao.

O Modbus baseado no modelo mestre-escravo. Nesse modelo os escravos no podem dialogar entre si, toda comunicao deve passar por um mestre. O mestre pode requisitar informaes de um escravo em particular e esperar pela sua resposta (modo requisio/resposta), ou, pode enviar uma mensagem comum a todos os escravos (modo difuso).

Existem dois modelos de transmisso serial para o Modbus, o ASCII e o RTU. O usurio escolhe o modo desejado juntamente com os parmetros de comunicao com taxa de transmisso, bits de paridade, etc.

A seleo entre ASCII ou RTU define o nmero de bits em um campo de mensagem transmitido serialmente na rede. Define tambm como sero empacotados e decodificadas as informaes.

No modo Modbus ASCII um nmero hexadecimal representa dois caracteres ASCII. Permite um intervalo de at um segundo entre cada caractere enviado sem causar erro. Neste modo, toda mensagem comea com um caractere dois pontos (:) e finaliza com um caractere de retorno de carro (CRLF). A Figura 11 apresenta o formato de dado do Modbus ASCII.

Incio Endereo Funo Dado Checagem de erro Fim 1 char (:) 2 char 2 chars N char 2 char 2 chars (CRLF)

Figura 11 - Formato da mensagem Modbus ASCII.

No modo Modbus RTU, cada byte representa dois nmeros, isso porque neste modo os valores so representados dentro do padro BCD. O inicio e o fim da mensagem so sinalizados por um intervalo de silncio na linha de transmisso com comprimento de no mnimo 3,5 bytes. O modo RTU mais utilizado, pois permite que

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o tamanho do pacote fique mais compacto. O formato da mensagem do Modbus RTU ilustrado na Figura 12.

Incio Endereo Funo Dado Checagem de erro Fim 3,5 char 8 bits 2 bits N x8 bits 16 bits 3,5 char

Figura 12 - Formato da mensagem Modbus RTU.

O Modbus usado para comunicao dos CLP com os dispositivos de entrada e sada de dados, instrumentos eletrnicos inteligentes como rels de proteo, controladores de processo, atuadores de vlvulas, transdutores de energia e etc. O meio fsico o RS-232 ou RS-485 em conjunto com o protocolo mestre-escravo.

Atualmente existem outras variaes do protocolo Modbus, tais como Modbus Plus e Modbus TCP, que acrescentaram novas funes ou outros nveis (camadas) ao protocolo original.

O Modbus TCP/IP usado para comunicao entre sistemas de superviso e controladores lgicos programveis. O protocolo Modbus encapsulado no protocolo TCP/IP e transmitido atravs de redes padro ethernet com controle de acesso ao meio por CSMA/CD.

O Modbus PLUS usado para comunicao de controladores lgicos programveis, mdulos de E/S, chaves de partida eletrnica de motores, interfaces homem mquina etc.

A Figura 13 relaciona as camadas do modelo de referncia OSI com as camadas implementadas no protocolo Modbus.

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Figura 13 As camadas do protocolo Modbus e o modelo OSI.

Tabela 2 - Cdigo hexadecimal das funes mais usadas no Modbus.

Cdigo Hex Funo 02 Leitura de n bits 03 Leitura de n palavras registros retentivos 04 Leitura de n palavras registros de entrada 05 Escrita de 1 bit simples bobina 06 Escrita de 1 palavra preset um registro 07 Leitura rpida de 1 byte status de execuo 0F Escrita de n bits 10 Escrita de n palavras

2.6.2 HART

O protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer), introduzido pela Fisher Rosenount em 1980, possibilita a transmisso de dados digitais de sensores inteligentes sobrepostos aos sinais analgicos 4-20mA na mesma fiao, sem interferncia. Os sinais de comunicao digitais so sobrepostos aos analgicos, sem interferncia e na mesma fiao. utilizado para comunicaes de tempo real principalmente em aplicaes de Automao Industrial.

Utilizando conexes multipontos, vrios equipamentos podem ser interligados por um nico par de fios comunicando-se de forma digital.

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A especificao do protocolo HART baseada no modelo de comunicao OSI e endeream diretamente trs camadas: o fsico, o de enlace de dados e a de aplicao.

Figura 14 - Comparativo entre o Modelo OSI e o HART.

Para transmitir o sinal digital juntamente com o analgico, o protocolo HART utiliza-se da tcnica FSK (frequency shift key) no qual um sinal senoidal de corrente pico-a-pico de 1mA na frequncia de 1200Hz significa "1" e na 2400Hz significa "0".

O protocolo HART baseia-se numa estrutura mestre/escravo, havendo um mestre primrio e um secundrio que podem se comunicar intercaladamente com o instrumento. Esta comunicao feita ininterruptamente em tempo real para que um

sistema de manuteno possa verificar a condio do equipamento. A comunicao ponto-a-ponto a mais utilizada, porm a verso 5 do

HART permite que at 15 equipamentos estejam conectados a um mesmo par de fios, alm dos dois mestres.

No caso do Hart os dados so organizados em 8 bits que se agrupam em mensagens .Uma transao do Hart consiste em um comando do mestre e uma resposta do escravo.

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2.6.3 Foundation Fieldbus

O Foundation Fieldbus (FF) um protocolo para comunicao digital. Foi desenvolvido pela Fieldbus Foundation e normalizado pela ISA. Existem duas redes FF, uma de baixa velocidade concebida para interligao de instrumentos, chamada H1, com taxa de transmisso de 31,25kbps e outra de alta velocidade utilizada para interligao das demais redes e para a ligao de dispositivos de alta velocidade, a HSE, com taxas de at 100Mbps.

Fieldbus foi desenvolvido baseado no padro ISO/OSI, porm no contm todos os seus nveis. A comparao entre os dois modelos pode ser visto na Figura 15.

Figura 15 - As camadas do protocolo Fundation Fieldbus e o modelo OSI.

O FF uma arquitetura aberta para integrar informao, cujo objetivo principal interconectar equipamentos de controle e automao industrial, distribuindo as funes e controle pela rede e fornecendo informao a todas as camadas do sistema.

As caractersticas dos sistemas Fieldbus permitem baixos custos de implantao e manuteno, bem como a fcil expanso da rede. Tambm no muito difcil a implementao de um sistema Fieldbus em um sistema de automao j implantado, visto que so necessrias apenas placas de interface e conversores AD/DA.

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Algumas das vantagens do FF defendido por seus desenvolvedores so:

Informao imediata sobre diagnstico de falhas nos equipamentos de campo. Os problemas podem ser detectados antes deles se tomarem srios, reduzindo assim o tempo de inatividade da planta;

Distribuio das funes de controle nos equipamentos de campo instrumentos de medio e elementos de controle final. So dispensados os equipamentos dedicados para tarefas de controle. Assim, em caso de falha em um equipamento, o resto da rede continua funcionando.

Aumento da robustez do sistema, visto que dados digitais so mais confiveis que analgicos;

Os custos de engenharia podem ser reduzidos e os atuais procedimentos completamente mudados. Cada equipamento de campo oferece muitos blocos de controle e clculos que podero ser usados pelo usurio;

A atual conexo fsica, ponto-a-ponto, entre equipamentos pode ser substituda pelas conexes multiponto com diversos equipamentos num mesmo par de fios, com consequente reduo de cabos, bandejas, borneiras, etc.

Os equipamentos de campo so capazes de fornecer muito mais informao. Como o sinal digital menos sensvel a rudo, a qualidade da informao tambm melhor. O Foundation Fieldbus tambm abre caminho para transmissores de mltiplas variveis.

Equipamentos de campo podem indicar falhas em tempo real, assim como indicar diagnstico preventivo baseado em dados de operao do equipamento e avaliao estatstica dos mesmos.

2.6.4 AS-i

O protocolo AS-i (Actuator-Sensor Interface) foi criado a partir da formao de um consrcio de onze fabricantes de sensores e atuadores com o objetivo

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de desenvolver uma rede de baixo custo que vinha ao encontro das necessidades de aplicaes no mais baixo nvel de rede. A rede AS-i aplicada para interligao de sensores e atuadores discretos. Foi padronizada em 1998 recebendo o nome de EN50295.

A rede AS-i consiste somente em um par de fios, onde caminham junto a alimentao dos sensores ou atuadores com (24Vdc/8A) e a informao do estado dos mesmos. A configurao mxima da rede (verso 2.1) de 62 participantes escravos que so acessados ciclicamente por um mestre no nvel de controle superior. O tempo de reao curto, para 31 escravos conectados, o tempo de ciclo de 5ms, podendo ser maior ou menor conforme o nmero de escravos. Cada escravo capaz de conectar 4 sensores e 4 atuadores. Na Figura 16 podem ser vistos alguns exemplos de escravos AS-i.

Figura 16 - Mdulos escravos AS-i.

A rede AS-i substitui o tradicional arranjo de cabos mltiplos, caixas de passagem, canaletas, dutos de cabos por um simples cabo especialmente desenvolvido para rede AS-i.

Anteriormente, sensores e atuadores tinham de ser conectados ao controlador via terminais, conectores e terminais de blocos. As redes AS-i proporcionam uma reduo nos custos de instalao e manuteno uma vez que os escravos so conectados diretamente no barramento, sem a necessidade de interligao adicional.

Cada escravo possui um endereo determinado. O endereo definido pelo mestre ou ferramenta de programao. A mensagem parte do mestre para um endereo nico com resposta imediata do escravo.

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O comprimento de todos os cabos em um segmento de rede pode ter no mximo 100m. possvel estender uma rede at 300 metros (3 segmentos) atravs do uso de um extensor ou repetidor. A Figura 17 mostra o exemplo de uma rede AS-i.

Figura 17 - Exemplo de uma configurao de rede AS-i.

2.6.5 DeviceNet

O DeviceNet foi apresentado em 1994 pela Allen-Bradley. Em 1995teve sua tecnologia transferida para a ODVA (Open DeviceNet Vendor Association), uma associao sem fins lucrativos.

A rede DeviceNet classificada no nvel de rede chamada devicebus, cujas caractersticas principais so: alta velocidade, comunicao a nvel de byte englobando

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comunicao com equipamentos discretos e analgicos e alto poder de diagnstico dos dispositivos da rede.

A camada fsica e de acesso da rede DeviceNet baseada na tecnologia CAN (Controller Area Network) e as camadas superiores no protocolo CIP, que define uma arquitetura baseada em objetos e conexes entre eles.

O CAN originalmente foi desenvolvido pela BOSCH para o mercado de automvel europeu para substituir os caros chicotes de cabo por um cabo em rede de baixo custo em automveis. Como resultado, o CAN tem resposta rpida e confiabilidade alta para aplicaes principalmente na rea automobilstica. Na Figura 18 est representada a relao entre as camadas OSI, CAN e DeviceNet.

Figura 18 - Relao entre as pilhas dos modelos OSI, CAN e DeviceNet.

O DeviceNet um rede digital, multiponto para conexo entre sensores, atuadores e sistema de automao industrial em geral. Ela foi desenvolvida para ter mxima flexibilidade entre equipamentos de campo e interoperabilidade entre diferentes vendedores.

A rede DeviceNet permite a conexo de at 64 nodos. O mecanismo de comunicao ponto-a-ponto com prioridade. O esquema de arbitragem herdado do protocolo CAN e se realiza bit a bit. A transferncia de dados se d segundo o modelo produtor consumidor. A Figura 19 mostra um exemplo de rede DeviceNet.

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Figura 19 - Aplicaes da rede Devicenet.

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3 O PROTOCOLO PROFIBUS

O Profibus (Process Fieldbus) um padro aberto de rede de comunicao industrial, utilizado em um grande nmero de aplicaes na indstria para o controle de processo e manufatura e na automao predial. padronizado pelas normas internacionais EN 50170 e IEC 61158 que garantem a interoperabilidade entre produtos de diferentes fabricantes.

O Profibus foi criado em 1987 na Alemanha a partir da unio de esforos de vrias empresas e institutos de pesquisas financiados pelo governo local. Desde ento tem se desenvolvido continuamente sendo atualmente um dos protocolos para redes industriais mais utilizados mundialmente [8], principalmente na comunidade europeia. Hoje, todos os principais fabricantes de tecnologia de automao oferecem compatibilidade com o Profibus em seus dispositivos.

Existem trs verses do Profibus para atender diferentes requisitos de um sistema de controle:

Profibus-DP (Decentralized Periphery): a soluo de alta velocidade do Profibus. Seu desenvolvimento foi otimizado especialmente para comunicaes entre os sistemas de automaes e equipamentos descentralizados. Voltada para sistemas de controle, onde se destaca o acesso aos dispositivos de E/S distribudos. utilizada para a conexo de dispositivos de campo, que demandam um curtssimo tempo de reao, tais como E/S remotas, inversores de frequncia, interfaces homem-mquina, ilhas de vlvulas, etc.

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Este o perfil de comunicao (communication profile) mais utilizado, atualmente, 90% das aplicaes envolvendo escravos Profibus utilizam-se do Profibus-DP. Essa variante est disponvel em trs verses: DP-V0 (1993), DP-V1 (1997) e DP-V2 (2002). A origem de cada verso aconteceu de acordo com o avano tecnolgico e a demanda das aplicaes exigidas ao longo do tempo.

Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification): o perfil de comunicao universal para tarefas complexas. a soluo de padro de comunicao universal que pode ser usada para resolver tarefas complexas de comunicao no nvel de clula. Essa variante suporta a comunicao entre sistemas de automao, assim como a troca de dados entre equipamentos inteligentes, e geralmente utilizada em nvel de controle. Recentemente, pelo fato de ter como funo primria a comunicao mestre-mestre, vem sendo substituda por aplicaes em Ethernet, como o Profinet.

Profibus-PA (Process Automation): uma expanso do Profibbus-DP. uma soluo que atende aos requisitos da automao de processos, onde se tem a conexo de sistemas de automao e sistemas de controle de processo com equipamentos de campo, tais como: transmissores de presso, temperatura, conversores, posicionadores, etc. Pode ser usada em substituio ao padro 4 a 20 mA. Apresenta caracterstica de segurana intrnseca, de acordo com a norma IEC 1158-2, atendendo aos requisitos da indstria qumica e de petrleo para uso em reas potencialmente explosivas, tambm conhecidas como reas classificadas.

3.1 Arquitetura do protocolo

Como todo padro para redes de barramento de campo, o Profibus adota o modelo de referncia OSI de camadas, porm so implementadas apenas a camada 1 (nvel fsico), que define as caractersticas fsicas de transmisso, a camada 2 (enlace de dados), que define o protocolo de acesso ao meio e a camada 7 (aplicao), que define as funes de aplicao.

O Profibus-DP implementa somente as camadas 1 e 2, alm da interface do usurio. As camadas 3 a 7 no so utilizadas. Esta arquitetura simplificada assegura uma transmisso de dados rpida e eficiente.

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O Profibus-FMS tem os nveis 1, 2 e 7 definidos, onde o nvel de aplicao composto de mensagens FMS (Fieldbus Message Specification) e da camada inferior LLI (Lower Layer Interface). O FMS define um amplo nmero de servios poderosos de comunicao entre mestres e entre mestres e escravos. O LLI define a representao de servios do FMS no protocolo de transmisso do nvel 2.

O protocolo de comunicao Profibus-PA usa o mesmo protocolo de comunicao Profibus-DP. Isto porque os servios de comunicao e mensagens so idnticos. A Figura 20 ilustra a arquitetura de camadas do Profibus.

Figura 20 - Arquitetura do protocolo Profibus.

3.2 Meio fsico

Para atender a diversos requisitos de topologia, o Profibus oferece a possibilidade de especificar vrios padres para as interfaces fsicas, oferecendo diversos requisitos em relao a topologia, comprimento do barramento e taxa de transmisso.

O Profibus-DP e o Profibus-FMS utilizam a mesma tecnologia de transmisso e um protocolo uniforme para acesso ao barramento, assim ambas as verses podem operar simultaneamente.

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3.2.1 RS-485

a tecnologia de transmisso usada com mais frequncia. Usa como meio de transmisso um cabo de par tranado blindado. O conector do tipo sub-D de nove pinos.

Emprega a codificao NRZ (No Return to Zero), isto , o dado transmitido atravs do cabo de par tranado de maneira que um bit 1 (um) seja representado por uma tenso positiva entre o pino 3 e o pino 8 do conector e o bit 0 (zero) representado por uma tenso negativa entre esses dois pinos.

Permite taxas de transmisso selecionvel de 9,6kbps 12Mbps. Quando o sistema configurado, apenas uma nica taxa de transmisso selecionada para todos os dispositivos no barramento.

Utiliza uma estrutura em barramento que permite a adio e remoo de estaes sem influncias em outras. So permitidas 32 estaes por segmento, com um total de 127 para a rede. A distncia mxima depende da taxa de transmisso, podendo, no entanto, chegar a 1200m.

H necessidade da terminao ativa no barramento no comeo e fim de cada segmento, sendo que, para manter a integridade do sinal de comunicao, ambos terminadores devem ser energizados.

3.2.2 IEC 1158-2

A tecnologia de transmisso de acordo com a norma IEC 1158-2 encontra-se adequada s exigncias da indstria petroqumica e de produtos qumicos. A tecnologia de transmisso sncrona com codificao Manchester em 31.25 Kbps (modo tenso). O cabo do tipo par tranado com blindagem e so aceitas as topologias barramento, rvore/estrela e ponto-a-ponto.

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3.2.3 Fibra tica

A soluo utilizando-se de fibra tica atende s necessidades de imunidade a rudos, diferenas de potenciais, longas distncias, arquitetura em anel e redundncia fsica e altas velocidades de transmisso.

3.3 FDL (Fieldbus Data Link Layer)

A camada de enlace do Profibus (camada 2) denominada FDL, sendo responsvel pela execuo dos servios referentes ao protocolo de transmisso de mensagens e de controle de acesso ao meio de transmisso.

O controle de acesso ao meio (MAC) especifica o procedimento quando permitida a uma estao transmitir dados. O MAC deve assegurar-se de que somente uma estao tenha direito de transmitir dados em certo momento.

O Profibus um protocolo multimestre, ou seja, so permitidas vrias estaes ativas em um mesmo barramento. No entanto, um mestre no pode acessar os escravos de outro mestre. Para evitar conflitos, o controle de acesso ao barramento entre os mestres feito pelo mtodo do token passing, desta forma assegura-se a cada mestre um certo intervalo de tempo a que ele tem direito de acesso ao meio para comunicao com seus escravos. E, para o controle de acesso entre o mestre e seus escravos utilizado o mtodo mestre/escravo. A Figura 21 ilustra esse processo.

Figura 21 - Controle de Acesso ao Meio em uma rede Profibus multi-mestre.

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3.3.1 Topologia

Uma rede Profibus-DP composta por dispositivos mestres e escravos:

Mestres classe 1 (DPM-1): So estaes ativas, ou seja, enviam solicitaes para leitura e escrita de dados para os ns configurados, tais como CLP ou at mesmos PC. Uma rede Profibus precisa ter pelo menos um mestre (DPM-1). Podem ser configurados mais de um mestre DPM-1 em uma rede.

Mestres classe 2 (DPM-2): So estaes ativas destinadas programao, configurao da rede e diagnsticos dos dispositivos do sistema.

Um dispositivo escravo uma estao remota que pode ser um mdulo de I/O, um instrumento de campo (transmissor de temperatura, presso, etc.), vlvulas, etc. So estaes passivas, ou seja, somente respondem s solicitaes do mestre.

Uma rede precisa ter no mnimo dois dispositivos e, pelo menos um deles dever ser ativo classe 1, ou seja, pelo menos um mestre e um escravo. A Figura 22 mostra o exemplo de uma rede Profibus.

Figura 22- Configurao de uma rede Profibus.

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3.4 Arquivos GSD

O protocolo Profibus-DP suporta muitas possibilidades de implementaes para a troca de dados entre o mestre do barramento e os escravos a ele conectados. Estes dispositivos possuem diferentes caractersticas de funcionalidades, como nmero de pontos de E/S, e parametrizao da comunicao, como taxas de transmisso suportadas, que variam de acordo com o dispositivo e o fabricante.

Apesar destes parmetros serem documentados nos manuais, com o objetivo de cobrir esta variedade de informao de maneira segura e conveniente e tornar o Profibus um sistema mais facilmente configurvel, foi definido um arquivo contendo estas informaes: o Device Description Data file, chamado de arquivo GSD.

O GSD um arquivo de texto ASCII que contm as informaes necessrias para a comunicao de um dispositivo, como uma folha de dados eletrnica e deve ser fornecido pelo fabricante.

A fim de se descrever os detalhes tcnicos do equipamento de maneira uniforme, palavras-chave definem, de forma nica, os atributos do dispositivo de campo. Assim, assegurado que diferentes dispositivos de diferentes fabricantes possam trocar informaes com qualquer mestre que atenda aos padres. Todos dispositivos Profibus, mestres e escravos, devem ser descritos pelo fabricante em um arquivo GSD.

Essencialmente, as seguintes informaes esto contidas em um arquivo gsd:

As taxas de transmisso suportadas;

O tamanho dos dados de entrada e sada que podem ser trocados;

O significado dos dados de diagnstico;

Tipo de dispositivo de campo;

Atribuies de textos para configurao simblica;

Os servios suportados; O arquivo GSD necessrio durante a configurao e comissionamento dos

equipamentos da rede. Uma ferramenta de configurao (um programa de

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computador), que fornecida pelo fabricante de cada dispositivo mestre, l e interpreta o arquivo GSD, obtendo a identificao do dispositivo, os parmetros ajustveis e seus os tipos de dados correspondentes e os valores limites de configurao. Ao final da configurao esses dados so transferidos ao mestre. A Figura 23 ilustra esse processo.

Figura 23 - Configurao do sistema usando os arquivos GSD.

3.5 Operao bsica do Profibus-DP

Um mestre DP configurado para saber os endereos, tipos de dispositivos escravos, e qualquer parmetro de atribuio que os escravos exigirem. especificado ao mestre tambm onde escrever os dados que so lidos dos escravos (entradas) e onde obter os dados para enviar aos escravos (sadas). O mestre DP estabelece a rede e, em seguida, inicializa seus dispositivos escravos DP. O mestre escreve os parmetros de configurao de E/S nos escravos. E ento l o diagnstico para verificar se os escravos DP aceitam os parmetros de configurao. O mestre ento inicia a troca de dados de E/S com o escravo. Cada operao com o escravo escreve sadas e l entradas. O modo de troca de dados continua indefinidamente. Os dispositivos escravos podem notificar o mestre se houver uma condio de exceo e, em seguida, o mestre l as informaes de diagnstico do escravo.

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4 SISTEMAS SUPERVISRIOS

O termo controle supervisrio denota o processo de monitorar distncia uma atividade, transmitindo diretrizes de operao aos controladores localizados distncia e recebendo de volta a indicao da realizao das aes de controle [2].

O sistema supervisrio responsvel pela comunicao do operador com as vrias etapas do processo. Atravs dele o usurio pode acompanhar todo o processo, suprindo eventuais necessidades de interveno.

Os sistemas supervisrios permitem que sejam monitoradas e rastreadas informaes de um processo produtivo ou instalao fsica. Tais informaes so coletadas atravs de equipamentos de aquisio de dados e, em seguida, manipuladas, analisadas, armazenadas e, posteriormente, apresentadas ao usurio. Estes sistemas tambm so chamados de SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition Superviso de Controle e Aquisio de Dados).

Um sistema SCADA possui funes de controle, monitorao e superviso. A monitorao a aquisio de dados para a verificao das condies do sistema. A superviso utiliza dados obtidos pela monitorao para elaborar uma estratgia de operao que busque maximizar o retorno financeiro [2].

4.1 SCADA

Os sistemas SCADA so sistemas de superviso de processos industriais que coletam dados do processo atravs de dispositivos remotos, como os controladores lgicos programveis (CLP), formatam estas informaes, e os apresentam ao operador de uma forma amigvel, utilizando para isso, principalmente, diversos recursos grficos. Ou seja, o objetivo principal dos sistemas SCADA propiciar uma interface de alto nvel do operador com o processo, informando-o em tempo real de todos os eventos importantes da planta.

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Os primeiros sistemas supervisrios permitiam, basicamente, monitorar remotamente o processo, informando periodicamente o estado corrente da planta industrial. A interface com o operador era feita por meio de lmpadas e indicadores no painel.

Atualmente, os sistemas de automao industrial utilizam tecnologias de computao e comunicao para automatizar a monitorao e controle dos processos industriais, efetuando a coleta de dados em ambientes complexos, muitas vezes dispersos geograficamente, e a respectiva apresentao de modo amigvel para o operador, com recursos grficos elaborados e contedo multimdia. Permitem tambm o comando remoto de dispositivos (automaticamente ou por iniciativa do operador).

Uma tarefa comum do supervisrio o controle estatstico do processo, gerando grficos e apontando tendncias com base nas variveis processadas.

O supervisrio poder, eventualmente, monitorar todos os elementos da rede, mas, na maioria das vezes, o seu acesso restringe-se apenas aos CLP mestres. Estes preparam uma tabela de status do processo que entregue ao SCADA. De posse dela, o sistema poder ou no promover uma interferncia no andamento do processo, alterando os parmetros de controle [9].

Dentro da filosofia atual de controle distribudo, os sistemas SCADA so encontrados nos nveis intermedirios da hierarquia, comunicando-se com os dispositivos de controle por meio de redes de campo (fieldbus) e transmitindo informaes para os nveis gerenciais mais acima.

Resumidamente, a arquitetura de um sistema SCADA composta por:

Instrumentao de campo: so os dispositivos ligados aos equipamentos ou mquinas que sero monitorados, convertendo os parmetros fsicos em sinais eltricos. So exemplos os sensores e atuadores.

Estaes remotas: so responsveis pela aquisio das informaes geradas pelos elementos de campo e, baseado nesses dados, executar uma lgica de controle. Tm a funo tambm de se comunicar com o sistema SCADA central

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para troca de informaes. Podem ser os CLP ou as UTR (Unidades Terminais Remotas).

Rede de comunicao: o meio de transferncia de informao entre uma entidade e outra.

Estao de monitorao central: unidade do sistema SCADA que coleciona a informao recolhida pelas estaes remotas. onde est presente a interface grfica apresentada ao operador.

O processo de controle e aquisio de dados se inicia nas estaes remotas (CLP ou UTR), com a leitura dos valores atuais dos dispositivos (sensores) que a eles esto associados. Os CLP e UTR so unidades computacionais especficas, utilizadas nas instalaes fabris com a funo de ler entradas, realizar clculos ou controles, e atualizar sadas.

A rede de comunicao a plataforma por onde as informaes fluem dos CLP/UTR para o sistema SCADA e, levando em considerao os requisitos do sistema e a distncia a cobrir, pode ser implementada atravs de cabos Ethernet, fibras pticas, linhas dial-up, linhas dedicadas, rdio modems, etc.

As estaes de monitorao central so as unidades principais dos sistemas SCADA, sendo responsveis por recolher a informao gerada pelas estaes remotas e agir em conformidade com os eventos detectados, podendo ser centralizadas num nico computador ou distribudas por uma rede de computadores, de modo a permitir o compartilhamento das informaes coletadas.

sugerida em [2] uma sequncia de passos relativamente simples para a elaborao e implementao de aplicativos de superviso, esses passos podem variar com o tipo de aplicao, tipo de usurio e finalidade da aplicao, mas certamente servem como uma referncia.

Uma sequncia simples que poder ser seguida para elaborao da aplicao :

Definio das telas que devero fazer parte da soluo;

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Elaborao e definio das propriedades das telas;

Introduo dos objetos que devero fazer parte de cada tela; Definio das interconexes entre as telas;

Definio dos tipos de tags e quais tags externos devero ser criadas;

Elaborao dos scripts necessrios para a aplicao;

Definio dos logs de alarmes e eventos;

Definio dos relatrios, grficos e receitas;

Definio dos drivers de comunicao necessrios;

Parametrizao dos drivers;

Definio de hierarquias e senhas;

Testes de comunicao com os equipamentos que faro parte da soluo.

Normalmente, o desenvolvimento de um sistema escada est associado ao projeto de um sistema de controle mais amplo. Em [10] sugerida uma metodologia de desenvolvimento para esses projetos. Desta forma podemos associar as duas sugestes para a criao de uma soluo completa, incluindo o projeto do sistema de controle propriamente dito com o desenvolvimento do sistema SCADA.

Assim o projeto e desenvolvimento de um sistema de controle pode ser dividido nas etapas a seguir:

Anlise das necessidades;

Definio das necessidades;

Projeto do sistema de controle; Projeto do software de controle; Desenvolvimento (produo) do software; Testes;

Operao;

Manuteno;

DINIZ [11] discute ainda a necessidade de se desenvolver uma padronizao no processo de desenvolvimento de aplicativos supervisrios e programas de CLP com o objetivo de facilitar a manuteno e operao bem como

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reduzir os custos dos sistemas. Esta padronizao no se refere a adoo de hardware ou software de um nico fabricante, mas sim na utilizao de tcnicas de desenvolvimentos baseados em normas e padres abertos, como a IEC 61131-3, norma internacional para programao de CLP e o padro OPC que fornece estrutura para troca de dados entre sistemas de fabricantes diferentes.

Existem no mercado inmeros fornecedores de soluo para desenvolvimento de aplicativos supervisrios, a ttulo de informao sero citados alguns destes softwares:

Axeda Supervisor, da Axeda Systems;

iFix, da Intellution;

InTouch, da Wonderware;

Indusoft, da Indusoft;

WinCC, da Siemens;

Elipse E3, da Elipse Software;

Elipse Scada, tambm da Elipse Software.

Para o projeto descrito neste trabalho ser utilizado o Elipse E3, uma vez que a Universidade de Fortaleza dispe de licenas deste software. Na sesso a seguir feita uma breve descrio do E3.

4.2 Elipse E3

O E3 um sistema SCADA, desenvolvido pela empresa nacional Elipse Software. Constitui uma plataforma para superviso e controle de processo totalmente voltada operao em rede e aplicaes distribudas.

Sistemas construdos com o E3 geralmente partem da coleta de dados em tempo real de equipamentos de aquisio de dados ou de controle, como CLP, UTR (Unidades Terminais Remotas), DAQ (Placa de Aquisio de Dados), controladores Multi-Loop ou Single-Loop, centrais de incndio, balanas, etc. Esses equipamentos se comunicam com o E3 atravs de interfaces seriais ou Ethernet, por exemplo.

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O E3 l e escreve dados dos equipamentos atravs de drivers de comunicao que implementam o protocolo disponvel em cada um desses dispositivos. Esses drivers podem estar em um formato proprietrio da Elipse ou ento no formato aberto OPC.

Em posse desses dados, pode-se exibir, analisar, controlar, comandar, gravar ou divulgar tais informaes de diversas maneiras, utilizando recursos como as telas, alarmes, histrico, relatrios e grficos.

O Elipse E3 s pode ser executado em plataformas Microsoft Windows XP e mais recentes. As funes bsicas do software esto divididas em mdulos independentes, capazes de processar atividades especficas. Um mdulo ncleo responsvel por unir e coordenar o trabalho dos outros mdulos.

Os principais programas da plataforma E3 so:

E3 Server: o servidor de aplicaes, onde os principais processos so executados, como comunicao em tempo real com os equipamentos de controle e envio de dados para as telas aos clientes conectados.

E3 Studio: a plataforma de desenvolvimento e configurao do supervisrio. Utiliza os conceitos de programao orientada a objetos para a criao dos projetos. A Figura 24 mostra uma tela deste mdulo.

Figura 24 Tela principal do E3 Studio.

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E3 Viewer: o mdulo cliente. Permite operar as aplicaes residentes no servidor a partir qualquer computador com o programa executvel Viewer ou um navegador de Internet.

E3 Admin: o mdulo responsvel pela interface do E3 Server e de outros mdulos do E3 com o usurio.

4.3 OLE for Process Control (OPC)

OLE for Process Control (OPC), o nome da especificao de um padro, desenvolvido em 1996 por um grupo de empresas da rea de automao industrial. O padro OPC estabelece regras para o desenvolvimento de sistemas com interfaces de comunicao padro para integrao de dispositivos de campo (CLP, sensores, inversores, etc.) com sistemas de monitorao, superviso e gerenciamento (SCADA, MES, ERP, etc) de diferentes fabricantes.

Aps o lanamento inicial, foi criada a OPC Foundation, organizao responsvel pela manuteno do padro. Hoje o OPC uma srie de padres (sete atuais e dois em desenvolvimento), sendo que a especificao original chamada agora de OPC Data Access.

A especificao OPC foi baseada nas tecnologias OLE (Object Linking and Embedding), COM (Component Object Model) e DCOM (Distribuited Component Object Model), desenvolvidas pela Microsoft para a famlia do sistema operacional Windows. A especificao define um conjunto de objetos, interfaces e mtodos para uso em aplicaes de controle de processos e automao da manufatura, facilitando a interoperabilidade. A Figura 25 mostra um diagrama esquemtico do funcionamento do OPC.

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Figura 25 - Comunicao entre cliente e servidor via interface OPC.

A dificuldade em se compartilhar as informaes disponveis nos vrios nveis do processo industrial serviu de motivao para o desenvolvimento do padro OPC. Anteriormente, desenvolviam-se drivers especficos para a comunio entre os diferentes elementos. Porm essa uma soluo limitada e de difcil manuteno frente rpida evoluo de equipamentos e softwares.

A arquitetura OPC composta basicamente por trs classes de objetos: servidor, grupo e item. A Figura 26 ilustra essa estrutura.

Servidor A

Item 1

Item 2

Item 3

Grupo 1

Figura 26 - Arquitetura OPC.

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Cada item representa uma conexo a pontos de entrada ou sada fsicos. Tm associadas a eles trs propriedades que so informadas ao cliente:

Valor (Value): ltimo valor armazenado pelo servidor no cache de memria do item e que atualizado sempre que o servidor faz uma leitura no dispositivo.

Qualidade (Quality): Informao de estado que define a confiabilidade do dado adquirido. Pode assumir os valores: Good, quando o dado vlido e o valor foi obtido com certeza; Bad, quando h perda de comunicao com o dispositivo de campo; e Uncertain, caso exista a conexo, mas o dispositivo no estiver se comunicando.

Tempo de amostragem (Time Stamp): a hora na qual o valor da varivel foi obtido. atualizado sempre que o valor muda.

Nos grupos so reunidos o conjunto de itens de interesse de determinado cliente. Tem o papel de interao cliente-servidor. Nos grupos OPC so definidas os mtodos com o qual os valores das variveis do processo sero lidos e escritos. Desta forma, cada grupo pode apresentar as seguintes caractersticas:

Leitura sncrona, em que o cliente fica em espera at ser completada a operao, ou leitura assncrona, em que o cliente continua

trabalhando enquanto o servidor busca os dados solicitados, concluda a operao, envia os resultados em uma chamada de retorno. A leitura assncrona garante um melhor desempenho, sendo por isso a mais utilizada.

Leitura de dados diretamente do dispositivo de campo ou leitura da memria cache do servidor.

Estado Ativo/Inativo: cada item ou grupo pode ter seu estado alterado pelo cliente para ativo, habilitando a comunicao do mesmo, ou inativo.

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Leitura cclica (polling), quando o cliente faz a requisio de dados regularmente, independente de sofrerem alterao ou no; ou leitura por mudana de estado, quando o servidor fica responsvel por enviar aos clientes os itens que sofreram alterao de seu estado.

Banda morta: define os valores limites de transio para os itens de um determinado grupo. O servidor enviar ao cliente apenas os itens cuja alterao dos valores est fora da banda especificada.

Do ponto de vista do cliente, a funo bsica do servidor prover uma infraestrutura de suporte aos grupos. Alm disso, cabe a ele tambm gerenciar aspectos relacionados conexo com uma fonte de dados, tais como parmetros de comunicao ou taxa mxima de amostragem.

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5 DESENVOLVIMENTO

5.1 Infraestrutura

Inicialmente foi realizado um levantamento dos equipamentos disponveis no Laboratrio de PLC da Universidade para serem determinadas quais as solues possveis de serem aplicadas e quais seriam as necessidades de aquisio de novos equipamentos.

No laboratrio esto disponveis quatro CLP Siemens S7-200 com CPU 222 e mdulos de expanso de entradas e sadas (E/S) analgicas EM235 instalados em bancadas didticas.

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Tm-se tambm computadores PC onde esto instaladas licenas de uso para o software Elipse E3 verso 3.1, usado para a criao de aplicativos supervisrios.

Figura 27 - Bancada didtica disponvel no laboratrio.

Para comunicar os CLP disponveis em uma rede, o manual dos mesmos apresenta vrias solues, sendo que as que se apresentaram mais viveis foram:

1) Instalar uma rede usando o protocolo Modbus: neste caso preciso a aquisio junto Siemens, fabricante do CLP, de uma biblioteca de comunicao chamada STEP 7-Micro/Win Instruction Libraries. Esta biblioteca contm todas as funes e sub-rotinas necessrias para a configurao do S7-200 como uma estao mestre ou escrava Modbus RTU. Neste caso, a comunicao entre o PC com o supervisrio e o CLP feito utilizando o prprio cabo de comunicao que acompanha o CLP (cabo RS232/PPI). E as demais estaes so conectadas utilizando a interface RS-485, padro do protocolo e, presente nos equipamentos. Esta soluo simples de ser implantada, bastando fornecer, durante a criao do programa, alguns parmetros de configurao da rede biblioteca de comunicao. No entanto, preciso ter disposio pelo menos um modelo de CLP com duas portas de comunicao (S7-200 com CPU 224XP

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ou 226) para se realizar a comunicao do PC com a rede. Pois uma porta usada pelo cabo PPI para conexo PC-CLP e a outra usada para a comunicao Modbus entre as demais estaes, mas todos os equipamentos disponveis no laboratrio possuem apenas uma porta. Neste caso possvel conectar apenas os CLP, sem o PC, ou ento, con