Protocolos de Comunicação em Ambientes Industriais

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Protocolos de Comunicação em Ambientes

Industriais

Aula 03 - Protocolos Industriais

Heitor Medeiros Florencio1 [email protected]

1_{Universidade Federal do Rio Grande do Norte}

Centro de Tecnologia

Departamento de Engenharia de Computação e Automação Natal-RN

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O que foi visto?

Conceitos Básicos sobre Sistemas de Comunicações; Técnicas de diversidade: Modulações Analógicas e Digitais;

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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

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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.

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Protocolos de Internet (TCP/IP)

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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); ...

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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,

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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. [1]

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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.

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Modelo OSI

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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;

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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;

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Modelo OSI

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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;

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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.

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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.

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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.

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Modbus

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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.

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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

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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.

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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:

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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.

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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.

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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

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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;

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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;

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Profibus

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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);

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Profibus

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Profibus

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Profibus

Estações

Mestre classe 1: CLPs, controladores estações SCADA, etc..

Mestre classe 2: PCs, dispositivos de diagnóstico, etc.. Escravos: Transmissores, sensores, atuadores, drivers, etc...

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Profibus

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Profibus

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Profibus

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Foundation Fieldbus

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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;

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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);

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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;

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Wired HART

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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.

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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.

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Wired HART

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Wired HART

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Wired HART

Baseado no padrão Bell 202

Utiliza modulação FSK, sobrepondo o sinal 4-20 mA; Bit 1: frequência 1200Hz; 1mA pico-a-pico;

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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;

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Wired HART

Frame

Estrutura do pacote:

Preâmbulo: 5 a 20 bytes hexadecimais usados para sincronização;

Caractere de início (Start byte): indica o tipo de mensagem(mestre-escravo, escravo-mestre, broadcast-escravo);

Endereçamento (Address): Curto ou Longo usando 1 ou 5 bytes;

Comando HART;

Contador de bytes: tamanho da mensagem sem checksum;

Status: 2 bytes, escravo; somente na mensagem de resposta de um escravo; avisa o status da mensagem recebida pelo escravo(com erro, sem erro, etc); Dados;

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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

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WirelessHART

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WirelessHART

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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

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WirelessHART

Camada Enlace

Técnica de acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA) Janelas de tempo de 10ms (slots)

Salto de Canais

CanalAtual = (OffsetCanal + ASN) % NumCanais Lista Negra

Tempos de Sincronização

Mensagens KEEP-ALIVE com referencial temporal Referencia temporal nas mensagens de ACK

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WirelessHART Tipos de Pacotes Data Keep Alive Advertise Disconnect ACK

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WirelessHART Tipos de Links Normal link Broadcast link Join link Discovery link

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WirelessHART

Camada de Rede e Transporte

Segurança ponto-a-ponto: Criptografia AES-128bits e o MIC

Integridade na comunicação fim-a-fim: Chaves de criptografia.

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WirelessHART

Baseada em Comandos

Todos os comandos do wired HART, ou HART5-6; Comandos Wireless

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ISA100

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Referências http://www.gta.ufrj.br/ensino/eel879/trabalhos_vf _2008_2/ricardo/1.html http://www.siameingenieria.com/images/redes7.jpg http://www.advantech.com.br/eautomation/industrial _communication/images/Communication_small.jpg http://www.syspro.com.br/area_conhecimento/artigos /art_003_modbus.pdf

Redes Industriais: Aplicações em Sistemas Digitais de Controle Distribuído;

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