Universidade do Minho WALC-AI: Laboratório para Aprendizagem do Controlo e Automação Industrial ial endizag

Transcrição

1 Universidade do Minho Escola de Engenharia Nuno Daniel Carneiro de Carvalho WALC-AI: Laboratório para Aprendizagem do Controlo e Automação Industrial UMinho 2010 Nuno Daniel Carneiro de Carvalho WALC-AI: Laboratório para Aprendizagem do Controlo e Automação Industrial Outubro de 2010

2

3 Universidade do Minho Escola de Engenharia Nuno Daniel Carneiro de Carvalho WALC-AI: Laboratório para Aprendizagem do Controlo e Automação Industrial Tese de Mestrado Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de Mestre em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores Trabalho efectuado sob a orientação da Professora Doutora Filomena Maria Rocha Menezes Oliveira Soares Co-Orientadora: Professora Doutora Celina Maria Godinho Silva Pinto Leão Outubro de 2010

4 "O que temos que aprender a fazer, aprendemos fazendo." (Aristóteles) i

5 ii

6 Dissertação efectuada sobre a supervisão científica da Doutora Filomena Soares, Professora Associada do Departamento de Electrónica Industrial da Universidade do Minho e pela Doutora Celina P. Leão, Professora Auxiliar do Departamento Produção e Sistemas da Universidade do Minho iii

7 iv

8 Resumo Resumo Este trabalho foi desenvolvido no âmbito de uma Bolsa da FCT, Fundação para a Ciência e Tecnologia (UMINHO/BII/029/2009) e integra-se no projecto de investigação financiado também pela FCT, WALC, Web-assisted Control Studies (PTDC/ESC/68069/2006). O objectivo deste trabalho consiste no projecto e implementação de uma rede de autómatos que permite a comunicação remota e a ligação de diversos equipamentos (maquetas de simulação, como por exemplo, parques de estacionamento, casas inteligentes, estufas, entre outros). Esta rede terá a função de controlo e a agilidade de monitorização de processos. Para a implementação da rede de autómatos projectou-se e construiu-se um armário (Quadro eléctrico) onde foi realizada a centralização de todo o controlo do processo. Este armário contém um conjunto de autómatos que podem ser acedidos por diversas ferramentas de comunicação, sendo elas, RS232, RS485, Mechatrolink, Profibus, DeviceNet e por último e a mais importante da rede, a comunicação Ethernet. Esta última tem uma grande importância, dado que é através desta que se obtêm a porta de acesso para a programação e controlo remoto da rede e dos diversos equipamentos a ela ligados. Este projecto, para além de servir como ferramenta dedicada ao ensino, poderá também ser utilizado para demonstrações com fins industriais. Este facultará a acessibilidade remota entre o utilizador e a rede, com acesso local ou remoto, às várias ferramentas de comunicação e às maquetas de demonstração de casos de estudo. Palavra-chave: Protocolos e redes industriais. v

9 vi

10 Abstract Abstract This research was conducted under a scholarship from FCT, Foundation for Science and Technology (UMINHO/BII/029/2009) and it is included in the research project also funded by the FCT, "WALC, Web-assisted Control Studies" (PTDC/ESC/68069/2006). The aim of this project is the design and implementation of a network of programmable logic controllers (PLC), which allows remote communication and connection of multiple devices (demonstration kits, such as car parks, intelligent' houses, greenhouses, among others). This network will work as a control and as a monitoring process. A control cabinet was projected and built in order to create a PLC network. The centralization of all process control took place in this cabinet, which contains a set of PLC that can be accessed by several communication tools: RS232, RS485, Mechatrolink, Profibus, DeviceNet and finally the most important: the Ethernet communication. This last communication is a very important one because, through it, it is possible to get the access port to the programming and the remote control of the network and several equipments attached to it. This project beyond serving as a tool dedicated to teaching; it can also be used for industrial purposes. It will provide remote accessibility between the user and the network with local or remote access to several communication tools and models for case studies demonstration. Keywords: Protocols and industrial network vii

11 viii

12 Agradecimentos Agradecimentos Começo por agradecer as minhas orientadoras, Prof. Dr. Filomena Soares e a Prof. Dr. Celina P. Leão não só pela oportunidade que me deram para o desenvolvimento do projecto, mas também pelo apoio e ajuda dada durante todo este percurso. Agradeço aos meus amigos e colegas que me apoiaram e ajudaram em todos os momentos, não só no desenvolvimento desta dissertação mas também pela grande ajuda e apoio, que me deram para eu chegar a este grau académico, não poderia aqui deixar de agradecer ao Rodrigo Silveira pelos dias perdidos, na ajuda de solucionar nos muitos problemas encontrados durante este percurso, ao seu contributo dado a este projecto. Agradecer também ao Júlio Costa e ao Ricardo Freitas também eles me ajudaram a solucionar alguns problemas. Ao Hugo Fernandes, Raul Oliveira, Fernando Bourbón e ao Rui Peixoto pelo apoio e pela força que me deram para conclusão desta etapa académica. Agradeço ao engenheiro da empresa Omron, Eng. Osvaldo Azevedo, pelo apoio e fornecimento de documentação, para a construção da rede de autómatos. Aos funcionários das oficinas, Carlos Torres, Joel Almeida, Ângela Macedo, Paulo Silva e ao Engenheiro Rui Gomes, agradeço-lhes toda ajuda prestada, mostrando sempre disponibilidade na prestação dos seus devidos serviços. Agradeço também a minha família pela força dada em todos os momentos não só no meu percurso académico, mas em toda a minha vida. Agradeço aos meus pais pela confiança e oportunidade dada para a conclusão desta etapa. Gostaria de agradecer a todos aqueles que mesmo no anonimato me foram ajudando. A todos, os meus sinceros agradecimento e muito obrigado por tudo. ix

13 x

14 Índice Índice ÍNDICE... XI ÍNDICE DE FIGURAS... XV ÍNDICE DE TABELAS... XIX LISTA DE ACRÓNIMOS... XXI 1.INTRODUÇÃO ENQUADRAMENTO OBJECTIVO ORGANIZAÇÃO DO DOCUMENTO REDE DE AUTÓMATOS INDUSTRIAIS MODELO OSI FIELDBUS PROFIBUS Arquitectura do protocolo Profibus Profibus-DP Profibus-FMS Profibus-PA O meio físico do PROFIBUS PROFINET Profinet IO Profinet CBA AS-I DEVICENET CONTROLNET ETHERNET/IP CIP MODBUS Modbus RTU Modbus ASCII Modbus TCP Modbus Plus CAN LONWORKS xi

15 Índice 3.IMPLEMENTAÇÃO DA REDE DE AUTÓMATOS REDE ETHERNET Autómato Autómato Autómato SmartSlice Profinet I/O Unit REDE DEVICENET Autómato SmartSlice DeviceNet I/O Controlador de rede DeviceNet de segurança Terminais de entrada de temperatura REDE MECHATROLINK II Unidades de transmissão Servomotor REDE PROFIBUS Variador de frequência SmartSlice Profibus I/O REDE RS Autómato CP1L Módulo de expansão do autómato CP1L REDE RS Consola táctil Controlador de temperatura CONFIGURAÇÃO DA REDE DE AUTÓMATOS Configuração da rede Ethernet Configuração rede DeviceNet Configuração da rede Mechatrolink Configuração da rede Profibus Configuração da rede RS APLICAÇÃO PARA CONTROLO E MONITORIZAÇÃO DOS AUTÓMATOS MEMÓRIA DO CPU PROTOCOLO HOST LINK Formato das tramas Host Link Exemplos de tramas Host Link Software teste Host Link PROTOCOLO FINS Tramas FINS série Exemplos de tramas FINS série Software teste FINS série xii

16 Índice Tramas FINS Ethernet TCP Exemplos de tramas FINS Ethernet TCP Software teste FINS Ethernet TCP Tramas FINS Ethernet UDP Exemplos de tramas FINS Ethernet UDP Software teste FINS Ethernet UDP CASOS DE ESTUDO CONCLUSÃO E TRABALHO FUTURO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS xiii

17 Índice xiv

18 Índice de Figuras Índice de Figuras Figura 1 - Modelo OSI [22] Figura 2 - Modelo OSI Profibus Figura 3 - Cabeamento e terminação para transmissão RS-485 no PROFIBUS [28] Figura 4 - Rede de autómatos Figura 5 - Autómatos ligados por comunicação Ethernet Figura 6 - CJ1W-PA202 [48] Figura 7 - CPU13 ETN [48] Figura 8 - CJ1W-MCH72 [48] Figura 9 - CJ1W-PRM21 [48] Figura 10 - CJ1W-CT021 [48] Figura 11 - CJ2H-CPU64-EIP [48] Figura 12 - CJ1W-DRM21 [48] Figura 13 - CJ1W-ID211 [48] Figura 14 - CJ1W-OD212 [48] Figura 15 - ZFX-C15 [48] Figura 16 - ZFX-SC50 [48] Figura 17 SmartSlice Figura 18 - Rede DeviceNet Figura 19 - CJ1M-CPU11 [48] Figura 20 - CJ1W-SCU31-V1 [48] Figura 21 - SmartSlice DeviceNet Figura 22 - Controlador e equipamentos de segurança Figura 23 - NE1A-SCPU01-V1 [49] Figura 24 - DRT2-TS04T Figura 25 - Rede Mechatrolink Figura 26 - Unidade de transmissão Junma ML-II [52] Figura 27 - Servomotor Junma SJME-02AMB41-OY [48] Figura 28 - Rede Profibus Figura 29 - Variador [54] Figura 30 - SI-P1 Profibus-DP Figura 31 - PG-X2 - Carta realimentação vectorial xv

19 Índice de Figuras Figura 32 - E6B2-CWZ1X encoder [48] Figura 33 - Sistema de E/S SmartSlice Figura 34 - Rede RS Figura 35 - CP1L-M30DR-A [57] Figura 36 - CP1W-MAD11 [57] Figura 37 - Rede RS Figura 38 - NS5-SQ10B-V2 [58] Figura 39 - Controlador E5CN [59] Figura 40 - Esquema de ligação da rede de autómatos Figura 41 - Routing Tables PLC Figura 42 - Routing Tables PLC Figura 43 - IO Table PLC Figura 44 - IO Table PLC Figura 45 - Janela de Configuração PLC Figura 46 - Janela de Configuração PLC Figura 47 - Configuração DeviceNet Figura 48 - Configuração do autómato Figura 49 - Configuração da carta Mechatrolink Figura 50 - Características do servo drive Figura 51 - Teste ao servo driver Figura 52 - CX-Drive para testar o servo motor Figura 53 - Configuração da comunicação Figura 54 - SmartSlice configuração do nó Figura 55 - SmartSlice configuração das unidades Figura 56 - Configuração S1-P Figura 57 - Posições de memória das entradas Figura 58 - Posições de memória das saídas Figura 59 - CX-Programmer Figura 60 - CX-programmer IO Table Figura 61 - Unidades Existentes no PLC Figura 62 - Janela de configuração Figura 63 - Definições do PLC Figura 64 - Ligação RS232 do PLC a um PC Figura 65 - Ligação RS485 do PLC a um PC xvi

20 Índice de Figuras Figura 66 - Trama enviado pelo PC [61] Figura 67 - Trama de resposta enviado pelo PLC ao PC [61] Figura 68 - Trama de resposta de erro [61] Figura 69 - Painel frontal Figura 70 - Tipo de áreas de memória Figura 71 - Janela da área de memória CIO, leitura Figura 72 - Janela da área de memória DM, escrita Figura 73 - Rede de autómatos Figura 74 - Blocos da trama de comando Figura 75 - Blocos da trama de resposta Figura 76 - Trama de comando FINS [62] Figura 77 - Trama de resposta FINS [62] Figura 78 - Exemplo sub-rede Figura 79 - Janela FINS Série Figura 80 - Janela Fins Série Figura 81 - Blocos da trama de comando Ethernet TCP Figura 82 - Blocos da trama de resposta Ethernet TCP Figura 83 - Janela FINS Ethernet Figura 84 - Janela FINS Ethernet Figura 85 - Bloco da trama de comando Figura 86 - Bloco da trama de resposta Figura 87 - Janela FINS Ethernet UDP Figura 88 - Janela FINS Ethernet UDP Figura 89 - Protótipo do armário Figura 90 - Armário construído para a implementação da rede de autómatos Figura 91 - Armário e a maqueta Casa Inteligente Figura 92 - Iluminação escadas Figura 93 - Sensor de movimento Figura 94 - Placa de comando (4 Botões de pressão e 3 leds) Figura 95 - Janela com detector de intrusão Figura 96 - Controlador de temperatura Figura 97 - Porta de entrada Figura 98 - Painel de monitorização remoto da Casa Inteligente e respectivo painel de controlo xvii

21 Índice de Figuras Figura 99 - Painel de monitorização remota da Casa Inteligente através de vídeo câmara Figura Página Web com visualização do painel Figura Página Web com visualização do painel xviii

22 Índice de Tabelas Índice de Tabelas Tabela 1 - Comprimento em função da velocidade de transmissão [26] Tabela 2 - Características do servo motor [52] Tabela 3 - Escrever na memória CIO, posição 1 o valor Tabela 4 - Escrever na memória CIO, a partir da posição 1 o valor 10 e Tabela 5 - Ler da memória CIO, posição Tabela 6 - Ler da memória CIO, a partir da posição Tabela 7 - Modo Program Tabela 8 - Modo Monitor Tabela 9 - Modo RUN Tabela 10 - Verificar qual é o modo de operação Tabela 11 - Trama FINS série de escrita Tabela 12 - Trama FINS série de leitura Tabela 13 - Trama de escrita num PLC de uma sub-rede Tabela 14 - Trama de leitura num PLC de uma sub-rede Tabela 15 - Modo RUN Tabela 16 - Modo Monitor Tabela 17 - Modo Program Tabela 18 - Trama TCP que estabelece a comunicação Tabela 19 - Trama TCP de escrita Tabela 20 - Trama TCP de leitura Tabela 21 - Trama UDP de escrita Tabela 22 - Trama UDP de leitura Tabela 23 - Trama UDP modo PROGRAM Tabela 24 - Trama UDP modo MONITOR Tabela 25 - Trama UDP modo RUN xix

23 Índice de Tabelas xx

24 Lista de Acrónimos Lista de Acrónimos CPU Central Processing Unit (Unidade Central de Processamento) DEI Departamento de Electrónica Industrial DEM Departamento de Engenharia Mecânica DPS Departamento de Produção e Sistemas EIA232 Electronic Industries Alliance232 EIA485 Electronic Industries Alliance485 FCT Fundação para a Ciência e a Tecnologia FINS Factory Interface Network Service I/O INPUT/OUTPUT IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers LabVIEW Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench LAN Local Area Networks PC Personal Computer PLC Programmable Logic Controller RS232 Recommended Standard 232 RS485 Recommended Standard 485 xxi

25 Lista de Acrónimos xxii

26 Capitulo 1-Introdução 1.Introdução Automação pode ser definida como o processo de seguir uma sequência predefinida de uma operação com pouco ou nenhuma utilização de mão-de-obra humana. No seu sentido pleno, Automação é conseguida através do uso de uma variedade de dispositivos [1]. Também pode ser definida como um processo industrial, onde várias operações são executadas. Os processos modernos e actualizados são principalmente controlados por programas de computadores. Desta forma, os sistemas de automação permitem monitorizar e controlar o funcionamento de um processo de forma segura utilizando, para isso, vários meios de comunicação entre os quais, controladores lógicos programáveis (PLC) e estações remotas de entradas e saídas de sinais eléctricos (Remotas I/O). A utilização de sistemas automatizados diminui os custos de mão-de-obra, aumenta a qualidade dos produtos, sendo simples integrar um sistema automatizado numa rede industrial. O controlo e monitorização da rede permitem a eficácia de acesso e gestão dessas redes. Estão disponíveis várias comunicações que podem ser utilizadas nas redes industriais, tais como, Fieldbus, Profibust, Devicenet, Modbus, entre outras. Uma rede industrial utilizando qualquer um destes tipos de protocolos dá a possibilidade ao utilizar de aceder a diversos autómatos ligados entre si. Existem no mercado diversos dispositivos automatizados que implementam estes protocolos, permitindo assim ao utilizador uma fácil implementação desses dispositivos numa rede industrial. Os próprios fabricantes de autómatos já disponibilizam autómatos com vários protocolos de comunicação possibilitando a implementação dos seus produtos em qualquer rede industrial. A velocidade e a localização de acesso às redes tem vindo a aumentar, bem como os protocolos de acesso remoto nomeadamente protocolos Profinet, Ethernet/IP, entre outros. As redes industriais têm imensas vantagens, não só pela facilidade acesso, mas também por ser possível conectar diversos autómatos e partilhar dados entre si aumentando assim a sua autonomia. A esses autómatos podem estar ligados diversos sensores, actuadores e controladores [2]. 1

27 Capitulo 1-Introdução As redes industriais permitem a transmissão de dados de uma forma rápida e fiável. São também conhecidas como sistemas distribuídos, isto é, processos que trabalham de forma síncrona, descentralizados, realizada por dois ou mais sistemas computacionais. Este tipo de organização é vantajosa devido à sua distribuição e sua independência em relação aos outros sistemas computacionais. Este tipo de projectos tem vindo a ganhar uma certa importância no ensino, devido a sua integração como método de aprendizagem dos alunos. Com a disponibilidade de acesso remoto a uma rede industrial, o aluno tem oportunidade de testar, com casos de estudo reais, o conhecimento adquirido sobre este tipo de processos. Este tipo de ensino é particularmente importante para alunos da área de engenharia, onde esta ferramenta pode ser utilizada como demonstração da aprendizagem dos conceitos teóricos. É a aplicação do conceito Aprender fazendo [3]. Este tipo de laboratórios requer, no entanto, muito equipamento, sendo grande parte deles dispendiosos. A construção de um laboratório depende da sua organização e de meios de financiamento. Para além destes problemas um laboratório requer espaço físico e pessoal especializado. Utilizando a Internet como porta de acesso a estes laboratórios facilita a utilização destes laboratórios, diminuindo assim espaço de ocupação e minimizando mão-de-obra especializada. Com a disponibilidade de acesso a estes laboratórios via Internet o aluno pode testar os seus conhecimentos a partir de qualquer lugar [4-7]. Laboratórios remotos tem um papel importante nos dias de hoje, quer a nível de ensino, quer a nível industrial. Permitem testar, monitorizar, controlar, programar, diferentes casos de estudo. Actualmente, existem vários projectos relacionados com laboratórios remotos, todos eles com o mesmo objectivo, melhorar e aumentar a qualidade de ensino e formação [8-12]. Como exemplo de investigação neste campo, o Departamento de Electrónica Industrial da Universidade do Minho disponibiliza vários laboratórios via Web capazes de solucionar problemas de electrónica, de controlo de processos e de automação. Estes laboratórios funcionam em modo virtual ou remoto [4]; o LabTEVE (Laboratório de Tecnologias para o Ensino Virtual e Estatística) tem como principal objectivo, o ensino a distância, sistemas de realidade virtual e computação gráfica. [13]; 2

28 Capitulo 1-Introdução FEUPLabs (Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto) fornece também a possibilidade de aceder a diversos projectos e testar remotamente experiências reais [14]. 1.1.Enquadramento Com o desenvolvimento da tecnologia e a necessidade de adaptação entre máquinas e sistemas de controlo, as redes industriais têm assumido um papel importante. Com a evolução dos mercados e da tecnologia e devido as exigências dos consumidores, torna-se necessário uma maior integração entre máquinas e sistemas de controlo. Esta dissertação foi desenvolvida com o apoio de duas bolsas de investigação, uma bolsa BII (Bolsa de integração na investigação, UMINHO/BII/029/2009,) e uma bolsa BIC (Bolsa de iniciação cientifica, UMINHO/BIC/015/2010) no âmbito de um projecto de investigação, financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia, em parceria com quatro departamentos da Escola de Engenharia da Universidade do Minho (Electrónica Industrial, Produção e Sistemas, Engenharia Mecânica e Sistemas de Informação) e com a empresa industrial de automação Omron (WALC - Web Assisted Laboratory for Control PTDC/ESC/68069/2006). Neste contexto, e através da criação da plataforma WALC propõe-se disponibilizar um espaço em ambiente Web, para uso pedagógico ao nível de graduação e também ao nível mais avançado de estudos de pós-graduação, de um laboratório virtual e remoto aplicado ao ensino de Automação e Controlo em Engenharia 1.2.Objectivo O objectivo deste projecto consiste no desenho e implementação de uma rede de autómatos, que permite a comunicação remota e a ligação de diversos equipamentos (maquetas de simulação, como por exemplo, parques de estacionamento, casas domótica, estufas, entre outros), tendo esta rede a função de controlo e a agilidade de monitorização de processos. 3

29 Capitulo 1-Introdução Uma outra finalidade consiste em permitir ao utilizador conhecer as características dos sistemas de comunicação industrial. Será possível ao utilizador instalar, configurar e gerir uma rede industrial entre PLCs e dispositivos controladores I/O, além de conhecer os procedimentos de manutenção preventiva e correctiva, permitindo o domínio sobre a operação dos sistemas industriais. O projecto tem ainda como objectivo dar conhecimento e formação no âmbito do controlo e automação industrial, tendo como conceitos essenciais o domínio da automação industrial. Estes conhecimentos possibilitam a programação de controladores lógicos, conceitos e práticas no domínio das tecnologias envolvidas na automação e sistemas industriais, bem como a possibilidade de ligação de dispositivos com protocolos de comunicação diferentes. 1.3.Organização do documento Este documento está dividido em 5 capítulos. No primeiro capítulo é feita uma breve introdução, onde são descritos os objectivos, o enquadramento e a motivação do projecto. No segundo capítulo são apresentados os conceitos de automação e redes industriais, onde também se faz uma breve descrição das redes existentes no mercado e o seu funcionamento. No terceiro capítulo é feito o enquadramento da rede utilizada no projecto. As redes de comunicação utilizadas na rede de autómatos são descritas bem como a sua instalação. O quarto capítulo aborda os protocolos a utilizar na rede de autómatos construída. São apresentados alguns testes feitos com esses protocolos, e o software desenvolvido para a realização dos mesmos. No quinto capítulo é descrito o caso de estudo onde são apresentados alguns casos práticos em que é possível inserir este projecto. Por último apresentam-se as conclusões e as perspectivas futuras de desenvolvimento do trabalho. 4

30 Capitulo 2- Rede de autómatos Industriais 2.Rede de autómatos Industriais As redes industriais permitem a transmissão de dados de uma forma rápida e fiável, essencial a qualquer processo produtivo. As redes industriais são conhecidas como sistemas distribuídos, isto é, processos que trabalham de forma síncrona, descentralizados, realizada por dois ou mais sistemas computacionais independentes ligados por meio de comunicação com ou sem fios, a fim de supervisionar e controlar um determinado sistema. Estes sistemas utilizam sensores, actuadores, controladores, que necessitam de estar ligados entre si de forma a desenvolver uma comunicação de informação de uma forma rápida e sem erro. Este tipo de organização é vantajosa devido à sua distribuição e sua independência em relação aos outros sistemas computacionais, que se encontram na rede, o que permite ao utilizador alterar a rede conforme as suas necessidades sem perturbar a rede já existente. Existe no mercado uma variedade de empresas especializadas no desenvolvimento e da integração dessas redes de comunicação industrial. Nas redes industriais os sistemas de transmissão de dados começaram de uma forma muito simples, com conexões através de RS-232 e RS-485, mas com a evolução dos mercados, as indústrias tiveram de aumentar as velocidades e a eficácia das comunicações; foram obrigadas a criar tecnologias próprias, protocolos, software e hardware que se adequassem às suas necessidades [15]. Cada fabricante tem tendência a construir um sistema muito próprio, o que leva a dificuldades de interacção entre equipamentos de diferentes fabricantes. Como consequência, foi necessário criar protocolos abertos de modo que se possam encontrar soluções para resolver os problemas de aquisição de equipamentos que suportem diferentes comunicações. Permite-se, assim, a existência de uma interligação entre dispositivos com diferentes protocolos de comunicação e diferentes marcas [16]. A maioria das redes de comunicação existentes é construída para automação industrial. O desenvolvimento desta rede proporciona uma melhor eficácia e controlo dos processos, diminui o número de cabos utilizados para a sua comunicação, simplificando assim as suas ligações. No mercado existem diversas empresas que construíram variados dispositivos com diversos tipos de comunicações e protocolos: DeviceNet [17], ControlNet, Ethernet/IP 5

31 Capitulo 2-Rede de autómatos Industriais (responsabilidade da organização ODVA (Open DeviceNet Vendors Association)) [18]; protocolos ASI, Profibus DP, PA, FMS e Profinet [19], os protocolos Modbus, Modbus Plus, Modbus TCP. A fundação Fieldbus é a responsável pelo desenvolvimento do protocolo Foundation Fieldbus H1, H2 e HSE [20], existindo ainda outros protocolos desenvolvidos por outras instituições protocolos como, CAN, LonWorks, entre outros [21] Modelo OSI Modelo OSI (Open Systems Interconnection) foi criado para a necessidade de existir um modelo standard no desenvolvimento de redes de comunicações industriais. Este modelo está dividido em sete camadas que definem o processo necessário para o envio das mensagens entre redes de comunicação [22] (Figura 1). A organização responsável pela criação e desenvolvimento deste modelo é a organização ISO (Internacional Organization for Standardization), primeira organização responsável pelo desenvolvimento das comunicações entre computadores [23]. Figura 1 - Modelo OSI [22]. O desenvolvimento de uma rede industrial tem de respeitar o seguimento destas camadas; não é necessário implementar todas as camadas mas é obrigatório cumprir as regras de seguimento das camadas do modelo OSI [24]. 6

32 Capitulo 2- Rede de autómatos Industriais A sétima (7º Aplicação) camada define o Software de aplicação do utilizador e as camadas inferiores. A sexta camada (6º apresentação) trata da descodificação de dados. A quinta camada (5º sessão) estabelece, mantém e coordena o intercâmbio de dados entre emissor e receptor durante a comunicação. A quarta camada (4º Transporte) controlo de fluxo de informação recebida e transmitida, verifica a correcção da entrega das mensagens. A terceira camada (3º rede) diz respeito à ligação dos caminhos da rede ou interligação da rede. A segunda camada (2º Ligação de dados) controla o acesso e a transmissão aos meios físicos e a recepção de dados. E por fim a primeira camada (1º Camada Física) define as características do meio físico da rede, conectores, interface, codificação ou modelação de sinais [25]. O objectivo da existência deste modelo é a possibilidade da construção de um protocolo de uma rede industrial, com facilidade de implementação num meio de comunicação já existente. Os protocolos de comunicação existentes no mercado seguem as normas deste modelo devido à sua facilidade de adaptação às necessidades da indústria, a integração de redes com protocolos de diferentes fabricantes comunicar-se entre si. Com a criação deste modelo surgiram os protocolos abertos, como por exemplo Profibus, DeviceNet, Modbus, entre outros. São protocolos que operam sobre hardware existente no mercado, com capacidade de implementar uma rede de comunicação de dados entre si, com grande facilidade. 2.2.Fieldbus A tecnologia Fieldbus começou com as primeiras tentativas de distribuir a funcionalidade de controlo ao nível de campo. Fieldbus ou rede de comunicação de campo como pode ser também chamada, é uma rede muito utilizada devido à sua comunicação ser totalmente digital, em serie e bidireccional. Este protocolo apresenta várias vantagens, sendo elas: Redução de número de fios; Comunicações de múltiplas variáveis do processo a partir de um único instrumento; Diagnósticos avançados; Interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes; 7

33 Capitulo 2-Rede de autómatos Industriais Nível de controlo de campo melhorado; Integração mais simples. Fieldbus é uma tecnologia controlada pela fundação Fieldbus Foundation, uma fundação sem fundos lucrativos. O Foundation Fieldbus mantém muitas das características operacionais do sistema analógico 4-20 ma, tais como uma interface física padronizada da cablagem, os dispositivos alimentados por um único par de fios e as opções de segurança intrínseca, mas oferece uma série de benefícios adicionais aos utilizadores [26]. Mas foi na década de 1980 que existiu um maior desenvolvimento de dispositivos com este padrão de comunicação. Foi devido ao esforço dos membros da comissão do ISA SP50 que durante anos definiram os requisitos técnicos e a criar um consenso de padronização desta rede. Fieldbus é uma rede de transmissão de dados para comunicação entre equipamentos de instrumentação, tais como, actuadores e controladores. Fieldbus é uma rede digital, serial, half-duplex e multidrop. Esta rede é digital porque as instruções transmitidas na rede é definida pelo protocolo Fieldbus série porque as mensagens transmitidas e recebidas são feitas bit a bit, half-duplex porque a transmissão é bidireccional e multidrop porque permite a comunicação entre diversos equipamentos ligados na rede. Este protocolo surgiu com o intuito de padronizar as ligações entre equipamentos construídos por diferentes fabricantes. Quase todos os fabricantes mundiais de instrumentação constroem os seus equipamentos com base neste protocolo. O protocolo Fieldbus é baseado no modelo OSI (OSI, Open System Interconnection) [27]. 2.3.Profibus Profibus (Process Field Bus) é uma das redes mais bem sucedidas do mundo, este protocolo é baseado na rede de comunicação Fieldbus, visto que este também suporta uma cablagem única (dois pares de condutores trançados), isto é podem ser ligada vários dispositivos em barramento, reduzindo assim o número de fios utilizados para a construção de uma linha de produção. Com uma rede Profibus para a além da vantagem da redução de fios, também é possível obter uma maior supervisionamento da rede, isto é, 8

34 Capitulo 2- Rede de autómatos Industriais é possível garantir um melhor controlo e diagnostico na linha, permitindo assim um maior controlo não só na produção mas também dos dispositivos usados na rede [28]. O protocolo Profibus é actualmente o protocolo mais conhecido no mundo das comunicações industriais. É um protocolo aberto, sendo que existem vários fabricantes independentes que constroem equipamentos que utilizam este protocolo como meio de comunicação. É um protocolo baseado no modelo OSI garantindo que os equipamentos de diferentes fabricantes destes dispositivos podem se comunicar entre si com a maior facilidade. O seu desenvolvimento foi iniciado pela BMFT (German Federal Ministry of Research and Technology) em parceria com vários fabricantes de automação em Este protocolo foi definido entre 1991 e 1993 com a norma DIN 19245, sendo que em 1996 passou a ser chamada de EN e em 1999 foi incluída nas normas IEC 61158/IEC 61784; actualmente a sua normalização e actualizado é feita pela Profibus International. O hardware das redes Profibus é implementado em ASIC (application specific integrated circuit) chips produzidos por vários fabricantes, e baseia-se na padronização RS-485. Este tipo de rede suporta até 127 nós, com uma distância no máximo de 24 km (com repetidores e utilizando fibra óptica para a transmissão de dados), e velocidades de transmissão de 9600 bps até 12 Mbps. As mensagens transmitidas podem ter até 244 bytes de dados por nó. Actualmente existe três versões diferentes de Profibus, Profibus-DP (Decentrallised Periphery), Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification) e Profibus- PA (Process Automation) [26-28] Arquitectura do protocolo Profibus A arquitectura do protocolo Profibus baseias-se no modelo OSI (Open System Interconnection), Figura 2, sendo que a primeira camada define as características físicas de transmissão, a segunda camada define o protocolo de acesso ao barramento e a sétima camada define a funções de aplicação, as restantes camadas como se pode ver na figura não são utilizadas. 9

35 Capitulo 2-Rede de autómatos Industriais Figura 2 - Modelo OSI Profibus Profibus-DP O Profibus DP foi a primeira versão criado do protocolo Profibus. Este protocolo é a solução de alta velocidade do Profibus. A sua criação foi feita especialmente para as comunicações entre autómatos e equipamentos descentralizados. O Profibus DP foi criado para se obter alta velocidade de transmissão de dados entre sensores e actuadores. O módulo mestre deste protocolo lê os dados de entrada do escravo e envia os dados de saída de volta para o escravo. Utiliza o meio físico RS-485 ou fibra óptica e pode ser ligado à rede 126 nós [26-27] Profibus-FMS Profibus FMS é uma evolução do Profibus DP. Foi especialmente construído para a comunicação entre mestres da comunicação Profibus (multi-master/peer-to-peer), e é conhecido por enviar mensagens ponto a ponto fazendo com que os dispositivos mestres possam se comunicar entre si. Tal como o Profibus DP, este também pode ligar-se na mesma rede até 126 nós, sendo que todos os dispositivos conectados a rede podem ser mestres [26-27]. 10

36 Capitulo 2- Rede de autómatos Industriais Profibus-PA Profibus PA a versão mais moderna deste protocolo. Este protocolo é semelhante ao Profibus DP V1, a diferença é que este tem os níveis de tensão e corrente mais reduzida para se obter os requisitos de segurança intrínseca para a indústria de processo [26-27] O meio físico do PROFIBUS O Profibus usa como meio físico a transmissão RS-485, embora para grandes distâncias pode ser usada a fibra óptica (distancias superiores a 80Km). As principais características desta comunicação são: Transmissão assíncrona NRZ (non-return to zero); Baud rate de 9.6kBit/s a 12 Mbit/s, seleccionáveis; Par trançado com blindagem; 32 Estações por segmento, máx. 127 estações; Distância depende da taxa de transmissão (Tabela 1); Distância expansível até 10Km com o uso de repetidores. A rede é construída em forma de barramento o que permite a fácil remoção ou a ligação de um novo equipamento sem que este influencie o funcionamento dos já existentes. Quando a rede Profibus é configurada é estabelecida uma taxa de transmissão igual para todos os dispositivos do barramento. No barramento Profibus é necessário indicar o fim da rede; para isso é necessário ligar o fim de cada linha de dados da rede com umas resistências à alimentação da linha, como se pode verificar na Figura 3. Nessa figura podem-se visualizar as resistências de terminação do barramento e o esquemático de ligação dos dispositivos à rede. 11

37 Capitulo 2-Rede de autómatos Industriais Figura 3 - Cabeamento e terminação para transmissão RS-485 no PROFIBUS [28]. Caso o barramento seja muito extenso ou tenha mais de 32 dispositivos deve-se usar repetidores. A velocidade de transmissão depende da distância. A Tabela 1 apresenta a relação do comprimento do barramento com a velocidade de transmissão. Tabela 1 - Comprimento em função da velocidade de transmissão [26]. Baud rate (kbit/s) Comprimento (m) Profinet Profinet (Process Field Net) é uma rede de padrão Ethernet industrial criada para a automação industrial, é uma rede semelhante ao Profibu. Esta comunicação tira o proveito da Ethernet e do TCP/IP para a comunicação em tempo real. O Profinet tem um alcance mais amplo que o Profibus; permitem a integração com as infra-estruturas de TI (Tecnologia da Informação) e com a Internet [29]. Este protocolo é um modelo que engloba todas as exigências para o uso de Ethernet na automação industrial, abrange a comunicação no nível de controlo, programação das entradas/saídas e controlo avançado de movimento, é portanto um protocolo que se adequa para todos as aplicações de automação industrial. Profinet apresenta duas possibilidades, sendo um o Profinet IO (Input/Output) para a adaptação de entradas/saídas distribuídas e o Profinet CBA (Component Based Automation) para a criação de redes modulares em automação distribuída [30]. 12

38 Capitulo 2- Rede de autómatos Industriais Profinet IO Este protocolo é idêntico ao Profibus DP só que em Ethernet. Profinet IO permite interface directa de dispositivos de campo descentralizada na Ethernet. Todos os dispositivos são conectados em uma estrutura de rede compatível, o que proporciona uma comunicação aberta ao longo de todo sistema produtivo [30]. Profinet IO usa três canais distintos de comunicação para a troca de dados entre os autómatos programáveis e os outros dispositivos. Usa TCP/IP para a parametrização, configuração e ciclos de leitura/gravação de operações. Em tempo real (RT), é usado para a transferência de dados padrão cíclicos e alarmes de comunicação RT ignorando o padrão TCP/IP (interface para agilizar a troca de dados com os autómatos programáveis) [30] Profinet CBA Profinet CBA (Component Based Automation) é uma rede de alto nível para aplicações de automação industrial. Profinet CBA usa como meio físico o tradicional hardware Ethernet e software para definir a estrutura da rede, desde a sua configuração, gestão de acessos e controlo de dispositivos de automação industrial. A Profinet CBA foi criada com base na estrutura de interface de objecto definido pelo Distributed Component Object Model (DCOM). DCOM é uma tecnologia da Microsoft para a criação de componentes de softwares distribuídos em computadores ligados em rede. O DCOM é uma extensão do COM (também da Microsoft COM- Component Object Model) para a comunicação entre objectos em sistemas distribuídos. DCOM é uma boa tecnologia escolhida para este sistema, pois é um mecanismo orientado ao objecto, podendo assim com facilidade localizar, transferir e fazer pedidos de transferência entre cliente e servidor [30-31]. 13

39 Capitulo 2-Rede de autómatos Industriais 2.5. AS-I AS-I (Actuator Sensor Interface), ASI é uma rede que foi desenvolvida por vários fabricantes, sendo alguns deles, Siemens, Allen Bradley, Banner Engineering, Telemecanique, Festo, Omron, entre outros [26]. Este protocolo é muito utilizado em redes industriais de automação, em sistemas de automação baseados em PC. Este protocolo é utilizado para ligações de dispositivos de entrada/saída, como por exemplo, dispositivos de entradas e saídas digitais (ON/OFF) como actuadores, sensores, encoderes rotativos, entrada e saídas analógicas, botões, sensores de posição de válvulas, entre outros. Dispositivos estes que só comunicam através de um par de condutores. Assim com este protocolo reduz-se o número de fios e aumenta-se a facilidade de adicionar novos equipamentos [26], [32]. AS-I é um protocolo aberto baseado na IEC62026 e EN 50295, esta tecnologia pode ser conectada em anel, árvore ou estrela, até 100 metros, a energia fornecida pela fonte à rede é de 24V, que pode necessitar até 8A na rede [33]. 2.6.DeviceNET O protocolo de comunicação DeviceNet é um protocolo muito utilizado em sistemas para redes industriais para a troca de dados entre equipamentos de controlo. Este protocolo de comunicação é baseado no protocolo CAN (Controller Area Network, tecnologia desenvolvida pela Bosch), o protocolo DeviceNet foi desenvolvido pela companhia Allen-Bradley que actualmente pertence a empresa Rockwell Automation [17]. A rede DeviceNet possui um protocolo aberto. A Rockwell Automation decidiu partilhar a sua tecnologia com outros fabricantes. Após esta partilha este protocolo passou a ser gerido pela Open DeviceNet Vendors Association (ODVA). A ODVA é uma organização independente que apoia alguns protocolos abertos existentes no mercado. Esta organização é a responsável pela especificação das normas e supervisiona os avanços deste protocolo [18], [34]. 14

40 Capitulo 2- Rede de autómatos Industriais 2.7.ControlNet ControlNet é um protocolo aberto para aplicações de redes industriais. A gestão deste protocolo é feita também pela organização ODVA. A rede ControlNet utiliza e baseia-se no protocolo Common Industrial Protocol (CIP, protocolo gerido também pela organização ODVA) para combinar a funcionalidade de um I/O e uma rede ponto a ponto, proporcionando um desempenho de alta velocidade para ambas as funções [18], [35-36]. 2.8.EtherNet/IP EtherNet/IP é um dos protocolos mais desenvolvidos e completos, existentes actualmente no mercado. Este protocolo foi introduzido no mercado por volta de EtherNet/IP é mais um protocolo que utiliza o protocolo CIP. EtherNet/IP fornece ao utilizador ferramentas para implantar a tecnologia de rede Ethernet para aplicações industriais, possibilitando assim um controlo remoto dos equipamentos, sendo possível obter dados a qualquer hora e em qualquer lugar [37]. EtherNet/IP permite gerir eficazmente o controlo em tempo real e fluxo de informação em toda a indústria. Este protocolo pode levar a confusão da conhecida rede Ethernet ou a internet mas é só um protocolo de comunicação, que pode ser utilizado para o controlo e programação de autómatos. EtherNet/IP é um protocolo de camadas de aplicação industrial, em que o IP de vem em EtherNet/IP, não é uma abreviatura de Internet Protocol, mas sim o significado de Industrial Protocol. A Ethernet/IP é construída sobre os protocolos TCP/IP, esta interface utiliza hardware e software já estabelecidos para definir um protocolo de camada de aplicação para a configuração, acesso e controlo de dispositivos de automação industrial [18]. 2.9.CIP Rede Common Industrial Protocol (CIP), é um protocolo aberto. Este protocolo pode utilizar diferentes camadas de protocolos de comunicação, tais como DeviceNet, ControlNet e Ethernet/IP. Uma das vantagens de utilizar redes CIP é a capacidade de 15

41 Capitulo 2-Rede de autómatos Industriais alterar uma mensagem proveniente desta rede, como por exemplo DeviceNet, e passar essa mensagem para outra rede CIP, como a EtherNet/IP. Assim os utilizadores destes tipos de redes podem adicionar equipamentos novos aos já existentes. O protocolo CIP foi desenvolvido de maneira que fosse expansível, permitindo a existência de novos serviços como CIP Motion, CIP Sync ou CIP Safety, sejam adicionados, sem a necessidade de reconstruir a rede básica. O protocolo CIP é também gerido pela organização ODVA [38] Modbus Modbus é um protocolo de comunicação criado pela empresa Modicon (Modicom empresa que foi adquirida pelo grupo Schneider Electric), e é utilizado em sistemas de automação industrial. Actualmente este protocolo é gerido pela organização Modbus Organization, que fornece a infra-estrutura e partilha a informação sobre o protocolo para a sua utilização na construção de equipamentos, fazendo com que várias empresas construam diversos dispositivos com este protocolo. Assim ligação entre dispositivos de diferentes marcas vem facilitada, o que o torna num protocolo muito utilizado devido a sua fácil aplicação. O protocolo Modbus é protocolo que utiliza diferentes meios físicos para a sua comunicação, entre eles, RS-232, RS-485 e Ethernet, sendo que o seu funcionamento de comunicação, é sempre de mestre/escravo ou servidor/cliente. Este protocolo está dividido em duas variações, Modbus RTU e Modbus ASCII [26-27], [39-40] Modbus RTU No Modbus RTU (Remote Terminal Unit) o envio de dados é feito em tramas de oito bits. Modbus RTU utiliza o formato de codificação binário o que torna as mensagens ilegíveis, mas deste modo reduz o tamanho de cada mensagem o que permite uma maior troca de dados no mesmo intervalo de tempo. Um dispositivo configurado com o modo Modbus ASCII não é capaz de descodificar uma mensagem em Modbus RTU e viceversa [27], [39-41]. 16

42 Capitulo 2- Rede de autómatos Industriais Modbus ASCII No protocolo Modbus ASCII (American Standard Code for Information Interchange) em cada mensagem é enviado dois caracteres sem geração de erros. Deste modo todas as mensagens são codificadas em valores hexadecimais, representadas com caracteres legíveis ASCII, sendo utilizados somente os caracteres de 0 a 9 e A a F para a codificação das mensagens. O modo Modbus ASCII está dividido em duas partes, Modbus TCP e Modbus Plus [27], [39-40] Modbus TCP Modbus TCP/IP (Transmission Control Protocol, Internet Protocol), é usado para comunicações entre sistemas de supervisão e controladores lógicos programáveis. O protocolo Modbus é encapsulado no protocolo TCP/IP e transmitido de redes padrão Ethernet com controlo de acesso ao meio por CSMA/CD [42] Modbus Plus Modbus Plus é um mestre/escravo Fieldbus baseada na comunicação RS-485, tecnologia de transmissão e um protocolo de passagem de testemunho (token) para aplicações de controlo industrial. Dispositivos de rede podem trocar mensagens de controlo e acompanhamento dos processos em locais remotos na planta industrial [43] CAN A rede CAN (Controller-area network) foi criada por uma empresa alemã para aplicações de automação industrial; e baseia-se no mecanismo de comunicação broadcast, ou seja, baseia-se num protocolo de transporte orientado a mensagem. Este protocolo define o conteúdo da mensagem. Cada mensagem tem um identificador de mensagem, que é único na rede que define o conteúdo e também a prioridade da mensagem. Isso é importante quando várias estações competem pelo acesso ao barramento [44-45]. 17

43 Capitulo 2-Rede de autómatos Industriais 2.12.LonWorks LonWorks é um protocolo aberto muito conhecido no meio da indústria de automação. LonWorks é um protocolo criado para a necessidade de redução de custos e do aumento da qualidade das redes industriais. Este protocolo é baseado na tecnologia de barramento com o padrão analógico de 4-20mA. A tecnologia LonWorks é baseado num outro protocolo chamado LonTalk, sendo que este cumpre as regras definidas nas camadas do modelo OSI. LonWorks foi criado pela Echelon, sendo conhecido como ISSO / IEC [46-47]. Este protocolo pode ser aplicado em equipamentos utilizados em: Linhas de montagem; Fabricação de semicondutores; Controlo de iluminação; Controlo e gestão de Energia; Sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado; Sistemas da segurança; Automação residencial; Controlos de dispositivos genéricos; Iluminação de rua e controlos públicos; Controlo da estação de Petróleo; Controlo de freios em trens de carga. 18

44 Capitulo 3- Implementação da rede de autómatos 3.Implementação da rede de autómatos A rede de autómatos implementada é constituída por vários autómatos com diferentes funcionalidades e diferentes ferramentas de comunicação. Sendo assim, dá a possibilidade ao utilizador de trabalhar com a rede através de ferramentas de comunicação com Ethernet, DeviceNet, Mechatrolink, Profibus, RS485 e RS232. Estas ferramentas de comunicação são utilizadas para a programação e monitorização dos controladores lógicos e sistemas industriais. Na Figura 4 é apresentada a rede construída para a concretização do projecto. Através das diferentes cores representadas na figura são apresentados os vários tipos de comunicação a utilizar. Sendo assim a linha verde representa a comunicação DeviceNet, tendo esta como função a troca de dados entre dispositivos de controlo (autómatos), dispositivos de segurança e dispositivos de controlo de entradas/saídas. A linha roxa representa a comunicação RS485; esta vai conter dois PLCs (Controlador Lógico Programável) contendo diversos sensores. A cor de laranja está representada a comunicação Mechatrolink, que é utilizada neste caso para o controlo do servomotor. Usa-se este tipo de comunicação devido ao seu alto desempenho em termos de velocidade e alta precisão de controlo de movimento. A comunicação Profibus, que ligará um variador e um dispositivo de controlo de entradas/saídas. E por último a rede Ethernet, como apresentada na Figura 4, ligada a dois autómatos, um dispositivo de controlo de entradas/saídas e um sistema de visão. A rede Ethernet assume o papel principal da rede, devido a permitir a acessibilidade remota entre o utilizador e a rede. Com este meio de comunicação criam-se as condições para a programação, controlo e monitorização a partir de qualquer ponto remoto. 19

45 Capitulo 3-Implementação da rede de autómatos Figura 4 - Rede de autómatos. 20

46 Capitulo 3- Implementação da rede de autómatos Antes da possibilidade de controlar e programar os autómatos desta rede, é necessário definir a rede, isto é, dar um endereço a cada ponto de comunicação entre PLCs. Para a realização deste processo é necessária a ajuda de um software apropriado para cada tipo de comunicação. Assim, com estes processos realizados, a rede está preparada para ser utilizada tanto local como remotamente, e preparada para receber e enviar informação de diferentes autómatos desta rede. Na implementação da rede foi utilizada uma série de equipamentos diferentes, usados em aplicações industriais. Dividindo o equipamento por tipos diferentes de comunicação utilizados na rede (Figura 4), esta vai ser composta por seis partes: Ethernet; DeviceNet; Mechatrolink; Profibus; RS485; RS Rede Ethernet Ethernet é uma tecnologia de interconexão para redes locais (Local Area Networks - LAN) que se baseia no envio de pacotes. A Ethernet foi criada pelo IEEE, sendo esta tecnologia de LAN mais utilizada, tendo tomado grande parte do espaço de outros padrões de rede [26]. Na Comunicação Ethernet estão ligados três dos quatro principais autómatos (Figura 5). Figura 5 - Autómatos ligados por comunicação Ethernet. 21

47 Capitulo 3-Implementação da rede de autómatos Autómato 1 Autómato com conexão Ethernet, contendo uma porta RS232 que possibilita o controlo e a programação do autómato directamente. Tem ainda mais três módulos: um de ligação para a rede de comunicação Mechatrolink, outro para a comunicação Profibus e um módulo contador de alta precisão. O primeiro autómato é um modelo da família CJ1, gama intermédia da Omron, que oferece unidades de controlo. Esta é compatível com a família CS1 (Gama de autómatos mais elevada da Omron). A diferença é que a gama modelar CJ1 dá uma inclusão e ampliação mais elevada, sendo que os PLCs CS1 fornecem uma gama de controlo avançado e ainda com opção de redundância dupla, sendo que as duas gamas podem trabalhar em conjunto. Este autómato está equipado com os seguintes módulos de expansão: CJ1W-PA202, fonte de alimentação 230VAC, Figura 6; CPU13-ETN, unidade de Ethernet, Figura 7; CJ1M-MCH72, unidade comunicação Mechatrolink, Figura 8; CJ1W-PRM21, módulo Mestre Profibus DP-V1, Figura 9; CJ1W-CT021, módulo contador de velocidade alta precisão (500KHz), Figura 10. Figura 6 - CJ1W-PA202 [48]. Figura 7 - CPU13 ETN [48]. Figura 8 - CJ1W-MCH72 [48]. Figura 9 - CJ1W-PRM21 [48]. Figura 10 - CJ1W-CT021 [48]. 22

48 Capitulo 3- Implementação da rede de autómatos Autómato 2 O segundo autómato (Figura 5) é do modelo CJ2H, estando equipado com: CJ1W-PA202, fonte de alimentação 230VAC, Figura 6; CJ2H-CPU64-EIP, conexão à rede Ethernet, Figura 11; CJ1W-DRM21, modelo Mestre/Escravo DeviceNet, Figura 12; CJ1W-ID211, módulo de 16 entradas 24 VDC, Figura 13; CJ1W-OD212, módulo de 16 Saídas PNP, Figura 14. Figura 11 - CJ2H-CPU64-EIP [48]. Figura 12 - CJ1W-DRM21 [48]. Figura 13 - CJ1W-ID211 [48]. Figura 14 - CJ1W-OD212 [48] Autómato 3 O terceiro autómato da Figura 5, é um módulo de visão composto por um controlador PNP (ZFX-C15, Figura 15) e um sensor ajustável de Cores (50x46) e luz branca (ZFX-SC50, Figura 16). 23

49 Capitulo 3-Implementação da rede de autómatos Figura 15 - ZFX-C15 [48]. Figura 16 - ZFX-SC50 [48]. Este módulo é composto por um ecrã táctil que permite o acesso fácil ao ZFX-C15. Contém ainda funcionalidades avançadas e um interface intuitivo. As funções de ajuste automático guiam o utilizador ao longo do desenvolvimento das aplicações de visão, sendo o ZFX-C15 responsável pela iluminação, filtragem, como contador, entre outras funcionalidades [48] SmartSlice Profinet I/O Unit Tendo em consideração a larga experiência da Omron com a comunicação Profibus, esta sentiu a necessidade de desenvolver a comunicação Profinet-IO, uma solução aberta às redes Ethernet. Assim, pode-se ligar equipamentos com a ligação Profinet à rede Ethernet. Além de cumprir todos os requisitos necessários para actuar numa rede de automação, esta tem a vantagem de fornecer velocidades mais altas, à medida que os equipamentos se tornam mais complexos. Neste caso, o meio de comunicação a utilizar é o Profinet [48]. O dispositivo utilizado é o GRT1-PNT Profinet I/O Unit SmartSlice, que contém acoplado dois módulos, um de entrada e outro de saída (Figura 17). Este dispositivo está equipado com os seguintes módulos: GRT1-PNT, SmartSlice para Comunicações ProfiNet I/O; GRT1-ID8-1, unidade SmartSlice de 8 Entradas PNP; GRT1-OD8-1, unidade SmartSlice de 8 Saídas PNP; GRT1-END-M, unidade SmartSlice de fim de Bus para ProfiNet. 24

50 Capitulo 3- Implementação da rede de autómatos Figura 17 SmartSlice Rede DeviceNet Na Figura 18 está representada a rede DeviceNet, onde está integrado o quarto autómato (considerado nesta rede como um dos principais autómatos). Este encontra-se ligado ao segundo autómato descrito na rede. Como já referido anteriormente, esta comunicação é composta por equipamentos utilizados para controlar dispositivos de segurança. Figura 18 - Rede DeviceNet. 25

51 Capitulo 3-Implementação da rede de autómatos Autómato 4 O é composto por um modelo da gama CJ1, com as seguintes características (PLC4): CJ1W-PA202, fonte de alimentação 230VAC, Figura 6; CJ1M-CPU11, Figura 19; CJ1W-DRM21, módulo Mestre/Escravo DeviceNet, Figura 12 CJ1W-SCU31-V1, módulo constituído por duas saídas RS422/485, Figura 20. Figura 19 - CJ1M-CPU11 [48]. Figura 20 - CJ1W-SCU31-V1 [48] SmartSlice DeviceNet I/O O sistema de entradas/saídas SmartSlice DeviceNet da Omron é um equipamento inteligente, compacto e simples (Figura 21). É um dispositivo de fácil configuração e contém funções de restauro e segurança, dando a opção ao programador de dispor de dados de manutenção preventiva e diagnóstico ao nível de entradas/saídas. Ou seja, por exemplo, se for ligado um relé a uma das entradas, e tendo este como duração de vida o número de comutações feitas ao longo do tempo da sua utilização, então sabendo esse número, o programador configura o dispositivo (SmartSlice) com o número de comutações que o relé é capaz de fazer, atingindo esse valor o SmartSlice envia uma mensagem ao Mestre dizendo que o relé atingiu o limite de duração. O SmartSlice neste projecto contém os seguintes módulos: GRT1-DRT, SmartSlice para comunicações DeviceNet; GRT1-AD2, unidade SmartSlice de 2 Entradas Analógicas; GRT1-DA2C, unidade SmartSlice de 2 Saídas Analógicas de Corrente; GRT1-TS2T, unidade SmartSlice de 2 Entradas Termopar; GRT1-END, unidade SmartSlice de fim de Bus. 26

52 Capitulo 3- Implementação da rede de autómatos Figura 21 - SmartSlice DeviceNet Controlador de rede DeviceNet de segurança O NE1A-SCPU01-V1 (Figura 23) é um sistema de segurança programável que oferece várias funções, tais como as operações de segurança lógicas, segurança das entradas/saídas de controlo e o protocolo DeviceNet. O dispositivo tem incorporado 16 entradas e 8 saídas de segurança. Este funciona como PLC de segurança compacto, sem necessitar do uso de uma rede [49]. Na rede (Figura 22), o NE1A-SCPU01-V1 estará ligado ao autómato número quatro via DeviceNet. Este vai ser o sistema principal do controlo de segurança. Neste equipamento vão ser ligados vários equipamentos de segurança como por exemplo barreiras de infravermelhos e sensores de fins de curso, entre outros. 27

53 Capitulo 3-Implementação da rede de autómatos Figura 22 - Controlador e equipamentos de segurança. Figura 23 - NE1A-SCPU01-V1 [49] Terminais de entrada de temperatura A Omron desenvolveu um equipamento de leitura de temperatura com vários canais de entrada, que fornece funções que estão disponíveis apenas nos terminais de entrada de temperatura, tais como: tempo de operação em faixa de temperatura e detecção da diferença de temperatura entre os canais de entrada [50]. O DRT2-TS04T (Figura 24) é um equipamento concebido pela Omron com um módulo de 4 entradas de termopares. Figura 24 - DRT2-TS04T. 28

54 Capitulo 3- Implementação da rede de autómatos 3.3. Rede Mechatrolink II Mechatrolink é um sistema de rede de comunicação industrial para controlo de movimento que foi desenvolvido pela Yaskawa Electric Corporation. A velocidade inicial de transmissão era de 4 Mbps (Mega bits por segundo), chamando-se por Mechatrolink-I. Com os pedidos do mercado e a necessidade do aumento da competitividade foi criada a Mechatrolink-II, com velocidade de transmissão de 10 Mbps e com mais comandos de movimento [51]. Esta rede será utilizada para o controlo de servomotores, sendo o controlo desta comunicação feita no primeiro autómato referido na Figura 25, utilizando o módulo CJ1M-MCH72 que vai comunicar como servomotor. Figura 25 - Rede Mechatrolink Unidades de transmissão A unidade de transmissão equipada com a comunicação Mechatrolink-II, é de simples de conexão, apenas necessitando de um único cabo para a comunicação entre vários servos. Os Junma ML-II (Figura 26) com a comunicação Mechatrolink-II adicionada, diminuem substancialmente o número de ligações e o tempo da montagem da instalação, evitando assim erros nas conexões. 29

55 Capitulo 3-Implementação da rede de autómatos Este produto possui tempo de resposta rápido, velocidade e torque elevado, alta precisão e fiabilidade comprovada [52]. Figura 26 - Unidade de transmissão Junma ML-II [52] Servomotor Os motores Junma, Figura 27, são unidades de servomotores desenhados para oferecer simplicidade e desempenho num formato compacto. Estes servomotores são ideais para muitas aplicações onde substituem as unidades de passo. Figura 27 - Servomotor Junma SJME-02AMB41-OY [48]. Os servomotores Junma estão disponíveis em 4 modelos, sendo eles, o de 100, 200, 400 e 750W (Watts). Esta série é ideal para o uso com a maioria dos controladores com saídas de impulsos, por exemplo a série CJ1 PLCs. O servomotor utilizado no projecto encontra-se representado na Figura 27, e as características deste servomotor estão na Tabela 2. 30

56 Capitulo 3- Implementação da rede de autómatos Tabela 2 - Características do servo motor [52]. Velocidade 3000 min -1 Velocidade máxima de rotação 4500 min -1 Resolução do encoder 8192 ppr Saída (Output) 200 W Binário 0.64 Nm Inércia do rotor kgm² Avaliação Protecção IP 55 Classe de isolamento B (130 C) Temperatura de funcionamento 0 40 C Dimensões L x W x H x 60 x 60 mm 3.4. Rede Profibus Profibus é dos protocolos de comunicação mais usado no mercado da indústria de automação. Este é um padrão de rede de campo aberto e independente de fornecedores, onde o interface entre eles permite uma ampla aplicação em processos. Esse padrão é garantido segundo as normas EN e EN Desde o inicio do ano 2000, o Profibus foi incluído nas normas IEC 61158/IEC A IEC estando separada em sete partes distintas, entre e , onde estão especificações segundo o modelo OSI. Os construtores de equipamentos que utilizam este protocolo podem agora se referenciar a um padrão internacional de protocolo, cujo desenvolvimento procura a redução de custos, flexibilidade, atendimento às mais diversas aplicações e a vários fornecedores [26]. A Omron desenvolveu vários equipamentos que possuem este protocolo de comunicação. O autómato 1, possui um módulo mestre (Figura 9, CJ1W-PRM21), ao qual estão ligados um dispositivo de controlo de entradas/saídas e um variador [53]. Figura 28 - Rede Profibus. 31

57 Capitulo 3-Implementação da rede de autómatos Variador de frequência O variador instalado na rede, F7, é um inversor de frequência variável. Este equipamento é ideal para aplicações industriais, visto que com eles é possível controlar motores de indução. Os motores de corrente contínua (CC) eram os motores mais usados, visto que estes possuíam uma maior gama de controlo de velocidade, torque e posição. A tecnologia utilizada no controlo destes motores é ou era mais económica que a tecnologia de controlo dos motores de corrente alternada (CA). No entanto, motores CA possuem algumas vantagens sobre os motores CC, como por exemplo, são mais leves, são mais económicos, necessitam de uma menor manutenção, são mais fáceis de construir e mais robustos. Com o desenvolvimento da electrónica de potência, permitiu a redução dos custos do accionamento destes motores, possibilitando o aparecimento dos variadores de frequência (Figura 29) capazes de controlar com mais eficácia a velocidade e o posicionamento dos motores AC. Com este desenvolvimento os motores de corrente alternada passaram a ser mais utilizados em aplicações industriais. Estes variadores permitem obter melhore controlo sobre a velocidade, possibilitando arranques mais suaves dos motores, fazendo também com que estes não consumam tanta energia. O variador da Figura 29 tem capacidade para controlar a variação de um motor trifásico até a uma potência máxima de 0,4KW, bom desempenho em circuito aberto com 150% de binário a 0,5Hz, é silencioso, com capacidade de aplicar cartas opcionais como por exemplo unidade PLC, Mechatrolink, E/S analógicas ou digitais, entre outros. Este variador pode ser configurado no próprio painel ou através do software da Omron, CX- Drive. A este variador são acrescentadas duas placas de aquisição de dados sendo uma de comunicação e outra de controlo [54]. 32

58 Capitulo 3- Implementação da rede de autómatos Figura 29 - Variador [54]. A placa de comunicação Figura 30, é uma placa que está equipada com a comunicação Profibus, e através dela é possível receber e enviar informação do variador para o autómato que está equipado com a carta mestre desta comunicação, sendo possível controlar o variador através do autómato, desde fazer RUN, Stop, ajustar a frequência, entre outras [54]. Figura 30 - SI-P1 Profibus-DP. A outra placa adicionada ao variador é uma placa de controlo (Figura 31); esta placa é montada no variador para fornecer informação sobre direcção e velocidade através de encoder (Figura 32) que se pode aplicar a esta placa; é possível aumentar o controlo do variador, dando informação ao variador para fins de correcção de velocidade de flutuação causada pelo deslizamento do motor e manter a velocidade [54]. 33

59 Capitulo 3-Implementação da rede de autómatos Figura 31 - PG-X2 - Carta realimentação vectorial. Figura 32 - E6B2-CWZ1X encoder [48] SmartSlice Profibus I/O Nas unidades de entrada/saída da comunicação Profibus, os dados são compartilhados com o módulo Mestre. Após ser configurada a rede, o Mestre tem um espaço de memória alocado para cada equipamento a ele ligado. Assim, os dados do SmartSlice vão ser recolhidos, enviados e armazenados no módulo Mestre (CJ1W- PRM21). SmartSlice Profibus tem capacidade de ligação até 64 módulos de entrada/saída, ocupa pouco espaço e dispõe ao utilizador dados de manutenção preventiva e diagnóstico ao nível de entradas/saídas [55]. O SmartSlice Profibus utilizado (Figura 33) é composto pelos seguintes módulos: GRT1-PRT, unidade SmartSlice para Comunicações Profibus; GRT1-ID4-1, unidade SmartSlice de 4 Entradas PNP; GRT1-OD4-1, unidade SmartSlice de 4 Saídas PNP; GRT1-END, unidade SmartSlice de Fim de Bus. 34

60 Capitulo 3- Implementação da rede de autómatos Figura 33 - Sistema de E/S SmartSlice Rede RS485 A rede RS485 ou também conhecida por EIA485 é um protocolo de comunicação muito usado em dispositivos electrónicos da Omron. O envio de dados na rede RS485, a solução lógica da Omron é baseado no envio de pacotes que permutam entre o Mestre e os Escravos. Uma rede RS485 pode ter no máximo 32 nós, a 12 metros suporta uma comunicação no máximo de 10M bps e no limite da distância suporta uma comunicação de 100Kbps (100 x 1000 bits por segundo), a uma distância não superior a 1333 metros. Esta rede é muito semelhante à comunicação Profibus, na forma como são ligados os dispositivos. No protocolo Profibus existem normas, para haver uma sincronização entre fabricantes, sendo possível comunicar com dispositivos de diferentes fabricantes. Por outro lado, na comunicação RS485 existem dificuldades na ligação de dispositivos de diferentes fabricantes, devido na comunicação RS485 não existir ou recomendar qualquer protocolo [56]. A rede RS485 vai ser ligada ao autómato 4 (Figura 34), composta por um PLC de 30 pontos com display e módulo de entradas/saídas analógicas e vários sensores, sendo eles de fibra óptica, fotoeléctricos, entre outros. 35

61 Capitulo 3-Implementação da rede de autómatos Figura 34 - Rede RS Autómato CP1L Os autómatos da série CP1L (Figura 35) são controladores para máquinas compactas. Estes controladores oferecem a capacidade de um micro-plc. Esta gama de autómatos oferece todas as funcionalidades necessárias para controlo de máquina compactas. Este PLC pode conter várias entradas e saídas digitais ou analógicas. Apesar estes autómatos serem mais compactos que a série CJ1, o CP1L pode ser expandido com módulos CP1W (Figura 36). Existem duas placas de para comunicação RS232 ou RS422/485 para facilitar a ligação simultânea de equipamentos, tais como por exemplo, variadores, controladores de temperatura sensores inteligentes ou ligações a PLCs. A porta USB (Universal Serial Bus) é utilizada para a programação deste equipamento. O CP1L usa a mesma arquitectura que o CJ1 e a série CS1; os programas são compatíveis com as alocações de memória e instrução [57]. O modelo utilizado na rede é o CP1L-M30DR-A (Figura 35). Este PLC contém as seguintes características: 18 Entradas digitais; 12 Saídas digitais; Entrada de comunicação ao PC através de uma porta USB; 36

62 Capitulo 3- Implementação da rede de autómatos Módulo com entrada RS232 - CP1W-CIF01; Módulo com entrada RS485 CP1W-CIF11. Figura 35 - CP1L-M30DR-A [57] Módulo de expansão do autómato CP1L Existe uma grande variedade de unidades de expansão, entre elas, unidades de entrada/saída digitais, analógicas e remotas, sendo possível ligar unidades de expansão entre si. O número de unidade a ser ligadas vai depender do tipo de unidade de expansão a serem usadas. A unidade de expansão utilizada na rede é a CP1W-MAD11 com duas entradas analógicas e uma saída analógica (Figura 36) [57] Rede RS232 Figura 36 - CP1W-MAD11 [57]. No protocolo RS232 os caracteres são enviados do modo assíncrono, bit a bit, sendo necessário o envio de 10 bits para enviar um carácter. Quase todos os autómatos existentes na rede possuem entrada RS232, sendo esta a entrada principal para a comunicação entre o autómato e o PC. Este protocolo tem a 37

63 Capitulo 3-Implementação da rede de autómatos desvantagem, comparativamente com os apresentados anteriormente, de só poder ser conectado um dispositivo a cada porta. A rede de comunicação RS232, contém uma consola táctil e um controlador de temperatura ligado ao autómato 2 (Figura 37). Figura 37 - Rede RS Consola táctil A consola NS5 comunica directamente com sistemas de controlo, como por exemplo, PLCs, variadores, controladores de temperatura ou controladores de movimento, entre outros. Esta comunicação pode ser directa ou indirecta (Figura 39). É um produto de fácil programação, utilizando um software específico para a sua programação (CX-Designer) [58]. Figura 38 - NS5-SQ10B-V2 [58] Controlador de temperatura O E5CN é um controlador de temperatura de alto desempenho, com capacidade de alta precisão e de manutenção preventiva de funções (Figura 39). O modo de controlo 38

64 Capitulo 3- Implementação da rede de autómatos feito pelo E5CN pode ser ON/OFF ou PID, as saídas de controlo podem ser por relé, relé híbrido, tensão ou de corrente linear; pode ser ligado directamente a um PC para eventuais configurações de parâmetros e os sensores a utilizar neste tipo de controlador são termoresistência de platina (Pt100 e JPt100) e termopares [59]. Figura 39 - Controlador E5CN [59] Configuração da rede de autómatos Após a identificação e ligação de todo material, é necessário configurar os caminhos de acesso entre os diversos dispositivos, definir os caminhos de comunicação entre autómatos, identificar os autómatos mestres e os escravos. Para a configuração da rede é utilizado o software da Omron, CX-One, que contém as ferramentas necessárias para a configuração da rede e programação. Este software contém os vários programas, tais como o CX-Integrator, CX-Drive, CX-Profibus, CX-Programmer, CX-Thermo, CX- Motion Pro, CX-Designer. Como na rede existe diferentes tipos de comunicação, é necessário utilizar os diferentes softwares integrados no CX-One. A Figura 40 apresenta o esquema de ligação das diferentes redes de comunicação entre autómatos. 39

65 Capitulo 3-Implementação da rede de autómatos Figura 40 - Esquema de ligação da rede de autómatos. Para a configuração da rede de autómatos é necessário definir a rede a que cada autómato vai estar ligado. Como se pode ver na Figura 40 os autómatos, PLC1 e PLC2 estão ligados a rede 1 (Network 1), rede 2 (Network 2) liga o PLC2 ao PLC4 e por fim a rede 3 (Network 3) que liga os autómatos PLC5 e PLC6 ao autómato PLC4. Para configurar o autómato na rede, é utilizado o programa Routing Table, onde se definem as redes de destino e os endereços para os nós FINS de comunicação. Este tipo de configuração é necessário para a transferência de dados entre autómatos. Esta configuração é feita, como se pode ver na Figura 41, através da rede local e remota do PLC1. 40

66 Capitulo 3- Implementação da rede de autómatos (a) (b) Figura 41 - Routing Tables PLC1. A configuração da rede local é usada quando duas ou mais unidades de comunicações são utilizadas no mesmo PLC; a unidade de CPU do autómato usa a tabela de rede local para identificar as unidades de comunicação e redes associadas. Esta configuração é necessária quando há necessidade de troca de dados entre diferentes níveis de rede. No caso da Figura 41 o ponto (a) mostra as redes locais configuradas no autómato PLC1, a rede 1 (Network 1 Figura 40) que utiliza a comunicação Ethernet e a rede 4 (Network4 Figura 40) que utiliza a comunicação Profibus. No ponto (b) da Figura 41 são identificadas as redes remotas, ou seja, por onde se pode aceder ao autómato através de outros autómatos. No caso do autómato PLC1é necessário identificar as redes, as portas de acesso e o nó de entrada do autómato. A rede remota é utilizada para o envio de dados ou programação de autómatos através de diferentes níveis de autómatos. No caso da configuração apresentada na Figura 40, é possível programar, receber e enviar informação para todos os autómatos, a partir de qualquer um dos autómatos. Na Figura 41 é apresentada a configuração de acesso ao PLC1. Para os restantes autómatos o procedimento é semelhante. Na Figura 42 é apresentado o Routing Tables do PLC6. 41

67 Capitulo 3-Implementação da rede de autómatos Figura 42 - Routing Tables PLC Configuração da rede Ethernet Existem na rede três autómatos com comunicação Ethernet: os autómatos PLC1, PLC2 e o PLC3. O PLC3 é configurado manualmente no próprio autómato, os outros dois tem que ser configurados através do item do IO Table and Unit Setup existente no CX- Programmer (Figura 59). Para isso, devem ser efectuados os mesmos passos como já foi referido atrás, ou seja, fazer o pedido upload das unidades existentes no autómato (Figuras 43 e 44). Figura 43 - IO Table PLC1. Figura 44 - IO Table PLC2. 42

68 Capitulo 3- Implementação da rede de autómatos Nas janelas, já com os pedidos feitos a cada um dos autómatos, aparecem as unidades que cada um contém. No item que corresponde a unidade de comunicação de Ethernet ao ser clicado nesse item aparece uma nova janela com o local para configurar os autómatos com para serem possíveis serem acedidos via Web. As Figuras 45 e 46 mostram as janelas onde são feitas as configurações de cada um dos autómatos, desde o endereço IP, a máscara de sub-rede e a Gateway. Figura 45 - Janela de Configuração PLC1. Figura 46 - Janela de Configuração PLC Configuração rede DeviceNet Na rede DeviceNet existem dois autómatos com unidades mestre em cada um deles, e a comunicação entre os autómatos PLC2 e o PLC4 é feita através da comunicação DeviceNet. Trata-se da comunicação entre mestres e escravos que utilizam esta comunicação. Como referido na Figura 18, esta rede é composta por dois mestres e por 4 escravos. Para a configuração desta rede é utilizado o software CX-Integrator. A Figura 47 apresenta a ligação dos escravos aos seus respectivos mestres. Como é possível ver na figura, os mestres estão alocados com o nó de acesso sendo um com o nó 63 e o outro com o nó 62. A primeira unidade mestre de DeviceNet, a unidade CJ1W- DRM21 com o nó 63 (PLC2), tem alocado como escravo a unidade de controlo de segurança, NE1A-SCPU01-V1 com o nó 61; a segunda unidade mestre desta rede, CJ1W- DRM21 com o nó 62 (PLC4), tem alocado os outros três escravos sendo eles, a unidade 43

69 Capitulo 3-Implementação da rede de autómatos SmartSlice GRT1-DRT com o nó 1, composto por mais três unidades acopladas a esta, sendo elas uma com duas entradas analógicas GRT1-AD2, outra com duas entradas de sensores de temperatura (termopares) GRT1-TS2T e a última duas saídas analógicas de corrente GRT1-DA2C, DRT2-TS04T com o nó 2 e o ultimo escravo é o EJ1N-HFUB- DRT com o nó 3, é composto por uma unidade de aquisição de temperatura EJ1N-TC2A- QNHB. Figura 47 - Configuração DeviceNet Configuração da rede Mechatrolink A rede Mechatrolink está ligada ao autómato PLC1; o módulo de controlo desta rede, CJ1W-MCH72 está na unidade 1 deste autómato. Para a configuração, teste e programação desta rede é utilizado o software CX-Motion Pro (Figuras 48, 49 e 50) e o software CX-Drive, utilizado como teste do servo-drive (as Figuras 51 e 52 mostram passos necessários para a sua utilização). 44

70 Capitulo 3- Implementação da rede de autómatos Figura 48 - Configuração do autómato. Figura 49 - Configuração da carta Mechatrolink. 45

71 Capitulo 3-Implementação da rede de autómatos Figura 50 - Características do servo drive. Figura 51 - Teste ao servo driver. 46

72 Capitulo 3- Implementação da rede de autómatos Figura 52 - CX-Drive para testar o servo motor Configuração da rede Profibus Na configuração da rede Profibus é utilizado o software CX-Profibus. As Figura 53, a 48, apresentam os passos necessários para a configuração do equipamento utilizado na rede que usa como comunicação o protocolo Profibus. Na Figura 53 é configurado a unidade mestre da comunicação Profibus (Figura 9), sendo que nesta janela é configurado o autómato onde a unidade está acoplada, bem como onde ela se encontra no autómato. Neste caso, esta unidade encontra-se no PLC1, no endereço 1 e é a unidade 2 deste autómato. 47

73 Capitulo 3-Implementação da rede de autómatos Figura 53 - Configuração da comunicação. Os escravos existentes são um módulo SmartSlice GRT1-PRT (Figura 33), com uma unidade de quatro entradas digitais e uma unidade de saídas digitais e o outro escravo é uma placa que é aplicada num variador de velocidade (Figura 29) com o nome de SI-P1 (Profibus-DP COMMUNICATION INTERFACE CARD Figura 30). No software estes módulos vão ser configurados como escravos. Após serem identificados os escravos da rede é necessário configurar cada um deles. Como se pode ver na Figura 54, o módulo SmartSlice é configurado como escravo e encontra-se no endereço 2. Neste tipo de escravo, em que contém duas unidades acopladas a ele, é necessário indicar no software as unidades existentes. A Figura 55 mostra onde essas unidades são configuradas, sendo uma de entrada e outra de saída digitais (Figura 33). O último escravo nesta rede é a placa do variador F7. A Figura 56 mostra a janela de configuração da placa adicional, onde é definido o número ou o tipo de informação adquirida e enviada da placa para o PLC1. 48

74 Capitulo 3- Implementação da rede de autómatos Figura 54 - SmartSlice configuração do nó. Figura 55 - SmartSlice configuração das unidades. 49

75 Capitulo 3-Implementação da rede de autómatos Figura 56 - Configuração S1-P1. No fim da identificação dos escravos e da respectiva configuração é possível ver na janela da carta mestre, na área dos escravos (Slave Area), a alocação da memória das entradas e saídas que cada escravo vai ocupar na memória do autómato. A Figura 57 apresenta as posições ocupadas pelas entradas dos escravos, e a Figura 58 lista as posições de memória ocupadas pelas saídas dos escravos. Estas posições de memória, tanto as de entrada como as de saída, podem ser alteradas pelo utilizador. 50

76 Capitulo 3- Implementação da rede de autómatos Figura 57 - Posições de memória das entradas. Figura 58 - Posições de memória das saídas. 51

77 Capitulo 3-Implementação da rede de autómatos Configuração da rede RS485 A rede RS485 é composta por um mestre, sendo ele o autómato PLC4 e por dois escravos, os autómatos PLC5 e PLC6. Para configurar esta rede a Omron não tem nenhum software específico. Assim, para configurar esta rede, foi utilizado o software de programação dos autómatos da Omron, o programa CX-Programmer. O PLC4 contém uma unidade com uma porta com a comunicação RS485, porta de saída e entrada de dados do módulo mestre desta rede. Através do CX-Programmer alteram-se as configurações desta porta, que por defeito vem como entrada ou saída Host Link. Com este modo só é possível comunicar com o autómato utilizando um PC ou outro equipamento equiparado. Desta forma, para usar esta porta (RS485 do PLC4, unidade 3 deste autómato) como mestre e para comunicar com os outros autómatos é necessário mudar de Host Link para o modo Serial Gateway. Para se efectuar essa mudança pode-se recorrer ao CX-Programmer, Figura 59. No lado esquerdo da figura, clicando sobre esse item que está a sublinhado com uma linha vermelha (IO Table and Unit Setup), aparece outra janela onde é possível ver as unidades existentes do autómato. Na Figura 60 apresenta a listagem das unidades acopladas ao autómato. Figura 59 - CX-Programmer. Figura 60 - CX-programmer IO Table. Com as unidades do autómato já visíveis, clicando sobre a unidade com a porta RS485 (CJ1W-SCU31 Figura 20 e 61), Figura 62, aparece outra janela com as configurações desta unidade. Por exemplo, se pretender alterar o modo de comunicação 52

78 Capitulo 3- Implementação da rede de autómatos da porta RS485, sendo esta a porta 1 da unidade, então nos parâmetros da unidade escolhe-se a porta 1 e no item do modo de comunicação série (Serial communications mode) altera-se do modo Host Link (default) para Gateway. O modo Serial Gateway é uma função dos autómatos Omron para converter automaticamente mensagens FINS, que recebe na porta série na Unidade de CPU, Serial Communications Board ou Serial Communications Unit e é muito usado para troca de dados entre autómatos. E tem a particularidade de converter os comandos FINS para CompoWay/F, FINS Host Link ou Modbus [60]. Figura 61 - Unidades Existentes no PLC. Figura 62 - Janela de configuração. Nos autómatos escravos da rede (PLC5 e PLC6) é só necessário mudar o nó Host Link, e pode-se também utilizar o CX-Programmer para se fazer essa configuração. No software (Figura 59), existe um item com o nome Settings ; se clicar nesse item aparecem as definições do autómato que se pretendem alterar. Como nesta rede só existem dois escravos ligados, só é necessário alterar o nó de um dos autómatos; o autómato em que foi feita a alteração foi o PLC6 (Figura 35) que ficou com o nó 1 (Unit Number, Figura 63). 53

79 Capitulo 3-Implementação da rede de autómatos Figura 63 - Definições do PLC6. No PLC5 foi mantido o nó que tem por defeito, no caso nó 0. Este autómato tem uma unidade acoplada com duas portas de comunicação, uma RS232 e outra RS485. A porta RS485 é a porta 1 da unidade, caso fosse necessário alterar o nó neste autómato, não era possível usar o mesmo caminho usado no PLC6. Neste caso deve ser escolhido ir pelo IO Table and Unit Setup (como foi feito no PLC4, Figura 59, fazer o pedido ao autómato das unidades a ele acopladas) e na unidade de comunicação série, ao ser seleccionada, vai aparecem as definições da unidade (uma janela idêntica a da Figura 62); no item Port1: Host Link Unit Number, que por defeito está a 0, caso se pretenda alterar introduz-se o valor correcto do nó. 54

80 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos 4.Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos O controlo e a monitorização de redes de autómatos têm vindo a crescer devido à sua importância no mundo industrial. A gestão da monitorização e controlo de uma rede possibilita a aquisição de dados em tempo real, das características do tráfego, do diagnóstico de falhas e da configuração da rede. A monitorização disponibiliza esta informação, desempenhando assim um papel importante na gestão da rede. Para a monitorização e controlo desta rede recorreu-se aos protocolos proprietários da empresa Omron (parceira do projecto), sendo eles, o protocolo Host Link e o protocolo FINS (Factory Interface Network Service). Estes protocolos possibilitam a monitorização e controlo eficaz da rede. 4.1.Memória do CPU Antes de utilizar dos protocolos, acima identificados (Host Link e FINS), para a monitorização e controlo da rede é necessário conhecer as diferentes alocações de memória existentes no CPU (Central Process Unit) de cada dispositivo (PLC). A memória do CPU dos dispositivos da Omron está separada em vários tipos, sendo eles: CIO (Core Input Output) ou IR (depende do modelo do PLC), área de memória utilizada para o interface externo de entradas/saídas; W (Work Area), área de trabalho; A (Auxiliary Area); T (Timer Area); C (Counter Area); DR (Data Register); TK (Task Flag Area); D (Data Memory); H (Holding Area); IR (Index Register); EM (Expanded Memory). 55

81 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos 4.2. Protocolo Host Link Host Link é um protocolo da Omron para a comunicação realizada via série. Este protocolo permite a comunicação série através das entradas/saídas da memória alocada no CPU de cada unidade de controlo. Com o Host Link é possível ler, escrever e alterar o modo de operação do CPU de cada unidade, a partir de um computador pessoal. A capacidade máxima de dispositivos a ser ligada a partir deste protocolo é de 32 unidades e o número máximo de Words é de 30 por mensagem [60] Formato das tramas Host Link O envio de tramas do protocolo Host Link pode ser feito via porta RS232, Figura 64 ou via RS485, Figura 65. Figura 64 - Ligação RS232 do PLC a um PC. Figura 65 - Ligação RS485 do PLC a um PC. Na comunicação Host Link, sempre que se envia um comando é retornada uma resposta. A transmissão da trama a partir de um PC, é representada no formato apresentado na Figura 66. Figura 66 - Trama enviado pelo PC [61]. A trama Host Link de envio para os PLCs é constituída da seguinte o deve ser sempre colocado no inicio da trama; Node No, identifica o PLC a utilizar para o envio da trama; 56

82 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos Header Code, local onde é definido o código de comando (ler, escrever e o tipo de memória); Text, local onde é definido os parâmetros de comando (exemplo a posição e o valor a enviar para a memória); FCS, código da paridade da trama a enviar; Terminator, é representado pelo símbolo *, e indica o fim da trama [61]. A trama de resposta enviada pelo PLC ao PC, está representada na Figura 67. Figura 67 - Trama de resposta enviado pelo PLC ao PC [61]. Trama Host Link de resposta dos PLC ao computador pessoal, é constituída o deve ser sempre colocado no inicio da trama; Node No, identifica o PLC que envia a resposta para o PC; Header Code, local onde é definido o código de comando (ler, escrever e o tipo de memória); End Code, o estado de execução do comando é retornado (código final normal); Text, local onde é definido os parâmetros de comando (exemplo a posição e o valor a enviar para a memória); FCS, código da paridade da trama a enviar; Terminator, é representado pelo símbolo *, e indica o fim da trama [61]. Figura 68. A trama de resposta enviada pelo PLC ao PC em caso de erro, está representada na Figura 68 - Trama de resposta de erro [61]. 57

83 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos A trama Host Link de resposta de erro, é constituída da seguinte o deve ser sempre colocado no inicio da trama; Node No, identifica o PLC que envia a resposta para o PC; Header Code, local onde é definido o código de comando (ler, escrever e o tipo de memória); End Code, o estado de execução do comando é retornado (código de erro). FCS, código da paridade da trama a enviar; Terminator, é representado pelo símbolo *, e indica o fim da trama [61] Exemplos de tramas Host Link Após compreender o envio das tramas de comando e as tramas das respostas, é necessário saber o código de acesso à memória e identificar se é do tipo de leitura ou de escrita. A seguir são apresentados alguns exemplos de envio de comandos ao PLC e a respectiva resposta enviada do autómato ao computador pessoal. O autómato utilizado para a realização destes testes é um autómato da gama CJ1. No primeiro teste realizado, Tabela 3, é enviado um comando de escrita na memória CIO, em que indica o início da trama, os dois zeros representam o nó (PLC) para onde vai ser enviada a trama, os dois caracteres seguintes indicam a memória a ser utilizada e se é de escrita ou de leitura. Neste caso, WR significa que a trama enviada para a memória CIO é de escrita, os quatro caracteres seguintes (0001) indicam a posição de memória (CIO) onde vai ser escrito, os quatro caracteres seguintes (0010) representam o valor a ser escrito na memória escolhida, e por fim os últimos dois caracteres são o FCS paridade da trama que termina com o * (Terminator). Sempre que é enviada uma determinada trama, o PLC retorna uma trama de resposta, sendo através desta, possível saber se a trama foi aceite, isto é, indica que a trama enviada está correcta. Neste primeiro teste, apresentado abaixo, pode verificar-se que não houve erro: os dois caracteres seguintes ao comando WR da trama de resposta representam o código de erro retornado pelo PLC. São retornado dois zeros, o que permite concluir que o envio do comando foi enviado com sucesso para o PLC. Tabela 3 - Escrever na memória CIO, posição 1 o valor 10. (trama enviada ao PLC) (trama recebida pelo PC) 58

84 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos O segundo teste (Tabela 4) é idêntico ao primeiro, com a diferença em que neste são enviados dois valores. Neste teste vai ser escrito na memória CIO a partir da posição 1 o valor 10 e o valor 3 na posição seguinte. Tabela 4 - Escrever na memória CIO, a partir da posição 1 o valor 10 e 3. No terceiro teste (Tabela 5) é enviado um comando com o pedido de leitura (comando RR ) a partir da posição 1 da memória CIO e o número de posições. Ao ser efectuado o pedido, o autómato retorna como resposta o valor colocado em cada posição a partir do ponto especificado na trama de comando. No comando, o primeiro R representa que o comando é de leitura e o segundo R representa o tipo de memória a ser utilizada para esse pedido, os quatro caracteres seguintes indicam a posição de onde se quer retirar esta informação (0001 a posição de onde vai ser feito o pedido de leitura); de seguida é colocado o número de posições que se quer ler; neste teste vai ser lida só uma posição memória (0001). Como no teste de escrita (Tabela 4), foi escrito na posição 1 (0001) da memória CIO o valor 10 (0010) neste teste ao ser enviado o pedido de leitura a esta posição, a resposta enviada pelo PLC ao PC vai conter o valor 10. Tabela 5 - Ler da memória CIO, posição 1. O quarto teste (Tabela 6) mostra que se pode também fazer vários pedidos de leitura. Neste pedido em vez de uma leitura como no terceiro teste, é feito o pedido de leitura de duas posições de memória, sendo que é obtido como resposta enviada ao PC os valores escritos no teste feito na Tabela 4, que são o valor 10 (0010) e o valor 3 (0003). Tabela 6 - Ler da memória CIO, a partir da posição 1 59

85 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos Com este protocolo é possível ler/escrever de/em várias posições de memória. Os testes anteriores mostram o pedido de leitura e de escrita de uma e duas posições da memória CIO. Mas é possível também fazer o pedido com mais posições em simultâneo e noutros tipos de memória do CPU dos autómatos. Como por exemplo, para aceder à memória de dados do autómato, referenciada pelo nome DM ou D (data memory) o código para ler desta memoria é RD e para escrever WD. Além de possibilitar a escrita e a leitura nas memórias dos PLC, este protocolo permite ao utilizador alterar e verificar o modo de operação em que se encontra o PLC. Os autómatos da Omron têm três modos de operação: modo de Programação, modo RUN e o modo Monitor. Através dos testes seguintes (Tabelas 7, 8 e 9) são apresentadas as tramas que alteram os modos de operação e a Tabela 10 contém a trama que verifica o modo operação em que se encontra o PLC. Tabela 7 - Modo Program. Tabela 8 - Modo Monitor. Tabela 9 - Modo RUN. Tabela 10 - Verificar qual é o modo de operação. - (caso seja modo - (caso seja modo - (caso seja modo RUN) 60

86 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos Software teste Host Link Desenvolveu-se um programa de monitorização e controlo dos PLCs em LabView, linguagem de programação gráfica da National Instruments, com a capacidade de monitorizar um ou mais autómatos (exemplo da ligação dos autómatos apresentado nas Figuras 64 e 65). A Figura 69 apresenta o painel frontal do programa de monitorização e gestão da rede. É dado ao utilizador a possibilidade de escolher um dos tipos de protocolos da Omron, Host Link ou FINS (este último é apresentado na secção 4.3). Figura 69 - Painel frontal. Ao ser escolhido o protocolo Host Link no painel frontal aparece outra janela, Figura 70 Esta janela contém botões com os tipos de modo de operação do autómato (Program, Monitor e RUN) a ser escolhido pelo utilizador; tem outro botão que envia um comando com o pedido de verificação do tipo de modo de operação em que se encontra o autómato (Tipo de Modo?) e contém os botões com algumas áreas de memória que podem ser acedidas com este protocolo (CIO, DM, LR, HR, AR e PV). Estas só podem ser acedidas se o autómato se encontrar no modo de operação Monitor ; caso contrario estes botões estão bloqueados. 61

87 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos Figura 70 - Tipo de áreas de memória. Após colocar o autómato em modo monitor, é possível escolher o tipo de área de memória a utilizar. As áreas de memória só são acedidas em modo Monitor devido a que, com este protocolo, só se consegue retirar ou enviar informação se o PLC operar neste modo. Escolhida a área de memória a utilizar, aparece outra janela. Através da Figura 70, foi escolhida a memória CIO (ao ser pressionado o botão com esse nome) e aparece uma nova janela. Nesta nova janela (Figura 71), aparecem os locais necessários a preencher para enviar a trama Host Link: nó (escolher o PLC para o qual se quer enviar a trama) e Header Code (escolher se a trama a enviar é de leitura ou escrita). Por exemplo, no caso da Figura 71, como foi escolhido um comando de leitura, aparece então ao lado a posição e o número de posições que se deseja ler. 62

88 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos Figura 71 - Janela da área de memória CIO, leitura. Na Figura 72 é apresentado um comando de escrita. Ao se efectuar o pedido de escrita, aparece uma pequena janela onde o utilizador insere o valor da memória de onde quer iniciar a escrita dos valores e por último o local onde o utilizador insere os dados dos valores a serem escritos na memória. Neste caso, é efectuado um comando de escrita na memória DM (memória de dados do PLC); a trama de resposta do PLC enviada ao PC mostra só o End Code, que neste caso é zero como se pode ver na Figura 72. Significa que o pedido feito ao PLC foi realizado com sucesso. Figura 72 - Janela da área de memória DM, escrita. 63

89 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos As outras opções de memória encontradas na janela da Figura 70 funcionam de modo semelhante, só são diferenciadas através do Header Code que identifica o tipo de área de memória a utilizar e se o comando é de leitura ou de escrita. 4.3.Protocolo FINS A maioria dos novos autómatos da Omron vem com o novo protocolo designado por FINS. Este protocolo dá a possibilidade de encapsular comandos FINS via Host Link, dando a entender ao utilizador que o protocolo FINS é igual ao Host Link ou um dos protocolos é um subconjunto do outro. No entanto, o protocolo FINS contém um novo conjunto de comandos capaz de comunicar com diferentes autómatos da mesma rede ou de sub-redes de uma rede de autómatos, através do mesmo ponto de entrada. Este protocolo apresenta mais vantagens que o Host Link não só por poder comunicar com autómatos de uma sub-rede, pois o Host Link só funciona com uma ligação directa entre PC e o PLC ou vários PLC ligados em barramento a um PC, mas também por poder ser acedido a um maior número de posições de memória (Host Link limitado ao número máximo de 30 Words e o FINS tem uma capacidade máxima de receber até 538bytes, 269 Words e de enviar 540 bytes, 270 Words), e ainda pode ser usado em comunicações Ethernet. O protocolo FINS apresenta diferentes tramas para diferentes modos de comunicação. O protocolo FINS da Omron pode ser usado através de um programa para a transferência de dados e realizar outros serviços com o PLC remoto conectado numa rede Ethernet ou através da comunicação série. FINS é um protocolo de rede utilizado pela Omron para o envio de comandos via RS232, Ethernet entre outras comunicações usadas pelos equipamentos da Omron Tramas FINS série As tramas FINS série são muito idênticas as tramas Host Link. No modo série, as tramas FINS usam o cabeçalho e a terminação Host Link. O que diferencia os dois protocolos é o cabeçalho do FINS ( Header Code ), este contém o comando FA. No 64

90 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos Header Code do Host Link o comando definido varia consoante o tipo de memória que se pretende utilizar (para se aceder a memória de entradas e saídas do PLC, memória CIO, no caso de leitura o comando utilizar é RR, o de escrita é WR ). Como apresentado na Figura 64 e Figura 65, o protocolo Host Link só pode ser aplicado nas configurações das figuras, visto que este protocolo só pode ser usado em comunicações série e com comunicação directa a um computador. O protocolo FINS dá a possibilidade de conectar autómatos entre si, ou seja não é necessária uma ligação directa ao Computador. A Figura 73 apresenta as ligações entre autómatos. Figura 73 - Rede de autómatos. Assim, com este protocolo é possível receber ou enviar informação a partir de um computador para qualquer PLC, bem como utilizar o programa específico da marca Omron (CX-Programmer), sem necessidade de mudar a conexão ao autómato a ser programado. As tramas a enviar via FINS série são semelhantes às tramas Host Link. Ambas começam com o seguido do nó que identifica o PLC no qual tem a ligação directa do PC ao PLC, depois o código do comando (neste caso vai conter sempre o comando FA comando que define a trama como trama FINS). As tramas série FINS, comando e resposta, são enviadas ou recebidas através da comunicação Host Link. Como se pode ver nas imagens da Figura 74 e Figura 75 são apresentados os blocos da trama, em que o cabeçalho, FCS e o * (Terminator), são da trama Host Link. 65

91 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos Figura 74 - Blocos da trama de comando. Figura 75 - Blocos da trama de resposta. O formato da trama usada para o envio de comandos FINS a partir de um computador pessoal para a unidade de CPU (autómato) está apresentado na Figura 76. Figura 76 - Trama de comando FINS [62]. A trama é constituída o deve ser sempre colocado no inicio da trama; Unit Number, identifica o PLC que envia a resposta para o PC; Header Code, o código do cabeçalho que distingue entre diferentes tipos de comandos."fa" (ASCII: 46, 41) quando se utiliza comandos FINS comandos; Response Wait Time, O tempo de espera de resposta define o tempo de quando a unidade de CPU recebe um bloco de comando até que ele começa 66

92 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos a retornar uma resposta. Ela pode ser definida de 0 a F em hexadecimal, em unidades de 10 ms. Exemplo: Se F (15) é definido, a resposta começará a ser devolvido 150 ms (15 10 ms) após o bloco de comando foi recebido; ICF (Information Control Field), Especifica se existe ou não são centros de rede. 80" (ASCII: 38,30), quando do envio de um comando FINS a uma unidade de CPU em uma rede. "00" (ASCII: 30,30) o envio de uma unidade de CPU ligado directamente ao computador; RSV (Reserved),"00" (ASCII: 30,30). Definir RSV é exigida apenas quando o envio de uma unidade de CPU na rede; GCT (Gateway Count), Este é o número de redes através do qual a transmissão pode ser retransmitida. "07" (ASCII: 30, 37). Definir GCT é exigida apenas quando o envio de uma unidade de CPU em sub-rede; DNA, DA1, DA2, endereços que indica a rede de destino, o nó, e a unidade; DNA (Destination Network Address), indicação do número CPU da rede de destino, sendo este de 00 a 7FHex (0 a 127); DA1 (Destination Node Address), indicar o nó do CPU da rede de destino, Unidades Ethernet com os números de outro modelo: 01 a hex 7E (1-126) Link Controller Unit: hex (1-32 decimal) SYSMAC NET: 01 a hex 7E (1-126 decimal) SYSMAC LINK: 01 a 3E hex (1-62 decimal); DA2 (Destination Unit Address), indica a unidade de destino, 00 CPU Unit FE Unidade de ligação à rede 10 a 1F BUS da unidade do CPU; SNA (Source Network Address), SA1 (Source Node Address), Definir a rede de endereços de origem e nó. Definir tanto a "00" (ASCII: 30, 30), independentemente da existência ou não de um relé de rede. Configuração SNA e SN1 é exigida apenas quando o envio de uma unidade de CPU em uma rede; SA2 (Source Unit Address), Definir o endereço da unidade fisicamente ligado ao computador host. A configuração muda de acordo com o aparelho que está ligado. 67

93 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos Quando conectado à Unidade CPU, Serial Communications Board, ou um Serial Communications Unit, "00" para indicar a unidade de CPU (ASCII: 30, 30); SID (Source ID), o SID é usado como um contador quando reenviar. Ele deve ser normalmente configurado inicialmente para "00" (ASCII: 30, 30); Command Code, Text, Defina o código de comando e texto de acordo com o comando FINS e formatos de resposta; FCS (Frame Check Sequence), código da paridade da trama a enviar; Terminator é representado pelo símbolo *, e indica o fim da trama [62]. Figura 77. A trama de resposta enviado pelo autómato ao PC tem o formato apresentado na Figura 77 - Trama de resposta FINS [62]. Na trama de resposta são devolvidos todos os parâmetros configurados na trama de comando, a baixo é detalhado todos os parâmetros que contem a trama de o deve ser sempre colocado no inicio da trama; Unit Number é o número do dispositivo na de rede e o Header Code define a trama como comando FINS; ICF (Information Control Field), para uma unidade de CPU em rede, C0 "(ASCII: 43, 30) será devolvido. Para uma Unidade de CPU ligado directamente ao computador host, será devolvido "40" (ASCII: 34,30); 68

94 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos RSV (Reserved), esta secção é reservada ao sistema. Não aceder ao RSV; GCT (Gateway Count) Esta secção é reservada para o sistema. Não aceder ao GCT. O GCT mesmo que foi especificado no comando que foi recebido será devolvido. Definir GCT é necessário no formato de resposta apenas a partir de uma unidade de CPU em rede; DNA (Destination Network Address), DA1 (Destination Node Address), DA2 (Destination Unit Address), o mesmo conteúdo especificado para SNA, SA1, SA2 e no comando que foi recebido será devolvido. Definir DNA e DA1 é necessária para os formatos de resposta apenas a partir de uma unidade de CPU em rede; SNA (Source Network Address), SA1 (Source Node Address), SA2 (Source Unit Address) O mesmo conteúdo especificado para o DNA, DA1, DA2 e no comando que foi recebido será devolvido. Configuração SNA e SN1 são necessárias para os formatos de resposta apenas a partir de uma unidade de CPU em rede; SID (Source ID), o SID que foi especificado no comando que foi recebido será devolvido; Command Code, Response Code, Text, o código de comando, código de resposta, e texto correspondente ao comando FINS e formatos de resposta será retornado; FCS (Frame Check Sequence), código da paridade da trama a enviar; Terminator é representado pelo símbolo *, e indica o fim da trama [62] Exemplos de tramas FINS série Tal como nas tramas Host Link, em que é necessário saber como é feito o envio das tramas de comando e as tramas das respostas, o código de acesso à memória e se é do tipo de leitura ou escrita, nas tramas FINS também é necessário saber os comandos de acesso à memória. A Tabela 11 apresenta um teste realizado com um PLC. Neste teste é enviado uma trama de comando no formato FINS, onde é possível verificar que tem características idênticas às tramas de formato Host Link. Na trama apresentada na Tabela 11, o teste é iniciado com o seguido do nó que identifica o PLC na rede, depois o comando que identifica a trama do protocolo 69

95 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos FINS, FA. O caracter seguinte define indicam a posição de memória de onde se vai retirar o valor (000A), os dois caracteres seguintes identificam qual o bit ou bits a ler ou escrever. No caso de leitura/escrita de uma Word, esses caracteres contêm o valor zero (00), os quatro caracteres seguintes representam o valor ou valores a serem lidos/escritos a partir da posição definida. Na Tabela 11 apresenta-se um teste de escrita na memória a partir da posição 10 (000A) o valor 1 e 2 (0001 e 0002 ler duas Words); a trama termina com dois caracteres que representam o FSC (08) e o símbolo *, representa o fim da trama (Terminator). Tabela 11 - Trama FINS série de escrita. Na Tabela 12 foi feito um teste de leitura na memória CIO do CPU a partir da posição de memória 10 (000A) e de seguida é colocado o número de Words a serem lidas (ler duas Words 0002). Na trama de resposta enviada ao PC os valores das posições pretendidas por este comando enviado. Como se pode ver na Tabela 12 os valores lidos dessas posições são o valor 1 (0001) e 2 (0002), que são os escritos pelo comando enviado no teste anterior. Tabela 12 - Trama FINS série de leitura. O tempo de espera de resposta pelo CPU do PLC (valor 0 a F), e o parâmetro ICF toma o valor 80. Os parâmetros RSV, GCT, DNA, DA1, DA2, SNA, SA1, SA2, SID ocupam dois caracteres cada um. Neste teste são colocados a zero (é com estes parâmetros que se consegue aceder a um PLC de uma sub rede). Os quatro caracteres seguintes definem o comando de escrita ou leitura. Neste teste foi enviado um comando de escrita (0102) e os dois caracteres seguintes definem o tipo de memória a utilizar. O 70

96 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos FINS dá a possibilidade de se ler da memória uma Word ou um só bit de cada Word. No exemplo foi escolhido ler Word da memória CIO (B0) (se fosse colocado 30 em vez de B0 era lido um bit da word). A vantagem deste protocolo em relação ao Host Link é a possibilidade do utilizador poder enviar e receber tramas de um autómato de uma subrede. Como se pode ver na Figura 78, existe um PC ligado a um autómato através de uma comunicação RS232 que por sua vez está também ligado a outro autómato com o mesmo tipo de comunicação ou outro tipo de ligação (RS485 ou Ethernet). Figura 78 - Exemplo sub-rede. Realizada a montagem da Figura 78 foi realizado o teste da Tabela 13, onde é enviado um comando de escrita de duas Words da memória CIO. Tabela 13 - Trama de escrita num PLC de uma sub-rede. A Tabela 14 mostra um teste de envio de um comando de leitura ao PLC da subrede onde se pode ver na trama de resposta os valores escritos no teste anterior. 71

97 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos Tabela 14 - Trama de leitura num PLC de uma sub-rede. As Tabelas 15 a 17 apresentam mais alguns testes feitos ao autómato, mostrando a capacidade de mudar o modo de operação do PLC; o primeiro teste (Tabela 15) mostra a trama que coloca o PLC em modo RUN, o segundo teste (Tabela 16) coloca o PLC em modo Monitor e o da Tabela 17 coloca o PLC em modo Program. Tabela 15 - Modo RUN. Tabela 16 - Modo Monitor. Tabela 17 - Modo Program. 72

98 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos Software teste FINS série Foi desenvolvido um programa para teste de envio de tramas FINS. A Figura 69 apresenta a janela principal; esta tem dois botões, um para cada protocolo. Ao ser pressionado o botão que tem o nome FINS vai aparecer uma nova janela com os tipos de comunicações em que se pode enviar as tramas FINS. Essa nova janela tem três botões: um deles corresponde a comunicação série FINS que ao ser pressionado dá origem a outra janela ( Figura 79), onde o utilizador introduz os parâmetros necessários para configurar a trama FINS série. Figura 79 - Janela FINS Série. Ao pressionar o botão com o nome Outros da Figura 79 em vez de ter a trama FINS série detalhada, (Figura 80) tem-se alguns botões com capacidade de mudar o modo de operação do PLC, como por exemplo modo RUN (Tabela 15), Monitor (Tabela 16) e Program (Tabela 17); também tem um botão com a capacidade de mostrar as características do CPU que se está a utilizar e um botão que dá a informação sobre o tempo interno do PLC. 73

99 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos Figura 80 - Janela Fins Série Tramas FINS Ethernet TCP A utilização da comunicação Ethernet, permite ao utilizador uma maior facilidade de controlo e monitorização. Os novos PLC da Omron com entrada Ethernet estão preparados para serem acedidos por um sistema de comunicação de dados TCP/IP com o protocolo FINS Ethernet. Comparando com a comunicação série convencional, o interface Ethernet aumenta a velocidade de comunicação quer para a programação quer para a monitorização e controlo com o PLC. No protocolo FINS Ethernet, as tramas não têm o mesmo formato que as do protocolo FINS série, sendo possível a comunicação directa remota com os dispositivos. Nas tramas FINS Ethernet não é necessário recorrer ao protocolo Host Link para o envio de comandos. Este protocolo depende do tipo de comunicação Ethernet a utilizar: se o envio é feito através da comunicação de dados Ethernet TCP/IP ou por Ethernet UDP/IP. Na comunicação Ethernet TCP/IP as tramas são constituídas por um cabeçalho TCP e por cabeçalho FINS como mostra as Figuras 81 e a

100 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos Figura 81 - Blocos da trama de comando Ethernet TCP. Figura 82 - Blocos da trama de resposta Ethernet TCP Exemplos de tramas FINS Ethernet TCP Para o envio de tramas FINS Ethernet TCP, e sempre que se estabelece a ligação por este meio de comunicação é necessário enviar um comando FINS para estabelecer remotamente uma ligação entre o PLC e um PC. A Tabela 18 apresenta a trama de activação da comunicação via Ethernet. Após efectuada esta conexão é possível ler, escrever, mudar o modo de operação do PLC remotamente. Tabela 18 - Trama TCP que estabelece a comunicação. Comando: 46494E C Resposta: 46494E F No teste da Tabela 19 é enviado um comando de escrita de Words à área de memória DM a partir da posição 68, onde vão ser escritos dois valores a partir da posição dimensionada, sendo esses valores, o 3 e 4. Tabela 19 - Trama TCP de escrita. Comando: 46494E E F Resposta: 46494E C F

101 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos Na Tabela 20 é efectuado um pedido de leitura de Words da memória DM a partir da posição 64 e são lidas duas posições a partir da posição escolhida. Tabela 20 - Trama TCP de leitura. Comando: 46494E A F Resposta: 46494E A C F Software teste FINS Ethernet TCP Na Figura 83 é apresentada a interface desenvolvida para testes de envio de comandos deste protocolo. No caso da Figura 83 é enviado um comando de escrita na memória CIO do autómato, onde vão ser escritos quatro valores a partir da posição de memória um. Como se pode ver na figura 83 vão ser escritos os valores de um a quatro ( ). Neste caso só é retirado da trama de resposta o End Code que é o que permite ao utilizador saber se o comando enviado foi bem sucedido. Figura 83 - Janela FINS Ethernet. Como no protocolo FINS série existe também uma janela com alguns botões que contém já as tramas de comandos específicos dos autómatos utilizados para estes testes. 76

102 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos Na Figura 84, a janela representada contém três botões com funções de mudar o modo de operação do PLC. Figura 84 - Janela FINS Ethernet Tramas FINS Ethernet UDP Como referido anteriormente as tramas FINS Ethernet podem ser enviadas por Ethernet TCP/IP ou por Ethernet UDP/IP. A comunicação Ethernet UDP/IP é mais simples que a TCP/IP visto que não necessita de código de activação da comunicação entre utilizador e o PLC, e após a conexão estabelecida entre PLC e o PC só é necessário enviar o cabeçalho FINS com os devidos comandos. O formato do cabeçalho FINS destas tramas é igual ao cabeçalho FINS das tramas Ethernet TCP/IP. A Figura 85 e a Figura 86 mostram o único bloco necessário com o formato da trama a enviar e a respectiva resposta. Figura 85 - Bloco da trama de comando. Figura 86 - Bloco da trama de resposta. 77

103 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos Exemplos de tramas FINS Ethernet UDP Na Tabela 21 é apresentado um teste realizado com esta comunicação, em que é feito um pedido de escrita no PLC. É enviado um comando de escrita (0101) na memória D ou DM (82), onde é feita a escrita a partir da posição 1 (000100), e de seguida é colocado o número de posições a serem escritas (no teste 0002) e por fim os valores a serem escritos, o valor 1 e o valor 2 ( ). Neste teste, a segunda trama retornada pelo PLC, indica que o pedido foi realizado com sucesso (o código que indica o estado da trama enviada são os números que estão a azul C B ). Tabela 21 - Trama UDP de escrita. Comando: B Resposta: C B No teste da Tabela 22 é apresentado o comando de pedido de leitura ao PLC. Como no teste anterior é feito um pedido de escrita; neste teste vai ser verificado se foram escritos ou não os valores indicados no teste anterior. O código que define se o comando é de leitura é o 0101 ; depois é colocado o código que define o tipo de memória, de seguida a partir de que posição de memória vai ser feita a leitura e por fim o número de posições a ler. Na trama de resposta pode verificar-se os valores que foram escritos no teste anterior (como se pode ver na trama seguinte, são os números que estão a azul C B ). Tabela 22 - Trama UDP de leitura. Comando: B Resposta: C B As Tabelas 23 a 25 apresentam as tramas de comando que fazem alterar o modo de operação do PLC sendo que a primeira tabela apresenta o comando que altera o PLC para o modo de programação, seguida da trama que altera para o modo monitor e por fim a que coloca o PLC em mudo RUN. 78

104 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos Tabela 23 - Trama UDP modo PROGRAM. Comando: B Resposta: C B Tabela 24 - Trama UDP modo MONITOR. Comando: B Resposta: C B Tabela 25 - Trama UDP modo RUN. Comando: B FFFF Resposta: C B Software teste FINS Ethernet UDP Como na comunicação Ethernet TCP, nesta comunicação também foi desenvolvido no programa uma janela com a comunicação Ethernet UDP, para facilitar a compreensão deste tipo de tramas. Neste caso é feito um pedido de leitura, ou seja, é feito o teste apresentado na Tabela 22. A Figura 87 apresenta os locais de configuração feitas pelo utilizador, contém a parte de configuração do cabeçalho FINS onde são colocadas as especificações do autómato a utilizar e o comando pretendido para enviar ao autómato. Esta figura mostra que foi colocado um comando de leitura da memória D ou DM, onde vão ser lidas, a partir da posição 1, duas posições de memória. Nesta janela é possível visualizar a trama de resposta completa, de onde é retirado o end code (código que indica se a trama foi bem sucedida ou não) e o valor (local, no caso de leitura, se pode ver os valores escritos na ou nas posições indicadas na trama de comando). 79

105 Capitulo 4- Aplicação para Controlo e Monitorização dos Autómatos Figura 87 - Janela FINS Ethernet UDP 1. Como no programa de teste Ethernet TCP, esta também possui três botões já com o comando pré definido, sendo que basta ser pressionado qualquer um dos botões apresentados na Figura 88 para alterar o modo de operação do PLC. Figura 88 - Janela FINS Ethernet UDP 2 80

106 Capitulo 5- Casos de estudo 5.Casos de estudo Foi projectado e construído um armário para armazenar todo o equipamento de controlo. O projecto e consequente construção, do armário de controlo, foram feitos de forma a permitir a portabilidade dos vários sistemas de controlo implementados neste trabalho bem como a facilidade de, no futuro, acrescentar novos equipamento à rede já desenvolvida. Para a construção do armário foi desenvolvido um protótipo, com a ajuda de um software apropriado para esses fins (o software utilizado para o desenvolvimento deste protótipo foi o Google sketchup). A Figura 89 apresenta o protótipo desenvolvido para o armazenamento de todo o equipamento de controlo da rede. Figura 89 - Protótipo do armário. 81