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Redes Industriais
Tipologia: Notas de estudo
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Aracaju
Trabalho de redes de comunicações industriais do curso de Engenharia elétrica da faculdade Pio Décimo para a obtenção de parte da nota do primeiro bimestre da matéria de Tópicos Especiais em Engenharia Elétrica I.
Prof.: Ulysses Cruz Aracaju
Os primeiros sistemas de automação foram desenvolvidos no final do século XIX durante a revolução industrial. O trabalho que era manual passou a ser realizado por máquinas dedicadas e customizadas a uma determinada tarefa visando cada vez mais o aumento da produtividade e eficiência. As funções de controle eram implementadas através de dispositivos mecânicos que automatizavam algumas tarefas críticas e repetitivas. Estes dispositivos eram desenvolvidos para cada tarefa e devido à natureza mecânica dos mesmos, tinham vida útil reduzida e alta manutenção.
Posteriormente, com o advento dos relés e contatores, estes dispositivos foram substituídos e apareceram dispositivos automáticos em linhas de montagens, dando um grande passo na época. A lógica a relés viabilizou o desenvolvimento de funções de controle mais complexas e sofisticadas.
Após a segunda guerra mundial, houve um avanço tecnológico e apareceram as máquinas por comando numérico e os sistemas de controle na indústria de processo, assim como o conceito de referência de tensão para instrumentação analógica. Aparecem os primeiros circuitos integrados, os CIs, que proporcionaram o desenvolvimento de uma nova geração de sistemas de automação. Vale lembrar que em 1947, Willian Shockley, John Barden e Walter Brattain descobriram o transistor, que é um componente eletrônico amplamente utilizado nos processadores modernos, de forma integrada.
No início dos anos 70, os primeiros computadores comerciais começaram a ser utilizados como controladores em sistemas de automação de grande porte, porém estes computadores eram grandes, ocupando muito espaço, de alto custo, difíceis de programar e muito sensíveis ao ambiente industrial. Mas tinham a vantagem de manipular a aquisição e controle de várias variáveis.
Ainda na década de 70 tivemos um grande avanço em termos de automação. A partir de uma demanda existente na indústria automobilística norte-americana, foi desenvolvido o Programmable Logic Controller (PLC), ou Controlador Lógico Programável (CLP). O CLP é um computador dedicado e projetado para trabalhar no ambiente industrial, onde sensores e atuadores são conectados a cartões de entradas e saídas. Os primeiros CLPs tinham um conjunto de instruções reduzido; normalmente somente condições lógicas e não possuíam entradas analógicas, podendo manipular apenas aplicações de controle discreto. Os CLPs substituíram os painéis de controle com relés, diminuindo assim, o alto consumo de energia, a difícil manutenção e modificação de comandos e também as onerosas alterações de fiação.
Atualmente, devido à demanda das plantas industriais, os CLPs manipulam tanto controle discreto quanto malhas analógicas. Estes sistemas são usualmente chamados de Controladores Programáveis, por não serem limitados a operações com condições lógicas. As atuais funções de controle existentes em uma planta industrial são em geral distribuídas entre um número de controladores programáveis, os quais são montados próximos aos equipamentos a serem controlados. Os diferentes controladores são usualmente conectados via rede local a um computador supervisório central, o qual gerencia os alarmes, receitas e relatórios.
Entramos em uma fase onde a tecnologia e conectividade industrial eram proprietárias e um “casamento” entre cliente e fornecedor acontecia. No mercado apareceram os SDCSs (Sistemas Digitais de Controle Distribuídos).
Na década de 90, o mundo começou a presenciar enormes avanços na área tecnológica, em que os circuitos eletrônicos passaram a proporcionar maior eficiência, maiores velocidades, mais funcionalidades, maiores MTBFs (Mean Time Between Failures, maior confiabilidade), consumos menores, espaços físicos menores e ainda, com reduções de custos. Ao mesmo tempo em que impulsionou o desenvolvimento de computadores, interfaces e periféricos mais poderosos, com alta capacidade de processamento e memória e o mais interessante, dando vazão a alta escala de produção com custos reduzidos e o que foi uma vantagem de forma geral, pois aumentou a oferta de micro controladores, Cis e ASCIs para toda a indústria.
E se não bastasse esta revolução eletrônica, os sistemas mecânicos também passaram e vêm passando por inovações e modificações conceituais com a incorporação da capacidade de processamento, tornando-os mais rápidos, eficientes e confiáveis, com custos de implementação cada vez menores. Ao longo dos últimos anos é cada vez mais freqüente a utilização de componentes eletrônicos para acionamento e controle de sistemas mecânicos.
encontrada entre as redes Sensorbus e Fieldbus cobrindo cerca de 500m de distância, os equipamentos conectados a Devicebus terão mais pontos discretos, dados analógicos ou uma mistura dos dois. Rede FIELDBUS interliga os equipamentos de E/S mais inteligentes e pode cobrir maiores distâncias, chegando a 10 km, os equipamentos conectados nessa rede possuem inteligência para desempenhar funções específicas de controle, como o controle de fluxo de informações e processos. A rede DATABUS possibilita a comunicação entre os sistemas de supervisão e os sistemas informáticos de gestão (produção, etc), os tempos de reação são da ordem dos segundos e até minutos, as distâncias máximas de cerca de 100 km e a natureza das informações trocadas são arquivos com grande volume de informação. A figura 4 ilustra esta classificação.
Figura 4 - Classificação das Redes Industriais e Estrutura Funcional.
O protocolo MODBUS é uma estrutura de mensagem desenvolvida pela Modicon em 1979, usada para estabelecer comunicação entre os dispositivos mestre-escravo /cliente- servidor. Ele é de fato um padrão, muitos protocolos de rede industriais utilizam este protocolo em seu ambiente. O protocolo ModBUS disponibiliza um padrão de indústria através do método MODBUS para trocar mensagens.
Comunicação entre os dispositivos MODBUS Os dispositivos MODBUS comunicam utilizando a técnica mestre-escravo no qual permite que somente um dispositivo (o mestre) possa iniciar as transações(chamadas de queries). Os outros dispositivos (escravos) respondem de acordo com o pedido do mestre, ou de acordo com a tarefa em questão. Um dispositivo periférico escravo (válvula, drive de rede ou outro dispositivo de medição), que processa a informação e envia o dado para o mestre.A verificação de erro é efetuada opcionalmente pela paridade de cada byte transmitido e obrigatoriamente pelo método LRC ou CRC sobre toda a mensagem. OLRC descarta os caracteres de inicio e fim de mensagem. O CRC descarta os bits de inicio, paridade e parada de cada byte:
O dispositivo mestre espera uma resposta por um determinado tempo antes de abortar uma transação (timeout).
O tempo deve ser longo o suficiente para permitir a resposta de qualquer escravo. Se ocorre um erro de transmissão, o escravo não construirá a resposta para o mestre. Será detectado um “timeout” e o mestre tomará as providências programadas.Tipos de protocolos MODBUS.
Figura 5 - Redes modbus
4.2.4 CaracterísticasProfibus DP / PA
É uma rede com classificação devicebus podendo ser configurado por qualquer topologia, linha, estrela, anel, tem uma velocidade de transmissão de 12Mbps para DP e 31. Kbps para PA. Tempo de Ciclo c/ 256 Discretas (16 Nós c/ 16 E/S): < 2.0 ms (dependente da configuração) Max. número de nós 127, Distância Máxima: 100m entre segmentos (12Mbaud) ; 24Km (Dependente do meio e do Baudrate) é uma rede Mestre-Escravo.
Figura 6 - Arquitetura típica dp/pa
É um protocolo desenvolvido para automação de Sistemas de Fabricação, elaborado pela FieldBus Foundation e normalizado pela ISA-TheInternational Society for Measurement and Control. Como pode ser observado da figura 7, o protocolo Fieldbus visa a interligação de instrumentos e equipamentos, possibilitando o controle e monitoração dos processos. Geralmente é utilizado com os chamados Softwares Supervisórios (SCADA, etc.), que permitem a aquisição e visualização desde dados de sensores até status de equipamentos.
Figura 7 - Característica da rede Fieldbus
4.3.1 Níveis de Protocolo
Fieldbus foi desenvolvido baseado no padrão ISO/OI, porém não contém todos os seus níveis. A figura 8 faz a comparação entre os dois modelos. Como pode ser visto na figura, o protocolo Fieldbus é dividido em dois níveis principais: Nível Físico (interligação entre os instrumentos e equipamentos) e Nível de Software (tratam das formas de comunicação entre os equipamentos).
Figura 8 - Característica da rede FIELDBUS
4.3.2 Níveis de Software
Esse nível é transparente ao usuário, sendo tratado, geralmente, pelo software supervisório. Geralmente é dividido em camadas (Layers), como se segue:
4.3.2.1 Data Link Layer
A função deste nível é garantir a transmissão da mensagem, de forma íntegra, ao destinatário correto. Também neste nível é feito um controle de utilização da rede e roteamento de mensagens, definindo quem pode transmitir e quando.Geralmente há a presença de um Buffer de mensagens, de forma que um produtor coloca sua mensagem nesse Buffer, e as outras estações podem acessar os dados. Tal modo de operação permite um tipo de broadcasting, ou seja, com apenas uma transmissão, todos os destinatários podem receber os dados.As redes industriais geralmente devem suportar aplicações com tempos críticos, de forma que o Scheduler coordena o tempo de cada transação, bem como obedece a ordens de prioridade para cada emissor/receptor de mensagens.
diagnóstico.Os dados cíclicos representam informações trocadas periodicamente entre o equipamento de campo e o controlador. Por outro lado, os acíclicos são informações trocadas eventualmente durante configuração ou diagnóstico do equipamento de campo.A camada física e de acesso da rede DeviceNet é baseada na tecnologia CAN(Controller Area Network) e as camadas superiores no protocolo CIP, que define uma arquitetura baseada em objetos e conexões entre eles.O CAN originalmente foi desenvolvido pela BOSCH para o mercado de automóvel Europeu para substituir os caros chicotes de cabo por um cabo em rede debaixo custo em automóveis. Como resultado, o CAN tem resposta rápida e confiabilidade alta para aplicações principalmente nas áreas automobilística.Uma rede DeviceNet pode conter até 64 dispositivos onde cada dispositivo ocupa um nó na rede, endereçados de 0 a 63. Qualquer um destes pode ser utilizado. Não há qualquer restrição, embora se deva evitar o 63, pois este costuma ser utilizado para fins de comissionamento.
Figura 9 - Arquitetura da rede devicenet
4.4.1 Caracteristica da Rede
Topologia baseada em tronco principal com ramificações. O tronco principal deve ser feito com o cabo DeviceNet grosso, e as ramificações com o cabo DeviceNet fino ou chato. Cabos similares podem ser usados desde que suas características elétricas e mecânicas sejam compatíveis com as especificações dos cabos padrão DeviceNet.
Permite o uso de repetidores, bridges, roteadores e gateways. Suporta até 64 nós, incluindo o mestre, endereçados de 0 a 63 (MAC ID). Cabo com 2 pares: um para alimentação de 24V e outro para comunicação.
Inserção e remoção à quente, sem perturbar a rede. Suporte para equipamentos alimentados pela rede em 24V ou com fonte própria. Uso de conectores abertos ou selados. Proteção contra inversão de ligações e curto-circuito. Alta capacidade de corrente na rede (até 16 A). Uso de fontes de alimentação de prateleira. Taxa de comunicação selecionável :125,250 e 500 kbps. Comunicação baseada em conexões de E/S e modelo de pergunta e resposta. Diagnóstico de cada equipamento e da rede. Transporte eficiente de dados de controle discretos e analógicos. Detecção de endereço duplicado na rede. Mecanismo de comunicação extremamente robusto a interferências eletromagnéticas.
4.4.2 Protocolo Devicenet DeviceNet é uma das três tecnologias abertas e padronizadas de rede, cuja camada de aplicação usa o CIP (Common Application Layer ). Ao lado de ControlNet eEtherNet/IP, possuem uma estrutura comum de objetos. Ou seja, ele é independente do meio físico e da camada de enlace de dados. Essa camada de aplicação padronizada, aliada a interfaces de hardware e software abertas, constitui uma plataforma de conexão universal entre componentes em um sistema de automação,desde o chão-de-fábrica até o nível da internet.CIP tem dois objetivos principais:
Transporte de dados de controle dos dispositivos de I/O. Transporte de informações de configuração e diagnóstico do sistema sendo controlado.Um nó DeviceNet é então modelado por um conjunto de objetos CIP, os quais encapsulam dados e serviços e determinam assim seu comportamento.
Figura 10 - Palavra de dados
que não tenha havido alterações. A configuração desta variável de tempo é feita no programa de configuração da rede.
Cyclic: outro método de comunicação muito semelhante ao anterior. A única diferença fica por conta da produção e consumo de mensagens. Neste tipo, toda troca de dados ocorre em intervalos regulares de tempo, independente de terem sido alterados ou não. Este período também é ajustado no software de configuração de rede.
Explicit Message: tipo de telegrama de uso geral e não prioritário. Utilizado principalmente em tarefas assíncronas tais como parametrização e configuração do equipamento.
4.4.4 Arquivo de Configuração
Todo nodo DeviceNet possui um arquivo de configuração associado, chamado EDS (Electronic Data Sheet). Este arquivo contém informações importantes sobre o funcionamento do dispositivo e deve ser registrado no software de configuração de rede.
4.4.5 Camada Física e Meio de Transmissão
DeviceNet usa uma topologia de rede do tipo tronco/derivação que permite que tanto a fiação de sinal quanto de alimentação estejam presentes no mesmo cabo. Esta alimentação, fornecida por uma fonte conectada diretamente na rede, e possui as seguintes características:
24Vdc; Saída DC isolada da entrada AC; Capacidade de corrente compatível com os equipamentos instalados. O tamanho total da rede varia de acordo com a taxa de transmissão(125,250, 500Kbps)
4.4.6 Topologia de Rede
As especificações do DeviceNet definem a topologia e os componentes admissíveis. A variedade de topologia possível é mostrada na figura a seguir.
Figura 11 - Topologia
A especificação também trata do sistema de aterramento, mix entre cabo grosso e fino (thick e thin), terminação, e alimentação de energia.A topologia básica tronco-derivação (“trunkline-dropline”) utiliza 1 cabo (2 pares torcido separados para alimentação e sinal). Cabo grosso (thick) ou fino (thin) podem ser usados para trunklines ou droplines. A distância entre extremos da rede varia com a taxa de dados e o tamanho do cabo.
4.4.7 Cabos
Há 4 tipos de cabos padronizados: o grosso, o médio, o fino e o chato. É mais comum o uso do cabo grosso para o tronco e do cabo fino para as derivações. Os cabos DeviceNet mais usados (fino e grosso) possuem 5 condutores identificados.
