Automação Subestações Centros Controle. Protocolo MODBUS

Automação

Subestações

Centros

Controle

Paulo Roberto Pedroso de Oliveira (11) 3378 8600 (11) 9935 9080

ASCC – Automação de Subestações e Centros de Controle

prpasc@gmail.com http://www.ascx.com.br

Automação

Subestações

Centros

Controle

Interconexão e Interoperabilidade

Confiabilidade (detecção e correção de erros)

Resiliência (falhas topológicas)

Modelo OSI de 7 camadas

Camada Física



RS 232 – fios de cobre



RS 485 – fios de cobre



Ethernet – fios de cobre



Ethernet – Fibra ótica

Protocolos Proprietários – Courrier, SPA, LON

Protocolos de Comunicação

Regras que governam a comunicação entre dispositivos eletrônicos

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Subestações

Centros

Controle

Protocolos de Comunicação Abertos

Regras que governam a comunicação entre dispositivos eletrônicos
4 a 20 ma.
Protocolos seriais.  IEC 60870 101  DNP3  MODBUS

Protocolo Setor Elétrico

com arquitetura de Redes (LAN/WAN), orientado a objetos.

 IEC 61850

Protocolos Industriais

com arquitetura de Redes (LAN/WAN), orientado a objetos.

 Profibus  Foundation  DeviceNet

OPC – OLE for Process Control – Compatibilizar vários protocolos com

Supervisórios e níveis superiores da aplicação.

Modelo Mestre / Escravo

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Subestações

Centros

Controle

MODBUS Padrão especificado em 1979.

Comunicação Serial Mestre / Escravo

ou Rede Cliente / Servidor

Functions Codes – PDU – Protocol Data Units

Port 502

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Subestações

Centros

Automação

Subestações

Centros

Controle

A INFORMAÇÃO NA CADEIA DE AQUISIÇÃO

Telessinal Ponto Simples

0 Aberto 1 Fechado

Telessinal Ponto Duplo 0 0 Em trânsito 0 1 Aberto 1 0 Fechado 1 1 Estado Proibido Telecomando Simples 0 Abrir 1 Fechar

Posição Seccionadora ou Disjuntor Telecomando

A IMPORTÂNCIA DA COMPATIBILIDADE ENTRE OS VÁRIOS ELOS Formato dos dados e escalas de engenharia

Processo Elétrico Fiação – Relação TP TC Trandutores 4 A 20 mA IED ou UTR Conversores A/D Banco de Dados Protocolo de Comunicação Configuração do Protocolo Centro de Operação Banco de Dados Clienteda UTR Servidor do Aplicativo Gerencial Telecomando Duplo 0 0 Comando Proibido 0 1 Abrir 1 0 Fechar 1 1 Comando Proibido Medição KV, A, MW, MVar

Conversor de12 bits Conversor de 16 bits Inteiro Ponto Flutuante Escalas de Engenharia Relações de TP e TC Conversores A / D Byte Word Long Word Aplicativo Gerencial Softwares Visuais

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Agilidade na Comunicação (Throughput)

Tempo decorrido entre a deteção de um evento e a

atuação de uma saída baseada em uma decisão lógica.

•1. Taxa de Transmissão

•1,2 à 19,2 KBps – IEC60870 101, DNP3,

MODBUS

•100 MBps – IEC 61850 – TCP/IP

•2. Eficiência do Protocolo – Overhead – Número total

•de bytes da mensagem em relação à mensagem útil - dados. •IEC 60870 101, DNP3, Modbus – otimizados para mínimo

overhead

•IEC 61850 TCP/IP – pouco otimizado em função das

larguras de banda disponíveis atualmente

•3. Modelo da Rede

•3.1. ORIGEM / DESTINO

•3.2. PRODUTOR / CONSUMIDOR ( Publisher / Subscriber )

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Centros

Controle

Modelos de Rede de Automação

Protocolos

ORIGEM / DESTINO - Mestre / Escravo



Modelo tradicional, mais fácil de ser implementado



Repetição do mesmo dado, quando só o endereço é diferente



Taxa de transmissão – 1,2 à 19,2 KBps



IEC 60870 101, DNP3, MODBUS

PRODUTOR / CONSUMIDOR – Multcast.



Múltiplos Nós podem consumir simultaneamente os dados de

um mesmo PRODUTOR.



Utilização mais eficiente da banda de comunicação – 100 MBps

Pode assumir configuração Mestre/Escravo, Polling ou Mudança

de Estado

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Subestações

Centros

Controle

INFORMAÇÃO – 2 Tipos

1. Não necessita referência externa : Meu

endereço é Rua Dourada 1000, CEP 13.211-111,

Jundiaí/SP-Brasil.

2. Necessita referência externa : Meu nome é

Paulo Oliveira e meu endereço está na lista

telefônica.

No caso 2 a referência externa é a Lista Telefônica,

que necessito consultar para achar o endereço do

meu amigo. Indexação externa.

Automação

Subestações

Centros

Controle

2 Exemplos – S/E BAN linha para XAV

Informação 1 - Disjuntor está fechado

Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV

S/E BAN UTR

Centro de Operação do Sistema 60 km Informação 01001010 01001010 01001010 01001010 11110010 00011010 01001010

Informação 1 - Disjuntor está fechado – 1 bit

Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV

2 Bytes ou 4 números hexadecimal – F21A

Banco de Dados da UTR deve ser compatível com o do

SSC ( COS ).

0 aberto

1 fechado

.

Automação

Subestações

Centros

Controle

2 Exemplos – S/E BAN linha para XAV

Informação 1 - Disjuntor está fechado

Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV

S/E BAN UTR

Centro de Operação do Sistema O N S 60 km Informação 01001010 01001010 01001010 01001010 11110010 00011010 01001010

Protocolos DNP 3, IEC 101,

MODBUS Linha Serial

Informação 1 - Disjuntor está fechado – 1 bit

Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV

2 Bytes ou 4 números hexadecimal – F21A

Banco de Dados da UTR deve ser compatível com o do

SSC ( COS ).

0 aberto

1 fechado

.

Automação

Subestações

Centros

Controle

2 Exemplos – S/E BAN linha para XAV

Informação 1 - Disjuntor está fechado

Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV

Centro de Operação do Sistema O N S - Brasília

60 km Informação

Informação 1 - Disjuntor está fechado

BAN / XCBR1.Pos.stVal

Vai a informação completa, sem necessidade de referência externa.

Configura-se na origem e passa um arquivo XML para configurar o computador do COS. Simplifica trabalho de configuração.

Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV

BAN / MMXU / F21A

Banco de Dados da UTR “independe” do Banco de Dados

do SSC ( COS ).

Automação

Subestações

Centros

Controle

2 Exemplos – S/E BAN linha para XAV

Informação 1 - Disjuntor está fechado

Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV

Centro de Operação do Sistema 60 km

Informação

Informação 1 - Disjuntor está fechado

BAN / XCBR1.Pos.stVal

Vai a informação completa, sem necessidade de referência externa.

Configura-se na origem e passa um arquivo XML para configurar o computador do COS. Simplifica trabalho de configuração.

Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV

BAN / MMXU / F21A

Banco de Dados da UTR “independe” do Banco de Dados

do SSC ( COS ).

IEC 61850

Rede TCP/IP

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Subestações

Centros

Controle

Modelo do Protocolo MODBUS

Aplicação

Físico

Aplicação

Físico

Objeto de dados Ex: S/E BAN Disjuntor 7 abriu MODBUS - Funções e Mapas de Memória

Disjuntor 7 Aberto - Informação => B 7 0

B 7 0

B 7 0

1

2

B 7 0

B 7 0

Origem - S/E Bandeirantes

Destino – COS São Paulo

End crc

Automação Subestações Centros Controle

Camada Física

Interfaces e Conexões

Circuito de Dados

Canal Serial

Automação

Subestações

Centros

Controle

Circuito

Nome Circuito

Camada Física

Sinais ITU V.24

102

103

104

105

106

107

108

109

Do DCEPara DCE

Comum

Tx

Rx

RTS

CTS

DSR

DTR

DCD

X

X

X

X

X

X

X

-

-a) Pode ser mantido constante

b) Não obrigatório. Pode ser usado para supervisionar o circuito de transmissão

Automação Subestações Centros Controle

Interface RS 232

Conector DB25 – 25 pinos

Comunicação SERIAL

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

Bits dentro do Byte transm. primeiro LSB e depois o MSB

Cada Byte começa com 1 Start Bit Alto e termina com 0 a 2 Stops Bits Baixos
Desocupada a linha esta Baixa

Pinagem 1 Start Bit 1 2 3 4 5 6 7 8 2 stops bits MSB Data Byte LSB

Onda Eletromagnética – 300.000 km/segundo 9600 BPS - Bits por Segundo – 873 Bytes por seg

Mensagem de 100 Bytes – 115 ms Internet Mega BPS / Giga BPS

DCE 1 - CD 2 - TXD 3 - RXD 4 - DTR 5 - terra 6 - DSR 7 - RTS 8 - CTS 9 - RI DB9 Femea DTE 1 - CD 2 - RXD 3 - TXD 4 - DTR 5 - terra 6 - DSR 7 - RTS 8 - CTS 9 - RI DB9 Macho Modem Relé de Proteção PC ou Micro Cabo Multipares

Automação

Subestações

Centros

Controle

Interface RS 232

Ligação Ponto a Ponto

•

DCE – Data Communication Equipment – Modem

• DTE - Data Terminal Equipment – Relé ou PC-Microcomputador

• Hardware Handshake – se não usado só são necessários 3 sinais

•TXD, RXD e Terra. Jumpeados 4 com 5; 6,8 com 20.

•CD – Carrier Detected – avisa o PC que o modem tem uma boa conexão

•CTS – Clear To Send – Modem está pronto para receber do PC

•DSR – Data Set Ready – avisa o PC que o modem está pronto

•DTR – Data Terminal Ready – avisa modem que o PC está pronto

•RTS – Request to Send – avisa o modem que o PC quer mandar dados

•RI – Ring Indicator – Modem detetou um sinal do outro modem

PC

RELÉ

Comunicação Analógica

São Paulo _Jupiá

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Subestações

Centros

Controle

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Subestações

Centros

Controle

Exercício 1

Diagrama de um Cabo Cruzado

Tx (2)

Rx (3)

RTS (4)

CTS (5)

DSR (6)

DCD (8)

DTR (20)

Gnd (7)

Tx (2)

Rx (3)

RTS (4)

CTS (5)

DSR (6)

DCD (8)

DTR (20)

Gnd (7)

DTE

DTE

Automação Subestações Centros Controle Exercício 1

Tx (2)

Rx (3)

RTS (4)

CTS (5)

DSR (6)

DCD (8)

DTR (20)

Gnd (7)

Tx (2) CT 103

Rx (3) CT 104

RTS (4) CT 105

CTS (5) CT 106

DSR (6) CT 107

DCD (8) CT 109

DTR (20) CT 108

Gnd (7) CT 102

DTE

DTE

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Subestações

Centros

Controle

Exercício 2

Diagrama de um Cabo sem handshake – simplificado

TX com RX, Terra (Ground), jumpers nos conectores 4 com 5; 6,8 com 20.

Tx (2)

Rx (3)

RTS (4)

CTS (5)

DSR (6)

DCD (8)

DTR (20)

Gnd (7)

Tx (2)

Rx (3)

RTS (4)

CTS (5)

DSR (6)

DCD (8)

DTR (20)

Gnd (7)

DTE

DTE

Automação

Subestações

Centros

Controle

Exercício 2

Diagrama de um Cabo sem handshake – simplificado

TX com RX, Terra (Ground), jumpers nos conectores 4 com 5; 6,8 com 20.

Tx (2)

Rx (3)

RTS (4)

CTS (5)

DSR (6)

DCD (8)

DTR (20)

Gnd (7)

Tx (2)

Rx (3)

RTS (4)

CTS (5)

DSR (6)

DCD (8)

DTR (20)

Gnd (7)

DTE

DTE

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Controle

RS 485 (Recomended Standard )

EIA 485 ( Electronic Industry Assossiation )

Half duplex, Multiponto ( 32 nós ), 1200 metros.
Velocidade de 100 K a 10 MBps.

Única CPU, diversos IHM endereçáveis, compartilham o mesmo cabo.
Conversor RS232 para 485, isolamento ótico.

Redes locais muito baratas, multidrop.

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

Topologia recomendada – Daisy Chain

Outras Topologias

BARRAMENTO Funciona mas

não é o ideal

Daisy Chain

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CABO para RS 485 (Recomended Standard )

EIA 485 ( Electronic Industry Assossiation )

Deve ser blindado

Recomenda-se utilizar 3 vias e blindagem – até 1200 m

Com 2 vias para curtas distâncias – poucos metros

Função do COMUM – equalizar o potencial dos

equipamentos conectados à Rede

Função da BLINDAGEM : proteção contra Ruídos

externos

Não utilizar a BLINDAGEM como COMUM, pois

colocaria o Ruído existente como referência

Dado +

Dado –

Comum

(GND)

Blindagem

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USART

as recomendações da 2ª camada Enlace (Link) do modelo ISO )

USART se refere a Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter.

É um formato padrão para comunicação de dados de forma SERIAL. Em forma assíncrona, dois fios são usados para transmitir dados, um em cada direção, em regime Full-duplex, bi-direcional.

Para isso, cada dispositivo deve ter seu clock, e as velocidades devem ser iguais. Em forma síncrona, uma ponta é mestre e a outra escravo.

Um fio é utilizado para dados, em regime half-duplex, ou seja, nos dois sentidos, mas um sentido de cada vez.

O outro fio é usado para pulsos de clock emitidos pelo dispositivo mestre. Os microcomputadores PC costumam ter até 4 portas USART,

nomeadas de COM1 a COM4.

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Controle

MODBUS FRAME

Function Code 1 byte – ( 0 – 255 ) Válidas – 1 a 127

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Centros

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Modelo de Dados MODBUS

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Centros

Controle

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Centros

Controle

Descrição das Funções – 03 ( 0x 03) Read Holding Register

Inicia no Mapa de Memória 40 000

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Centros

Controle

Descrição das Funções – 04 ( 0x 04) Read Input Register

Inicia no Mapa de Memória 30 000

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Controle

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Centros

Controle

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Centros

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MODBUS

DÚVIDA FREQUENTE

QUESTÃO DO MAPA DE ENDEREÇOS

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

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

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

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

IMPORTANTE

Não há confirmação de recebimento de dados nativa

Não existe padronização no formado de dados

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Centros

Controle

SPS-Supervisor de Paralelismo Síncrono – TREE TECH

Mapa de Registradores - MODBUS

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Centros

Controle

SPS-Supervisor de Paralelismo Síncrono – TREE TECH

Mapa de Registradores - MODBUS

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Protocolo MODBUS

OBRIGADO !

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ASCC – Automação

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