AULA 13 - REDES INDUSTRIAIS

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1 AULA 13 - REDES INDUSTRIAIS Necessidade da indústria pela integração de equipamentos e disposi6vos em todos os níveis de automação; Necessidade de tecnologias de comunicação de dados especificamente desenvolvidas para atender os requisitos industriais. Prof. Fabricia Obje6vos: Melhorar o rendimento do controle de processos de uma indústria; Aumentar eficiência, qualidade e segurança no sistema produ6vo; Facilitar a instalação dos equipamentos; Fornecer diagnós6cos rápidos e detalhados; Facilitar a manutenção; Configurar disposi6vos com maior rapidez; U6lizar menor quan6dade de fios; Reduzir custos. Histórico: Década de 60: Transmissão analógica (0-10V ou 4-20 ma). Painel de instrumentos conectados diretamente aos transdutores ou atuadores. Década de 70: Transmissão digital (controle digital direto entre controlador e os disposi6vos de entrada/saída). Controlador Lógico Programável (CLP). Histórico: Década de 90: Redes de controladores de lógica programável (controle distribuído Fieldbus). Controlador Programável (CP) e so_ware supervisório central, que gerencia alarmes, receitas e relatórios. Atualmente: Redes que interligam disposi6vos de campo inteligentes (sensores e atuadores), CLPs, etc. 1

2 Níveis Hierárquicos de Nível de campo: Rede de disposi6vos de campo (sensores, atuadores, etc.) Níveis Hierárquicos de Nível de controle: Rede de equipamentos inteligentes de controle como CLPs ou computadores Nível de gerência: Rede de equipamentos e sistemas inteligentes de controle como CLPs, SDCDs (Sistemas Digitais de Controle Distribuído), etc. Neste nível há a troca de dados entre equipamentos e o sistema administra6vo. Níveis Hierárquicos de Níveis de Níveis de Nível 0 Sensores e Atuadores Instrumentação Nível 1 Disposi6vos de Controle: PLCs, Remotas de sistemas digitais de controle distribuídos (SDCDs) Nível 2 Sistemas de Supervisão: Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA), interface homem- máquina (IHM) e o6mizadores de processo dentro do conceito de APC (Advanced Process Control) Níveis de Nível 3 Gerenciamento da Produção: MES (Manufacturing Execu7on System) PIMS (Process Informa7on Management System) APS(Advanced Planning and Scheduling) LIMS (Lab Informa7on System) Sistemas de Manutenção (Maintenance Management System) Sistema de Gestão de A6vos (Asset Management System) 2

3 Níveis de Nível 4 Sistemas Integrados de Gestão Empresarial Administração Corpora6va ERP Enterprise Resource Planning Nível 5 Data Warehousing corpora6vos U6lizado para armazenar informações rela6vas às a6vidades de uma organização em bancos de dados EIS (Execu7ve Informa7on Systems) tem como obje6vo principal dar suporte à tomada de decisão. Redes Nível 2 Databus (Computadores Hosts) Nível 1 Fieldbus (Disposi6vos inteligentes) Nível 0 Devicebus (E/S e periféricos), Sensorbus (disposi6vos) Sensorbus rede u6lizada para ligar sensores e atuadores. Transferência rápida Baixo custo Distância máxima: 200 metros Exemplo: AS- I e CAN Devicebus rede u6lizada para conectar disposi6vos mais genéricos como CLPs, remotas de aquisição de dados e controle, etc. Transferência rápida Distância máxima: 500 metros Exemplo: DeviceNet, Profibus DP e ModbusPlus Fieldbus rede de equipamentos que desempenham funções específicas de controle. Transferência mais lenta e opera com vários 6pos de dados (analógicos, digitais, parâmetros, programas, informações para o usuário). Distância: até 10 km Exemplo: HART, Profibus FMS, Fieldbus Founda6on Databus rede de comunicação que conecta os sistemas de supervisão aos sistemas informá6cos de gestão. Grande volume de dados Transferência lenta Exemplo: Ethernet 3

4 AS- I ACTUATOR SENSOR INTERFACE Originalmente concebida para interligar sensores e atuadores com operação somente de LIGA/DESLIGA; U6liza cabo comum a todos os elementos da rede; Até 100 metros; Normas: EN50295, IEC ; Sistema Mestre/Escravo (Varredura dos escravos); 1 mestre por rede; 31 escravos. AS- I ACTUATOR SENSOR INTERFACE O mestre possibilita as funções de diagnós6co, monitoramento connnuo da rede, reconhecimento de falhas e atribuição de endereço correto quando um nó é removido para manutenção É possível trocar ou adicionar escravos durante a operação normal, sem interferir na comunicação com os outros nós. Cada um destes disposi6vos tem um endereço único na rede, devendo este estar entre o endereço 1 a 31 AS- I ACTUATOR SENSOR INTERFACE CAN CONTROLLER AREA NETWORK Desenvolvido originalmente pela BOSCH para integrar elementos inteligentes em veículos autônomos, com o intuito de eliminar a grande quan6dade de fios nos automóveis Mercedes. Padronizada pela ISO e Protocolo de comunicação serial síncrono. CAN CONTROLLER AREA NETWORK Apresenta as seguintes vantagens: Simplificação do cabeamento (custo, confiabilidade, redução da necessidade de manutenção); Flexibilidade (facilidade de implementação de modificações na estrutura da rede); Velocidade de comunicação atendendo a requisitos de tempo real do sistema; Facilidades para acesso aos diversos nós da rede remotamente (monitorando, alterando dados e diagnos6cando falhas) A par6r de 1991, vários fabricantes foram licenciados para a fabricação de chips para CAN CAN CONTROLLER AREA NETWORK Caracterís6cas do Protocolo: Priorização de mensagens; Flexibilidade de configuração; Recepção do mul7cast com sincronia de tempos; Mul6mestre, produtor- consumidor; Detecção e sinalização de erros; Retransmissão automá6ca de mensagens corrompidas assim que o barramento es6ver a6vo novamente; Dis6nção entre erros provisórios e falhas permanentes dos nós. 4

5 CAN CONTROLLER AREA NETWORK Caracterís6cas do Protocolo: Topologia: barramento ou estrela; Taxa de transmissão: de 125 kbps ou 1 Mbps; Comprimento máximo do barramento: 1 km para 125 kbps e 40m para 1 Mbps; Número máximo de nós: 16; Codificação de bits: NRZ (Non Return to Zero); Meio de transmissão: usualmente par trançado ou fibra ó6ca HART Highway Addressable Remote Transducer Desenvolvido pela Fisher Rosemount em meados da década de 1980 como um protocolo proprietário. A par6r de 1990, o HART tornou- se um padrão aberto. HART é um protocolo digital, mas aceita também comunicação analógica no padrão 4-20mA. Companvel com a enorme base instalada analógica existente no mundo, além de possibilitar o uso de instrumentos inteligentes em cima dos cabos 4-20 ma tradicionais. Os disposi6vos capazes de executarem esta comunicação híbrida são denominados smart. HART Highway Addressable Remote Transducer Caracterís6cas do protocolo HART: Meio ssico: par trançado; Taxa de Transmissão: 1200 bps; Transmissão assíncrona a nível de caracteres UART (1 start bit, 8 bits de dados, 1 bit de paridade e 1 stop bit); Tempo médio de aquisição de um dado: 378,5 ms; Método de acesso ao meio: Mestre/escravo; HART Highway Addressable Remote Transducer Caracterís6cas do protocolo HART: Topologia: Ponto a ponto ou mul7drop, onde todos os componentes são conectados pelo mesmo cabo. O protocolo permite o uso de até dois mestres. O mestre primário é um computador ou CLP ou mul6plexador. O mestre secundário é geralmente representado por terminais hand- held de configuração e calibração; HART Highway Addressable Remote Transducer Caracterís6cas do protocolo HART: Modulação: O sinal Hart é modulado em FSK (Frequency ShiK Key) e é sobreposto ao sinal analógico de 4-20 ma. Para transmi6r 1 é u6lizada a frequência de 1200 Hz. Para transmi6r 0 é u6lizada a frequência de 2400 Hz. A comunicação é bidirecional. O sinal FSK é connnuo em fase, não impondo nenhuma interferência sobre o sinal analógico. HART Highway Addressable Remote Transducer A distância máxima do sinal HART é de cerca de 3000m com cabo com um par trançado blindado e de 1500m com cabo múl6plo com blindagem simples. 5

6 MODBUS Desenvolvido e publicado pela Modicon Industrial Automa6on Systems em 1979 para uso do seu CLP, tornou- se um padrão de fato na indústria. É um dos mais an6gos protocolos u6lizados em redes de controladores lógicos programáveis para aquisição de sinais de instrumentos e comandar atuadores usando uma porta serial. Atualmente parte do grupo Schneider Electric, a Modicon colocou as especificações e normas que definem o Modbus em domínio público. O protocolo é u6lizado em milhares de equipamentos existentes e é uma das soluções de rede mais baratas a serem u6lizadas em automação industrial. MODBUS MODBUS é usualmente implementado usando RS232, RS422 ou RS485 sobre uma variedade de meios de transmissão. A tecnologia de comunicação no protocolo é o mestre- escravo, sendo que somente um mestre e no máximo 247 escravos podem ser conectados à rede. A comunicação é sempre iniciada pelo mestre, e os nós escravos não se comunicam entre si. O mestre pode transmi6r dois 6pos de mensagens aos escravos, dentro de uma mesma rede: Mensagem 6po unicast: o mestre envia uma requisição para um escravo definido e este retorna uma mensagem- resposta ao mestre (requisição e resposta); Mensagem 6po broadcast: o mestre envia a requisição para todos os escravos, e não é enviada nenhuma respostas para o mestre. MODBUS Existem dois modos de transmissão: ASCII (American Code for Informas6on Interchange), onde cada byte de mensagem é enviado como 2 caracteres ASCII RTU (Remote Terminal Unit) onde cada byte da mensagem é enviado como 2 caracteres hexadecimais de 4 bits, que são selecionados durante a configuração dos parâmetros de comunicação. Eles definem o conteúdo dos campos da mensagem transmi6da serialmente. MODBUS As topologias ssicas usadas pelo MODBUS são: Ponto a Ponto com RS- 232 Barramento Mu6ponto com RS- 485 MODBUS Tipos de Protocolo MODBUS: MODBUS TCP/IP: usado para comunicação entre sistemas de supervisão e controladores lógicos programáveis. O protocolo Modbus é encapsulado no protocolo TCP/IP e transmi6do através de redes padrão Ethernet com controle de acesso ao meio por CSMA/CD. MODBUS PLUS: usado para comunicação entre de controladores lógicos programáveis, módulos de E/S, chaves de par6da eletrônica de motores, interfaces homem máquina etc. O meio ssico é o RS- 485 com taxas de transmissão de 1 Mbps. MODBUS PADRÃO: é usado para comunicação dos CLPs com os disposi6vos de entrada e saída de dados, instrumentos eletrônicos inteligentes (IEDs) como relés de proteção, controladores de processo, atuadores de válvulas, etc., o meio ssico é o RS- 232 ou RS- 485 em conjunto com o protocolo mestre- escravo. PROFIBUS PROcess FIeld BUS PROFIBUS foi concebida a par6r de 1987 em uma inicia6va conjunta de fabricantes, usuários e do governo alemão. A rede está padronizada através da norma DIN incorporada na norma européia Cenelec EN e também IEC61158 e IEC Padrão aberto de barramento de campo para uma larga faixa de aplicações em automação de fabricação e processos. Pode atuar nos diversos níveis do processo industrial: ambiente de fábrica, processo e gerência. 6

7 PROFIBUS PROcess FIeld BUS Protocolos comunicações: PROFIBUS DP (Descentralized Peripherical): é o mais usado dentre os protocolos. Caracterizado pela velocidade, eficiência e baixo custo de conexão. Foi projetado especialmente para comunicação entre sistemas de automação e periféricos distribuídos; PROFIBUS FMS (Field Message Specifica7on): é um protocolo de comunicação geral para as tarefas de comunicações solicitadas. Oferece muitas funções sofis6cadas de aplicações para comunicação entre disposi6vos inteligentes; PROFIBUS PROcess FIeld BUS PROFINet (Profibus for Ethernet): Comunicação entre CLPs e PCs usando Ethernet/TCP- IP; PROFISafe: para sistemas relacionados a segurança; PROFIDrive: para sistemas relacionados a controle de movimento. PROFIBUS PA (Process Automa7on): Define os parâmetros e blocos de funções dos disposi6vos de automação de processo, tais como transdutores de medidas, válvulas e IHM (Interface Human Machine); PROFIBUS PROcess FIeld BUS Os meios de transmissão:rs485, RS485- IS, MBP e a Fibra Óp6ca. O RS485 é o mais empregado. U6lizando um cabo de par trançado, possibilita transmissões até 12 Mbits/s. Usado quando grandes velocidades são necessárias. O RS485- IS é um meio de transmissão a 4 fios para uso em áreas explosivas. O MBP (Manchester code bus powered) é um meio de transmissão usado em aplicações na automação de processo que necessitem de alimentação através do barramento e segurança intrínseca dos disposi6vos. FOUNDATION Fieldbus Padrão aberto que engloba diversas tecnologias aplicadas no controle de processos e automação industrial, tais como: processamento distribuído, diagnós6co avançado e redundância. Sistema heterogêneo distribuído, composto por so_wares de configuração e supervisão, equipamentos de campo, interfaces de comunicação e supervisão, fontes de alimentação pela própria rede que os interconecta. Uma das funções dos equipamentos de campo é executar a aplicação de controle e supervisão do usuário que foi distribuída pela rede. Essa é a grande diferença entre FF e outras tecnologias como Hart ou Profibus, que dependem de um controlador central para executar os algoritmos Founda6on Fieldbus. FOUNDATION Fieldbus O Founda6on Fieldbus mantém muitas das caracterís6cas operacionais do sistema analógico 4-20 ma, tais como uma interface ssica padronizada da fiação, os disposi6vos alimentados por um único par de fios e as opções de segurança intrínseca, mas oferece uma série de benescios adicionais aos usuários. Este protocolo, que segue o padrão IEC 61158, apresenta dois 6pos de aplicação: H1 e HSE. FOUNDATION Fieldbus O FF H1 é uma rede de transmissão de dados em tempo real para comunicação com equipamentos de instrumentação e controle de plantas industriais, tais como transmissores atuadores e controladores, podendo, inclusive, ser u6lizado em aplicações que requeiram especificações quanto aos requisitos de segurança intrínseca. Possui taxa de transmissão de 31,25 Kbits/s e interconecta disposi6vos de campo. A rede FF HSE (High Speed Ethernet) é uma rede de transmissão que trabalha a 100 Mbits/s e fornece integração de controladores de alta velocidade (CLPs), servidores, subsistemas FF HI (via disposi6vos de acoplamento) e estações de trabalho. 7

8 FOUNDATION Fieldbus Caracterís6cas: Segurança intrínseca para uso em áreas perigosas, com alimentação e comunicação pelo mesmo par de fios; Topologia em barramento ou em árvore, com suporte a múl6plos mestres no barramento de comunicação; Comportamento previsível (determinís6co), mesmo com redundância em vários níveis; Interfaces padronizadas entre os equipamentos; Modelamento de aplicações usando linguagem de blocos funcionais; Recomendado o uso de cabos STP desenvolvidos especialmente para o protocolo. Interbus Características físicas : O Interbus utiliza o meio físico RS485, transmissão full duplex. Os dados podem ser fisicamente transmitidos através de cabos de cobre, par transado, (RS-485), fibra óptica, infra-vermelhos, ou outros meios. Topologia: Estrutura em anel Meio: Cabo de par transado (500 kb/s) ou fibra óptica (2Mb/s) Comprimento do bus: 13Km (cada nó é repetidor), 400 m por estação Número de equipamentos máximo: 64 por anel, 256 máximo Número de escravos: 512 equipamentos, ao longo de 16 níveis de redes Distancia entre equipamentos: Mínimo de 20 cm e máximo de 20m Alimentação: 19.2Vcc a 30 Vcc, 1,8 A de corrente (expansível) Interbus Profibus DP Profibus é um dos protocolos mais difundidos na Europa e também na América; As suas capacidades em termos de velocidade, distância e gestão de dados são adequadas ao controle de processos e outras aplicações; A norma Profibus foi introduzida no fim dos anos 80 e evolui para 3 implementações no início dos anos 90. Profibus DP Profibus DP - Aplicações Os 3 tipos de Profibus podem coexistir numa mesma rede. ü Profibus FMS (Sistema de Mensagens de Campo) ü Profibus DP (Periféricos Descentralizados) ü Profibus PA (Automação de Processo) Implementado em chips ASIC produzidos por diversos fabricantes. Baseada em RS485 e na especificação europeia EN50170 Normalmente utilizado em controle de processo, linhas de montagem, e manuseamento de materiais. Os tempos de resposta são bons, podendo chegar aos 5 ms para uma rede a 12 Mbps. 8

9 Características físicas Profibus DP Topologia: Linear, anel ou estrela Número máximo de equipamentos: 127 (32 por segmento) A ligação mais comum é feita com cabo de par transado blindado, mas é também possível a utilização da fibra óptica. Com cabo de par transado Distância máxima: m para um segmento simples 6000 m máximo Velocidade de transmissão: 9600 bits/s (1200 m), 500 Kbps (400 m), 1,5 Mbps (200 m) e 12 Mbps (40 m), com cabo de fibra óptica Distância máxima: 24Km Velocidade de transmissão: 9600 bits/s Mbps Device Net O padrão de comunicação DeviceNet, baseia-se na camada física 2 do modelo OSI. As soluções apresentam como vantagens a possibilidade de remover e substituir equipamentos em redes sob tensão e sem um aparelho de programação, ou ainda a possibilidade de fornecer a alimentação aos equipamentos através do próprio cabo de rede. Device Net Esta rede aplica-se ao nível operacional. É uma rede importante a nível de equipamentos de baixa tensão. Proporciona comunicações confiáveis e possibilita a troca de informações entre sistemas de fabricantes diferentes. O Devicenet permite a integração em redes de aparelhos, tais como : disjuntores, relés de protecção de motores, arrancadores suaves, módulos de iluminação, fins-decurso, sensores de proximidade e fotoeléctricos. Device Net - Características Físicas Device Net - Topologia Utiliza um par trançado blindado, em que um dos pares se destina à alimentação dos sensores. Número máximo de equipamentos: 64 máximo Distância máxima: 1000 m por segmento Velocidade de transmissão: 20 Kbits/s (1000 m), 1 Mbits/s (40 m) 9

10 Ethernet TCP/IP Ethernet TCP/IP -Aplicações Típicas A Ethernet é a rede mundialmente utilizada para redes de PC s. O grande desafio foi levar a Ethernet TCP/IP para a Indústria e tornala hoje uma das redes com maior crescimento. Qualquer aplicação que necessite de: Redes entre PLC s e sistemas de supervisão e interligação aos sistemas TI. Cresce seu uso em aplicações de entradas/saídas descentralizadas, bem como outros equipamentos, como consoles, variadores de velocidade e até sensores. O tempo numa fábrica é algo extremamente importante e é necessário haver uma comunicação em tempo real. A enorme popularidade, performance, baixo custo e a comunicação com os PCs tornou a Ethernet atrativa para aplicações industriais. 10