Basico de protocolos

� Interoperabilidade� Confiabilidade (detecção e correção de erros)� Resiliência (falhas topológicas)� 1. IEC 60870-101, 103, 104� 2. DNP3� 3. Modbus� 4. IEC 61850� 5. Foundation Fieldbus� 6. Profibus� 7. Devicenet� 8. Interbus� 9. ASI� 10. Hart

Protocolos de ComunicaçãoRegras que governam a comunicação entre dispositivos eletrônicos

Camada FísicaEthernet

Camada FísicaSerial

TCP/IPInternet

Protocolos de ComunicaçãoRegras que governam a comunicação entre dispositivos eletrônicos

Cada Tecnologia a seu tempo e com sua função1. 4 a 20 mA, analógicos.

1.1. Aquisição dos Dados – TPs, TCs, Transdutores – circuitos de corrente 4 a 20 mApara informações analógicas. Par de fios p/ posição aberto/fechado.1.2. Atuações no processo - Circuitos de corrente e contatos aberto/fechado.

2. Barramentos de Campo – “Proprietários” ou “Abertos”. Profibus, Foundation.

2.1. Comunicação - 31,25 KHZ com par de fios (barramento), níveis de tensão e corrente no barramento (casamento de impedância, reflexão de ondas eletromagnéticas, atenuação, ruído).2.2.Critérios de alimentação - Segurança intrínseca, áreas classificadas. FISCO FieldbusIntrinsicaly Safe Concepty.2.3. Mensagens - estrutura e tamanho, para atender aos requisitos de tempo dos processos industriais – milisegundos ). ( HSE – 10/100 Megabits/s). Macrocycle2.4. Comunicação Síncrona. 2.5. Outros – DeviceNet, ASI, Interbus, Hart.

3. Protocolos Seriais – Comunicações Remotas, “100Km” ou o limite do link de comunicação. Comunicação Assíncrona. DNP3, IEC 60870-101, MODBUS.

4. Protocolos TCP/IP – IEC 61850 - Rede Mundial, Internet, Ethernet.

5. Ethernet Industrial – Tecnologia TCP/IP. Requisitos de hardware. Determinismo. Redes Privativas isoladas ou com Servidor NAT/Firewall.

6. OPC – Interoperabilidade, conectividade aberta, entre automação industrial e os sistemas empresariais. Conjunto de padrões para interface entre softwares.

Protocolos de ComunicaçãoRegras que governam a comunicação entre dispositivos

eletrônicosCada Tecnologia a seu tempo e com sua função

1. IED1. IED’’s que trocam alguns bits em milissegundos (vs que trocam alguns bits em milissegundos (váálvulas lvulas OnOn/off, chaves de /off, chaves de nníível, vel, pressostatospressostatos, etc.): protocolos do tipo , etc.): protocolos do tipo SensorBusesSensorBuses . Exemplo . Exemplo ––DevicenetDevicenet

2. IED2. IED’’s que trocam informas que trocam informaçções de alguns bytes em dezenas de milissegundos ões de alguns bytes em dezenas de milissegundos (transmissores de pressão, vazão, temperatura, v(transmissores de pressão, vazão, temperatura, váálvulas de controle, etc.): lvulas de controle, etc.): protocolos tipo protocolos tipo FieldBusesFieldBuses. Exemplo: . Exemplo: ProfibusProfibus PA, Hart, PA, Hart, FieldbusFieldbus FoundationFoundationH1;H1;

3. IED3. IED’’s que trocam vs que trocam váários blocos de bytes em dezenas ou centenas de rios blocos de bytes em dezenas ou centenas de milissegundos (relmilissegundos (reléés inteligentes, balans inteligentes, balançças, as, remoteremote IO, etc.): protocolos tipo IO, etc.): protocolos tipo DeviceBusesDeviceBuses. Exemplo: . Exemplo: ProfibusProfibus DP, DP, ControlNetControlNet e e DeviceNetDeviceNet;;

4. IED4. IED’’s que trocam vs que trocam váários dezenas de blocos ou arquivos em segundos (rios dezenas de blocos ou arquivos em segundos (UTRsUTRs, , CLPs, CLPs, SDCDsSDCDs, etc.): Protocolos do tipo , etc.): Protocolos do tipo DataBusesDataBuses. Exemplo Ethernet TCP/IP, . Exemplo Ethernet TCP/IP, ProfinetProfinet..

Diferentes tipos de protocolos em Diferentes tipos de protocolos em funfun çção da quantidade de dados transmitidos:ão da quantidade de dados transmitidos:

Protocolos de Comunicação Abertos Regras que governam a comunicação entre dispositivos eletrônicos

� 4 a 20 mA.� Protocolos seriais.

� IEC 60870 101� DNP3� Modbus� Comunicação Assíncrona

� Protocolo Setor Elétrico com arquitetura de Redes (LAN/WAN),orientado a objetos.

� IEC 61850� Protocolos Industriais com arquitetura de Redes (LAN/WAN),orientado a objetos.

� Profibus� Foundation� DeviceNet

Modelo Mestre / Escravo

Modelo de Rede Multcast

A INFORMAÇÃO NA CADEIA DE AQUISIÇÃO

Telessinal Ponto Simples

0 Aberto1 Fechado

Telessinal Ponto Duplo

0 0 Em trânsito0 1 Aberto1 0 Fechado1 1 Estado Proibido

Telecomando Simples

0 Abrir1 Fechar

Posição Seccionadora ou Disjuntor Telecomando

A IMPORTÂNCIA DA COMPATIBILIDADE ENTRE OS VÁRIOS ELOS

Processo ElétricoFiação – Relação TP TCTrandutores 4 A 20 mA

IED ou UTRConversores A/DBanco de Dados

Protocolo de ComunicaçãoConfiguração do Protocolo Centro de Operação

Banco de DadosCliente da UTRServidor do Aplicativo Gerencial

Telecomando Duplo

0 0 Comando Proibido0 1 Abrir1 0 Fechar1 1 Comando Proibido

Medição KV, A, MW, MVar, Hz

Conversor de12 bits

Conversor de 16 bits

Inteiro

Ponto Flutuante

Escalas de EngenhariaRelações de TP e TCConversores A / D

ByteWordLong Word

Aplicativo GerencialSoftwares Visuais

Agilidade na Comunicação (Throughput)Tempo decorrido entre a deteção de um evento e a atuação de

uma saída baseada em uma decisão lógica.

•1. Taxa de Transmissão•1,2 à 19,2 KBps – IEC 60870101, DNP3•100 Mbps – IEC 61850 – TCP/IP

•2. Eficiência do Protocolo – Overhead – Número total de bytes da mensagem em relação à mensagem útil - dados.

•IEC 60870 101, DNP3, Modbus – otimizados para mínimo overhead•IEC 61850 TCP/IP – pouco otimizado em função das larguras de banda disponíveis atualmente

•3. Modelo da Rede•3.1. ORIGEM / DESTINO•3.2. PRODUTOR / CONSUMIDOR ( Publisher / Subscriber )

( Publicador / Assinante ) IEC 61850

INFORMAÇÃO – 2 Tipos

� 1. Não necessita referência externa : Meu endereço é Rua Dourada 1000, CEP 13.211-111, Jundiaí/SP-Brasil.

� 2. Necessita referência externa : Meu nome éPaulo Oliveira e meu endereço está na lista telefônica.

� No caso 2 a referência externa é a Lista Telefônica, que necessito consultar para achar o endereço do meu amigo. Indexação externa.

2 Exemplos – S/E BAN linha para XAVInformação 1 - Disjuntor está fechadoInformação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV

S/E BAN UTR

Centro de Operação do Sistema

60 kmInformação

01001010

01001010

01001010

01001010

11110010

00011010

01001010

Informação 1 - Disjuntor está fechado – 1 bit

Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV2 Bytes ou 4 números hexadecimal – F21A

Banco de Dados da UTR deve ser compatível com o do SSC ( COS ).

0 aberto1 fechado

n

.

23

24

28

29

30

26

27

25


S/E BANUTR Centro de Operação do SistemaO N S

60 kmInformação

01001010

01001010

01001010

01001010

11110010

00011010

01001010

Protocolo DNP 3, IEC 101Linha Serial

Informação 1 - Disjuntor está fechado – 1 bit

Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV2 Bytes ou 4 números hexadecimal – F21A

Banco de Dados da UTR deve ser compatível com o do SSC ( COS ).

0 aberto1 fechado

n

.

23

24

28

29

30

26

27

25

2 Exemplos – S/E BAN linha para XAV Informação 1 - Disjuntor está fechadoInformação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV


60 kmInformação

Informação 1 - Disjuntor está fechado

BAN / XCBR1.Pos.stValVai a informação completa, sem necessidade de referência externa.Configura-se na origem e passa um arquivo XML para configurar o computador do COS. Simplifica trabalho de configuração.

Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV

BAN / MMXU / F21A

Banco de Dados da UTR “independe” do Banco de Dados do SSC ( COS ).



60 kmInformação

Informação 1 - Disjuntor está fechado

BAN / XCBR1.Pos.stValVai a informação completa, sem necessidade de referência externa.Configura-se na origem e passa um arquivo XML para configurar o computador do COS. Simplifica trabalho de configuração.

Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV

BAN / MMXU / F21A

Banco de Dados da UTR “independe” do Banco de Dados do SSC ( COS ).

IEC 61850 Rede TCP/IP

Interface RS 232 Conector DB25 – 25 pinos - SERIAL

� Bits de dados -12 V = 1 ou Alto, +12V = 0 ou baixo

� Bits dentro do Byte transmite primeiro o MSB e depois o LSB

� Cada Byte começa com 1 Start Bit Alto e termina com 0 a 2 Stops Bits Baixos

� Desocupada a linha esta Baixa

1 StartBit

1 2 3 4 5 6 7 8

2 stopsbits

MSB Data Byte LSB

Onda Eletromagnética – 300.000 km/segundo

9600 BPS - Bits por Segundo – 873 Bytes por segMensagem de 100 Bytes – 115 msInternet Mega BPS / Giga BPS

DCE1 - CD2 - TXD3 - RXD4 - DTR5 - terra6 - DSR7 - RTS8 - CTS9 - RI

DB9 Femea

DTE1 - CD2 - RXD3 - TXD4 - DTR5 - terra6 - DSR7 - RTS8 - CTS9 - RI

DB9 Macho

ModemRelé de Proteção

PC ou MicroCabo Multipares

COMUNICAÇÃOASSÍNCRONA

Interface RS 232 Ligação Ponto a Ponto

• DCE – Data Communication Equipment – Modem• DTE - Data Terminal Equipment – Relé ou PC-Microcomputador

• Hardware Handshake – se não usado só são necessários 3 sinais•TXD, RXD e Terra. Jumpeados 4 com 5; 6,8 com 20.

•CD – Carrier Detected – avisa o PC que o modem tem uma boa conexão•CTS – Clear To Send – Modem está pronto para receber do PC•DSR – Data Set Ready – avisa o PC que o modem está pronto•DTR – Data Terminal Ready – avisa modem que o PC está pronto•RTS – Request to Send – avisa o modem que o PC quer mandar dados•RI – Ring Indicator – Modem detetou um sinal do outro modem

PC RELÉModem ModemComunicação

AnalógicaSão Paulo Brasília

Comunicação digital Comunicação digital

Exercício 1Diagrama de um Cabo Cruzado

Tx (2)

Rx (3)

RTS (4)

CTS (5)

DSR (6)

DCD (8)

DTR (20)

Gnd (7)

Tx (2)

Rx (3)

RTS (4)

CTS (5)

DSR (6)

DCD (8)

DTR (20)

Gnd (7)

DTE DTE

Exercício 1

Tx (2)

Rx (3)

RTS (4)

CTS (5)

DSR (6)

DCD (8)

DTR (20)

Gnd (7)

Tx (2) CT 103

Rx (3) CT 104

RTS (4) CT 105

CTS (5) CT 106

DSR (6) CT 107

DCD (8) CT 109

DTR (20) CT 108

Gnd (7) CT 102

DTE DTE

Exercício 2Diagrama de um Cabo sem handshake – simplificado - TX com RX, Terra (Ground), jumpers nos conectores 4 com 5 e 6,8 com 20.

Tx (2)

Rx (3)

RTS (4)

CTS (5)

DSR (6)

DCD (8)

DTR (20)

Gnd (7)

Tx (2)

Rx (3)

RTS (4)

CTS (5)

DSR (6)

DCD (8)

DTR (20)

Gnd (7)

DTE DTE

Tx (2)

Rx (3)

RTS (4)

CTS (5)

DSR (6)

DCD (8)

DTR (20)

Gnd (7)

Tx (2)

Rx (3)

RTS (4)

CTS (5)

DSR (6)

DCD (8)

DTR (20)

Gnd (7)

DTE DTE

Exercício 2Diagrama de um Cabo sem handshake – simplificado - TX com RX, Terra (Ground), jumpers nos conectores 4 com 5 e 6,8 com 20.

RS 485 (Recomended Standard ) EIA 485 ( Electronic Industry Association )

� Half duplex, Multiponto ( 32 nós ), 1200 metros.

� Velocidade de 100 K a 10 MBps.

� Única CPU, diversos IHM endereçáveis, compartilham o mesmo cabo.

� Conversor RS232 para 485, isolamento ótico.

� Redes locais muito baratas, multidrop.

� Prover “Rejeição de Modo Comum” com par trançado, e blindagem.

� Topologia recomendada – Daisy Chain

Outras Topologias

BARRAMENTOFunciona mas não é o ideal

Daisy ChainESTRELA

ANELNão usar

CABO para RS 485 (Recomended Standard ) EIA 485 ( Electronic Industry Association )

� Deve ser blindado� Recomenda-se utilizar 3 vias e blindagem – até 1200 m

� Com 2 vias para curtas distâncias – poucos metros� Função do COMUM – equalizar o potencial dos equipamentos conectados

à Rede� Função da BLINDAGEM : proteção contra Ruídos externos� Não utilizar a BLINDAGEM como COMUM, pois colocaria o Ruído

existente como referência

Dado +Dado –Comum(GND)

Blindagem

LAN – WAN – SWITCH (HUB) ROTEADOR

ARPIPADDRES

TABELAROTEAMENTO

LAN 1 LAN 3

LAN 2

WAN

Frame 802.3 MAC e FragmentaçãoCP LLC SNAP Dados – 38 a 1500 bytes CRCOrigem

Aplicação

TCPDatagrama65535 bytes

IPQuadro

1500 Bytes

802.3 MAC

Mensagem com 4000 Bytes

802.3 MAC

IPQuadro

1500 Bytes

TCPDatagrama65535 bytes

Aplicação

Encapsular - TXDesencapsular - RX

Rede

Sincronização

15001500

1000

Destino

LLC – Logic Link Control

SNAP –Subnetwork Access Control

Ethertype

Endereço IPEndereço MAC

Modelo OSI 7 CamadasModelo TCP/IP 4 CamadasModelo 5 Camadas

7. Aplicação : HTTP, Browser, Internet Explorer (Windows), MozillaFirefox (Linux); IPhone, Ipod (Apple); FTP, Telnet, SNMP, Email, PING; SSC Spin, SSC Sage; Softwares proprietários de Relés de Proteção ABB, SIEMENS, AREVA, SEL para Análise de Perturbação

4. Transporte : TCP, UDP

3. Rede : IP ( IPv4, IPv6), ARP, RARP, ICMP

2. Enlace : Ethernet, 802.11, WiFi, HDLC, Token Ring, FDDI, Frame Relay, USART

1. Física : Modem, RS232, RS485, DB 9, DB 25, EIA 422, Bluetooth, USB, UTP, RJ 45

ARP – Address Resolution Protocol

IP MAC10.12.123.1 00:20:af: f2:e7:f1

IP MAC10.12.123.2 08:00:20:a7:41:23

IP MAC

10.12.123.3 08:00:20:f2:e7:fa

ARP – Address Resolution ProtocolO primeiro endereço da Tabela ARP é o dele mesmo

IP MAC10.12.123.1 00:20:af:f2:e7:f1 10.12.123.3 08:00:20:f2:e7:fa10.12.123.2 08:00:20:a7:41:23

IP MAC10.12.123.2 08:00:20:a7:41:2310.12.123.3 08:00:20:f2:e7:fa10.12.123.1 00:20:af: f2:e7:f1

IP MAC

10.12.123.3 08:00:20:f2:e7:fa10.12.123.2 08:00:20:a7:41:2310.12.123.1 00:20:af: f2:e7:f1

Há uma troca automáticade mensagense a Tabela ARP é montada

ARP – Address Resolution ProtocolO primeiro endereço da Tabela ARP é o dele mesmo

IP MAC10.12.123.1 00:20:af:f2:e7:f1 10.12.123.3 08:00:20:f2e7fa10.12.123.2 01:00:5e:a7:41:2310.12.123.4 01:00:5e:ce:a2:3a

IP MAC10.12.123.2 08:00:20:a7:41:2310.12.123.3 08:00:20: f2:e7:fa10.12.123.1 00:20:af: f2:e7:f110.12.123.4 01:00:5e:ce:a2:3a

IP MAC

10.12.123.3 08:00:20:f2:e7:fa10.12.123.2 08:00:20a7:41:2310.12.123.1 00:20:af:f2:e7:f110.12.123.4 01:00:ce:a2:3a

Há uma troca automática de mensagense a Tabela ARP é montada

Adiciono um 4º computador

IP MAC

10.12.123.4 01:00:5e:ce:a2:3a10.12.123.3 08:00:20:f2:e7:fa10.12.123.2 08:00:20:a7:41:2310.12.123.1 00:20:af:f2:e7:f1

PROTOCOLO MODBUS

� Desenvolvido pela Modicon, década de 1970, é uma das

primeiras implementações de protocolos seriais, continua em utilização. Modelo mais simples.

� Não define tipo de dados ou codificação da informação.

� Não define mapeamento padrão.

� Não possui estampa de tempo nativa.

� Mestre/Escravo, 1 mestre e até 247 escravos.

Modelo do Protocolo MODBUS

Aplicação

Físico

Aplicação

Físico

Objeto de dados Ex: S/E BAN Disjuntor 7 abriuMODBUS - Funções e Mapas de MemóriaDisjuntor 7 Aberto - Informação => B 7 0

B 7 0

B 7 0

Encapsular

Coloca a informaçãona Tela do Operadorna S/E ou no COS

12

B 7 0

B 7 0

Desencapsular

Origem - S/E BandeirantesDestino – COS

End crcEnd crc

Resumo da Funções MODBUS

� 0x03: READ HOLDING REGISTER

� 0x04: READ INPUT REGISTER

� 0x05: FORCE SINGLE COIL

� 0x06: PRESET SINGLE REGISTER

� 0x16: PRESET MULTIPLE REGISTER

� 0x07: READ EXCEPTION STATUS

� Existem funções proprietárias

� Existem funções que suportam broadcast (todos os escravos a processam)

MODBUS

� DÚVIDA FREQUENTE

� QUESTÃO DO MAPA DE ENDEREÇOS

� Função 0x04 ( Read Input Register ) : 30001 em diante

(ex: 30015) Transmissão: 30015 –30001 = 14 = 0x0E

� Função 0x03 ( Read Holding Register ) : 40001 em diante

(ex: 40002) Transmissão: 40002 –40001 = 01 = 0x01

� IMPORTANTE

� Não há confirmação de recebimento de dados nativa

� Não existe padronização no formado de dados

� Não existe padronização no mapa de memória

Como Funciona o Meio de Transmissão ?

Onda Eletromagnéticapropagando num par de fios

Circuito AbertoOnda Refletida

Casamento de ImpedânciaTerminadores

Atenuação - Onda EstacionáriaAtenuação – Dissipação da energiana impedância do cabo

Área ClassificadaSegurança IntrínsecaÀ prova de explosãoFISCO – Fieldbus IntrinsicallySafe ConceptyIgnition Curves

Aplicação Típica - Malha de controle

Transmissor(Sensor)

Controlador(PID) Atuador

(Posicionadorda Válvula)

NívelPosição

da Válvula

Entrada Controle Saída

ProcessoProcesso

Realimentação

NívelObjetivo

ParâmetrosControle

Limites

Transmissâo contínuaAcesso esporádico

REQUISITOS SISTÊMICOS FUNDAMENTAIS 1. O DADO SÓ TEM IMPORTÂNCIA NA HORA QUE FOI GERADO.REDE CONFIÁVEL. RETRANSMISSÕES NÃO SÃO A SOLUÇÃO.DETERMINISMO.2. INDEPENDÊNCIA DE FORNECEDOR COMO NA TECNOLOGIA 4 A 20 mA

IEC 61158 @ 31.25 kbit/s

IEC 61158 - DLL

IEC 61158 - FMS

H1

USER LAYERDD – IEC 61804-2

AUTOMAÇÃO COMUNICAÇÃO

Transferir a informação de um ponto a outro

IEC 61158 @ 31.25 kbit/s

IEC 61158 - DLL

IEC 61158 - FMS

H1

USER LAYERDD – IEC 61804-2

1. Vazão 90 cm3/seg

90

90FMS

90FMSDLL

90FMSDLLCamada

Física

Encapsular

2. Vazão 90 então abre a válvula

90

90

90

90FMSDLL

FMSDLL

FMS

Desencapsular

Objeto de Dados

para compelir ospara compelir ospara compelir ospara compelir os

Camada de Enlace de Dados – DLL Data Link Layer

Estou VivoVarredura a cada 150 ms3 falhas sai da Live List( 450 ms )

Camada de Enlace de Dados – DLL Data Link Layer

Subcamada de Acesso aoBarramento – FieldbusAccess Sublayer

Trocador de Calor

1. Vapor flui pela tubulação espiral, inserida num recipiente,onde passa o fluído do processo.

2. Objetivo é aquecer o fluido do processo até uma temperaturadefinida.

PROCESSO DE CONTROLE CONTÍNUO - CASCATAO controle está distribuído na rede, não depende de umprocessador central. Conceito de Macrocycle

Um únicobarramento

Fluxode Vapor

Fluidodo Prpcesso

Temporização do controle em cascata - Macrocycle

SENSOR DETEMPERATURADispositivo inteligente,emite um “bad status”, passa controle para manual.Envia mensagem para o supervisório.

SENSOR DE FLUXOPosiciona a Válvula de acordo com critérios de segurança pré- estabelecido.Abre totalmenteFecha totalmenteMantém a última posição

CONTROLE EM CASCATAFalha no SENSOR DE TEMPERATURAFalha no SENSOR DE FLUXO

Um únicobarramento

CONCEITO DE SEGURANÇA DE REDEFAIL SAFE FAULT STATE

Fluxode Vapor

Fluidodo Prpcesso

CONTROLE DISCRETO

Processo de enchimento de galões com líquido, sobre u ma esteira rolante

Redes de Campo – FF Schedule Building Tool

Software Configurador de Rede

Network Segment Execution TimeMacrocycle - Orientações da Norma

� Deixar 50% da banda (tempo) para Unscheduled.

� Deixar “spare time” – Totaliza - 70 % para Unscheduled.

� Constatações Estatísticas – Loop de Controle deve ser 6 vezes mais rápido que o processo.

� Tempo de um Bloco de Função – Multiplicar por 3.

1. Profibus = Process Field Bus

2. Criado por iniciativa da Siemens, Bosch, e

Klockner-Moeller em 1987

3. Norma EN 50170/50254

4. Controle de Processos pelo padrão Profibus PA

5. Segurança Intrínseca IEC 61158-2 no padrão PA

6. Tendência de integração de camadas (DP, PA e

Profinet).

PROFIBUS

Redes de Campo – ProfiBus DP

PROFIBUS

PROFIBUS

PROFIBUS

- PA

- DP

PROFIBUS

Redes de CampoDevice Coupler

Device CouplerTRUNKGUARD

Proteção Contra Curto Circuito

Dispositivo

Logica

LEDOFF

LEDON

Derivação (Spur)

Tronco

Dispositivo consome aCorrente Normal, a chave estáFechada, a derivação está ativa

LED VERDE ONLED VERMELHO OFF



Proteção Contra Curto Circuito

Circuito Lógico deteta uma falha, abre a chaveA carga em falha é desconectada do seguimento

LED VERDE OFFLED VERMELHO ON

Logica

FALHA

Device

Tronco



Auto Terminação

Circuito de Auto Terminação – LigadoUltima caixa do Segmento

SAÍDADOTRONCO

ENTRADADO TROCO

Logica

TERMINATOR

LED



Auto Terminação

Circuito de Auto Terminação – DesligadoSegmento com mais dispositivos

Logic

TERMINATOR

LED

Segment Communications

ENTRADADO TROCO

SAÍDADOTRONCO

DeviceNetConceitos Fundamentais� Planejamento e Instalação

� CAN – Controller Area Network

� CIP – Commom Industrial Protocol

� Redes Seguras

� DeviceNet Baseline and Test Report

� ODVA – Open DeviceNet Vendor Association

• Desenvolvida pela ALLEN BRADLEY em 1994 e ébaseada no protocolo CAN dos anos 80.

• Protocolo CAN foi desenvolvido pela BOSCH, paraa indústria automobilística.

• Principais Fornecedores de Chip CAN – Intel, Motorola, Philips, Nec, Hitachi, Siemens.

DEVICENET RESUMO

• É uma rede de comunicação de baixo custo idealizada para interligar equipamentos industriais utilizando o mesmo meio físico. Um par de fios. –velocidade 500 khz

• DEVICENET é um protocolo aberto e difundido pela ODVA

• Da mesma família CIP do DeviceNet : • ControlNet – 5 MBits/s – 1997• EtherNet IP 2000• Network Safe 2004

DEVICENET RESUMO

DEVICENET RESUMO

Terminal múltiplo

Terminal “T”

Segmentos da linha tronco-conectores moldados

Derivações- conetoresmoldados

- 0 a 20 ft.

Conectoresda linha troncoinstalados nocampo

- rosqueados- prensados

CONEXÕES SELADAS

TroncoTronco

DerivaçõesDerivações

Terminais podem ser montados em painéis ou caixas de junção

Derivações comcomprimento zeroSuporte a conexões temporárias

CONEXÕES SELADAS

Dispositivo 1Valor Medido = Peso1

Um objeto do modelo CIP

Peso1CIP

CAN

Peso1

CAN

TRATRA

Peso1TRA

Meio FísicoDeviceNet

Cabo com 2 pares + 1 condutor blindagem : 1 par para Comunicação e outro para a Fonte de Alimentação

CAN

TRA

CIPEncapsularDesencapsular

Peso1TRACAN

Peso1TRA

Peso1

Aparece no visor eArmazena em Banco de Dados

Dispositivo 2

CamadaFísica

CamadaFísica

DEVICENET

1. Desenvolvido pela Phoenix Contact, da Alemanha2. Várias outras empresas fabricam produtos

compatíveis3. Está sendo padronizado pela DIM e pela IEC4. Usado para interligação de sensores e atuadores a

um elemento inteligente (CLP, CNC, etc.)4. Norma DIN 19258 e em 2000 atende a IEC 611585. Scaners para PLC ou diretamente em PC através de

software específico6. Única rede com scan de todos os escravos em um

único ciclo

INTERBUS

INTERBUS

INTERBUS

FRAME DE DADOS - INTERBUS

INTERBUS

1. Actuator/Sensor Interface (AS-I)

2. Desenvolvida por um consórcio de 11 empresas em1992 lideradas pela Siemens, Festo e Turck.

3. Usada para interligação de elementos binários(sensores, atuadores, botões liga/desl., relés, etc.) a um elemento inteligente (CLP, CNC, PLC, PC, etc.)

4. Norma IEC 50295 e IEC 62026

5. Pode ser interconectada com CAN, Profibus, FIP, Interbus, RS-232, RS-485, etc.

6. Na versão 2.1 conecta até 62 elementos incluindodados analógicos.

ASI

Standard PLC andstandard master

Safety monitor Safe emergency stop button

ASipower unit

Safe position switch

Safe light barrier

Standard module

Safemodule

Standardmodule

ASI

ASI

AS-Interface-conector vampiro

Os chips para a versão 2.1 da rede ASI são produzidos por dois consórcios distintos: Siemens e Festo desenvolveram em conjunto o chip SAP4. 1, pino a pino compatível com o chip SAP4, e o consórcio de oito outros membros (Bosch, Hirsch Mann, ifm electronic, Leuze, Lumberg, Klockner Moeller, Pepperl+Fuchs and Schneider Electric) desenvolveu o chip A2SI.

Ambos os chips proporcionam todas as funcionalidades da version 2.1.

ASI

Protocolo HART

Protocolo HART

HART funcionamento

WIRELESS - Acesso a informações antes inacessíveis por critérios econômicos

LAN Wireless

HUB, SWITCH

CSMA/CD - ETHERNETMODULAÇÃO BANDA BASEMAC ADDRESS, ARP.

Física

EnlaceTCP/IP

Aplicação

LAN – Cabo UTP

Meio físico único, onde todo mundo fala. Necessita de um mecanismo para organizar a sequência de quem fala.

CSMA/CAOFDM*/QAMFHSS/DSSS

*Diferencia os usuários pelasfrequências (grupos) ortogonais.(equivalente ao MAC Address ).

Meio físico único, onde todo mundo fala. Necessita de um mecanismo para organizar a sequência de quem fala.

2,4GHZ

Enlace

**

**STAR, MESH, CLUSTER TREEFísica

Modelo do Protocolo

Aplicação

Enlace

Físico

Aplicação

Enlace

Físico

Objeto de dados Ex: S/E BAN Disjuntor 7 abriuObjeto IEC Classe 1 Tipo 30 ConteúdoDisjuntor 7 Aberto - Informação => B 7 0

B 7 0

B 7 0ENL

Encapsular


12

B 7 0

B 7 0

ENL

Desencapsular

Origem - S/E BandeirantesDestino – COS

Dados de Aplicação

Inicio (68H)

L

Controle

Fim (16H)

Checksum

L

Inicio (68H)

Endereço (opc.)

Dados

Application

Service

Data

Unit (ASDU)

Link

Service

Data

Unit (LSDU)

Protocol

Data

Unit (PDU)

Camada de Aplicação

Comando de Interrogação Geral

Tipo = 100

Estrutura variável= 1

Endereço do objeto de informação = 0

Causa (6=ativação, 7=confirmação)

Endereço comum da ASDU = 1

Qualificador da Interrogação = 20 (global)

TX: 68 09 09 68 73 06 64 01 06 01 00 00 14 F9 16RX: 68 09 09 68 08 06 64 01 07 01 00 00 14 8F 16

ASDU

LSDU

PDU

Semântica dos TIPOS de Informação -- ID TipoInformações de ProcessoDireção de Monitoração

� <1>:= Ponto simples M_SP_NA_1

� <2> :=Ponto simples com etiqueta de tempo M_SP_TA_1

� <3>:=Ponto duplo M_DP_NA_1

� <4>:=Ponto duplo com etiqueta de tempo M_DP_TA_1

� <5>:=Posição de passo M_ST_NA_1

� <6>:=Posição de passo com etiqueta de tempo M_ST_TA_1

� <9>:=Medida, valor normalizado M_ME_NA_1

� <30>:=Ponto simples, etiqueta CP56Time2a M_SP_TB_1

� <31>:=Ponto duplo, etiqueta CP56Time2a M_DP_TB_1

Semântica dos TIPOS de Informação -- ID TipoInformações de ProcessoDireção de Controle

� <45>:=Comando simples C_SC_NA_1

� <46>:=Comando duplo C_DC_NA_1

� <47>:=Comando aumentar/diminuir passo C_RC_NA_1

� <48>:=Comando set point, valor normalizado C_SE_NA_1

� <49>:=Comando set point, valor em escala C_SE_NB_1

� <50>:=Comando set point, ponto flutuante C_SE_NC_1

� OBS: Estas ASDUS exigem confirmação e devem ser espelhadas na direção de monitoração, com diferentes causas de transmissão.

� ASDUs do IEC 101

� e complementares

� 4.Aplicação

� 3.Transporte-TCP

� 2.Internet-IP

� 1.Física

� ethernet-MAC add

� ASDUs do IEC 101

� e complementares

� 4.Aplicação


� 2.Internet-IP

� 1.Física


LAN

CAV_Dj1_0_1

TCP

CAV_Dj1_0_1

CAV_Dj1_0_1

CAV_Dj1_0_1

TCPIP

TCPIPMAC

Encapsular

IEC 60870 104

DNP3.0

� DNP - Distributed Network Protocol - GE Harris

� Utiliza camada de enlace do IEC 60870-5-2

� Transferido para o grupo DNP em 1993 (www.dnp.org)

� Dominante na América do Norte

� Conjunto de Documentação

� DNP V3.0 Data Object Library

� DNP V3.0 Application Layer Specification

� DNP V3.0 Transport Functions

� DNP V3.0 Data Link Layer

Modelo do Protocolo

Aplicação

Transporte

Enlace

Físico

Aplicação

Transporte

Enlace

Físico

Objeto de dados Ex: S/E Cabreúva Disjuntor 1 abriuDNP 3 - Objeto 1 Variação 2 Qualificador 1 Disjuntor 1 Aberto - Informação => C 1 1

C 1 1

C 1 1TRA

C 1 1ENL

Encapsular


1

2

C 1 1

C 1 1

C 1 1

ENLTRATRA

TRA

Desencapsular

Origem - S/E CabreuvaDestino - COS

( fragmentação )

Estrutura Simplificada de um Protocolo

ID

x BYTES

Destino

x BYTES

Origem

x BYTES

Dados Úteis

x BYTES

Fim

x BYTES

Formato FT3Start05

Start64

Comprimento

(lenght) DestinoControle Destino OrigemOrigem crc1 crc2

2 bytes 2 bytesTotal = 10 bytes

Visão panorâmica do DNP3

Menagem DNP3 com 750 bytes

Aplicação

Camadas

Pseudo Transporte

Enlace

250bytes 250bytes 250 bytesTH TH TH

...Até 16 blocos com 18 bytes.O último bloco fica com o númerode bytes quebrado.Formato FT3

Exemplo

TH

Bloco zero com 10 bytes

Tipos de Leituras de Dados

� Quiescent Operation� Escravo envia dados espontaneamente. Mestre não faz

varredura

� Unsolicited Report-by-Exception Operation� Espontâneo + Integridade (Classe 0)

� Polled Report-by-Exception Operation� Evento (Classe 1,2,3) + Integridade (Classe 0)

� Polled Static� Integridade (Classe 0)

Níveis no DNP V3.00

� Nível 1� Descreve os requisitos mínimos do protocolo para

comunicação entre uma estação mestre e um IED� Nível 2

� Descreve os requisitos do protocolo, ligeiramente maior que Nível 1, que pode ser implementado tipicamente entre uma estação mestre e um grande IED ou UTR

� Nível 3� Descreve os requisitos do protocolo, maior que Nível 2,

que pode ser implementado entre uma estação de mestre e uma UTR mais avançada

Exemplo

RX:

05 64 1E 44 00 00 01 00 16 0D E6 E8 81

00 00 20 02 17 04 0A 01 2F 0A 00 01 6503 86 65 06 01 4E 0C 03 01 B0 FD 6C 88

Obs: Objeto 32 variação 2 -> Objeto analógico de 3 octetos

Analógico 16 bits Flag - 01 = on line

Header TH

IIN OBJ

ApplicationFINFIRSeq

81 = Response

Qualificador QuantidadeÍndice 8 bitsFlag 8 bitsValor 16 bits

Objeto

�Objeto – Indica o tipo de dados

�Binary Input

�Binary Output

�Analog Input

�Analog Output

�Counters

Estrutura do Biblioteca DNP

� Binary Input – Objetos de 1 - 9

� Binary Output – Objetos de 10 - 19

� Counters – Objetos de 20 - 29

� Analog Input – Objetos de 30 - 39

� Analog Output – Objetos de 40 – 49

� Time – Objetos de 50 – 59

� Class – Objetos de 60 – 69

Variação

� É a forma como são transmitidos os dados.� Valor Analógico 16 bits

� Valor Analógico 32 bits

� Ponto Digital sem Estampa de Tempo

� Ponto Digital com Estampa de Tempo

Camada de Aplicação - QualifierComo o campo Range será interpretado

Pergunta 1 – Forneça as Medições ( objeto 30 variação 2 ) do endereço 25 ao endereço 28.

Pergunta 2 –A partir do endereço 25 forneça 3 Medições

Pergunta 3 – Forneça as Medições 25, 28, 47.

Resposta 1 – 25 01 02 03

Resposta 2 – 25 01 02 03

Resposta 3 – 25 01 28 02 47 03

Comentários Gerais Protocolos SeriaisIEC 60870 101 - DNP 3 - MODBUS

� Custos altos nos processos de engenharia. Cada protocolo tem a sua própria estrutura de representação de dados. US$ 28 Bi foram gastos no mundo em 1998. Publicação Forrester Inc. Gateways.

� Muitos protocolos – Limitação da interoperabilidade. Diferentes funcionalidades.

� Protocolos Proprietários – Dificultam o uso de ferramentas de mercado e do seu desenvolvimento.

� Diferentes padrões entre América, Europa e Ásia.

� Perfil do Protocolo – Profile

� Procedimentos de Certificação

� Mercado Global requer :� Redução de custo e competição.

� Padrões abertos que protejam os investimentos de ob solescência rápida no futuro.

GOMSFE - Generic Object Model Substation Feeder Equip.MMS - Manufacturing Message Specification

� UCA/IEC 61850

� GOMSFE

� CASM

� MMS

� 4.Aplicação


� 2.Internet-IP

� 1.Física


� UCA/IEC 61850

� GOMSFE

� CASM

� MMS

� 4.Aplicação


� 2.Internet-IP

� 1.Física


LAN

CAV_Dj1_0_1

TCP

CAV_Dj1_0_1

CAV_Dj1_0_1

CAV_Dj1_0_1

TCPIP

TCPIPMAC

Encapsular

Dispositivo Lógico / Nó Lógico / Objeto de Dados

IEC 61850 FAQs – Perguntas frequentes

� Esta tecnologia vai se tornar realidade ou é mais um vaporware ? AssetManagement ? Gerenciamento de Ativos ?

� Por que devemos utilizá-la ? Que vantagens teremos ?

� Eu entendo de proteção, agora necessito entender de re des

de computadores ?

� Eu entendo de redes de computadores, agora necessito entender deproteção ?

� O IEC 61850 é um protocolo de comunicações ? Ora, entã o que o pessoal de comunicações cuide dele.

� Por que misturar proteção, supervisão, redes ? Estávamos tão bem, cada um no seu mundo. É realmente necessário ?

� Estamos abrindo um buraco na segurança ?

� E os algorítimos de proteção, estudos, ordens de ajust e, lógicas de controles e intertravamentos ?

IEC 61850 Conceitos Essenciais

� Automação da Subestação é uma rede de computadores. Relés de proteção, oscilógrafo, controles de bay, supervisório, etc, possuem endereço IP, MAC Address, etc .

� IEC 61850 codificou a informação . Transporte ficou com TCP/IP.

� Dispositivo Lógico/Nó Lógico/Objeto de Dados.

� GOOSE – General Object Oriented Substation Event –TRIP

Só na Barramento de Estação local da S/E, entre relés de um esquema de proteção, não roteável, possui requisitos rígidos d e velocidade e determinismo.

� Redes mistas, anel de fibra ótica, com protocolo RSTP para Relés de Proteção, e estrela (switch) concentrando os demais equipamentos. Gerenciamento de Ativos. Asset Management.

� Projetar/configurar. Ferramentas de software. Configuradores SCL. Arquivos de Configuração - .ssd, .icd, .scd, .cid

Arquitetura TradicionalSeccionadora, Disjuntor, Transformador

Fiação de Cobre

Unidade TerminalRemota

440 KV

138 KVPonto a Ponto

Serial

Proteção da AltaControle de Bay

Oscilografia

Proteção da Baixa

cos

Nova Arquitetura Hardware/Topologia de Rede Seccionadora, Disjuntor, Transformador

Unidade Terminal RemotaServidor de Subestação

Supervisório Local

440 KV

138 KVCOS

Ponto a PontoSerial

Fibra Ótica

Proteção da AltaControle de Bay

Oscilografia

Proteção da Baixa

Dispositivo Lógico / Nó Lógico / Objeto de Dados

440 KV

138 KV

TP

TCTVTR

TCTR

XCBR

ATCC

XSWI

MMXU

PDIS

GGIOGAPC Ultrapassou Limite

Superior

RFLO

RDRE

Distancia

MW

Registrador

XARC Soma corrente

GGIO - Generic input/OutputGAPC - Automatic Process ControlXARC - Monitoring for arcsRFLO - Fault LocatorRDRE - Disturbance RecorderATCC - Tap changer controller

BAN01/Q0CSWI1.Pos.ctlVal

Nome do Dispositivo Lógico (livre)

Prefixo do nome do Nó Lógico (livre)

Nome do Objeto de dados (fixo)

Nome do atributo (fixo)

Classe Nó Lógico (fixo)

Sufixo do nome do nó lógico (livre)Nomedo NóLógico

IEC 61850-7: Mensagempara abrir/fechar um disjuntor

IEC 61850 – Conceito GOOSE

GOOSE Sender Device X

GOOSE ReceiverDevice Y

GOOSE ReceiverDevice Z

Eth

erne

t

O dispositivo envia informação em multcastO assinante (subscriber) recebe esta mensagem. Não assinan tesa ignoram.Z é um assinante e recebe a mensagem. Y não é um assinan te e a ignora.

EXEMPLO:

GO

OS

Em

essa

ge

GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event)

Tagged Internet FrameQuadro de Internet com TAG de

Prioridade

Pre7

SFD1

DA6

SA6

TAGPrior

4

ET2

CPTP2

MAC - Dados46 – 1500 bytes

FCS4

•Tag de Prioridade ( Virtual LAN)2 bytes para identificação do TAG – IEEE 802.1QVirtual Bridge Local Area Network

2 bytes para informação de controle do TAG

• EtherType – 2 bytes para indicação do tipo de protocol ono pacote ethernet

Comparação entre Protocolos - * R=Redes *B=Bit+byte+packet *TR=Tempo Real

Mestre/EscrNão4 kL. BandaProtocoolProt / byteDezenas milis

4 a 20 mACarrier

SupervisãoHart

Mestre/EscrNão127 KL. Banda

Velocidade

ProtocoloProt / bitMilisegBarram Prop2 fios

Controle

ManufaturaASI

Mestre/EscrNão500 KL. Banda

Velocidade

ProtocoloProt / bitMilisegRS485 4 fios EIA 422

Controle

ManufaturaInterbusFieldbus

Cli/Serv EthMultcastCSMA/BA

Não500 K

100 M

Simplific. Eng.

Tec. Objetos

Arquitetur

AutomaçCSMA/BA*R *B

Dezenas milis

Barr Campo

4 fios

Controle

ManufaturaDevicenetFieldbus

Cli/Serv EthMultcast Tok

Não31,25 K

100 M

Simplific. Eng.

Tec. Objetos

Arquitetur

AutomaçToken*R *B

Dezenas milis

Barr Campo

2 fios PA

Controle

ProcessoProfibus DP PA Fieldbus

Cli/Serv EthMultcast LAS

Não31,25 K

100 M

Simplific. Eng.

Tec. Objetos

Arquitetur

AutomaçLAS*R *B

Dezenas milis

Barr Campo

2 fios

Controle

ProcessoFoundationFieldbus

Cli/Serv EthMultcast Eth

Sim100 M Proteção

Simplific. Eng.

Tec. Objetos

Arquitetur

Automaç

CSMA/CD *R *B

Seg, mili, microseg

Ethernet GOOSE

Automação Scada*TR

IEC 61850 Autom. Substação

M/M Mest/EscSim9,6 KL. BandaBal DesProt / byteSegRS232 EtherScada*TRDNP3

Mestre/EscrSim9,6 KL. BandaP. DesbalProt / byteSegEthernetScada*TRIEC104

Mestre/EscrSim9,6 KL. BandaP. DesbalProt / byteSegRS232 Scada*TRIEC103Proteção

Mestre/EscrSim9,6 KL. BandaP. DesbalProt / byteSegRS232SCada*TRIEC101

Mestre/EscrNão9,6 KL. BandaP. DesbalProt / byteSegRS485, 232Scada*TRModbus

MODELOSOE NAT

FREQ HZ TIPICA troughput

REGRA DE DESENVOLV

CLASSI -FICAÇÃO

ACESSOMENSAGtroughp.

TEMPOtroughput

CAMADA FÍSICA

USO

PRINCIP

CAMADA APLICAÇÃO

Comparação Topologias - Barramento – Estrela – Anel

Malha - MeshPonto de AcessoNão aplicávelFHSS / DSSSWIRELESS

Não aplicávelCaso Particular Barrament. Deriv.

Tronco (trunk) e Derivações (spurs)

4 fios 2Alim 2Sinal 2 fios

Interbus Fieldbus

ASI

Não aplicávelSó para camada física Ethernet


4 fios / Ethernet 2 Alim / 2 Sinal

Devicenet Field



2 fios Ethernet Alim+Sin juntos

Profibus DP PA Fieldbus



2 fios Ethernet Alim+Sin juntos

FoundationFieldbus

Tagged Switches RSTP – Fibra Ótica

Tagged Switches Cabo UTP / Fibra Ót

Cascata de switchEthernet TCP/IP Redundância

IEC 61850 Autom. Substação - LAN

Não aplicávelMestre/Escravo TCP/IP é só meio

Cabo coaxial -obsoletoEthernet TCP/IPIEC 104, DNP3-TCPIP - LAN

Não aplicávelMestre/Escravo Computador/UTR

Não aplicávelRS232 USART

MODBUS, IEC 101, 103, DNP - Full, Half

Não aplicávelCaso Particular Barrament Deriv.

Daisy Chain – sem derivações–Recom

RS 485 - 4 ou 2 fios, Alim+Sinal

MODBUS ( FullDuplex-4 fios, HalfDuplex-2 fios)

AnelEstrela BarramentoCamada Física

COMPARAÇÃO DE TOPOLOGIAS Barramento – Estrela – Anel

MédioMaior – “home run cabling” caro

MenorCusto PiorMelhorMédiaLatência

MelhorMédioPior – switches em cascata

Redundância

AnelEstrela Barramento

Latência – Tempo de um pacote internet sair de um IED e chegar ao destino.

Utilizar Switches com RSTP, VLAN, QoS (prioridade pa ra GOOSE ), Tagged Ethernet, segregação de redes de Alt a Prioridade.

Engineering

Basico de protocolos