Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Tiago André Vieira Gonçalves
PROJECTO E IMPLEMENTAÇÃO DE UMA
APLICAÇÃO DE PEQUENA REDE INDUSTRIAL
PARA CONTROLO DE ETAR
Dissertação de Mestrado
Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores
Trabalho efectuado sob a orientação de: Professora Doutora Filomena Soares Engenheiro Paulo Mariano Guedes
A evolução da indústria provocada pelo aumento da competitividade, da exigência na qualidade e na quantidade, obrigou a que os sistemas autónomos evoluíssem de forma a aumentar a rentabilidade das linhas de produção. Para tal, eram necessárias fórmulas de cálculo numérico mais complexas, obrigando a utilização de mais computadores ou autómatos com capacidade de cálculo superior mantendo a precisão e controlo na produção.
Com isto, e atendendo a necessidade de interligar as diferentes áreas de produção foram criadas redes de comunicação industriais que possibilitassem a partilhada de informação entre os autómatos de cada área.
Na sequência de todas as exigências da indústria, aparecerem soluções de diversos fabricantes e para diferentes aplicações.
Nesta dissertação são abordados alguns tipos de redes industriais, com a aplicação prática de uma rede industrial para controlo de uma estação de tratamento de água residual.
Na sequência da pesquisa de soluções e alternativas possíveis para a implementação do sistema, surgiram uma infinidade de produtos, tecnologias e protocolos.
Esta dissertação começa por abordar algumas das alternativas para a implementação de um sistema deste tipo, referenciando especificações, tipos de aplicação, princípio de funcionamento, vantagens e desvantagens de produtos e tecnologias existentes no mercado. É dado a conhecer o cenário actual das redes de comunicação industriais referindo a sua aplicabilidade prática.
Posteriormente é apresentado o trabalho prático, descrevendo as tecnologias, o equipamento utilizado e o processo a controlar.
Por fim são apresentadas conclusões, referindo as vantagens e a relevância deste tipo de sistemas na indústria, e sugestões para evolução futura deste trabalho.
The evolution of the industry caused by the increasing competition and quality and quantity demand, led to the evolution of the autonomous systems in order to increase the profitability of production lines. To make these reality possible, more complex numerical formulas were necessary, requiring the use of more computers or automata capable of maintaining higher calculation capacity and production control.
Given this, and adding the need to interconnect the different production areas, industrial communication networks were established in order to enable information sharing between automata in each area.
All these industry demands led to the increasing appearance of several different solutions.
In this thesis some theoretical types of industrial networks are studied and a practical application of an industrial network for control of a waste water treatment station is shown.
The search for solutions and possible ways for the implementation of the system led to a vast variety of products, technologies and protocols.
This thesis begins to address some implementation alternatives for the mentioned system, referencing specifications, types of applications, operating principles, market advantages and disadvantages of products and technologies. It is shown the current scenario of industrial communication networks with reference to their practical applicability.
Then a practical application is exposed, describing the technology and equipment used and the monitored process.
Finally conclusions are presented, indicating the advantages and importance of such systems for industry. Some suggestions for future development of this work are also explained.
O autor deseja manifestar o seu mais sincero agradecimento à instituição e a todas as pessoas que, com a sua valiosa colaboração, contribuíram para que a realização deste trabalho fosse possível.
A minha família que para além de todo o apoio que me deu, permitiu-me a realização deste objectivo, dando-me todas as condições necessárias para que tudo isto fosse possível.
A Professora Doutora Filomena Soares, tenho a agradecer a oportunidade concebida para realização desta dissertação.
Ao Professor Doutor José Cabral tenho a agradecer a orientação científica e as sugestões ao longo da realização deste trabalho e do meu percurso académico.
Ao Eng. Paulo Guedes pela oportunidade e pela confiança que depositou em mim para a realização deste e de outros trabalhos.
A Scheneider Electric pela disponibilidade em esclarecer e ajudar em diversos assuntos técnicos.
A todos os meus colegas que me acompanharam no meu percurso académico, que pela amizade, pela companhia durante as horas de trabalho e lazer passadas na universidade.
Resumo ... iii
Abstract ... iv
Índice ... vii
Índice de Figuras ... ix
Índice de Tabelas ... xiii
Lista de Acrónimos ... xiv
1 - Introdução ... 17
1.1 – Enquadramento ... 17
1.2 – Estações de Tratamento de Águas Residuais ... 18
1.3 – Objectivos ... 19
1.3 – Redes de Comunicação Industrial ... 20
1.4 – Estrutura da dissertação ... 21
2 – Fundamentos Teóricos ... 23
2.1 – Autómatos ... 23
2.1.1 – Evolução histórica ... 23
2.1.2 – Arquitectura dos Autómatos ... 24
2.1.3 – Classificação dos autómatos ... 34
2.1.4 – Vantagens dos autómatos ... 35
2.1.5 – Linguagens de programação ... 35
2.2 – Redes industriais ... 36
2.2.1– Níveis de uma rede Industrial... 37
2.2.2 – Topologias de rede ... 39
2.2.3 – Normas de comunicação ... 41
2.2.3 – Fibra Óptica ... 44
2.2.5 – Modbus ... 55
3.1 – Organização e Funcionamento ... 85
3.1.1 – Casa de Comando ... 88
3.1.2 – Estações Elevatórias ... 91
3.1.3 – Casa das Lamas ... 94
3.2 – Arquitectura da rede ... 96
3.3 – Equipamentos Utilizados ... 97
3.3.1 – Equipamento de Campo ... 97
3.3.2 – Equipamento de Comando ... 108
3.4 – Programação ... 110
3.4.1 – Programação da comunicação entre autómatos ... 110
3.4.2 – Controlo dos equipamentos básicos da ETAR ... 119
3.4.3 – Controlo das Estações Elevatórias ... 122
3.4.4 – Controlo da casa das lamas ... 126
3.4.5 – Programação da consola ... 127 3.5 – Parâmetros e configuração ... 128 3.5.1 – Funções da Consola ... 130 4 – Conclusão... 135 Bibliografia ... 139 Anexos ... 141
Figura 1 – Estrutura de um autómato programável ... 25
Figura 2 – Processador central Siemens S7-314 e módulo de posicionamento FM 353 ... 26
Figura 3 – Diagrama do ciclo de funcionamento de um autómato programável ... 27
Figura 4 – Diagrama de funcionamento de autómato programável em modo periódico ... 28
Figura 5- Organização da memória de um autómato programável ... 30
Figura 6– Consolas Siemens TD200 e TP 177micro respectivamente ... 33
Figura 7 – Autómato compacto Telemecanique Twido com alimentação 230V AC ... 34
Figura 8– Autómato modular Modicon M340 com alimentação 24V DC ... 35
Figura 9 – Extracto de um programa em diferentes linguagens de programação ... 36
Figura 10 – Pirâmide CIM ... 37
Figura 11 – Topologia de Rede em Barramento ... 39
Figura 12– Topologia de Rede em Estrela ... 39
Figura 13 – Topologia de Rede em Anel ... 40
Figura 14 – Aplicação usando as normas de comunicação RS232 e RS485 ... 41
Figura 15 – Exemplo de aplicação para gestão energética usando a norma RS485 ... 43
Figura 16 – Constituição de um condutor de fibra óptica ... 44
Figura 17 – Fibra óptica monomodo e multimodo ... 44
Figura 18 – Conectores para fibra óptica ... 45
Figura 19 – Exemplo de Switch’s com Ethernet e Fibra óptica ... 46
Figura 20 – Tipos de cabos AS-i e sua conexão rápida. ... 48
Figura 21 – Tempo de transição no AS-i. ... 50
Figura 22 – Estrutura de uma trama AS-I ... 50
Figura 23 – Exemplo de aplicação AS-I ... 55
Figura 24 – Arquitectura de rede com diversas variantes do protocolo Modbus ... 56
Figura 25 – Aproximação do protocolo MODBUS a pilha OSI ... 58
Figura 29 – Formato da trama enviada pelo “mestre”... 60
Figura 30 – Formato da trama Modbus TCP/IP ... 61
Figura 31 – Exemplo de uma aplicação em vários perfis Modbus ... 63
Figura 32 – Aproximação do Profibus a pilha OSI ... 65
Figura 33 – Exemplo de uma rede Profibus DP ... 66
Figura 34 – Formato das tramas profibus ... 70
Figura 35 – Exemplo de aplicação dos ficheiros GDS ... 71
Figura 36 – Exemplo de Rede Profibus ... 71
Figura 37 – Tipos de conectores Profibus ... 73
Figura 38 – Aproximação do CAN a pilha OSI ... 74
Figura 39 – Formato de uma trama CAN ... 76
Figura 40 – Exemplo de uma aplicação usando o protocolo CAN ... 78
Figura 41– Exemplo de uma aplicação usando Ethernet ... 83
Figura 42– Organização da Etar ... 87
Figura 43 – Casa de Comando ... 89
Figura 44 – Quadro Eléctrico QGBT ... 89
Figura 45 – Quadro Eléctrico QP03 ... 91
Figura 46 – Casa das Lamas ... 94
Figura 47 – Quadro Eléctrico QP02 ... 95
Figura 48 – Arquitectura de Rede ... 97
Figura 49 – Grade Mecânica ... 98
Figura 50 – Circuito de Comando ... 99
Figura 51 – Ponte raspadora ... 99
Figura 52 – Arejador ... 100
Figura 53 – Válvulas modulantes ... 101
Figura 54 – Válvulas Pneumáticas ... 101
Figura 59 – Prensa de Lamas ... 105
Figura 60 – Tapete transportador ... 106
Figura 61 – Estação de Dosagem ... 107
Figura 62 – Sensor do manto de lamas ... 107
Figura 63 – Autómato Twido TWDLCAE40DRF ... 108
Figura 64 – Consola Telemecanique XBTN200 ... 109
Figura 65 – Janela do Twidosoft para configuração do endereço IP do PLC ... 110
Figura 66 – Janela do Twidosoft para configuração dos “escravos” ... 111
Figura 67 – Janela do Twidosoft com o resumo de configuração da rede ... 111
Figura 68 – Tabela de controlo e transmissão para leitura dos dados no “escravo” 1 ... 114
Figura 69 – Tabela de controlo e transmissão para leitura dos dados no “escravo” 2 ... 115
Figura 70 – Tabela de controlo e transmissão para escrita dos dados no “escravo” 1 ... 116
Figura 71 – Tabela de controlo e transmissão para escrita dos dados no “escravo” 2 ... 117
Figura 72 – Grafcet do controlo da comunicação do “mestre” com os “escravos” ... 118
Figura 73 – Ladder do controlo da comunicação do “mestre” com os “escravos” ... 119
Figura 74 – Modelo de um temporizado de funcionamento dos equipamentos ... 120
Figura 75 – Modelo de um temporizador de paragem dos equipamentos ... 120
Figura 76 – Ladder do controlo de funcionamento da grade mecânica... 121
Figura 77 – Ladder do controlo do tempo de funcionamento da grade mecânica ... 121
Figura 78 – Atribuição dos valores seleccionados na consola aos temporizadores ... 121
Figura 79 – Representação do equipamento que constitui uma Estação Elevatória ... 122
Figura 80 – Grafcet do funcionamento de uma Estação Elevatória ... 124
Figura 81 – Ladder do funcionamento da Estação Elevatória de águas limpas ... 126
Figura 82 – Temporizador responsável pelo tempo de ciclo da casa das Lamas ... 126
Figura 83 – Configuração da Consola ... 127
Figura 84 – Página de configuração da consola como “mestre” ... 127
Figura 85 – Configuração da primeira página da consola ... 128
Figura 89 – Página de visualização do estado dos sensores de oxigenio ... 131
Figura 90 – Pagina inicial da consola ... 132
Figura 91 – Página para selecção do equipamento a configurar ... 132
Figura 92 – Pagina que permite a configuração válvula VM2 ... 133
Figura 93 – Menu de configuração dos tempos de funcionamento dos equipamentos ... 133
Figura 94 – Página de configuração do tempo de funcionamento de um equipamento ... 134
Tabela 1 – Mensagens AS-I [7]. ... 52
Tabela 2 – Configurações de I/O, [7]. ... 53
Tabela 3 – Funções Modbus ... 61
Tabela 4 – Comprimento do cabo em função da velocidade de transmissão ... 64
Tabela 5 – Tabela de serviços do profibus DP ... 68
Tabela 6 – Serviços do PROFIBUS (nível 2). ... 69
Tabela 7 – Relação entre velocidade e comprimento do cabo ... 73
Tabela 8 – Relação entre velocidade e tipo de cabo ... 80
Tabela 9 – Áreas de memória partilhadas para a comunicação de escrita no “Escravo” 1 ... 112
Tabela 10 – Áreas de memória partilhadas para a comunicação de escrita no “Escravo” 2 ... 112
Tabela 11 – Áreas de memória partilhadas para a comunicação de leitura no “Escravo” 1 ... 113
ETAR – Estação de Tratamento de Águas Residuais PLC’s – Programmable Logic Controllers
GSM – Global System for Mobile Communications CPU – Unidade central de processamento
ROM – Read Only Memory
EPROM – Erasable Programmable Read Only Memory
EEPROM – Electrical Erasable Programmable Read Only Memory RAM – Random Access Memory
ROM – Read Only Memory
CIM – Computer Integrated Manufacturing PC’s – Personal Computers
LAN – local area network WAN – Wide Area Network DTE – Data Terminal Equipment
DTC – Data Communications Equipment LC – Lucent Connector
ST – Straight Tip
SC – Simplex Connector
MT-RJ – Mechanical Transfer Registered Jack ATO – AS-i Trade Organization
CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection HDLC – High Level Data Link Control
OSI – Open Systems Interconnection CRC – Cyclic redundancy check
ASCII – American Standard Code for Information Interchange ADU – Application Data Unit
PDU – Protocol Data Unit
MBAP Header – Modbus Application Protocol Header FDL – Fieldbus Data Link
FMA – Fieldbus Management
SDN – Send Data with no acknowledge SRD – Send and Request Data with reply SAP – Service Aces Points
GDS – Generic Data Slave CiA – CAN in Automation DLC – Data Length Code
HTML – HyperText Markup Language
DHCP – Dynamic Host Configuration Protocol FTP – File Transfer Protocol
NTP – Network Time Protocol
SMTP – Simple Mail Transfer Protocol
SNMP – Simple Network Management Protocol COM/DCOM – Distributed Component Object Model FDR – Faulty Device Replacement
Capítulo 1
1 - Introdução
Neste capítulo, é apresentado o tema da dissertação, enumerando a motivação e enquadramento do trabalho. É feita uma introdução técnica, abordando o estado da arte, no sentido de referir soluções e alternativas para a aplicação prática em causa.
1.1 – Enquadramento
O tema desta dissertação nasce por motivos profissionais, e consiste no primeiro trabalho proposto pela Empresa Ovava, Engenharia, Lda. Esta empresa dedica-se à concepção, fabrico e/ou Instalação de Equipamentos Electromecânicos associados à área do Ambiente, devidamente habilitada com o Alvará INCI nº 53662.
Fundada em 1996, a Ovava, Engenharia, Lda possui um quadro técnico qualificado nas áreas das engenharias química, electrotécnica e ambiental, com experiência comprovada, capaz de implementar soluções-tipo, bem como de desenvolver soluções que respondam às necessidades específicas dos seus clientes.
As áreas de intervenção no mercado são a concepção de Estações de Tratamento de Água (ETA’s), Estações de Tratamento de Águas Residuais (Etar’s) domésticas e industriais, estações elevatórias, abastecimentos de água e saneamentos.
Este trabalho, como em qualquer sistema automático, é constituído por duas partes: a parte operativa ou de potência, e a de comando.
A parte de potência é a parte a automatizar através da parte de comando, ou seja, consiste no conjunto de actuadores e sensores que servirão para estabelecer a ligação à parte de comando. Os sensores (interruptores de nível, medidores de nível
ultra-sónicos, medidores de caudal, medidores de PH) fornecerão os perfis de variação da propriedade a medir para que a parte de comando active ou desactive os respectivos actuadores (Relés, Arrancadores Suaves, ou Contactores para comando de bombas ou válvulas).
1.2 – Estações de Tratamento de Águas Residuais
As Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR), tem como objectivo tratar as águas residuais de origem doméstica e/ou industrial, para posteriormente serem devolvidas ao meio ambiente, encaminhando-as para o mar ou rio com um nível de poluição aceitável. Numa ETAR as águas residuais passam por vários processos de tratamento com a finalidade de separar ou diminuir a quantidade da matéria poluente da água.
De modo geral existem quatro tipos de tratamentos de um efluente. Porém a necessidade de os utilizar é dependente do tipo e processo de produção das águas a tratar.
No tratamento preliminar, constituído por processos físico-químicos, é feita a remoção dos flutuantes através da utilização de grelhas e de crivos grossos, e a separação da água residual das areias a partir da utilização de canais de areia.
O tratamento primário é também constituído por processos físico-químicos. Nesta etapa procede-se ao pré-arejamento, equalização do caudal, neutralização da carga do efluente a partir de um tanque de equalização e, seguidamente, procede-se à separação de partículas líquidas ou sólidas através de processos de floculação e sedimentação, utilizando um sedimentador. As lamas resultantes deste tratamento são sujeitas a um processo de digestão anaeróbio num digestor anaeróbio ou tanque séptico.
O tratamento secundário é constituído por processos biológicos seguidos de processos físico-químicos.
No processo biológico podem ser utilizados dois tipos diferentes de tratamento:
- aeróbios, onde se podem utilizar, dependendo da característica do efluente, tanque de lamas activadas (o ar é insuflado com um arejador de superfície), lagoas arejadas com macrófitos (microalgas), leitos percoladores ou biodiscos;
- anaeróbio, podem ser utilizadas as lagoas ou digestores anaeróbios.
O processo físico-químico é constituído por um ou mais sedimentadores secundários. Nesta etapa é feita a sedimentação dos flocos biológicos, saindo o líquido, depois deste tratamento, isento de sólidos ou flocos biológicos. As lamas resultantes deste tratamento são secas em leitos de secagem, sacos filtrantes ou filtros de prensa.
O tratamento terciário é também constituído por processos físico-químicos. Nesta fase procede-se à remoção de microrganismos patogénicos através da utilização de lagoas de maturação e nitrificação. Finalmente, a água resultante é sujeita a desinfecção através da adsorção (com a utilização de carvão activado), e, se necessário, tratamento com cloro e ozono.
1.3 – Objectivos
O objectivo principal deste trabalho é fazer com que o sistema de controlo e comando implementado garanta que a ETAR de forma autónoma, trate as águas residuais de forma eficiente permitindo que a mesma possa ser escoada no rio respeitando todas as obrigatoriedades legais.
Esta obra, surge por concurso público, ganho pela Ovava, Engenharia, Lda. Os projectos de execução entregues previam alguns materiais tecnologicamente ultrapassados e comercialmente descontinuados, obrigando a uma adaptação a ferramentas e materiais mais modernos.
Apesar de no projecto já estar previsto uma rede de comunicação industrial, visto que o sistema a automatizar era constituído por três áreas diferentes e
separadas fisicamente por uma distância considerável, foi necessário adaptar o projecto existente a tecnologias mais modernas e capazes de permitir a comunicação entre os autómatos, visto que a inicialmente projectada estava obsoleta. Desta forma, é possível garantir a recolha dos sinais de cada área distinta, processá-los e enviar os dados necessários ao autómato “mestre”.
Atendendo à necessidade de seleccionar novos equipamentos, este trabalho conduziu à realização de um estudo de todas as tecnologias e equipamentos actuais de forma a seleccionar os mais convenientes a esta aplicação.
1.3 – Redes de Comunicação Industrial
No sentido de responder as exigências cada vez maiores dos níveis de automação por parte das empresas, foram desenvolvidas várias soluções de redes de comunicação industrial com o objectivo de reduzir o número de cabos condutores e de integrar a informação das linhas de produção com os níveis superiores de gestão e supervisão.
Atendendo a estas exigências, houve uma explosão de diferentes soluções de diversos fabricantes que resolveram muitos problemas.
Actualmente, a variedade de equipamentos, de tecnologias, protocolos e tipos de comunicação é tão elevado que na fase de projecto, se torna difícil escolher a tecnologia a usar.
Este é um problema não só para os níveis mais baixos, de sensores e actuadores, como para os níveis de controlo e gestão, onde é necessária a interligação de autómatos com os diversos tipos de software de supervisão e gestão.
Existem variadas soluções para a interligação de sensores e actuadores num só cabo condutor, como o CAN ou AS-I, no entanto as diferentes tecnologias não são compatíveis entre elas e nem sempre existem soluções de sensores ou actuadores
compatíveis para uma determinada tecnologia. O mesmo acontece nos níveis superiores, de controlo e gestão, onde temos diversas soluções como o Modbus TCP/IP ou o Profinet.
Como resultado da pesquisa necessária para a implementação deste trabalho, são apresentadas ao longo da dissertação, algumas das diferentes tecnologias de redes de comunicação industrial que ajudam a perceber quais as diferenças entre as principais tecnologias, as suas aplicações e limitações.
1.4 – Estrutura da dissertação
A dissertação está estruturada para que o leitor se vá familiarizando e percebendo os conceitos teóricos necessários para entender o trabalho prático.
Com isto a dissertação esta divida em 6 capítulos, onde no primeiro é efectuado o enquadramento do trabalho, são definidos objectivos apresentados, o estado de arte e é definida a estrutura da dissertação.
O segundo capítulo aborda os princípios teóricos da automação, indicando o princípio de funcionamento dos autómatos, a diferenciação entre eles, o tipo de entradas e saídas e os seus periféricos.
Posteriormente, faz-se uma introdução às redes de comunicações industriais e de seguida referem-se alguns tipos de normas e redes mais utilizados, efectuando-se uma breve descrição de cada uma delas.
No terceiro capítulo descreve-se o princípio de funcionamento do sistema usado para aplicação prática, indicando-se os materiais utilizados, nomeadamente os autómatos seleccionados, os tipos de sensores e actuadores, a arquitectura de rede. Este capítulo termina com a apresentação de alguns pormenores da implementação do sistema.
O quarto capítulo, conclui a dissertação onde são feitos os comentários aos resultados finais, descrevendo-se o que poderia ter sido feito de melhor e o trabalho futuro.
Por último, são apresentadas as referências bibliográficas utilizadas para a realização da dissertação.
Capítulo 2
2 – Fundamentos Teóricos
Este capítulo está dividido em duas partes. Na primeira é feita referência ao autómato, explicando o seu funcionamento, a sua evolução histórica e as suas aplicações e, na segunda, é abordado o tema: “Redes de comunicação industriais”, fazendo referência a algumas das redes mais utilizadas, explicando o meio físico utilizado, o modelo de comunicação, e um exemplo de aplicação de cada uma delas.
2.1 – Autómatos
Neste subcapítulo é feita uma breve descrição da evolução dos autómatos, abordando o seu princípio de funcionamento, exemplificando as suas aplicações e referindo alguns acessórios e periféricos.
2.1.1 – Evolução histórica
Na década de 60, a necessidade de reduzir os custos com a frequente mudança nos sistemas de controlo industrial, incentivou o desenvolvimento de equipamentos mais flexíveis e capazes de diminuir os tempos de produção.
No final da década de 60 surgem os primeiros autómatos programáveis ou também conhecidos por PLC’s (“Programmable Logic Controllers”) que logo começaram a demonstrar grandes vantagens em relação aos sistemas compostos por relés que necessitavam de mais espaço, eram menos fiáveis e tinham pouca ou nenhuma flexibilidade, não permitindo a alteração dos sistemas de controlo industrial de forma rápida e eficiente.
Os primeiros autómatos eram constituídos por processadores cablados, baseados em circuitos integrados e memórias de ferrite.
Em meados da década de 70 começam a ser utilizados microprocessadores nos autómatos programáveis, permitindo incorporar elementos de interface Homem - Maquina, processamento de dados, realização de operações aritméticas e a comunicação com o computador [1],[2].
Ainda no fim da década de 70 aumentam a capacidade de memória, as entradas e saídas remotas, entradas e saídas analógicas e numéricas e a comunicação com periféricos, obrigando desta forma a que as linguagens de programação também evoluíssem.
Na década de 80, com a evolução dos microprocessadores foi possível aumentar substancialmente a velocidade no tratamento de informação, introduzindo-se assim o controlo em tempo real. Esta evolução permitiu também a redução das dimensões dos autómatos, bem como o aumento do número de entradas e saídas. A par da evolução do hardware, vão evoluindo também as linguagens de programação para linguagens de alto nível, facilitando cada vez mais a programação dos autómatos.
Na década de 90, aperfeiçoou-se a interface com o utilizador, desaparecendo as dispendiosas consolas de programação e surgindo ferramentas de programação para PC, inicialmente em DOS e posteriormente em Windows, com interfaces mais amigáveis de programação. Surgiram ainda novas interfaces de comunicação entre autómatos, nas quais falarei mais a frente.
Actualmente, assiste-se a uma explosão das comunicações globais com a normalização dos protocolos. As vantagens desta evolução são evidentes, pois permitem o controlo e a monitorização remota de sistemas de controlo industrial, possibilitando a alteração remota dos parâmetros de um processo industrial, o envio de notificações, e a comunicação entre autómatos via GSM (Global System for Mobile Communications) [1],[2].
2.1.2 – Arquitectura dos Autómatos
• Unidade Central de processamento
• Memória
• Entradas e saídas
• Interface de comunicação • Alimentação
Figura 1 – Estrutura de um autómato programável
Os parágrafos seguintes descrevem cada um dos elementos enumerados anteriormente.
2.1.2.1 – Unidade Central de Processamento (CPU)
A unidade central de processamento ou microprocessador é o “cérebro” do autómato. É responsável pela aquisição dos valores das entradas presentes na memória, realiza todas as operações (lógicas, aritméticas e de controlo), consoante as instruções que constituem o programa, e actualiza na memória as saídas. Para além disto, tem ainda de gerir os periféricos e diagnosticar os defeitos que possam ocorrer internamente.
Normalmente, tudo isto é feito de forma cíclica porque o tratamento de informação é feito sequencialmente.
Existem alguns elementos susceptíveis de alterar a estrutura de ciclo, que é o caso da política de aquisição de dados, a utilização de instruções de salto e a presença de cálculos numéricos. A utilização de funções ou instruções deste tipo faz com que a estrutura do ciclo seja alterada consoante as necessidades do programa [1],[2].
Atendendo a esta forma de funcionamento, existe um factor que permite classificar o desempenho do processador e é definido como o tempo de exploração e consiste no tempo (em milissegundos) que este leva a processar mil instruções ms/k.
Actualmente, existem autómatos constituídos por mais do que um processador tendo, para além do processador central, processadores dedicados aos interfaces de comunicação, ao cálculo, às entradas e saídas e a outras funções específicas (Figura 2).
Figura 2 – Processador central Siemens S7-314 e módulo de posicionamento FM 353
O funcionamento dos autómatos pode ser de 2 formas: - Cíclico
- Periódico
A configuração do modo de funcionamento é efectuada através do software fornecido pelos fabricantes.
No modo de funcionamento cíclico, o ciclo do autómato é composto por 4 fases: • Os processos internos (ex: gestão da temporização, comunicação), • Actualização das entradas,
• O processamento do programa, • A actualização das saídas.
Depois de efectuada a actualização das saídas (quarta fase da tarefa do ciclo), o sistema executa um determinado número de tarefas próprias e inicia imediatamente outra tarefa de ciclo.
Figura 3 – Diagrama do ciclo de funcionamento de um autómato programável
O ciclo do autómato é controlado por um watchdog que permite garantir a actualização das saídas num período de tempo máximo.
O watchdog consiste num método de verificar a ocorrência de erros num determinado programa a funcionar num determinado microcontrolador ou microprocessador. Neste caso, o funcionamento do watchdog consiste em verificar o tempo que o autómato demora a executar um ciclo.
Se o ciclo do autómato atingir o valor do watchdog, o autómato passa a HALT e requer:
• Um comando INIT (comando necessário para reiniciar o autómato), • De corrigir a origem do problema
• E de passar a RUN (O autómato quando está em modo de programação, está no estado de STOP, depois de feito o download da aplicação do utilizador, o autómato deve ser colocado no modo RUN) para reiniciar o processamento
De referir que em modo HALT as saídas são forçadas ao seu estado de salvaguarda por defeito.
No modo de funcionamento periódico, a aquisição das entradas, o processamento do programa da aplicação e a actualização das saídas são efectuadas de forma periódica de acordo com um intervalo definido durante a configuração (de 2 a 150 ms).
O controlo em funcionamento periódico é feito por uma palavra e um bit do sistema. As palavras do sistema dos autómatos, no caso do Twido da Telemecanique, são representadas por %SW e os bits por %S. A palavra %SW0 contém o valor do período (0-150 ms) e pode ser configurado através do software. É inicializado sempre que se carrega uma nova aplicação ou por uma eventual falha de alimentação.
O bit %S19 indica que o período foi ultrapassado. É colocado a 1 pelo sistema quando a duração do processamento ultrapassa a tempo definido e tem de ser colocado a 0 pelo utilizador (Figura 4).
2.1.2.2 – Memória
Existem dois tipos de memória, volátil e não volátil. A volátil só guarda os seus dados enquanto alimentada electricamente; a não volátil mesmo com a ausência de energia preserva os dados nela contidos.
Nos autómatos existem os dois tipos, existe uma memória não volátil onde é guardado o sistema operativo do autómato e o programa criado pelo utilizador, e a memória não volátil onde ficam guardados os valores de variáveis e constantes que são adquiridas pelo funcionamento do programa. Desta forma, na classe das memórias não voláteis existem as seguintes memórias:
- ROM (Read Only Memory), normalmente é programada pelo fabricante e que apenas pode ser lida;
- EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), é programável e pode ser apagada por exposição a radiação ultravioleta;
- EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory), idêntica a anterior, mas pode ser apagada por impulsos eléctricos;
- FLASH-EPROM, são as mais recentes, de maior capacidade e menor dimensão.
As memórias voláteis, são memórias do tipo RAM (Random Access Memory) de acesso rápido, que e permitem a leitura e escrita aleatória.
Com o aparecimento das memórias de maior capacidade e mais económicas como as SD (Secure Digital), os autómatos ganharam mais capacidade de processamento e novas funcionalidades com a integração de WebServers capazes de armazenar e gerir paginas HTML (HyperText Markup Language).
A organização da memória de um autómato programável é feita por áreas específicas de trabalho como se pode verificar na figura 5.
Figura 5 – Organização da memória de um autómato programável
O sistema operativo fica numa zona não acessível ao utilizador e é normalmente apresentado em firmware (por exemplo em ROM). A zona de Entradas/Saídas corresponde a imagem dos pontos de entradas e saídas, para que seja possível processar os dados logicamente.
O registo de dados é usado pelo CPU para guardar os valores associados a contadores, temporizadores ou outras variáveis auxiliares.
A memória EEPROM dos autómatos usados permite a salvaguarda interna dos dados e do programa. Depois de uma perda de memória RAM (bateria descarregada), o conteúdo da memória EEPROM é reposto na memória RAM sem qualquer intervenção do utilizador.
Para poder guardar o programa na memória EEPROM é necessário que o programa em RAM seja validado. Se esta condição for respeitada, a gravação é executada pelo software fornecido pelo fabricante [1],[2].
2.1.2.3 – Entradas e Saídas
Existem vários tipos de Entradas/Saídas. Neste subcapítulo é feita uma descrição de todos os tipos, referenciando as suas diferenças, e aplicações comuns. Sistema Operativo Entradas/Saídas Registo de Dados Programa do utilizador
- Módulos de E/S Digitais (Lógicas)
Os módulos de entradas digitais permitem que a unidade central de processamento (CPU) faça a leitura dos sinais externos do tipo lógico ligados ao módulo. Normalmente caracterizam-se pelo número de pontos de ligação que contém, sendo normalmente de 4, 8, 16, ou 32 entradas.
Existem autómatos que possibilitam o uso das entradas digitais como contadores ou contadores rápidos.
Os módulos de saída permitem ao autómato controlar os actuadores. Tais como os módulos de entrada são classificados pelo número de pontos de ligação, no entanto também podem ser classificados pelo tipo de saídas. Existem módulos de saída com reles ou transístores.
Os módulos de saídas a relés para além do elevado isolamento que garantem entre o actuador e o autómato, permitem controlar circuitos de corrente alternada ou circuitos de corrente contínua. No entanto, são lentos e a sua bobine pode gerar correntes induzidas elevadas quando se fecha o seu circuito de comando.
Os módulos de saídas a transístor são mais rápidas do que os módulos de saídas a relé e, como tal, permitem também o controlo por modulação de impulsos (PWM – Pulse Width Modulation). No entanto só podem ser usados em circuitos de comando DC, ou quando envolvidos em circuitos de comando AC, obrigam a utilização de relés externos para agir com os actuadores.
Este tipo de módulos é o mais utilizado no ambiente industrial, sendo normalmente usados para recolher e actuar em sinais de campo tipo on/off, como fins de curso, bóias de nível, electro-válvulas, contactores de accionamento de motores, etc.
- Módulos de E/S Analógicas
Este tipo de módulos são muito usados no meio industrial e são destinados à conversão de uma grandeza analógica (corrente ou tensão), num valor de uma grandeza física, ou vive versa.
Nos módulos de entradas analógicas a conversão faz-se por conversores analógico-digitais (A/D) com resoluções de 10 a 15 bits.
Na maioria dos casos estes módulos de entrada permitem a recolha de sinais analógicos em tensão ou corrente. Os valores em tensão são normalmente de 0-10V ou de (-5) a 5V. Em corrente, são entre 0-20mA ou 4-20mA.
Este tipo de módulos é muito utilizado para recolher valores instantâneos de caudal, de nível, sensores de oxigénio, pH, entre outros.
As saídas analógicas são em tensão ou corrente e compostas por conversores digital analógicos (D/A). São normalmente usadas para actuadores com este tipo de entradas como é comum nos variadores de velocidade ou válvulas motorizadas.
Em alguns autómatos este tipo de entradas/saídas, permite o uso de funções de controlo PID a partir do software do fabricante.
- Módulos de Contagem
Este tipo de módulos consiste na detecção de impulsos (com flancos ascendentes ou descendentes de um sinal lógico) em conjunto com a determinação do intervalo de tempo decorrido entre impulsos consecutivos. Este tipo de módulos é normalmente usado para o controlo do número de produtos produzidos numa linha de montagem e outro tipo de grandezas como frequências, velocidades, distancias, entre outras.
2.1.2.4 – Módulos de Interface com o Utilizador
Os módulos de interface com o utilizador evoluíram bastante de forma a responder às necessidades da indústria. Cada vez mais existe a necessidade de alterar regularmente os parâmetros dos sistemas de automação e, desta forma, surgiram consolas de visualização e programação, que permitem a um utilizador comum alterar parâmetros de funcionamento sem ser necessário a programação de todo o sistema.
Hoje, existem vários tipos de consolas, desde das mais económicas as mais evoluídas e caras. Existem consolas numéricas que apenas tem uma área de visualização de algumas linhas de texto, e permitem a criação de algumas páginas de texto com menus, para que o utilizador através das teclas existentes na mesma, possa alterar os valores das variáveis do programa.
Mais recentemente surgiram as consolas gráficas e tácteis, que permitem a criação de páginas gráficas e animadas, capazes de criar um interface mais amigável com o utilizador (figura 6).
Figura 6 – Consolas Siemens TD200 e TP 177micro respectivamente
2.1.2.5 – Fonte de alimentação
Grande parte dos autómatos de gama baixa dispensa o uso de uma fonte de alimentação externa, pois são de alimentação de 230V AC, e até tem na maioria dos
casos uma saída de 24V DC. No entanto, na maioria dos casos, os autómatos das gamas mais altas exigem a utilização de fontes de alimentação externas.
Independentemente dos casos, sempre que se usam módulos de entradas e saídas auxiliares, estes normalmente exigem uma alimentação externa de 24V DC, nomeadamente os módulos de entradas/saídas analógicas.
Os fabricantes disponibilizam normalmente várias fontes de alimentação para o mesmo equipamento, normalmente diferenciadas pela potência e com valores de corrente que variam dos 2 aos 10A. O dimensionamento das fontes de alimentação depende do número de equipamentos a alimentar, nomeadamente do número de módulos auxiliares que desejamos acrescentar ao modelo base do autómato.
2.1.3 – Classificação dos autómatos
Os autómatos actualmente podem ser classificados por gama baixa ou gama alta. No entanto quase todos os modelos de autómatos de gama baixa são compactos, ou seja, são autómatos que integram de raiz o CPU, entradas e saídas e mais do que uma interface de comunicação (Figura 7). Os autómatos de gamas altas são autómatos modulares sendo constituídos por módulos, em que é necessário adquirir todas as partes constituintes do mesmo individualmente (Figura 8). Normalmente, tanto os compactos como os modulares permitem a adição de módulos de entradas e saídas.
Figura 8 – Autómato modular Modicon M340 com alimentação 24V DC
2.1.4 – Vantagens dos autómatos
A competitividade de preços em todas as áreas da indústria obriga a que as empresas cada vez mais se dediquem à redução de custos, tanto em mão-de-obra como na flexibilização das suas linhas de produção e dos seus processos de fabrico. Desta forma, o autómato é a melhor solução, visto que é facilmente adaptado a qualquer circunstância, contém um conjunto de interfaces que permite a ligação de terminais de comando e, com revolução das telecomunicações, permite o controlo remoto de aplicações. Outra grande vantagem é a capacidade de expansão. Hoje em dia facilmente se interligam autómatos em rede, expandido a sua interligação, mesmo de fabricantes diferentes, numa indústria.
Além de todas estas potencialidades, o preço dos autómatos e dos respectivos acessórios, está cada vez mais competitivo e, associado à fácil aplicação dos mesmos na indústria, torna-se um elemento essencial em qualquer aplicação autónoma que exija inteligência.
2.1.5 – Linguagens de programação
Actualmente não existe uma linguagem universal para todos os autómatos. Existem dois tipos de linguagens comuns que diferem ligeiramente de fabricante para fabricante, em que o conceito é exactamente o mesmo.
Uma consiste num diagrama de contactos (ladder diagram), que é uma linguagem gráfica derivada da linguagem dos relés, e utiliza um conjunto de símbolos como os representados na figura seguinte para elaborar o programa.
A outra linguagem comum é a lista de instruções (instruction list), que utiliza um conjunto instruções simples que permite a execução do programa.
Figura 9 – Extracto de um programa em diferentes linguagens de programação
2.2 – Redes industriais
Nos sistemas industriais actuais existe uma grande tendência para a integração da comunicação e controlo de diferentes níveis dos processos de fabrico. A introdução nesses sistemas de arquitecturas de redes industriais pode melhorar a eficiência, a flexibilidade e a fiabilidade do sistema como um todo, reduzindo o tempo e os custos de instalação e manutenção.
Existem no mercado uma variadíssima gama de conceitos e siglas que, muitas vezes, fazem com que os profissionais responsáveis pela implantação desta tecnologia se sintam retraídos quando da aplicação da mesma.
2.2.1– Níveis de uma rede Industrial
O suporte de comunicação de um ambiente industrial típico é formado por diversos níveis hierárquicos, constituindo uma estrutura que envolve, desde as tarefas administrativas, até o controlo da operação das máquinas e equipamentos de produção.
A integração e o intercâmbio de informações entre os níveis produtivos, dependem de recursos de comunicação adequados que devem levar em conta as diferentes restrições temporais e requisitos associados ao funcionamento das actividades características de cada um desses níveis.
Desta forma surgiu a pirâmide CIM (Computer Integrated Manufacturing) ilustra a função dos diferentes níveis hierárquicos [3].
Figura 10 – Pirâmide CIM
2.2.1.1– Nível de Gestão
No nível mais elevado é centralizada toda a informação dos níveis mais baixos. Este nível é normalmente dedicado a tarefas de gestão, nomeadamente, controlo de
stocks, vendas, estatísticas de produção. Os controladores são normalmente servidores ou estações de trabalho (Personal Computers – PC’s).
Os tipos de rede que se aplicam neste nível são as LAN (local area network) ou WAN (Wide Area Network).
2.2.1.2 – Nível de Controlo
Neste nível é feita a interligação entre as diferentes zonas de trabalho. Os tipos de equipamentos que surgem neste nível são autómatos de gama alta, computadores industriais, controlo de qualidade, etc.
O tipo de rede neste nível também é LAN.
2.2.1.3 – Nível de Campo/Processo
A este nível encontram-se autómatos “mestre”, que controlam um pequeno número de autómatos “escravos”, integrando assim pequenos automatismos ou pequenas sub-redes.
Aqui, podem aparecer vários tipos de rede, como por exemplo, Profibus
(Process Field Bus) ou Modbus, que serão abordadas mais adiante.
2.2.1.4 – Nível de Entradas/Saídas
Este nível é onde se encontram os Actuadores e os Sensores, ou seja, são as “mãos” e os “olhos” do nível superior.
Aqui podem ser usados alguns tipos de rede, como o AS-I (Actuator Sensor Interface), CAN (Controller area network), que também são abordados mais a frente.
2.2.2 – Topologias de rede
As topologias de rede definem o tipo de implantação das cablagens. Existem várias topologias de rede, sendo as mais comuns em barramento, estrela e anel.
2.2.2.1 – Rede em Barramento
Numa rede em barramento todos os dispositivos estão ligados directamente à linha por onde circulam os pacotes, pelo que todos os dispositivos da rede vêm os pacotes. Cada dispositivo de rede tem um endereço único que permite, através da análise dos pacotes, seleccionar os que lhe são destinados.
Figura 11 – Topologia de Rede em Barramento
2.2.2.2 – Rede em estrela
Neste tipo de topologia cada dispositivo é ligado por um cabo independente a um ponto central que normalmente é um Switch. Nesta topologia os pacotes são sempre direccionados para o destinatário através do dispositivo central.
2.2.2.3 – Rede em anel
A topologia em anel consiste em ligações ponto-a-ponto entre pares de dispositivos que, no seu conjunto, formam um anel.
Nesta topologia, cada dispositivo tem a sua vez para transmitir ou receber. Só transmite ou recebe o dispositivo que tem o testemunho (Token). Depois de transmitir passa o “Token” ao elemento seguinte, segunda uma direcção predefinida.
Os pacotes que circulam na rede, para além dos dados a serem transmitidos, contem a informação sobre a origem da transmissão e o respectivo destinatário. Ao receber o pacote, cada dispositivo analisa a informação do destinatário e/ou o retira da rede ou o passa ao dispositivo seguinte. Graças a este protocolo de acesso ao meio, a fiabilidade da rede é assegurada, pois cada vez que o pacote é transmitido entre dois dispositivos o sinal é regenerado.
Figura 13 – Topologia de Rede em Anel
2.2.2.3 – Rede em Árvore
A topologia em árvore é uma mistura da topologia em barramento com a topologia em estrela, criando uma árvore
2.2.3 – Normas de comunicação
Na área de redes industriais as normas de comunicação série são as mais usadas, nomeadamente as RS232 ou RS485.
Estas normas definem uma série de parâmetros eléctricos e mecânicos que garantem a ligação viável entre dispositivos de diferentes fabricantes.
As normas de comunicação série estão presentes de raiz na maioria dos autómatos existentes no mercado e servem de interface para a maioria das redes industriais existentes.
Ultimamente já existem alguns dispositivos de automação que também têm de raiz a norma RJ45, possibilitando a integração directa numa rede Ethernet.
Figura 14 – Aplicação usando as normas de comunicação RS232 e RS485
Existe uma grande variedade de equipamentos que usam as normas de comunicação série para se interligar aos autómatos, nomeadamente modems, consolas de interface com o utilizador ou até mesmo analisadores de energia e variadores de velocidade. Cada autómato permite normalmente a utilização de duas
portas série (uma RS232 e uma RS485, ou duas RS232). Na figura 14 está representado um sistema muito utilizado na área das águas e saneamentos, visto que existem reservatórios de água ligados entre si com distâncias consideráveis e, onde se utiliza a comunicação GSM para partilhar informação entre eles, de forma a se conseguir fazer chegar a água de um reservatório para o outro sempre que seja necessário. Este tipo de sistema permite também o acesso remoto ao autómato e o envio de SMS’s com notificações de avaria para o técnico responsável.
2.2.3.1 – Norma RS232
Esta norma apresenta-se em vários tipos de conectores, o DB9, DB25 (quase extinto), e o MINI DIN-9.
Nos autómatos os mais comuns são o DB9 e o mini-Din9 (DB9 na Siemens e na OMRON, e o mini-DIN9 na SCHNEIDER).
Esta norma apresenta velocidades de transmissão baixas (19,2kbps) e distâncias reduzidas (15m).
Existem duas formas de ligar dispositivos RS232, DTE (“Data Terminal Equipment”) e DTC (“Data Communications Equipment”).
O DTE define os dispositivos do tipo computadores ou impressoras, o DCE refere-se a equipamentos de comunicações do tipo modems, ou seja, recebe dados de um dispositivo DTE e retransmite-os para outro dispositivo de dados DCE.
2.2.3.2 – Norma RS485
Esta norma é das mais versáteis, pois permite criar uma rede de apenas 2 condutores com distâncias até 1200 metros, velocidades de 10Mbps e 32 nós na mesma linha de comunicação. Com a utilização de repetidores é possível chegar aos
256 nós na rede. No entanto, quanto maior for a distancia, menor é a velocidade de transmissão.
O modo de operação desta norma diz-se diferencial porque, dependendo da diferença de potencial entre os dois fios tem-se o valor lógico 1 ou 0. Para exemplificar sendo um dos fios o A e o outro B e, sendo o A positivo e o B negativo, temos o nível lógico 1 e temos o nível lógico 0 quando o B é positivo e o A negativo.
Outra das grandes vantagens é facilidade com que se converte a comunicação RS232 em RS485.
Existem alguns equipamentos que habitualmente trazem este tipo de norma para ligação aos autómatos, nomeadamente, analisadores de energia, arrancadores suaves, variadores de velocidade. Este tipo de comunicação entre os equipamentos descritos anteriormente e o autómato, são importantes em diversos casos práticos, nomeadamente em domótica, controlo de equipamentos de força motriz e aplicações que exijam gestão energética (Figura 15), [5].
2.2.3 – Fibra Óptica
A utilização de fibra óptica está cada vez mais banalizada. A sua aplicação já não se resume a grandes distâncias ou instalações e também já surge em projectos de menor dimensão e em aplicações mais específicas.
A fibra óptica apresenta inúmeras vantagens relativamente as linhas de cobre, tem maior largura de banda, imunidade ao ruído, e permite a implementação de redes que atinjam distâncias consideráveis.
A sua constituição resume-se basicamente a 3 elementos importantes, sendo o núcleo, revestimentos da fibra e o encapsulamento externo. A luz é transmitida pelo núcleo, e o primeiro revestimento tem como objectivo concentrar a reflexão de luz novamente no núcleo e o encapsulamento externo protege os revestimentos anteriores contra humidades e contactos mecânicos (Figura 16), [6].
Figura 16 – Constituição de um condutor de fibra óptica
Existem dois tipos de cabos de fibra óptica:
• Multimodo
• Monomodo
As fibras monomodo possuem um núcleo muito mais fino (8 a 10 microns) do que as fibras multimodo (62.5 microns), (Figura 17).
As fibras multimodo são mais baratas, uma vez que o seu núcleo ao ser mais espesso também tem menor precisão, permitindo uma perda de sinal luminoso muito maior em relação às monomodo.
As fibras monomodo permitem um maior alcance do que as fibras multimodo, considerando como exemplo uma aplicação em Gigabit Ethernet, as multimodo podem atingir um alcance de 550 metros, e as monomodo podem chegar aos 80 km.
Existem vários tipos de conectores que podem diferir dependendo do tipo de fibra e do tipo de aplicações (Figura 18).
Conector LC Conector ST Conector SC Conector MT-RJ
Figura 18 – Conectores para fibra óptica
O LC (Lucent Connector) é um conector muito pequeno que, como o nome sugere, foi originalmente desenvolvido pela Lucent.
O ST (Straight Tip) é um conector mais antigo, muito popular para uso com fibras multimodo, que tem como desvantagem o seu tamanho que é quase duas vezes maior do que o LC.
O SC (Simplex Connector) era dos mais populares até o aparecimento do LC. No entanto, apesar da suas simplicidade e eficiência, é muito grande quando comparado com o LC. Aparece com frequência em redes Gigabit, tanto com cabos multimodo como monomodo.
O MT-RJ (Mechanical Transfer Registered Jack) é um padrão novo, que utiliza uma forma em quadrado, com dois orifícios para combinar as duas fibras num único conector, pouco maior que um conector RJ11.
Para fazer a interligação de uma rede em fibra óptica para uma rede em cobre, precisamos de um conversor capaz de converter os sinais ópticos em sinais eléctricos.
Transceiver é o nome designado ao equipamento usado nas redes Ethernet para fazer essa conversão. Este tipo de equipamento disponibiliza uma ou mais portas de entrada com conectores de fibra óptica e uma ou mais portas de saída em RJ45, ou vice-versa.
De salientar que neste tipo de redes (Ethernet), enquanto que o cabo de cobre, necessita de quatro condutores, o cabo de fibra óptica apenas necessita de duas fibras, uma para enviar e outra para receber. No entanto, o número de fibras depende sempre do tipo de rede a implementar.
Existem alguns Switchs já com porta RJ45 e Portas SC, como acontece com o representado na figura seguinte.
2.2.4 – AS-Interface
O AS-Interface é aplicado à camada mais baixa da pirâmide CIM. É uma das mais inovadoras soluções de rede ao nível de sensores/actuadores, ou seja, faz a interligação de todos os sensores e/ou actuadores através de um único cabo de dois condutores.
2.2.4.1 – Histórico
A AS-International é a organização que apoia o AS-Interface, formou-se em 1991 através de um consórcio de 11 empresas europeias que desenvolveram a norma. Hoje, esta associação está aberta a qualquer fornecedor ou utilizador desta tecnologia, abrangendo 100 empresas em todo o mundo e oferecendo mais de 600 produtos e serviços.
No mercado norte-americano, a AS-i Trade Organization (ATO) existe desde 1996. Através da ATO, os seus membros podem submeter produtos AS-Interface para testes de conformidade e certificação.
Em 1990 criou-se a associação ASI Verein (Alemanha) sendo a Schneider um dos membros desta associação.
Em 1997 inicia-se o desenvolvimento do A2S-Interface, que permite o dobro dos dispositivos (“escravos”), estando disponível o “chip” desde 1998.
Esta tecnologia foi desenvolvida como uma alternativa de baixo custo em relação às redes de cabos convencionais e, após vários anos de utilização em diversos sectores industriais, provou ser bastante fiável [7].
O objectivo é ligar entre si, sensores e actuadores de diversos fabricantes, utilizando um cabo único, capaz de transmitir dados e alimentação simultaneamente.
O sistema AS-Interface utiliza o princípio de um cabo comum, onde se podem ligar todos os elementos periféricos. O elemento básico do AS-Interface é um “chip” “escravo”, através do qual os sensores e actuadores se ligam ao cabo AS-Interface.
2.2.4.2 – Meio físico
O cabo comum é composto por dois fios, tem um perfil que evita a inversão da polaridade quando conectado a um novo membro, e não tem qualquer blindagem que o proteja de interferências electromagnéticas. Transporta simultaneamente dados e alimentação para os elementos da rede.
Este cabo é habitualmente designado como “Yellow flat cable”. Para aplicações que debitam potência maior, existem versões especiais diferenciadas por cores para alimentação auxiliar, como o cabo preto (“black flat cable”, fornecendo até 30V) e o vermelho (“red flat cable”, fornecendo até 230V AC).
A conexão do cabo AS-i é rápida, feita geralmente através de conectores do tipo “vampiro” que perfuram o isolamento do cabo e estabelecem o contacto com os condutores. Em caso de modificação da instalação, ao retirar um elemento da rede o cabo retorna ao seu aspecto original, pois o seu isolamento é “auto-regenerativo”. Na Figura 20 é apresentado um corte de perfil no cabo AS-i amarelo.
Figura 20 - Tipos de cabos AS-i e sua conexão rápida.
Como o cabo AS-Interface não tem blindagem, a sua imunidade ao ruído é resolvida com a codificação dos dados digitais num sinal sinusoidal com uma pequena
banda, o que permite que o AS-Interface possa operar em ambientes com ruído eléctrico, sem haver erros de transmissão.
A Topologia deste tipo de rede é uma estrutura em árvore.
2.2.4.3 – Modelo de comunicação
O sistema AS-Interface utiliza apenas um “mestre” por rede para controlar a troca de dados. O “mestre” chama cada “escravo” sequencialmente e aguarda pela sua resposta.
Utilizando uma transmissão de formato fixo, o AS-Interface elimina a necessidade de processos complicados de controlo de transmissão.
Assim, o “mestre” consegue interrogar os 31 “escravos” e actualizar as E/S em menos de 5ms.
O “mestre” verifica também a tensão na rede e os dados transmitidos. Reconhece erros de transmissão e falhas dos “escravos” e reporta estes eventos ao controlador (PLC).
É possível trocar ou adicionar “escravos” durante a operação normal, sem interferir com a comunicação com os outros nós.
O comprimento máximo de cabo para cada “mestre” é de 100m, sem repetidores. Com repetidores, pode ir até 300m.
Podem existir dois tipos de “escravos”:
y O primeiro é um módulo que permite a ligação de actuadores e sensores comuns de 24 VDC. O módulo é responsável por integrar sensores comuns de 24 VDC em sistemas AS-I. Podem ser módulos IP67 ou IP20 (4 entradas e 4 saídas), para um total de 248 E/S num sistema.
y O segundo tipo é o actuador ou sensor dedicado AS-Interface. Cada uma destas unidades gera 4 bits de entrada e 4 bits de saída. Cada um destes equipamentos tem um endereço único na rede.
Como já foi referido anteriormente a troca de dados entre “mestre” e “escravo” no AS-i consiste sempre num pedido do “mestre”, seguido por uma pausa e uma posterior resposta do “escravo”, também seguida de uma pausa. A pausa do “mestre” tem que ser mantida e verificada pelo “escravo” depois de receber um pedido do “mestre” e apresenta duração de 18 a 60 µs. A pausa entre a resposta do “escravo” e o próximo pedido do “mestre” é a duração de tempo em que a rede estará livre após o fim de uma resposta do “escravo”. A especificação do “mestre” determina que a duração máxima desta pausa seja, de 12 µs em operação normal, assegurando que o tempo de ciclo será mantido. Levando-se em consideração a taxa de comunicação do AS-i (167kbit/s) e incluindo todas as pausas necessárias, chega-se a uma taxa liquida de 53.3kbit/s, gerando uma eficiência na transferência de 32%.
Figura 21 – Tempo de transição no AS-i.
A duração desta pausa pode ser alongada até 500 μs desde de que o tempo de ciclo não exceda os 5 ms. O aumento do tempo de ciclo pode ser feito em sistemas com menos de 31 “escravos”, de forma que o “mestre” o utilize no processamento interno das funções de controlo.
As tramas enviadas por “mestres” e “escravos” apresentam tamanhos diferentes, sendo que a trama do “mestre” contém 14 bits e a do “escravo” 7 bits. A estrutura destas tramas pode ser vista na Figura seguinte.
A descrição dos campos da trama de requisição do “mestre” é feita a seguir:
•
ST (Start Bit) - Identifica o início do trama de requisição do “mestre”. Tem sempre valor lógico 0.•
SB (Bit de controlo) - Identifica o tipo de comando, 0 para troca de dados, escrita de valores parâmetro ou atribuição do endereço, e 1 para comandos.•
A0 a A4 - Endereço; Deve conter o endereço do “escravo” a ser requisitado.•
I0 a I4 - Dependendo o tipo da requisição do “mestre”, este campo pode conter até 5bits de informação.•
PB (Bit de paridade) - A soma de todos os bits “1”, excepto os bits de início e fim, deve ser par.•
EB (Stop bit) - Identifica o fim do trama. Sempre valor lógico 1. Para o “escravo”, temos:•
ST (Star Bit) - Identifica o início do trama de requisição do “mestre”. Sempre valor lógico 0.•
I0 a I4 - Dados; Informação em 4bits, geralmente ligada a valores discretos de entrada ou saída. Para valores analógicos o valor obtido pelo A/D do “escravo” será repartido em várias partes e transmitido através de vários ciclos.•
PB (Bit de paridade) - A soma de todos os bits 1 deve ser par, sem contabilizar o start bit e o stop bit•
EB- Stop bit; Identifica o fim do trama. Sempre valor lógico 1.Existem nove tipos diferentes de mensagens AS-i, duas para dados e parâmetros, duas para ajustes ou mudança de endereços de “escravos” e cinco para
identificação de “escravos” ou para verificação do seu estado. Na Tabela 1 estão listados todos os tipos possíveis e combinação de códigos de requisições do “mestre”.
Tabela 1 – Mensagens AS-I [7].
A descrição das funções apresentadas na tabela é descrita a seguir:
• Data Exchange: É o tipo mais comum de mensagem. Serve para transferir dados e solicitar valores de entrada de um “escravo”.
• Write parameter: Configura o comportamento do “escravo” através da escrita em parâmetros internos.
• Assign Address: Permite que o “mestre” atribua um novo endereço a um “escravo”. Isto é possível porque os “escravos” entram na rede com endereço 0 ou são configurados para este endereço através do comando Delete Operating Address.
• Reset: Reinicia o “escravo”, colocando-o no seu estado inicial. Este comando tem o mesmo efeito que um reset forçado que pode ser feito manualmente no pino de reset do chip AS-i do dispositivo “escravo”.
• Delete Operating Address: Este comando é usado para apagar o endereço de operação de um “escravo” e é usado em conjunto com o comando
Assign_Address. Após o “escravo” ter reconhecido o comando, ele passa a operar com o endereço 0.
• Read I/O Configuration: É usada pelo “mestre” para ler a configuração de I/O de um dispositivo “escravo”. Esta configuração segue um dos padrões indicados na Tabela 2, onde IN é a entrada de dados do processo, OUT é o ajuste para saída do dispositivo, I/O é ajustado para ter um comportamento bidireccional de entrada e saída é, por fim, o TRI significa sem configuração.
Tabela 2 – Configurações de I/O, [7].
• Read ID Code: Serve para ler o código do dispositivo. Este parâmetro é definido durante a fabricação do componente e não pode ser mais mudado. Ele define o perfil daquele dispositivo (profile). Estes perfis são definidos na especificação AS-i.
• Read Status: Lê o buffer de estado de um “escravo”, contendo duas flags, com a seguinte descrição:
· S0 volatile_address: Indica que o “escravo” está realizar uma rotina interna para armazenar o endereço permanentemente.
· S3 read_error_non_volatile_memory: Erro de leitura da memória não volátil durante o procedimento de reset.
• Read and Reset Status: Lê e posteriormente apaga o buffer de estado de um “escravo”.
Na nova especificação AS-i 2.1 a quantidade de “escravos” participantes na rede AS-i pode ser duplicada, atingindo até 62 “escravos” sob a coordenação de um mesmo “mestre”. Isto é possível pelo uso de endereçamento duplo, no qual um mesmo endereço é dividido em A e B. Por exemplo, o endereço 5 agora precisa de um identificador a mais para nomeá-lo como 5A ou 5B. Essa técnica é chamada de Técnica A/B. Isto é possível através da utilização do quarto bit da chamada do “mestre” (D3), que deve ser reservado e não pode ser usado como um bit de informação. Desta maneira, os “escravos” que utilizam este tipo de endereçamento podem processar somente três bits de informação. O tempo de ciclo cresce para 10 ms e deve ser usado um “mestre” que obedeça à especificação 2.1. Uma rede na especificação 2.0 pode também ser suportada caso um “mestre” que obedeça a especificação 2.1 seja utilizado. Em relação ao requisito segurança, a nova versão introduziu o conceito de Safety at Work, com o objectivo de adicionar funcionalidades relacionadas à segurança pessoal e de equipamentos. Com AS-i Safety Work é possível conectar componentes de segurança (safe components), tais como chaves de emergência e barreiras de segurança directamente à rede AS-i, sem a necessidade de trocas ou expansão do sistema existente (esta função não pode ser desempenhada pelo “mestre”). O monitor acompanha o tráfego da rede, sem interferir, utilizando-o para determinar o estado de segurança dos equipamentos. Desta forma, máquinas e plantas podem ser ajustadas para um estado seguro através das saídas do monitor de segurança em caso de falha [8].
2.2.4.4 – Exemplo da topologia
Um exemplo que ilustra a aplicabilidade do AS-i é apresentado na figura 23. O “mestre” tem a função de gateway, transmitindo e recebendo informações das redes de nível superior, tal como Modbus, Profibus, entre outros. Pode ser utilizada uma fonte de alimentação auxiliar de acordo com necessidades de alimentação extra para módulos de I/O ou outro equipamento específico [7].
Figura 23 – Exemplo de aplicação AS-I
2.2.5 – Modbus
O Modbus é um dos protocolos mais antigos e mais utilizados em redes de automação. É um tipo de rede que normalmente aparece no nível de Campo/Processo, podendo noutras variantes, aparecer nos níveis superiores como é o caso do Modbus TCP/IP.
2.2.5.1 – História
O protocolo Modbus foi criado em 1979 pela Modicon (hoje Schneider) com o objectivo de permitir a comunicação entre controladores. A Schneider apoiou o desenvolvimento de uma organização sem fins lucrativos de utilizadores e fornecedores chamada Modbus–IDA. A organização tem por objectivo desenvolver o protocolo modbus, evoluindo a arquitectura de endereçamento para sistemas de automação distribuídos em diferentes segmentos de mercado, partilhar a informação relativa aos protocolos e a certificação de dispositivos no sentido de simplificar a sua aplicação por parte dos utilizadores [7].
2.2.5.2 – Meio físico
O protocolo Modbus permite uma fácil implementação de comunicações em vários tipos de arquitecturas de rede. Podem ser utilizados vários meios físicos, tais como RS232, RS485 e Ethernet (Figura 24).
