Redes de Campo. Introdução. Comunicações Portugal 1

Transcrição

1 Redes de Campo Introdução 1

2 Arquitecturas com Controlo Centralizado Controlador Central Interface I/O Interface I/O Interface I/O Sensores & Actuadores Processo Industrial O algoritmo de controlo global é executado pelo Controlador Central (ex. PLC) 2

3 Controlo Centralizado 3

4 Arquitecturas com Controlo Descentralizado Controlador Central Controlador Controlador Controlador Autómato Sensores & Actuadores Processo Industrial O algoritmo de controlo global é executado pelo Controlador Central, mas os algoritmos de controlo local são executados por Controladores de menor complexidade O controlador central monitoriza e reencaminha os comandos para os controladores 4

5 Arquitecturas com Controlo Distribuído Estação de Engenharia Estação do Operador Base de Dados Rede de célula Controlador Controlador Controlador Controlador Rede de campo Processo Industrial O algoritmo de controlo encontra-se totalmente distribuído por vários equipamentos de natureza e complexidade distintas. 5

6 Controlo Descentralizado / Distribuído 6

7 Redes de Campo: Ideia original: poupar na cablagem PLC Armário de Ligações PLC COM Rede de campo O número de dispositivos mantêm-se. É necessário fornecer energia aos dispositivos inteligentes. 7

8 Redes de Campo: Expectativas qredução da cablagem qaumento da modularidade do processo industrial qfacilidade na manutenção (e localização de falhas/avarias) qsimplificação do processo de comissionamento (entrega e colocação em serviço); qfacilidade de extensão e de re-engenharia; qdisponibilidade de elevado número de equipamentos off-the-shelf (construção do tipo plug-and-play) 8

9 Requisitos das redes de campo qgenéricos: Instalação/Manutenção simples e robusta (funcionamento em ambientes hostis: ruído electromagnético; temperaturas extremas; ambientes explosivos; poeiras e sujidades) Custo reduzido / Interoperabilidade entre fabricantes (elevado número de dispositivos / equipamentos) Tempos de resposta: curtos, determinísticos, e com reduzida variação Fiabilidade; Segurança nos dados Alimentação e dados no mesmo cabo (no nível dos sensores/actuadores) 9

10 Qual Rede de Campo? A-bus Arcnet Arinc 625 ASI Batibus Bitbus CAN ControlNet DeviceNet DIN V DIN FAIS EIB Ethernet Factor Fieldbus Foundation FIP Hart IEC (Meßbus) IEEE 1118 (Bitbus) Instabus Interbus-S ISA SP50 IsiBus IHS ISP J-1708 J-1850 LAC LON MAP Master FB MB90 MIL 1553 MODBUS MVB P13/42 P14 Partnerbus P-net Profibus-FMS Profibus-PA Profibus-DP PDV SERCOS SDS Sigma-i Sinec H1 Sinec L1 Spabus Suconet VAN WorldFIP ZB

11 Redes de Campo mais Utilizadas Rede Utilizadores Aplicação Fabricante CANs Profibus (3 versões) LON Ethernet Interbus-S ASI 25% 26% 6% 50% 7% Automóvel, Controlo de processos Controlo de processos Edifícios Rede de célula e fábrica Manufactura Máquinas ferramentas CiA, OVDA, Honeywell Siemens, ABB Echelon, ABB todos Phoenix Contact Fieldbus Foundation, HART 7% Industrias químicas Fisher-Rosemount, ABB 9% Siemens Modbus 22% Ligações ponto-a-ponto muitos ControlNet 14% Rede de célula Rockwell Soma > 100%, dado que as empresas suportam + do que 1 rede. 11

12 Classificação das Redes de Campo q Tipo de aplicação 12

13 Classificação das redes de campo q Tipo de dispositivos 13

14 Honeywell PV 6000 SP 6000 AUTO 1 Diferentes Classes de Redes de Campo Uma rede de campo não pode servir todas as aplicações e tipos de dispositivos de forma eficiente. Tamanho da trama (bytes) 10, Sensor Bus Dispositivos simples Baixo custo Alimentação pelo bus Mensagens curtas Configuração fixa Não intrinsecamente seguros Par torcido Máxima distancia 500m Redes de Célula/Fábrica Workstations, robots, PCs Alto custo Sem alimentação pelo bus Mensagens longas ( , ficheiros) Não intrinsecamente seguras Cabo coaxial, fibra óptica Máxima distancia kilometros High Speed Fieldbus (Field Bus) PLC, DCS, I/O remoto, motores Custo médio Sem alimentação pelo bus Mensagens: valores, estado Não intrinsecamente seguras Par torcido blindado Máxima distancia 800m ,000 Tempo de resposta, milisegundos Low Speed Fieldbus (Device Bus) Instrumentação de processos, válvulas, etc. Custo médios Alimentação pelo bus (2 fios) Mensagens: valores, estado Intrinsecamente seguros Par torcido (reutilizar 4-20 ma) Máxima distância 1200m 14

15 Redes de Campo: Hierarquia Office network TCP IP Ethernet Plant Network Ethernet, ControlNet Fieldbus intelligent field devices FF, PROFIBUS PA, LON Sensor Busses simple switches etc. CAN, DeviceNet, SDS, ASI-bus, Interbus-S 15

16 As Redes de Campo : Hierarquia disk Painel do Operador Quadro sínoptico Base de Dados Histórico Estação Estação Rede de Comunicações (500m.. 3 km) Rede de Fábrica Redundância P P P C Autómatos P P C P I/OMEM I/O Entradas & saídas directamente ligadas MEM BC Nós de controlo (30m..2 km) Rede de Campo Rede de Célula (0, m) Rede de Campo Transdutores M Válvula Termopar Posição Motor Processo Industrial 16

17 Redes de campo perspectivas q Sensor inteligente Interruptor de potência de interface com o bus Requer integração de electrónica de potência e de comunicações a baixo custo. 17

18 Standards 18

19 Standards 19

20 Rede de Campo : resumo q Uma rede de dados que interliga equipamentos de controlo caracterizada por: Transmissão de grandes quantidades de informação de pequeno volume (variáveis do processo); Tempos de resposta majorados (tráfego de tempo-real) (ex. 1ms..1s) ; Suporte de ambientes agressivos (temperatura, vibrações, interferências electromagnéticas, água, produtos químicos, etc.; Robusta e fácil de instalar por pessoal especializado; Elevados níveis de integridade (ex. ausência de erros não-detectados); Elevada disponibilidade (ex. arquitecturas redundantes) Supervisão contínua e diagnóstico; Baixo custo por nó; Velocidade de transmissão média (ex. 50 kbit/s 5 Mbit/s); Grandes distâncias (ex. 10m.. 4 km); Em algumas aplicações é necessário segurança intrínseca (petróleo & gaz, mineração, químicos, etc.) 20

21 Classificação do Tráfego Tráfego Estado do Sistema Eventos Tempo-real NãoTempo-real Tempo-real NãoTempo-real Periódico Aperiódico Esporádico Periódico Aperiódico Esporádico 21

22 Tráfego ao nivel da aplicação qestado do sistema qeventos Representam o estado do processo. Dados curtos e urgentes Ex. corrente do motor, movimento do braço, comandos do operador, paragem de emergência,... Representam mudanças de estado do processo. Pouco frequentes, mas geralmente de duração média/elevada. Ex. Utilizadores: set points, diagnóstico, estado Sistema: inicialização, descarga de programas,..., 22

23 Tráfego ao nivel da aplicação q Tempo-Real Periódico: mensagens que têm ser enviadas em intervalos conhecidos e fixos de tempo. Ex.: mensagens ligadas a malhas de controlo. Esporádico: mensagens sem período fixo, mas que têm intervalo de tempo mínimo entre duas emissões consecutivas. Ex.: pedidos de estado, pedidos de relatórios. Aperiódico: têm que ser enviadas a qualquer momento, sem período nem previsão. Ex.: alarmes em caso de falhas. q Não Tempo-Real Configuração Manutenção 23

24 Comunicações de Tempo-Real : Conceitos q Tempo de Resposta Majorado Se possível, constante q Jitter Prejudicial ao desempenho do sistema de controlo 24

25 Redes de Campo: Modelo em Camadas OSI TCP/IP Fieldbus Application Application Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical Internet Host-to-Network Data Link Physical 25

26 Redes de Campo: Modelo em Camadas Fieldbus Application Fieldbus Application LLC (Logical Link Control) Camada de Ligação de Dados Data Link Physical MAC (Medium Access Control) Physical 26

27 Requisitos dos Protocolos: utilizados no MAC e LLC qprotocolo MAC tem que garantir acesso rápido ao meio de comunicação para mensagens esporádicas de alta prioridade. qprotocolo MAC deve atender mensagens periódicas com a maior eficiência possível (para poder ter muitas mensagens na mesma rede) qmac deve ter comportamento determinístico (idealmente, permitir escalonamento óptimo global de mensagens) qllc deve ter comportamento determinístico 27

28 Camada LLC: Modelos de Cooperação qmestre-escravo M S S S S q Cliente-Servidor C C C C S 28

29 Camada LLC : Modelos de Cooperação qprodutor-consumidor P qpublisher-subscriber C C C C 2 P 1 1 S S S S 29

30 Camada LLC : Modelos de Cooperação qpeer-to-peer (comunicação entre iguais) P P P P P P 30

31 Sub-camada MAC: Mecanismos de Acesso ao Meio Mecanismos de Acesso ao Meio: conjunto de regras que determinam quem pode transmitir qmecanismos determinísticos Tempos de resposta determinísticos ex. mestre-escravo; passagem de testemunho; TDMA qmecanismos não determinísticos Comunicação em resposta a eventos externos Tempos de resposta não necessariamente determinísticos ex. CSMA/CD; CSMA/CA 31

32 Mestre-Escravo M S S S S O único mestre da rede determina qual o escravo que pode aceder ao meio qvantagens: determinístico; simples qdesvantagens: mensagem de comando introduz atraso Exemplos AS-I, Bit-bus, Profibus mestre é ponto de falha único 32

33 Token-Passing M M M M q Vantagens: determinístico bom em condições de elevadas cargas q Desvantagens: Atrasos elevados (devido à rotação do testemunho) Recuperação do testemunho em caso de falhas O acesso ao meio é determinado pela posse do testemunho que é passado por todos os dispositivos Exemplos: Profibus 33

34 Token-Passing - Variantes Estrutura em Barramento: Token-Bus - Testemunho passado por sequência lógica M M M M qestrutura em Anel: Token-Ring - Conexões ponto-a-ponto; - Testemunho passado pela sequência física M M M M M M 34

35 TDMA (Time Division Multiple Access) M M M M q Vantagens: Ciclo curto e constante Bom em condições de elevadas cargas q Desvantagens: Necessário sincronizar relógios dos dispositivos Reduzida (nenhuma) flexibilidade estática (dinâmica) t Éefectuado um escalonamento prévio do tempo de acesso ao meio, que se repete ciclicamente. Exemplos: Interbus-S 35

36 CSMA (Carrier Sense Multiple Access) M M M M qvantagens: Simples qdesvantagens: Não determinístico colisão t Cada participante acede ao meio desde que esteja livre (CS); Em caso de colisão tenta novamente 36

37 CSMA-CD (Collision Detection) M M M M qvantagens: Introduz pouco overhead Latência baixa em situações de tráfego reduzido qdesvantagens: Latência elevada em situações de muito tráfego t Cada participante acede ao meio desde que esteja livre (CS); Detecta a colisão mal esta ocorra (CD) através de comparação dos dados. Exemplos: Ethernet 10Base2 37

38 CSMA-CA (Collision Avoidance) M 1 M 2 M 3 M 4 t2 t3 t3 qregras de Prioridade: Após o fim de uma trama, o tempo de acesso ao meio é diferente para cada dispositivo Arbitragem pelo barramento (física) CSMA-NDA : Non-Destructive bitwise Arbitration t Cada participante acede ao meio desde que esteja livre (CS); Evita colisão (CA) através de regras de prioridade de acesso. Exemplo: CAN 38

39 Bibliografia q Artigos (ler por esta ordem) (na biblioteca, também em e-book): Networked Control Systems Overview, The Industrial Information Technology Handbook, Capitulo 47 Which Network for Which Application, The Industrial Communication Technology Handbook, Capitulo 19 Fieldbus Systems: History and Evolution, The Industrial Communication Technology Handbook, Capitulo 7 Fieldbus Technology in Industrial Automation, Proceedings IEEE, Vol. 93, Nº6, June, (disponivel via IEEE Explorer (acesso via portal da biblioteca)) Nota Importante: A FEUP disponibiliza aos seus alunos o acesso livre a documentos On-line através do portal da Biblioteca. No entanto estes não devem ser disponibilizados a terceiros, sob qualquer forma, devido a direitos de autor. 39