INTRUMENTAÇÃO
ELETROELETRÔNICA
P R O F. P I E R R E V I L A R DA N TA S
A U L A 1 0 – 3 0 / 1 0 / 2 0 1 7
T U R M A : 0 0 6 3 - A
H O R Á R I O : 2 N
P I E R R E DA N TA S B LO G .W O R D P R E S S .C O M
Objetivos da Aula
§
Conhecer os principais protocolos de comunicação em ambientes
industriais e de instrumentação.
Protocolos de
Comunicação em
Ambientes Industriais
P R I N C I P A L R E F E R Ê N C I A D E S T A A U L A :
O que será visto?
1 Introdução
Protocolos de Internet (TCP/IP) Protocolos de Sistemas Celulares Protocolos Industriais 2 Conceitos de Redes 3 Protocolos Modbus Profibus Foundation Fieldbus Wired HART WirelessHART ISA100 4 Referências 4/66
Protocolos de Comunicação
Protocolos e Padrões de Comunicação:
Regras e Convenções;
Possibilita a conversação e troca de informação entre sistemas;
Características do sinal elétrico(tensão, comprimento do cabo, etc);
Características mecânicas;
Características de configurações físicas;
As modulações estudadas são implementadas por vários protocolos, de diferentes aplicações.
Protocolos de Internet (TCP/IP)
Protocolos de Internet (TCP/IP)
Protocolos de Sistemas Celulares
Protocolos de Sistemas Celulares
Padrão AMPS(Primeira geração - 1G; faixa 800MHz; FDMA)
Padrão AMPS Digital(2G; IS-54)
Padrão TDMA Digital(2G; IS-136; TDMA(slots de 40ms)) Padrão CDMA Digital(2G; IS-95; CDMA; espalhamento espectral; QPSK) Padrão GSM (2G; 0,3GMSK(variante do FSK)); Padrão GPRS (2.5G); Padrão EDGE (2.75G); Padrão WCDMA (3G); Padrão LTE (+- 4G); ...
Protocolos Industriais
Protocolos Industriais
Redes Industriais são divididas em três grupos:
Sensorbus: Inteligar sensores e atuadores; Ex.: ASI, CAN; Devicebus: Interligar componentes inteligentes como controladores(CLPs, PCs, etc); Ex.: DeviceNet, Profibus-DP;
Fielbus: Integrar componentes chão-de-fabrica (sensores e atuadores); Ex.: Foundation Fieldbus, HART,
Profibus-PA, WirelessHART*, ISA100.11a*;
Protocolos Industriais
Protocolos Industriais
... Até Sala de Controle e Supervisão
Protocolos Industriais
Protocolos Industriais
Redes Industriais
Interligação de equipamentos usados nos sistemas de automação.
Características necessárias: Confiabilidade e Interoperabilidade.
Tempo de Resposta Determinístico.
Redes Industriais são essencialmente sistemas
ditribuídos, ou seja, diversos elementos trabalhando de forma simultânea a fim de supervisionar e controlar um determinado processo. Tais elementos (sensores, atuadores, CLPs, CNCs, PCs, etc), necessitam estar interligados e trocando informações de forma rápida e precisa.
Protocolos Industriais
Ethernet Industrial
Em termos porcentagem de aplicações a
Ethernet(camada 1 e 2) tem o maior índice. A maioria das redes LAN utilizam o padrão Ethernet, IEEE 802.3.
Protocolos Industriais
Ethernet Industrial
Protocolos Industriais
Modelo OSI
1
Tabela: Camadas do Modelo OSI - PI
Camada física Responsável pela forma como são trans-mitidos os bit brutos. Trata das conside-rações mecânicas como o tipo de cabe-amento, dos valores físicos para os valo-res dos bits e do sentido, de transmissão (simplex, duplex e half-duplex);
Camada de en-lace
Responsável pelo tratamento de detec-ção ou corredetec-ção de erros, do controle de fluxo de dados e, em caso de redes de difusão (barramento comum a vários sis-temas), controlar o acesso ao meio;
video
Modelo OSI
1
Tabela: Camadas do Modelo OSI - P2
Camada de rede Responsável pelo roteamento de pacotes e pelo controle do congestionamento dos meios de transmissão quando existirem;
Camada de
transporte
Responsável pela segurança na trans-missão de dados fim-a-fim;
Camada de ses-são
Responsável pela sincronização entre máquinas para transferência de dados. Permite trabalhar com estrutura de dados de nível mais alto, como transferência de arquivos;
Modelo OSI
1
Tabela: Camadas do Modelo OSI - P3
Camada de apre-sentação
Responsável pela conversão dos dados recebidos pela camada de aplicação para os dados trabalhados nas camadas infe-riores;
Camada de apli-cação
Camada que mantém o contrato com o usuário, quando houver;
Modbus
Protocolo Modbus
Esse protocolo era proprietário, pois foi criado pela
MODCON (atual Schneider), uma empresa de automaçao, para utilizá-lo em seus próprios equipamentos.
Apesar de ser um protocolo proprietário a Schneider difundiu esse protocolo entre os outros fabricantes, o tornando aberto.
A Modbus-IDA é uma organização sem fins lucrativos formada por usuários e fornecedores de dispositivos de automação que visam a adoção do protocolo Modbus e a evolução dele para sistemas de automação distribuídos. Ela fornece a infra-estrutura para obter e compartilhar informações sobre os protocolos, suas aplicações e a certificação de dispositivos, visando simplificar a implementação pelos usuários.
Modbus
Protocolo Modbus
É um protocolo de comunicação da camada de aplicação (Camada 7 do modelo OSI).
Este protocolo define uma estrutura de mensagem que os controladores irão reconhecer e utilizar,
independentemente do tipo de redes sobre as quais eles se comunicam.
Modbus
Protocolo Modbus
As mensagens que contenham protocolo Modbus são embutidas na estrutura dos quadros ou pacotes usado em outras redes.
O modelo original rodava sobre o RS-232 para conexão ponto-a-ponto.
Foi adaptado para rodar em RS-485 (barramento) para ganhar maior velocidade, alcançar maiores distâncias e possibilitar conexão de vários dispositivos.
Os quadros modbus podem ser enviados por modems, via protocolo HDLC.
E podem ser inseridos em estruturas de quadros ethernet 802.3.
Modbus
Protocolo Modbus
Durante as comunicações em uma rede Modbus, o protocolo determina como cada controlador:
Saberá seu endereço de dispositivo,
Reconhece uma mensagem endereçada a ele, Determina o tipo de ação a ser tomada,
Extrair todos os dados ou outras informações contidas na mensagem e detecta erros.
Se a resposta for requerida, o controlador irá construir a mensagem de resposta e enviá-la usando o protocolo Modbus.
Modbus
Tipos de Protocolos Modbus
A Modbus possui três tipos de protocolos usados em diferentes níveis da automação industrial. São eles:
Modbus Padrão O Modbus TCP/IP O Modbus Plus
Modbus
Modbus TCP/IP
É usado para comunicação entre sistemas supervisórios e CLP‘s
Nele, o protocolo Modbus é encapsulado no protocolo TCP/IP e transmitido por redes com padrão Ethernet e com controle de acesso ao meio CSMA/CD.
Modbus
Modbus PLUS
É usado para comunicação entre CLP‘s, Módulos E/S, IHM‘s e etc.
Utiliza meio físico RS-485 com taxa de transmissão de 1Mbps e controle de acesso ao meio por HDLC.
Modo de operação síncrona
Transmissão half-duplex e full-duplex:
Suporta configurações ponto-a-ponto e multiponto
Modbus
Modbus Padrão
É utilizado para comunicar CLP‘s com Dispositivos de entrada e saída de dados, Instrumentos eletrônicos
inteligentes ( relés de proteção, atuadores deválvulas, etc). Ele usa os meios físicos RS-232 e RS-485 em conjunto com a tecnologia de comunicação mestre/escravo.
Modbus
Procolo Modbus
É baseado no modelo mestre-escravo. Toda comunicação passa pelo mestre.
Todos os dispositivos estão ligados em uma rede bidirecional do tipo barramento. E todos os escravos devem ter um endereço próprio
Todos os escravos recebem os dados do mestre, mas apenas o escravo endereçado responde.
Modbus
Procolo Modbus
Existem dois modos de formato de mensagem:
Modbus ASCII: Dados são codificados em caracteres ASCII de sete bits.
Modbus RTU: Dados são transmitidos em formato binário de oito bits. Cada byte na mensagem contém dois
Modbus
Modbus - Formato da Mensagem
Pergunta:
Número do endereço do escravo - 1byte; Código da função - 1byte;
Posição de memória do escravo(fica o endereço inicial dos dados) - 2bytes;
2 bytes que designam o número de operandos; Dados;
CRC-16 - 2bytes;
Modbus
Modbus - Formato da Mensagem
Resposta:
Número do endereço do escravo(aquele que solicitou) -1byte;
Código da função - 1byte;
Quantidade de bytes da resposta - 1byte; Dados solicitados;
Profibus
Profibus
video
Profibus
PROFIBUS (Process Field Bus)
É uma rede de campo de padrão aberto;
Introduzido em 1989 na norma DIN 19245, depois adotado pela norma EN 50170;
Foi incorporado na IEC 61158;
Até 126 dispositivos podem ser ligados juntos em uma mesma rede profibus, mas como utiliza-se o RS485 existe uma limitação de 32 dispositivos por segmento;
Profibus DP, Profibus FMS, Profibus PA, Profinet(Profibus p/ Ethernet);
Profibus
Profibus DP e PA
Profibus
Profibus
Estações
Mestre classe 1: CLPs, controladores estações SCADA, etc..
Mestre classe 2: PCs, dispositivos de diagnóstico, etc.. Escravos: Transmissores, sensores, atuadores, drivers, etc...
Profibus
Profibus
Sistema com dois Mestres
Profibus
Foundation Fieldbus
Foundation Fieldbus (FF)
Protocolo Foundation
Fieldbus
• FOUNDATION™ Fieldbus (FF) é uma arquitetura
aberta para integrar informação, cujo objetivo
principal é interconectar equipamentos de controle e
automação industrial, distribuindo as funções de
controle pela rede e fornecendo informação a todas
as camadas do sistema. [SMAR, 2008]
• Uma das funções dos equipamentos de campo é
executar a aplicação de controle e supervisão do
Protocolo Foundation
Fieldbus (FF)
• Rede Foundation Fieldbus H1:
– Interligação de instrumentos de campo.
– Baixa velocidade (31,25 kbps).
– Usado em áreas classificadas (necessidade de segurança
intrínseca).
– Alimentação no barramento.
• Rede Foundation Fieldbus HSE:
– Integração das redes H1 com dispositivos de maior velocidade
como CLPs e PCs.
– Usa Ethernet.
– Velocidades de 100 Mbits (possível de 1 Gbits, 100 Gbits, etc).
– Aplicações que requerem menor tempo de resposta.
Protocolo Foundation Fieldbus
(FF): redes H1 e HSE
Foundation Fieldbus
FF
Arquitetura baseada em blocos funcionais que realizam atividades como aquisição de dados, controle PID, cálculos e atuação;
As redes FF são divididas em:
H1: p/ baixar velocidade;
H2: p/ aplicações que requerem menor tempo de resposta, maior taxa de transmissão;
Foundation Fieldbus
FF
Topologias: Barramento e Árvore;
Traz um conceito novo de LAS(Link Active Scheduler); O LAS é responsável pelo gerenciamento de mensagens; Comunicação entre diferentes equipamentos(sensores, atuadores, CLPs, programadores, etc);
O acesso ao meio é controlado pelo LAS (nível de enlace); com o uso de token(autorização de acesso);
Foundation Fieldbus
Acesso ao meio pelo LAS
Equipamento solicita um token; LAS envia o token a um equipamento;
Com a posse do token, este equipamento pode se comunicar diretamente com outros equipamentos, sem que a comunicação precise passar por um mestre; Quando terminar o equipamento retorna o token para o LAS;
A transmissão para outro equipamento depende do escalocamento definido no LAS;
Wired HART
Wired HART
Padrões HART
Primeiro padrão que utilizou o sinal analógico (4-20 mA) sendo sobreposto pelo sinal digital;
A HART Communication Foundation (HCF) é a proprietária do procotolo HART, esse com tecnologia de comunicação aberta;
Bastante utilizado na indústria.. protocolo Wired HART já testado com sucesso em milhões de aplicações.
[Mecatrônica Atual; Ano 10-n53-2011]
Wired HART Padrões HART Algumas características: Capacidade Digital; Compatibilidade Analógica; Interoperabilidade:
Comandos padrões de fácil acesso: DLL (Device Description Language);
Comandos Universais;
Bastante utilizado na indústria.. protocolo Wired HART já testado com sucesso em milhões de aplicações.
Wired HART
Evolução do HART
Wired HART
Wired HART
Baseado no padrão Bell 202
Utiliza modulação FSK, sobrepondo o sinal 4-20 mA; Bit 1: frequência 1200Hz; 1mA pico-a-pico;
Bit 0: frequência 2200Hz; 1mA pico-a-pico;
Wired HART
Características
Utiliza tecnologia mestre/escravo; Topologia ponto a ponto ou multiponto;
Topologia ponto a ponto: o instrumento pode enviar pacotes, como PV, de forma autônoma e periódica, podendo ser interrompido apenas pelo mestre;
Modo Broadcast é opcional e usado em redes com apenas 1 escravo, onde o escravo envia repetidamente um valor especificado;
Wired HART Camada de Aplicação Baseada em Comandos; Comandos Universais; Comandos Práticos; Comandos Específicos;
Comandos não público (usado apenas por fabricantes); Comandos de Família de Dispositivos: Ajuste e
Transmissão de dados
pelo protocolo HART
WirelessHART
WirelessHART
Redes WirelessHART
WirelessHART
Camada Física
Baseada na norma IEEE 802.15.4 Faixa de 2,4GHz
Canais 11-25, cada um com 5MHz Técnicas de Modulação DSSS e OQPSK