O sistema. 20 anos de Interbus e 10 milhões de nós depois! Special

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1 20 anos de Interbus e 10 milhões de nós depois O sistema Interbus, desenvolvido pela Phoenix Contact, foi apresentado ao mundo na feira de Hanover de 1987, sendo continuamente aprimorado com novos recursos, sem perder os princípios aos quais foi idealizado: facilidade de engenharia e manutenção. Com mais de 10 milhões de nós instalados e cerca de 600 fabricantes de componentes, facilmente integrados a rede de comunicação. Hoje o Interbus tem conquistado espaço de destaque também em pequenos projetos e fora da indústria automobilística, onde possui uma plataforma já consolidada, pois os diversos recursos inerentes no protocolo o tornam uma ótima opção para projetos distribuídos. Nesse artigo iremos rever alguns dos princípios do Interbus, identificar algumas características e reavaliar alguns recursos que podem ser aplicados, de um sistema que tem mais de 20 anos de estabilidade no mercado mundial. Características básicas e funcionalidade A rede de comunicação para chão de fábrica Interbus tem evoluído ao longo dos anos, começando pela utilização do chip de controle SUPI2 para o SUPI4. Sua quantidade de pontos de entrada e saída foi ampliada de 4096 para 8192, com uma velocidade 2Mbps ou 500kbps. Recursos adicionais de diagnósticos também foram implementados. Características como arquitetura mestre-escravo e método de comunicação de uma única mensagem, conhecido com one total frame, são características do Interbus que o tornam um protocolo eficiente: - remote bus (RB), barramento remoto; - local bus (LB), barramento local; e - remote bus branch (BA), derivação do barramento remoto. Através destas três nomenclaturas, é possível especificar o hardware necessário para o projeto tendo como base o comportamento desejado para a instalação, caso venha a ocorrer alguma falha durante o funcionamento. O remote bus está no comprimento do cabo do Interbus, ou seja, é o caminho que o cabo percorre, desde o controlador, ou mestre, até o último participante da rede, que pode ser de até 254 dispositidos, com uma Engenheiro Márcio M. Vaz Gerente de Vendas de Automação Phoenix Contact distância de 400 metros entre participantes (conexões em cabo de cobre) e com um comprimento total de metros. Como a comunicação passa através do acoplador de rede (Bk Busklemmen), definimos que o trecho de remote bus que atravessa o acoplador de rede Intebus e vai até a entrada do próximo acoplador de rede como segmento de bus. Esse entendimento é necessário pois, caso uma instalação com 10 participantes venha a ter o seu cabo de comunicação cortado entre a ilha 7 e 8, uma informação de falha de remote bus será enviada com a identificação de número 8, facilitando assim a localização da falha e seu rápido reparo. Uma característica presente no Interbus é a seqüência física de conexão. Sendo assim o primeiro integrante a ser ligado fisicamente é o número um e os demais seguem a contagem de identificação, mas isso não impede que sejam atribuídos nomes lógicos aos integrantes da rede. O local bus é a ligação física interna dentro do participante da rede, ou seja, são todos os módulos de entrada e saída que estão ligados ao acoplador de rede que recebe os sinais dos agregados elétricos. Na rede Interbus é possível ligar até 63 módulos no local bus, onde a Figura 1 - Remote BUS (RB), identificação utilizada para definir trechos de ligação entre os acopladores e dispositivos pertencentes a rede Interbus 54

2 Figura 2 - Local BUS (LB), onde até 63 módulos eletrônicos de conversão são ligados ao acoplador de rede identificação do módulo é numérica e seqüencial, sendo adicionada a identificação do remote bus. Por exemplo: em uma instalação com 10 remote bus e cada um deles com 5 módulos de entradas/saídas, no caso de ocorrer um falha de sensor na entrada do módulo 4 do remote bus 7, além da rede não parar, haverá uma identificação de PF 7.4 (falha de periférico 7.4), indicando o local exato do distúrbio. O remote bus branch é o que pode ser definido como uma derivação da rede principal: um recurso de hardware que transforma uma estrutura anel em uma estrutura árvore, ou seja, é possível ramificar a rede Interbus para qualquer direção que se deseje, mantendo uma rede principal como um backbone, ou espinha dorsal. Esse tipo de estrutura pode alcançar até 16 sub-derivações, ou seja, da ligação principal deriva-se uma ligação secundária, e dessa ligação secundária uma terciária e assim sucessivamente até a décima sexta ligação. Mas a identificação física permanecerá na seqüência a qual os cabos foram ligados. Esse tipo de estrutura permite a desconexão mediante falha em uma instalação que possua uma linha principal e ao longo dela diversos outros agregados precisem ser ligados. A tecnologia Protocolo Elétrico O padrão Interbus foi desenvolvido sobre o protocolo elétrico RS 485, para ligações em cabo de cobre. Os cinco fios devem ser conectados do mestre para o primeiro participante ou acoplador e do primeiro para o segundo, assim sucessivamente até o último acoplador, pois a transmissão de sinal é realizada por quatro fios de forma diferencial, sendo que todo o sinal transportado tem seu sinal complementar invertido, sendo que o quinto fio serve como a referência de potencial, operando em torno de 2,5 volts, funcionando em modo full duplex, ou seja, envia e recebe dados ao mesmo tempo de forma síncrona. MPM (Multi port memory) Todos os sinais elétricos são convertidos nos módulos eletrônicos em sinais lógicos (bytes), sendo assim transferidos para o Interbus. Todos esses sinais são colocados em série e transferidos para uma área de memória principal no mestre da rede Interbus definida como MPM, é nessa área de memória que o programa de controle do processo ira realizar a leitura dos sinais de entrada e escrita para os sinais de saída. Após o processo de leitura/escrita realizado, o gerenciador MPM informa ao mestre Interbus, que ele pode iniciar o ciclo de transferência de dados através do principio shift register, ou transferência de registro. Shift Register Qualquer participante da rede Interbus possui dois registradores internos, conhecidos como registro de identificação e registro de dados. De forma simplificada, o principio do shift register está em transferir bit a bit os dados de um ponto a outro, dentro da rede Interbus, através da transição de um clock que definirá a velocidade de transferência, ou seja, o bit que compõe o primeiro sinal passará por todos os registros até alcançar a área de memória de transferência conhecida como MPM, tendo como referência uma palavra de Figura 3 - Os elementos, dispositivos e acopladores, são endereçados pela posição física na rede, mas isso não impede uma atribuição lógica para os componentes 55

3 Figura 4 - O princípio Shift Register é o responsável pelo reconhecimento dos módulos na rede e pela transferência dos dados entre os dispositivos de campo para o mestre Interbus controle conhecida como Loop Back Word (palavra de controle de loop) - LBW. Loop Back Word Todo participante da rede Interbus possui um código de identificação que irá informar ao mestre Interbus não somente o comportamento do participante, mas também a quantidade de bits que devem ser reservados na área MPM para a troca de dados. Isso ocorre no instante em que a rede Interbus é energizada, no ciclo de reconhecimento dos acopladores e dispositivos conectados a rede. No primeiro ciclo de leitura é gerada uma palavra de 16 bits que será única em todo o ciclo de shift register, servindo como identificador de inicio e fim de ciclo de clocks, ou seja, quando o gerenciador do MPM identificar o conjunto de bits formado pela loop back word, ele entenderá que todos os dados já estão disponíveis para alteração e para a transferência do mestre Interbus para os respectivos participantes. Pode-se dividir o processo da rede em dois ciclos, o ciclo de identificação e o ciclo de dados. O ciclo de identificação irá alocar a área de memória necessária para o pleno funcionamento do sistema e o ciclo de dados é o que sempre estará em execução para a troca de dados durante o funcionamento do sistema. A loop back word é apenas um dos diversos dispositivos de controle para consistência de dados e sincronismo que são transparentes ao usuário. Comunicação PCP (Peripherals communication Protocol) Ao integrar na rede Interbus dispositivos que necessitam de uma série de parâmetros para a funcionalidade, como inversores de freqüência, conversores de protocolo, módulos de comunicação, entre outros o INTEBUS utilizará o recurso de PCP, onde todo o pacote de dados parametrizados é desmontado em pequenos pacotes e transferidos aos periféricos dentro da área de memória reservada durante o ciclo de identificação. Esse recurso é muito prático, pois uma cópia da parametrização fica residente no controlador e não somente no dispositivo. Pois no caso de existir a necessidade de substituição do dispositivo, ele será automaticamente parametrizado ao ser reconhecido na rede Interbus, não necessitando ser novamente configurado manualmente no local. Registradores de diagnose e status. Todo o comportamento da rede Interbus é tornado disponível através de registradores que podem ser lidos ou manipulados conforme a necessidade da instalação, e informações como localização do erro, descrição do erro, condições de sistema pronto, inicialização automática após correção de falha, performance da rede, dados estatísticos, versões de firmware e hardware do mestre, etc. O acesso aos registradores possibilita a flexibilidade em uma série de soluções que podem ser implementadas por um usuá- Figura 5 - O processo de transferência dos dados do dispositivo da rede para o mestre, somente ocorrerá com o reconhecimentos da Loop Back Word 56

4 CMD (Configuring Monitoring and Diagnostics). Figura 6 - Trechos de remote bus podem ser agrupados para facilitar a alteração de configurações de hardware rio com conhecimentos avançados da rede Interbus. Recursos e opções de funcionalidade Grupos O sistema Interbus possui um recurso que é a criação de grupos lógicos associados a dois ou mais acopladores ou segmentos de bus específicos que podem estar fisicamente próximos ou não. Este agrupamento pode ser ativado ou desativado pelo programa de controle do processo, conforme a necessidade, ou configuração do projeto sem interferir no funcionamento total da rede. Grupos Alternativos Pode ser construída uma configuração onde um acoplador de bus pode ter mais que uma distribuição de sinais, ou seja, em um dado momento os módulos são compostos por certa quantidade de entradas e saídas e quando o processo solicitar, outra configuração de entradas e saídas assumirá fisicamente o local bus naquele acoplador de bus. Esse tipo de aplicação é muito comum quando um mesmo robô necessita utilizar ferramentas diferentes como ventosas e pinças. No momento da desconexão física de um grupo para a conexão do outro grupo, não há a interferência de parada de processo como a indicação de falha Desconexão de participantes Os acopladores de remote bus, podem conectar ou desconectar os módulos a elas conectados. Isso pode ser interessante em situação de falha: quando um dos módulos apresenta problema pode-se desconectá-lo momentaneamente e continuar o processo sem a interferência dos agregados elétricos que estavam ligados aos módulos do acoplador de bus desconectado, mas isso deve ser previsto antecipadamente no momento da concepção da rede Interbus dentro do processo. Esse tipo de desconexão é realizado pelo programa de parametrização chamado Bypass de Remote Bus Além da possibilidade de desconexão de participantes, o Interbus permite ainda a possibilidade de retirar trechos inteiros do bus substituindo-os por uma simples conexão ou cabo. Na operação de bypass é necessário que os acopladores de bus envolvidos sejam desconectados logicamente através do CMD. Em seguida o trecho de cabo que entraria no acoplador desconectado logicamente é ligado no acoplador de bus seguinte. Esse tipo de recurso é utilizado quando a equipe de manutenção necessita manter o processo em funcionamento e não possui os componentes necessários para a substituição imediata e o trecho que é pulado não é crítico para o processo. Isolação de erro por desconexão Com a última implementação de firmware no mestre Interbus, é possível realizar uma desconexão automática quando ocorre uma falha crítica de funcionalidade em um acoplador de rede. No primeiro momento a falha é identificada, e sem interferir na funcionalidade do remote bus, o local bus com erro crítico é desconectado logicamente, e através de uma palavra de diagnóstico, o sistema é informado da situação corrente. Conectividade A troca de informações a partir do protocolo Interbus pode ocorrer em todas as direções, entre mestres Interbus, ou seja troca de informações paralelas, entre o mestre Interbus e um mestre As-i, ou seja, de cima para baixo e a troca de informações do Interbus para uma rede Ethernet, ou seja para cima. Troca de Informações entre duas redes com Mestres distintos Muitos fabricantes têm adotado o Interbus como Figura 7 - É possível desconectar logicamente um Local BUS, uma derivação de Remote BUS ou umk Remote BUS 57

5 Figura 8 - Um trecho do Remote BUS pode ser desligado fisicamente e a rede Interbus pode ser reinicializada sem o trecho removido rede base em suas instalações, pois a existência de hardware apropriado torna fácil a conectividade entre redes Interbus-Interbus ou Interbus-Profibus, quanto a troca de informações que chamamos de paralela, ou seja, para os lados. Esse tipo de comunicação ocorre através de um módulo que serve como interface entre os mestres. De uma forma simplista podemos dizer que a troca de bytes é realizada através de um hardware que possui de um lado um escravo Interbus e do outro lado um escravo Profibus. E através de uma área de memória comum que foi previamente reservada durante a configuração do hardware tanto no mestre Interbus, quanto no mestre Profibus os bytes são compartilhados e assim os dois mestres possuirão a mesma informação, para leitura ou escrita nos diversos periféricos entre as redes. Esse mesmo princípio é aplicado também para a troca de informações entre dois Master Interbus. Troca de Informações entre um Mestre Interbus e Mestres AS-i Quando existe alguma aplicação especifica, onde agregados elétricos já possuem o protocolo As-i incorporados ao produto, é simples enviar a informação para o mestre Interbus. A arquitetura de Hardware proposta é a conexão de um mestre AS-i ao acoplador da rede Interbus, sendo que esse mestre é configurado como um módulo que irá ler a todos os agregados da rede AS-i e disponibilizá-lo de forma indexada a uma área de memória interna do módulo. A transferência e o sincronismo entre a memória local e a área de memória do mestre Interbus é feita através do principio PCP (Peripherals communication Protocol). Troca de informações entre a rede Interbus e Ethernet Uma outra possibilidade de troca de dados está fundamentada na troca de informações verticais, onde uma base de dados orientada a bit passa a compor um frame, como o Ethernet, onde todos os dados são disponibilizados também através de uma área de memória existente no hardware em questão, que é comumente chamado de Proxy de Interbus para Ethernet, sendo que o determinismo de tempo de ciclo da da rede Interbus é mantido, mas a transferência do pacote de dados do módulo para o cliente Ethernet se limitará ao comportamento da rede Ethernet. Conclusão O Interbus é um protocolo robusto e com aplicações diversas no quesito mídia de transmissão, onde em um mesmo projeto, trechos podem ser construídos em cabo de cobre, outros em fibra ótica, e outros em comunicação infra-vermelho, além de recursos inerentes ao protocolo que tornam a conexão de módulos simples e menos tendenciosa a erros. O circuito integrado, o SUPI, no qual o Interbus é desenvolvido, em suas últimas versões já possui características de diagnóstico de fibra ótica onde os trechos entre os acopladores de barramento são monitorados e medidos constantemente e o resultado da medição automática é disponibilizada ao sistema. O Interbus é apontado como uma rede de fácil manutenção, e que contribui em muito para a equipe de manutenção que tem buscado soluções com ótimo diagnóstico e fácil manuseio. Figura 9 - O princípio de troca de informações entre os dispositivos de campo e a área de memória do mestre Interbus 58