APRESENTAÇÃO. Caro (a) Aluno (a), Seja Bem Vindo!

APRESENTAÇÃO

Caro (a) Aluno (a), Seja Bem Vindo!

A SMC Pneumáticos do Brasil, em parceria com a DK8 Tecnologia Educacional, marca o ano de 2010, com o inicio do Curso de Automação / Módulo III – Redes Industriais, o qual faz parte de um programa de excelência em Treinamentos Técnicos. A mesma qualidade encontrada nos produtos SMC, poderá ser desfrutada por você, no decorrer de todo o processo de aprendizado técnico.

O conteúdo deste material, compreende o assunto de Redes Industriais, que prioriza a funcionalidade técnica e prática vivenciadas no dia-a-dia por profissionais da área. Saiba que a cada treinamento realizado na SMC, novas informações tecnológicas serão evidenciadas, assim como os recursos instrucionais e material didático.

A personalização deste training, associada à metodologia dinâmica, garantirá condições concretas para uma excelente atuação no mercado. Assim como, propiciará a integração dos produtos SMC, com todo o sistema empregado em Automação Industrial.

Sinta-se confortável e aproveite ao máximo as informações abordadas!

Bom treinamento!

Elaboração, Conteúdo Técnico, Formatação e Impressão: DK8 Tecnologia Educacional Ltda Rev. 1.2 - Julho/2010

ÍNDICE

1. Conceitos Fundamentais 02

2. Tipos de Rede 05

3. Tipos de Sistemas de Comunicação 06

4. Gerenciamento da Comunicação 07

5. Modelos de Comunicação 08

6. Meios Físicos de Comunicação 09

7. Topologia 11

1. CONCEITOS FUNDAMENTAIS

A tecnologia da informação (TI) tem sido determinante no desenvolvimento da tecnologia da automação, alterou hierarquias e estruturas no ambiente dos escritórios e chega agora ao ambiente industrial nos seus mais diversos setores, desde as indústrias de processo e manufatura até prédios e sistemas logísticos.

Para estruturar esse sistema informação, as tecnologias empregadas são divididas em níveis de comunicação, onde cada nível é responsável por um tipo de informação uma vez que o processo já é ou tende a ser automatizado por completo.

Observe a seguir um esboço de um sistema de comunicação clássico onde as informações estão divididas pelos seus respectivos níveis:

Os níveis em que temos o MÊS e ERP são coorporativos. Não deixam de fazer parte da “pirâmide da comunicação”, porém, nesse material, serão objetos de nosso estudo os níveis de Sensores e Atuadores (Campo / Dispositivos), PLC (Controle) e SCADA (Planta / Informação).

Como observado acima, podemos sintetizar as redes empregadas na comunicação industrial em três níveis: planta, controle e campo.

Nível de Planta (Camada de Informação):

No nível da planta temos a supervisão e gerenciamento de todo processo que normalmente ocorre através de um software supervisório.

De uma forma resumida, as ações associadas a este nível são:

• Supervisão; • Comando; • Planejamento; • Banco de Dados;

Podemos citar como exemplo deste nível as redes: Profinet, Ethernet/IP e Fieldbus Foundation HSE.

Nível de Controle (Camada de Controle) : Este nível permite o controle sobre as ações do nível de campo em função das definições e comandos dados pelo nível da planta.

De uma forma resumida, as ações associadas a este nível são:

• Controle em tempo real; • Segurança;

• Interface;

Podemos citar como exemplo deste nível as redes Profibus FMS, Modbus e Controlnet.

Nível de Campo (Camada de Dispositivos): As redes que fazem parte deste nível constituem a

base na hierarquia da comunicação industrial.

Através deste nível torna-se possível a aquisição e atuação direta dos dados de chão de fábrica como valor de pressão, status de um motor, ligamento e desligamento de uma válvula, etc.

De uma forma resumida, as ações associadas a este nível são:

• Aquisição das variáveis; • Atuação sobre equipamentos;

Podemos citar como exemplo deste nível as redes Profibus DP e PA, AS-Interface, Interbus, Devicenet e Fieldbus Foundation H1.

Tecnicamente, a diferença entre os níveis de rede está no tamanho e tipo das informações, tempo de resposta, distância máxima, meio físico, etc. Segue uma tabela com o detalhamento e comparativo das principais características dos níveis de rede:

A comunicação é a transferência de informações de um ponto para outro e para se estabelecer uma comunicação é preciso ter um transmissor, um receptor e um meio pelo qual os dados irão trafegar.

Porém, não estamos nos referindo somente aos CLP’s, mas também a todos os equipamentos eletroeletrônicos, pneumáticos e hidráulicos utilizados em uma automação industrial.

Com a grande variedade de equipamentos e fabricantes é preciso seguir alguma padronização para a troca de dados, os dois pontos principais a serem definidos são:

• Protocolo • Padrão Físico

Somente como analogia, podemos comparar a comunicação industrial com a comunicação entre os seres humanos. O protocolo de comunicação é o idioma adotado e o padrão físico, é a definição de como os dados irão sair do elemento transmissor e chegar até o receptor fisicamente. O padrão físico define o meio físico, podemos citar como exemplo um par de fios, transmissão microondas, rádio freqüência, fibra óptica, etc.

A figura abaixo resume a aplicação de redes do nível de campo, levando em conta a complexidade dos processos em função dos respectivos equipamentos:

2. TIPOS DE REDES

Na implementação ou melhoria de um sistema de redes industriais, um fator muito importante a ser levado em conta é o tipo de rede a ser implementado.

Existem órgãos que padronizam os sistemas de comunicação, independentemente de tendências pré-estabelecidas por um fabricante específico. Os tipos de redes são, redes conhecidas como redes abertas ou redes proprietárias.

A pergunta básica a ser feita para identificação do tipo de rede é: Todas as informações da rede são de domínio público?

Se a resposta for sim, estamos nos referindo a uma rede aberta, se a resposta for não, uma rede fechada, ou seja, apenas o fabricante possui todas as informações sobre o sistema de comunicação em questão.

Algumas perguntas podem ser feitas para definição de qual tipo de rede será utilizado em uma automação:

1) O nível de Automação é tão complexo que é necessário abrir todas as Informações detalhadas do sistema de comunicação?

Análise: Protocolos Abertos disponibilizam informações em nível micro de detalhamento

2) O custo é uma questão importante na construção de meu sistema?

Análise: Protocolos abertos são geralmente menos caro e mais predominantes no mercado.

3) Eu quero total compatibilidade do meu sistema?

Análise: Protocolos fechado normalmente pode garantir uma perfeita compatibilidade, pois todo o sistema é composto de componentes de um fabricante e software.

4) Quais são os meus requisitos de sistema global?

Análise: Quais são as suas necessidades de transmissão à distância? Que velocidade de comunicação que você precisa?

Seguem alguns exemplos de redes abertas com seus respectivos símbolos:

3. TIPOS DE SISTEMA DE COMUNICAÇÃO

Os sistemas de comunicação podem ser centralizados ou distribuídos. No caso da transmissão centralizada, “Todos os pontos de informação ficam alocados em um mesmo dispositivo”.

Segue um sistema com sistema de transmissão centralizada, onde todo processo se encontra dependente do mesmo dispositivo de controle:

Em sistemas distribuídos, existe uma descentralização dos dispositivos de planta, controle ou campo.

Observando o sistema a seguir, pode-se concluir que, existe uma independência no funcionamento das bombas ou cabines de motores:

4. GERENCIAMENTO DA COMUNICAÇÃO INDUSTRIAL

O gerenciamento dos dados em uma rede industrial pode ocorrer entre os dispositivos envolvidos basicamente de duas formas: Mestre-escravo e Multi-mestre.

Mestre-escravo: Através deste gerenciamento, somente o mestre (único) pode requisitar ou

enviar informações na rede, sendo estas, requisitadas ou enviadas sempre aos dispositivos escravos.

Observe a seguir um exemplo de arquitetura que utiliza o sistema de gerenciamento mestre-escravo:

Podemos citar como exemplo os protocolos de comunicação APR03, MODBUS, ASI e Alnet I que trabalham com este tipo de gerenciamento.

Multi-mestre: Este gerenciamento permite que exista mais do que um mestre no barramento,

havendo a necessidade da criação de um anel lógico, portanto a passagem de Token (Token-pass) para disciplinar o acesso ao meio, ou seja, quando o mestre acaba seu ciclo de

comunicação, passa o “token “para o próximo mestre.

Somente um mestre por vez tem o direito de requisitar informações dos escravos e é importante citar que o mestre sem o “token” se comporta como escravo

O procedimento de passagem do Token garante que o direito de acesso ao barramento é designado a cada mestre dentro de um intervalo de tempo preciso de tempo (tempo de rotação do Token).

Podemos citar como exemplo os protocolos de comunicação Profibus, Devicenet, Alnet II, Foundation Fieldbus e APR03M que trabalham com este sistema de gerenciamento.

Colisão: As colisões ocorrem quando duas estações encontram a rede disponível e transmitem

dados ao mesmo tempo.

Quando ocorre uma colisão, as estações emissoras param de transmitir e introduzem um retardo antes de ouvir e começar a seqüência de transmissão novamente. Podemos citar como exemplo o protocolo de comunicação Ethernet.

5. MODELOS DE COMUNICAÇÃO

Origem/Destino: Conhecido também como: Pergunta/Resposta. Este modelo define que cada

mensagem tem uma origem e somente um destino. Se a mesma informação deve ser levada para diferentes estações, cada uma será atendida por uma mensagem.

Podemos citar os protocolos: APR03, Profibus, Alnet II que adotam esse modelo de comunicação.

Cliente/Servidor: Nesta configuração, as informações ficam contidas em um servidor e as

estações clientes ficam verificando o barramento de dados, caso haja alguma informação que seja de interesse de alguma estação esta primeiro verifica se o barramento encontra-se disponível em seguida aguarda até que esse esteja disponível ou acessa a informação desejada caso o barramento já esteja livre.

Podemos citar como exemplo a internet que adota esse modelo de comunicação.

Produtor/Consumidor: Neste modelo a informação é produzida e enviada para a rede e todos as

estações que precisarem da informação podem acessá-la livremente. Ou seja, os dados são identificados devido ao seu conteúdo e não através de uma direção de origem-destino como acontece com o modelo Origem/Destino. Uma estação obterá a informação enviada só se precisar!

Podemos citar os protocolos: Devicenet, Fieldbus Foundation e APR03M que adotam esse modelo de comunicação.

6. MEIO FÍSICO DE COMUNICAÇÃO

O meio físico de comunicação é algo muito importante a ser determinado, trata-se de uma decisão que define muitos aspectos de toda a instalação física e até mesmo especificação dos elementos envolvidos na comunicação de dados da automação em questão.

Existem diversos tipos de meios físicos que podemos encontrar nos processos industriais, destaremos a seguir os principais meios utilizados e suas respectivas características.

Cabo Dedicado

Muitos dispositivos utilizados em aplicações industriais utilizam os padrões EIA RS-232, RS-485 ou RS-422. Estes padrões ANSI/EIA RS-xxx especificam apenas as características físicas da rede.

Cabo Profibus Cabo Coaxial Cabo Par Trançado

Vejamos a seguir cada um desses meios e suas principais características:

Meio Físico RS-232: Meio Físico RS-422

• Conexão ponto-a-ponto entre dois dispositivos;

• Comunicação full-duplex; • Taxa máxima de transmissão

20kbps;

• Distância máxima de ate 15m.

• Padrão com 4 fios; • Suporta até 10 nós;

• Transmissão e diferencial (duas linhas para transmissão e duas para recepção);

• A taxa máxima de transmissão e de 10Mbps; • Distancia máxima de até 1200m;

• Permite 1 transmissor e 10 receptores; • Comunicação Full-duplex.

Meio Físico RS-485 (EIA 485) • Transmissão balanceada e suporta conexões multi-ponto; • Comunicação bidirecional;

• Funcionamento com uma simples fonte de +5Vdc; • Permite ate 32 estações na rede;

• As estações podem ser endereçadas localmente via Dip-Switch; • Distancia máxima de comunicação de 1200m;

• Taxa de transmissão até 10 Mbps;

• As portas de comunicação não são queimadas se a linha entrar em curto-circuito; • Não necessita de um sinal de referencia entre os pontos da rede.

Fibra Ótica

As fibras normalmente são feitas de plástico ou vidro e estão a cada dia mais sendo empregadas nos processos industriais. Observa-se a seguir alguns exemplos de fibra óptica:

Cabo com Diversas Fibras Fibra Óptica com Conectores Fibras com Isolamento

Através de um conversor de rede de cabo dedicado para fibra óptica torna-se possível a interligação de dois dispositivos industriais:

Como se pode observar na figura acima, o processo comunica-se em protocolo de comunicação Profibus meio físico tipo cabo até o dispositivo conversor. Após o dispositivo conversor, o sinal prossegue em fibra óptica.

Principais Vantagens Principais Desvantagens • Baixas perdas de transmissão;

• Pequeno tamanho e peso; • Alta imunidade a interferências; • Isolação elétrica;

• Segurança do Sinal.

• Dificuldade de conexão;

• Dificuldade de alimentação de repetidores (remotos);

• Custo de equipamento para manutenção; • Mão de obra especializada.

Wireless

O meio físico sem fio está sendo implementado a cada dia mais nos ambientes corporativos e sua aplicação se estende para o âmbito industrial.

Roteador Wireless Módulo de Comunicação Industrial Wireless

Observando nas figuras acima, temos um roteador para conexão de cabo tipo par trançado e um módulo de comunicação industrial.

7. TOPOLOGIA

A topologia refere-se ao "layout físico" e ao meio de conexão dos dispositivos na rede, ou seja, como estes estão conectados. Os pontos no meio onde são conectados recebem a denominação de nós, sendo que estes nós sempre estão associados a um endereço, para que possam ser reconhecidos pela rede.

Várias são as estratégias de topologia, embora as variações sempre derivem de três topologias básicas que são as mais freqüentemente empregadas:

• Anel

• Barramento

• Estrela Topologia em Anel

O barramento toma a forma de um anel, com ligações unidirecionais ponto a ponto. A mensagem é repetida de estação para estação até retornar à estação de origem, sendo então retirada do anel.

Observe a seguir um exemplo de topologia em estrela aplicado no nível de campo industrial:

O tráfego passa por todas as estações do anel, sendo que somente a estação destino interpreta a mensagem. É de fácil expansão, obtida através da ligação de módulos que implementam anéis independentes e que tornam-se um grande anel quando conectados.

Pode ter sua confiabilidade incrementada pela adoção de dispositivos que realizam o bypass da estação no anel em caso de falha nos circuitos de conexão da mesma.

Topologia em Barramento

As estações são conectadas através de um cabo de cobre (coaxial ou par trançado), com difusão da informação para todos os nós. É necessária a adoção de um método de acesso para as estações em rede compartilharem o meio de comunicação, evitando colisões. Observe a seguir um exemplo de topologia em estrela aplicado no nível de campo industrial:

É de fácil expansão mas de baixa confiabilidade, pois qualquer problema no barramento impossibilita a comunicação em toda a rede.

Topologia em Estrela A conexão é feita através de um nó central que exerce controle sobre a

comunicação. Sua confiabilidade é limitada à confiabilidade do nó central, cujo mal funcionamento prejudica toda a rede.

Observe a seguir um exemplo de topologia em estrela aplicado no nível de campo industrial:

A expansão da rede é limitada à capacidade de expansão do nó central, o cabeamento é complexo e caro pois pode envolver um grande número de ligações que envolvem grandes distâncias. A tabela a seguir nos mostra um comparativo entre as principais topologias:

Tipo Definição Vantagens Desvantagens

Barramento

Configuração de rede local, na qual todos os nós estão conectados a uma linha principal de comunicação. Nesta disposição cada nó monitora as atividades de linha.

As mensagens são detectadas por todos os nós, mas aceitas apenas, aqueles a que se destinam.

Baixo custo.

1) Localização de defeitos, já que poderão existir vários segmentos de rede;

2) Rede pode ficar lenta com tráfego intenso

Anel

Configuração de rede local, na qual os computadores são interligados formando um circuito fechado. À medida que os dados circulam pelo o anel, cada nó verifica o endereço de destino a eles associados. Quando há coincidência, a mensagem é aceita. Caso contrário, é regenerada e enviada para o nó subseqüente e assim por diante.

Redundância da rede e maiores distâncias possíveis. Reconfiguração da rede interrompe funcionamento. Estrela

Configuração de rede local, na qual cada máquina se une por meio de um cabo a um computador central. Na eventualidade de um problema, em um dos computadores ou cabo, apenas o respectivo segmento é comprometido.

Uma vez que o sinal sempre será conduzido para um elemento central, e a partir deste para o seu destino, as informações trafegam bem mais rápido do que

numa rede

barramento.

1) A confiabilidade da rede depende de um nó central; 2) Pode haver reflexão.

8. PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO

Protocolo de comunicação é um conjunto de regras que definem a forma como os dispositivos devem se comunicar.

Existem protocolos proprietários e abertos. O conceito se aplica ao tipo de rede já citado anteriormente. Protocolo proprietário é aquele cuja tecnologia é propriedade de uma companhia específica, onde o acesso dar-se-á com a autorização da mesma. Já o protocolo aberto, o acesso à especificação é completo e disponível, ou seja, pode-se desenvolver produtos que contemplem estes protocolos.

Um exemplo de protocolo aberto é o protocolo de comunicação Modbus, que exige para seu correto funcionamento um determinado meio físico que pode ser elétrico ou óptico. No caso de ser elétrico, obrigatoriamente deve ser RS 485, e no óptico pode ser de vidro ou de plástico.

Embora atualmente tenhamos vários protocolos disponíveis por muitos fabricantes, estudaremos três deles onde, cada um irá representar um nível na comunicação industrial (Nível de Planta, Controle e Campo) uma vez que quaisquer outros protocolos se enquadram em um desses níveis. MODBUS (Nível de Controle)

O protocolo MODBUS foi desenvolvido pela empresa Modicon em 1978 com o objetivo de comunicar um dispositivo mestre com outros dispositivos escravos, independente do tipo de rede utilizada. Uma vez que o padrão foi estabelecido pela indústria, o Modbus foi desenvolvido em outros produtos para Automação Industrial.

Modbus é marca registrada da empresa Schneider Electric, entretanto, ela abriu e especificação do protocolo e suas formas de implementação para qualquer um que queira utilizá-lo.

Este eficiente protocolo de comunicação, portanto é um protocolo extremamente difundido (por tratar-se de um protocolo aberto).

Modelo de Comunicação

O protocolo Modbus é baseado em um modelo de comunicação mestre-escravo, onde um único dispositivo, o mestre, pode iniciar transações.

Os demais dispositivos da rede (escravos) respondem, suprindo os dados requisitados pelo mestre ou executando uma ação por ele comandada.

Quando o mestre envia uma mensagem endereçada a um escravo, apenas o dispositivo escravo retorna uma resposta a uma mensagem e nunca são geradas respostas quando uma mensagem for do tipo “broadcast” (enviada a todos os dispositivos da rede).

Os papéis de mestre e escravo são fixos, quando se utiliza comunicação serial, mas em outros tipos de rede, um dispositivo pode assumir ambos os papéis, embora não simultaneamente.

Ciclo de “Pergunta e Resposta”:

O único identificador através do qual o dispositivo mestre pode reconhecer a resposta para uma determinada mensagem é o endereço do dispositivo escravo e a função solicitada.

Assim, o envio de múltiplas requisições, em que tais parâmetros coincidam, deve ser feito ordenadamente, isto é, cada mensagem só deve ser enviada, depois que a resposta para a mensagem anterior for recebida.

Não há problema em se enviar simultaneamente comandos iguais para dispositivos diferentes ou comandos diferentes para um mesmo dispositivo, embora nesse último caso possam surgir problemas dependendo do equipamento específico.

Quando houver algum erro de comunicação, ou se o escravo não estiver pronto para atender a função requisitada, o dispositivo escravo elabora uma mensagem denominada exception, a qual justifica o não atendimento da função.

Endereço do Dispositivo

O endereço zero é reservado para broadcast, ou seja, mensagens com esse valor de endereço são reconhecidas por todos os elementos da rede. Observe a seguir uma rede Modbus com o mestre e dois escravos:

Quando o mestre (ou master) envia uma mensagem para os escravos (ou slaves), este campo contém o endereço do escravo, quando o escravo responde, coloca seu próprio endereço neste campo.

Código de Função

Varia de 1 a 255 (0x01 a 0xff), mas apenas a faixa de um a 127 (0x01 a 0x7f) é utilizada, já que o

bit mais significativo é reservado para indicar respostas de exceção.

Normalmente, uma resposta inclui o código de função da requisição que lhe deu origem. No entanto, em caso de falha, o bit mais significativo do código é ativado para indicar que o conteúdo do campo de dados não é a resposta esperada, mas sim um código de diagnóstico.

Principais Funções

Detalharemos a seguir seis das principais funções do protocolo de comunicação Modbus e seus respectivos códigos:

Função Read Coil Status

Finalidade: Leitura de estados das saídas discretas do dispositivo escravo, endereços na forma 0nnnn.

Código de Função: 01 Função Read Input Status

Finalidade: Leitura de estados das entradas discretas do dispositivo

escravo, endereços na forma 1nnnn.

Código de Função: 02

Função Read Holding Registers

Finalidade: Leitura de valores dos registradores internos do dispositivo

escravo, endereços na forma 4nnnn.

Código de Função: 03

Função Read Input Registers

Finalidade: Leitura de valores dos input registers do dispositivo escravo,

endereços na forma 3nnnn.

Código de Função: 04

Função Force Single Coil

Finalidade: Escrita de um valor de saída discreta, endereço 0nnnn, no

dispositivo escravo.

Esse valor permanece constante enquanto não for alterado por uma nova operação de escrita ou pela programação interna do dispositivo.

Código de Função: 05

Função Preset Single Register

Finalidade: Escrita de um valor de um registrador interno , endereço

4nnnn. Assim como acontece para as saídas, o valor no registrador permanece constante enquanto não for alterado por operações de escrita ou pelo próprio dispositivo.

Segue uma tabela com os principais códigos de função:

Dados

Tamanho e conteúdo do campo de dados variam com a função e o papel da mensagem, requisição ou resposta, podendo mesmo ser um campo vazio.

Modos de Transmissão

Basicamente existem dois modos de transmissão: ASCII (American Code for Informastion

Interchange) e RTU (Remote Terminal Unit), que são selecionados durante a configuração dos

parâmetros de comunicação. O modo mais utilizado em automação industrial é o modo RTU. Checagem de Erro

Há dois mecanismos para detecção de erros no protocolo Modbus serial: bits de paridade em cada caracter e o frame check sequence ao final da mensagem.

A verificação de paridade é opcional em ambos os modos de transmissão, ASCII e RTU. Um bit extra é adicionado a cada caracter de modo que ele contenha um número par ou ímpar de bits ativos, caso sejam adotadas respectivamente paridade par ou ímpar.

A principal desvantagem desse método é sua incapacidade de detectar números pares de inversões de bit. Caso não seja utilizado, o bit de paridade é substituído por um stop bit adicional. O campo de frame check sequence no modo ASCII é preenchido com um valor de oito bits, o

Longitudinal Redundancy Check ou LRC, que é o complemento de dois da soma em oito bits dos

octetos que compõe a mensagem. Os caracteres delimitadores (:, cr e lf) não são considerados no cálculo do LRC.

Já o modo RTU utiliza como frame check sequence um valor de 16 bits, o CRC. O registro de cálculo do CRC deve ser inicializado com o valor 0xFFFF.

O MODBUS TCP/IP

O Modbus/TCP é um protocolo de comunicação que permite que equipamentos industriais, tais como CLP’s, Computadores, IHMs, Inversores de freqüência e Sensores se comuniquem – através da rede Ethernet.

Ele foi desenvolvido pela empresa Schneider Automation no começo da década de 90 como uma variante do mundialmente conhecido protocolo Modbus, que foi implementado em quase todos os produtos inteligentes de automação industrial.

Trata-se de um protocolo que se encontra na camada de aplicação, posicionada na camada 7 do modelo OSI, que provê a troca de dados no modelo Cliente/Servidor entre equipamentos conectados em diferentes tipos de redes e Fieldbus.

A especificação do protocolo Modbus/TCP está publicada no site da empresa Schneider com intuito de que os fornecedores de equipamentos de automação industrial utilizem estes protocolos em seus produtos, e com isso diminuam os problemas de interoperabilidade entre equipamentos de automação na rede Ethernet.

Principais vantagens do protocolo Modbus/TCP:

• É escalonável em complexibilidade, isto é, um dispositivo de simples propósito só se faz necessário à implementação de dois tipos de mensagens.

• É simples de configurar eliminando a necessidade de ferramentas complexas de configuração para adicionar uma nova estaca na rede.

• O protocolo não é fechado em hardware, isto é, qualquer computador ou sistemas microprocessados em Ethernet TCP/IP podem utilizar a rede Modbus.

• É um protocolo de alta performance, limitado apenas pela capacidade do computador em manipular as informações da rede Ethernet.

• Pode ser utilizado por um amplo número por um amplo número de equipamentos com base já instalada com o protocolo com base já instalada com o protocolo serial Modbus, bastando para isso um conversor Ethernet para padrão Serial, sendo que este equipamento não precisa de nenhuma configuração.

Como implementar em um equipamento o protocolo MODBUS TCP/IP?

Para a implementação do protocolo Modbus TCP/IP, você deverá fazer o download de toda a documentação disponível na Internet. Elas são MODBUS® TCP/IP “Especificação do Protocolo (Protocol Specification)” e o MODBUS ® TCP/IP ”Guia de Implementação” (Implementation Guide).

Você também terá que entender o básico de implementação de drivers usando TCP/IP. Para testar seu drivers você precisará de no mínimo dois equipamentos, um mestre e um escravo para a troca de dados.

Isto dependerá de 2 PCs se comunicando entre si, utilizando placas de rede Ethernet; uma vez desenvolvido o dispositivo, para você poder garantir sua interoperabilidade de funcionamento com outros equipamentos Modbus, será necessário a sua certificação em um laboratório credenciado pela associação MODBUS.

Exemplo de configuração de uma comunicação

Utilizando o protocolo Modbus, vimos até aqui que para ocorrer a comunicação entre dois pontos é necessário definir os seguintes itens:

• Endereço do Dispositivo • Cógigo da Função

• Dados a serem transmitidos

Utilizando o Winsup, software de programação da empresa Atos (www.atos.com.br), iremos realizar a configuração de uma comunicação entre dois CLP´s para exemplificação de como isso ocorre na prática.

O ambiente do software onde se torna possível essa parametrização é chamado de planilha de “Background”. Observe a planilha e a descrição dos campos que devem ser preenchidos antes de ser realizada a parametrização:

Nossa configuração será para troca de dados entre dois CLP´s. O CLP Mestre deverá realizar uma leitura do valor de pressão que se encontra armazenado na posição de memória 0788H do CLP escravo (Endereço 01).

Essa leitura deverá ser enviada para o endereço 0850H do CLP mestre. Observe a figura ilustrando essa comunicação:

Para que a comunicação ocorra corretamente, devem ser inseridos os dados nos campos conforme as especificações. Após ser feito isso, basta clicar no botão “Confirmar” e configuração já foi realizada com êxito. Observe a planilha com a configuração concluída:

A função selecionada foi a função 3, pois esta possibilita a leitura de um registrador interno co CLP (ou posição de memória).

REDE ETHERNET (Nível de Planta)

Ethernet (ANSI/IEEE 802.3 [ISO 8802-3]) é um padrão para redes em barramento utilizando o CSMA/CD como método de acesso - Carrier Sense Multiple Acess with Colision Detected (Acesso Múltiplo com sinalização de portadora e detecção de colisão).

Todas as estações estão continuamente escutando o barramento com o objetivo de ver se alguma mensagem veio para ela.

Caso exista a necessidade da estação executar uma transmissão, ela primeiro verifica se o barramento está livre, caso positivo ela envia sua mensagem, senão aguarda o barramento liberar.

Caso duas estações comecem a transmitir ao mesmo tempo, a colisão é detectada, pois a estação fica continuamente comparando o dado que quer enviar com o que está “saindo” no barramento. Após a identificação da colisão, a estação espera um tempo aleatório e tenta novamente acessar o barramento

A Ethernet não era adequada para funções de controle devido ao seu não determinismo, ou seja, o método utilizado para acesso ao meio. As possíveis colisões impossibilitam um cálculo exato do tempo de transmissão.

Em aplicações comuns podem existir diferenças de 500 ms até 5seg. Sendo assim, em uma aplicação industrial, o intervalo de tempo não deve ultrapassar de alguns milesegundos para que o processo possa ser confiável e seguro. Existem hoje soluções que foram propostas para contornar este problema.

TCP/IP

Esta família de protocolos foi desenvolvida pela DARPA (Defense Advanced Research Project Agency) que é um órgão do Departamento de Defesa dos EUA , a primeira rede foi inaugurada em 1969 com o nome de ARPANET, interligando as universidades dos EUA . Em 1970 criou-se o TCP e 1975 o IP.

O principal objetivo desse protocolo quando foi criado era de manterem conectados, mesmo que, apenas em parte, órgãos do governo e universidades em caso de guerra.

Devido ao sucesso deste padrão, não só a internet, mas também a maioria das redes corporativas o utilizam para interligação de seus computadores.

Oficialmente esta família de protocolos é chamada TCP/IP, devido a seus dois protocolos mais importantes:

• TCP: Transport Control Protocol • IP: Internet Protocol

Não podemos confundir internet com Ethernet com Internet; internet se refere a rede mundial de computadores e Ethernet se refere a um dos protocolos disponíveis para a camada física (padroniza como será a troca de informações e também como são seus sinais elétricos). Internet se refere ao “Protocolo entre redes” (IP)

A internet é um conjunto de redes de computadores interligadas pelo mundo, que tem em comum um conjunto de protocolos e serviços, sendo baseada na arquitetura do TCP/IP.

O número de serviços que podem estar disponíveis na internet é ilimitado, dada a transparência que o protocolo TCP/IP dá a essa rede.

O ponto comum entre estes serviços é o seu modelo de implementação que se dá o nome de Modelo “Cliente /Servidor”.

A execução de um serviço está a cargo de programas servidores e o usuário do serviço acessa a esses programas servidores via programas clientes. Observe a seguir uma ilustração do funcionamento de uma rede Ethernet entre computadores:

Servidor

HUB

Normalmente utiliza-se “Switch” para orientar, organizar o fluxo de dados melhorando a performance da rede. Ele “aprende” como é o fluxo de dados e separa as redes.

A arquitetura TCP/IP propõe esquema de endereçamento universal, chamado de ENDEREÇO IP que deve identificar unicamente uma rede na internet ou identificar unicamente cada máquina de uma rede.

Um endereço IP compõe-se de uma quadra de números naturais na faixa de 0 (zero) a 255 – um byte, normalmente representado por: número . número . número . número

Exemplos de endereços IP • 192 . 168 . 0 . 238

Ethernet na Indústria

Através da rede Ethernet, PC’s podem supervisionar / alterar os programas de CLP’s ligados à intranet, para isto basta possuir o endereço IP do módulo conversor em que o CLP esteja conectado e configurar a comunicação do programador do CLP para uma conexão TCP/IP.

Ligação em rede via RS485

Normalmente os IHM´s e CLPs possuem portas de comunicação RS485 disponíveis. Para integração desses dispositivos a uma rede Ethernet deve-se utilizar um módulo conversor RS485 para Ethernet.

Observe a seguir a integração de vários IHM´s a uma rede Ethernet através da utilização de um módulo conversor:

Topologia INTERNET

Através da rede mundial de computadores, se o conversor estiver conectado a um servidor que disponibilize um endereço de IP fixo na internet, de qualquer parte do mundo é possível comunicar com a máquina / processo.

Enfim, cada aplicação exige determinadas características da comunicação de dados, e existem no mercado diferente tipos de protocolos de comunicação que são “específicos” para cada aplicação. Para determinarmos os requisitos necessários para a escolha de um protocolo temos que conhecer as aplicações onde este será utilizado. A partir disto, os requisitos serão levantados com o intuito de otimizar as características determinantes para as aplicações propostas.

Observe a seguir uma tabela com informações dos protocolos até aqui citados e outros também muito empregados na indústria:

Características APR03M Profibus DP Alnet II Devicenet Ethernet

Velocidade 2Mbit/s 12 Mbit/s 1 Mbit/s 500 kbit/s 100 Mbit/s

Modo de Comunicação _consumidor Produtor / Origem / _destino Origem / _{destino consumidor} Produtor / Servidor / _cliente

Gerenciamento Multi-mestre Multi-mestre Multi-mestre Multi-mestre _Colisão NA:

Configuração dos dispositivos via rede

Sim Não Sim Não Sim

Ferramenta de diagnóstico

Sim Sim Sim Sim Não

Ferramentas de gerenciamento

Sim Sim Sim Sim Não

Permite colisão Sim Não Sim Sim Sim

Permite comunicação por eventos

Sim Não Sim Sim Sim

Auto configuração básica

Sim Não Não Não Não

Integração com outras redes

Sim Sim Sim Sim Não

Quantidade de dispositivos compatíveis no mercado

Baixo Alto Baixo Alto Baixo

“Troca a quente” Sim Sim Sim Sim Sim

DEVICENET (Nível de Campo)

O Devicenet é uma rede de comunicação de baixo custo que objetiva interligar dispositivos industriais de chão de fábrica (chaves, sensores, painéis de controle, interfaces de operação, etc). Inicialmente a rede Devicenet foi criada pela Rockwell Automation, e utilizada principalmente na linha de produtos Allen Bradley, atualmente é um padrão de rede aberto, ou seja, as especificações técnicas sobre a rede e o protocolo são abertos.

Observe a seguir uma configuração típica de rede Devicenet:

Na figura a seguir podemos observar mais detalhadamente os dispositivos de chão de fábrica (nível de campo) comunicando-se entre si e com dois CLP´s que pertencem ao nível de controle através do barramento Devicenet:

Qualquer fabricante que pretender utilizar a rede DeviceNet deve se associar a ODVA (Open DeviceNet Vendor Association), e comprar a licença de utilização do protocolo, que inclui o componente que realizará a comunicação, ou seja, o fabricante apenas incorporará este componente em seu dispositivo, sem se preocupar com a implementação dos algoritmos de comunicação.

O protocolo DeviceNet inovou em alguns conceitos sobre protocolos industriais, estas inovações se refletiram em eficiência na troca de dados.

Principais características da rede Devicenet:

• Tamanho da rede: Uma rede DeviceNet pode ter mais de 64 nós, com auxilio de repetidores;

• Topologia: Barramento, sinal e potência transmitidos pelo mesmo cabo de rede;

• Adição e remoção de nós da rede podem ser executados com a rede em funcionamento; • Tamanho típico da mensagem: 44 bits de controle e até 8 bytes de dados;

• Gerenciamento de rede: Mestre-escravo, multi-mestre, “peer-to-peer”; • Comunicação Produtor-Consumidor;

• Taxa de comunicação: Em toda rede de comunicação a taxa alcançada é inversamente proporcional ao comprimento da rede, devido a fenômenos de interferência e de perda no sinal.

Distância Taxa 500 m 125 kbps 250 m 250 kbps 100 m 500 kbps

Dispositivos Devicenet

Os dispositivos que são adicionados às redes Devicenet aparentemente são dispositivos comuns, porém, possuem um circuito eletrônico em sua construção para serem conectados ao BUS (barramento), sendo assim, podem ser conectados facilmente interpretados na rede.

Observe a seguir dois sensores e uma chave fim-de-curso com comunicação Devicenet:

Sensor Óptico Retro-reflexivo Sensor Indutivo Chave fim-de-curso A seguir temos exemplo de dispositivos atuadores com tecnologia Devicenet:

Motor + Drive Devicenet Lâmpadas para sinalização

Como podemos observar acima, temos até mesmo dispositivos atuadores com drive incorporado, isto possibilita uma economia de espaço e simplicidade na conectividade a rede.

Controle de Colisões

O DeviceNet foi desenvolvido baseado na tecnologia CAN (Controller Area Network), sendo que a camada de enlace (Data Link Layer) do protocolo DeviceNet é completamente definida pela especificação do CAN.

Isto proporciona ao protocolo DeviceNet um eficiente controle de colisão dos dados no barramento, através de uma hierarquia nas transmissões. Este método é conhecido como “non-destructive bit-wise arbitration mechanism”.

Para entender a importância da detecção e tratamento de colisões em redes digitais, primeiro vamos entender como estas colisões ocorrem:

1°) Dois ou mais nós de uma rede acessam o barramento de dados no mesmo instante, ocorre uma colisão nos dados, pois dispositivos querem transmitir informações diferentes no mesmo fio

2°) Ocorre a destruição dos dados, sendo assim, os dispositivos necessitam reenviar a mensagem perdida, e para isto ele precisa detectar que houve colisão na mensagem que foi enviada. Para evitar uma nova colisão, cada dispositivo aguarda um tempo aleatório antes de reenviar a mensagem.

Redes Ethernet funcionam baseadas neste principio, os nós da rede podem utilizar o barramento de dados a qualquer momento, desde que este esteja livre. No caso do CAN, o controle de colisão é mais eficiente que o utilizado na Ethernet, quando dois

ou mais dispositivos iniciam a comunicação no mesmo instante, um dos dois é determinado “vencedor” e continua transmitindo.

Os demais percebem que “perderam” o direito de usar o barramento e param de transmitir, aguardando uma nova disponibilidade. Desta forma não há perda de informação, e garante a eficiência no envio das mensagens prioritárias.

Esta característica permite o usuário do DeviceNet configurar uma rede “peer-to-peer”, onde não existe mestre na rede, onde a comunicação se faz de forma assíncrona. Esta forma de configurar a rede se assemelha muito ao padrão servidor-cliente utilizado na internet.

Gerenciamento de Rede

O gerenciamento da rede pode ser definido pelo usuário entre as opções: Mestre-escravo, multi-mestre, “peer-to-peer” ou qualquer combinação entre as alternativas anteriores.

No caso do gerenciamento “peer-to-peer”, não existem mestres na rede, a comunicação é assíncrona e o gerenciamento da rede é distribuído, esta configuração só é eficiente devido ao controle de colisão sem a perda de informação.

Para escolher a melhor alternativa em cada aplicação deve-se avaliar o desempenho dos dispositivos conectados na rede e os requisitos da aplicação.

Comunicação Produtor-Consumidor

Normalmente os dispositivos se comunicam através de solicitações e respostas, onde cada mensagem possui uma origem e um destino, já o protocolo DeviceNet utiliza um método que se provou bem mais eficiente, chamado de produtor-consumidor.

Neste método, a comunicação ocorre por mensagens chamadas de “broadcast” ou “multicast”. Estas mensagens se destinam a todos os dispositivos da rede (“broadcast”), ou a um grupo de dispositivos (“multicast”), ou seja, as mensagens possuem uma origem e vários destinos.

Exemplo: Mensagem #1

• Referência de posição do sensor transmitida em referência de posição do sensor transmitida em multicast aos CTRL1, 2 e IHM aos CTRL1, 2 e IHM.

Mensagem #2

• Comando de velocidade do CTRL1 transmitido comando de velocidade do CTRL1 transmitido

simultaneamente aos 3 simultaneamente aos 3 drives e IHM.

Observe que a mensagem sempre é enviada a todos os dispositivos da rede. O dispositivo produtor somente envia uma variável para a rede quando esta tiver seu valor alterado, evitando assim o trafego de informação repetida na rede.

Quando a mensagem é enviada ela é recebida por todos os consumidores, que avaliam se os dados contidos na mensagem são de seu interesse, se forem, os dados são consumidos, mas se os dados não forem pertinentes, a mensagem é ignorada.

Para que se identifique se os dados disponibilizados na rede pelos produtores, cada variável é associada a um identificador, assim, os consumidores conseguem identificar as variáveis na mensagem.

Esta característica é a principal responsável pela eficiência do protocolo DeviceNet, dependendo da aplicação e da configuração da rede é possível conseguir atender os requisitos de comunicação com uma taxa bem menor, devido ao fluxo de informação repetida na rede ser bem menor.

A rede DeviceNet trabalha no máximo a 500 kbps, enquanto uma rede PROFIBUS pode alcançar até 12 Mbps, porém é possível que para a mesma aplicação, a rede DeviceNet se prove mais rápida.