Universidade Paulista – UNIP
Redes Industriais
Jundiaí, Fevereiro de 2015
Profa. Renata
renata.caceres@gmail.com
Tecnologia em Automação Industrial
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IELDBUS
As redes de campo surgiram da necessidade de interligar equipamentos usados nos sistemas de automação.
A interligação desses equipamentos em rede permitiu o compartilhamento de recursos e bases de dados.
Na primeira idealização, o Fieldbus foi uma rede multiponto digital para conectar os dispositivos de campo e controle a longas distâncias por apenas um barramento (dois fios), porém após essa primeira etapa, percebeu-se que essa tecnologia poderia fazer muito mais do que isso.
Além de ser uma tecnologia feita para economizar cabeamento, é o verdadeiro controle distribuído, pois, além de distribuir os pontos de entrada e saída, permite fazer o controle no local da aquisição e atuação dos processos, ou seja, no próprio sensor e atuador.
Podem-se separar os protocolos de campo basicamente em três categorias:
1. Nível mais baixo: redes e dispositivos simples tais como sensores/atuadores em
nível de bit (E/S). Exemplos: AS-i, Seriplex, Interbus-S, Profibus-PA e HART.
2. Nível médio: redes controladores (comunicação serial entre dispositivos - CLP) de
campo. Exemplo: CAN, DeviceNET e Profibus-DP.
3. Alto nível: Redes de controladores (mestres) para controladores de instrumentação
mais sofisticada (inteligentes). Exemplo: Ethernet industrial, Profibus-FMS e
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• Sinônimos de Fieldbus:
– Barramento de chão de fábrica – Barramento de campo
– Rede de chão de fábrica • Significado de Fieldbus:
Refere-se a redes voltadas aos níveis de interligação de sensores, atuadores, controladores, em geral abaixo dos sistemas supervisórios.
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Definição dos tipos de Fieldbus:
• Sensorbus (Dispositivos) – A rede de nível mais baixo, geralmente usadas para ligar
pequenos sensores, como interruptores. Transmite dados de tamanho pequeno e precisa de processamento mínimo por parte do sensor.
• Devicebus (E/S e Periféricos) – A categoria de rede para uso geral que oferece serviços de
comunicação para dispositivos mais “espertos”, como CLPs, remotas de aquisição de dados e controle, que conseguem realizar múltiplas funções e comunicar informações sobre
diagnósticos e funções a realizar e já realizadas.
• Fieldbus (Dispositivos Inteligentes) – Suporta uma maior transmissão de dados, mas
geralmente a uma menor velocidade e a necessitar de um maior poder de processamento por parte do dispositivo (equipamentos que desempenham funções específicas de
controle). Algumas tecnologias deste tipo suportam a distribuição de funções de controle diretamente nos dispositivos.
• Control – Usado principalmente para comunicação ponto-a-ponto (“peer-to-peer”) entre
dispositivos de controlo de alto nível como PLC’s (“Programable Logical Controller”) ou controladores DCS.
• Enterprise – É tradicionalmente a espinha dorsal (“backbone”) da rede da companhia,
onde são partilhados os dados relativos aos negócios. É predominantemente TCP/IP sobre Ethernet.
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Características dos tipos de fieldbus:
• Sensorbus (Dispositivos):
– Transferência rápida – Baixo custo
– Distância máxima: 200 metros – Exemplo: AS-I e CAN
• Devicebus (E/S e Periféricos):
– Transferência rápida
– Distância máxima: 500 metros
– Exemplo: DeviceNet, Profibus DP e ModbusPlus • Fieldbus:
– Transferência mais lenta e opera com vários tipos de dados (analógicos, digitais, parâmetros, programas, informações para o usuário).
– Distância: até 10 km
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HART
• HART – Highway Addressable Remote Transducer
Desenvolvido pela Fisher Rosemount em meados da década de 1980 como
um protocolo proprietário.
A partir de 1990, o HART tornou-se um padrão aberto.
HART é um protocolo digital, mas aceita também comunicação analógica no
padrão 4-20mA.
Compatível com a enorme base analógica instalada, existente no mundo,
além de possibilitar o uso de instrumentos inteligentes em cima dos cabos
4-20 mA tradicionais.
Os dispositivos capazes de executarem esta comunicação
híbrida são denominados smart.
– Características:
Possibilita comunicação de forma digital entre dispositivos de campo e
controladores;
Comunicação bidirecional não interfere no sinal analógico 4 – 20 mA;
Utiliza chaveamento de frequência (FSK) com frequência de 1200 Hz
para o binário “1” e a frequência de 2200 para o binário “0”.
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HART
• HART – Highway Addressable Remote Transducer
– Características:
– Taxa de transmissão de 1200 bps e o Meio físico é o par trançado;
– Tempo médio de aquisição de um dado: 378,5 ms;
– Quantidade: até 15 dispositivos conectados em paralelo;
– O valor indicado pelo sensor e transmitido no sinal de 4 a 20 mA enquanto
medidas adicionais, configuração, calibração, etc.
– Pequena variação de tensão;
– A distância máxima do sinal HART é de cerca de 3000m com cabo com um
par trançado blindado e de 1500m com cabo múltiplo com blindagem simples.
– Tipos de comunicação entre dispositivos:
– mestre-escravo (um dispositivo “mestre” faz as solicitações de informação
aos “escravos”). O mestre identifica o dispositivo através de endereço (1-15);
– Burst ou rajadas: neste modo os frames de dados são enviados apenas
quando necessário pelo escravo;
– Transmissão assíncrona a nível de caracteres UART (1 start bit, 8 bits de
dados, 1 bit de paridade e 1 stop bit);
• Características do Padrão 4-20mA:
– O padrão 4-20mA pode ser caracterizado pela malha de corrente utilizada para a interconexão dos dispositivos de campo, ver figura.
– Nesta configuração temos que cada um dos dispositivos deve ser interconectado com a fonte e o dispositivo de controle, onde temos: de um lado o conversor A/D, utilizado para decodificar a informação que trafega na malha através da corrente que circula pela mesma; na outra extremidade encontramos o dispositivo sensor ou atuador que deverá controlar fluxo de corrente (sensor) ou fazer uso do seu valor para ajustar seu parâmetros (atuador).
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HART
• Características Comunicação HART:
• O sinal analógico transmite o valor primário medido pelos instrumentos de
campo, utilizando uma malha de corrente de 4-20mA. As informações
adicionais do dispositivo são transmitidas por meio de um sinal digital
sobreposto ao sinal analógico. O sinal digital contém as informações do
dispositivo, tais como: status, diagnósticos, valores adicionais medidos ou
calculados. Juntos, os dois canais de comunicação oferecem uma solução de
comunicação de campo extremamente sólida e completa, de baixo custo e
de fácil utilização e configuração.
Comunicação HART em dois Canais de Comunicação (Analógico e Digital)
• A estrutura da mensagem enviada pelo sinal HART digital é caracterizado pelas seguintes
etapas:
1. O preâmbulo possui entre 5 e 20 bytes em hexadecimal (todos 1’s) e auxilia o receptor a sincronizar o "stream" de caracteres;
2. O caractere de início indica o tipo de mensagem: mestre para escravo, escravo para mestre, ou mensagem em "burst" do escravo; e também o formato do endereço: quadro curto ou quadro longo;
3. O campo endereçamento inclui o endereço do mestre (um único bit: 1 para mestre
primário, 0 para mestre secundário) e do escravo. No formato de quadro curto, o endereço do escravo tem 4 bits contendo o “polling address” (0 a 15). No formato de quadro longo, o
tamanho é de 38 bits contendo o “identificador único” para um instrumento em particular (um bit é também usado para indicar se o escravo está em modo burst);
4. O byte comando contém o tipo de comando HART associado à mensagem. Os comandos universais estão na faixa de 0 a 30; comandos práticos estão na faixa de 32 a 126; comandos específicos do instrumento estão na faixa de 128 a 253;
5. O byte contador de byte contém o número de bytes dos campos status e dado. O receptor usa-o para saber quando a mensagem está completa, uma vez que não existe o caractere especial “fim de mensagem”;
6. O campo status (também conhecido como “código de resposta”) tem dois bytes presentes somente na mensagem de resposta de um escravo. Ele contém informações sobre erros de comunicação no recebimento de mensagem, o status do comando recebido e o status do instrumento;
7. O campo dados pode estar presente ou não, dependendo do comando particular.
O comprimento máximo recomendado é de 25 bytes, para manter uma duração global de mensagem razoável;
8. O checksum contém um “ou exclusivo” ou “paridade longitudinal” de todos os bytes
anteriores (do caractere de início em diante). Junto com o bit paridade anexado a cada byte, ele é usado para detectar erros na comunicação.
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MODBUS
Desenvolvido e publicado pela Modicon Industrial Automation Systems em
1979 para uso do seu CLP, tornou-se um padrão de fato na indústria.
É um dos mais antigos protocolos utilizados em redes de controladores lógicos
programáveis para aquisição de sinais de instrumentos e comandar atuadores
usando uma porta serial.
Atualmente parte do grupo Schneider Electric, a Modicon colocou as
especificações e normas que definem o Modbus em domínio público.
O protocolo é utilizado em milhares de equipamentos existentes e é uma das
soluções de rede mais baratas a serem utilizadas em automação industrial.
– É usualmente implementado com topologia Ponto a Ponto e com interface serial
RS-232 ou com topologia Barramento Mutiponto com RS-485, sobre uma variedade de
meios de transmissão.
– A tecnologia de comunicação no protocolo é o mestre-escravo, sendo que tem somente um mestre e no máximo 247 escravos podem ser conectados à rede.
– A comunicação é sempre iniciada pelo mestre, e os nós escravos não se comunicam entre si.
– O mestre pode transmitir dois tipos de mensagens aos escravos, dentro de uma mesma rede:
• Mensagem tipo unicast: o mestre envia uma requisição para um escravo definido e este retorna uma mensagem-resposta ao mestre (requisição e resposta);
• Mensagem tipo broadcast: o mestre envia a requisição para todos os escravos, e não é enviada nenhuma respostas para o mestre.
– Existem dois modos de transmissão: • ASCII (American Code for
Informastion Interchange): onde
cada byte de mensagem é
enviado como 2 caracteres ASCII de 7 bits.
• RTU (Remote Terminal Unit) onde cada byte da mensagem é
enviado em formato binário de 8
bits (2 caracteres hexadecimais
de 4 bits), que são selecionados durante a configuração dos
parâmetros de comunicação. Eles definem o conteúdo dos campos da mensagem transmitida
serialmente.
– Tipos de Protocolo MODBUS:
• MODBUS PADRÃO: é usado para comunicação dos CLPs com os dispositivos de
entrada e saída de dados, instrumentos eletrônicos inteligentes (IEDs) como relés de proteção, controladores de processo, atuadores de válvulas, etc., o meio físico é
o RS-232 ou RS-485 em conjunto com o protocolo mestre-escravo.
• MODBUS TCP/IP: usado para comunicação entre sistemas de supervisão e controladores lógicos programáveis. O protocolo Modbus é encapsulado no
protocolo TCP/IP e transmitido através de redes padrão Ethernet com controle de acesso ao meio por CSMA/CD.
• MODBUS PLUS: usado para comunicação entre de controladores lógicos
programáveis, módulos de E/S, chaves de partida eletrônica de motores, interfaces homem máquina etc. O meio físico é o RS-485 com taxas de transmissão de 1 Mbps.
1) Qual o valor de corrente esperado na saída de um sensor analógico (no padrão 4 a 20 mA), quando:
a. O sensor mede uma temperatura que varia entre 10 e 40°C e o valor instantâneo medido é 13°C; b. O sensor mede uma corrente elétrica que varia entre 0 e 4 A e o valor instantâneo medido é 1,4 A.
2) Qual protocolo abaixo interligaria o nível de planta e nível de controle?
a. HART b. Modbus RTU c. Modbus ASCII d. Modbus TCP e. Modbus Plus
