Automação Subestações Centros Controle. Protocolo MODBUS

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1 Protocolo MODBUS Paulo Roberto Pedroso de Oliveira (11) (11) ASCC Automação de e de

2 Protocolos de Comunicação Regras que governam a comunicação entre dispositivos eletrônicos Interconexão e Interoperabilidade Confiabilidade (detecção e correção de erros) Resiliência (falhas topológicas) Modelo OSI de 7 camadas Camada Física RS 232 fios de cobre RS 485 fios de cobre Ethernet fios de cobre Ethernet Fibra ótica Protocolos Proprietários Courrier, SPA, LON

3 4 a 20 ma. Protocolos seriais. IEC DNP3 MODBUS Protocolos de Comunicação Abertos Regras que governam a comunicação entre dispositivos eletrônicos Modelo Mestre / Escravo Protocolo Setor Elétrico com arquitetura de Redes (LAN/WAN), orientado a objetos. IEC Protocolos Industriais com arquitetura de Redes (LAN/WAN), orientado a objetos. Profibus Foundation DeviceNet Modelo de Rede Multcast OPC OLE for Process Control Compatibilizar vários protocolos com Supervisórios e níveis superiores da aplicação.

4 MODBUS Padrão especificado em Comunicação Serial Mestre / Escravo ou Rede Cliente / Servidor Functions Codes PDU Protocol Data Units Port 502 Token pass

5

6 A INFORMAÇÃO NA CADEIA DE AQUISIÇÃO A IMPORTÂNCIA DA COMPATIBILIDADE ENTRE OS VÁRIOS ELOS Formato dos dados e escalas de engenharia Processo Elétrico Fiação Relação TP TC Trandutores 4 A 20 ma Protocolo de Comunicação Configuração do Protocolo IED ou UTR Conversores A/D Banco de Dados Posição Seccionadora ou Disjuntor Telecomando Aplicativo Gerencial Softwares Visuais Centro de Operação Banco de Dados Cliente da UTR Servidor do Aplicativo Gerencial Telessinal Ponto Simples 0 Aberto 1 Fechado Telessinal Ponto Duplo 0 0 Em trânsito 0 1 Aberto 1 0 Fechado 1 1 Estado Proibido Telecomando Simples 0 Abrir 1 Fechar Telecomando Duplo 0 0 Comando Proibido 0 1 Abrir 1 0 Fechar 1 1 Comando Proibido Medição KV, A, MW, MVar Conversor de12 bits Inteiro Conversor de 16 bits Ponto Flutuante Escalas de Engenharia Relações de TP e TC Conversores A / D Byte Word Long Word

7 Agilidade na Comunicação (Throughput) Tempo decorrido entre a deteção de um evento e a atuação de uma saída baseada em uma decisão lógica. 1. Taxa de Transmissão 1,2 à 19,2 KBps IEC , DNP3, MODBUS 100 MBps IEC TCP/IP 2. Eficiência do Protocolo Overhead Número total de bytes da mensagem em relação à mensagem útil - dados. IEC , DNP3, Modbus otimizados para mínimo overhead IEC TCP/IP pouco otimizado em função das larguras de banda disponíveis atualmente 3. Modelo da Rede 3.1. ORIGEM / DESTINO 3.2. PRODUTOR / CONSUMIDOR ( Publisher / Subscriber ) ( Publicador / Assinante ) IEC 61850

8 Modelos de Rede de Automação Protocolos ORIGEM / DESTINO - Mestre / Escravo Modelo tradicional, mais fácil de ser implementado Repetição do mesmo dado, quando só o endereço é diferente Taxa de transmissão 1,2 à 19,2 KBps IEC , DNP3, MODBUS PRODUTOR / CONSUMIDOR Multcast. Múltiplos Nós podem consumir simultaneamente os dados de um mesmo PRODUTOR. Utilização mais eficiente da banda de comunicação 100 MBps Pode assumir configuração Mestre/Escravo, Polling ou Mudança de Estado IEC61850

9 INFORMAÇÃO 2 Tipos 1. Não necessita referência externa : Meu endereço é Rua Dourada 1000, CEP , Jundiaí/SP-Brasil. 2. Necessita referência externa : Meu nome é Paulo Oliveira e meu endereço está na lista telefônica. No caso 2 a referência externa é a Lista Telefônica, que necessito consultar para achar o endereço do meu amigo. Indexação externa.

10 2 Exemplos S/E BAN linha para XAV Informação 1 - Disjuntor está fechado Informação 2 BAN está recebendo 600 MW de XAV Informação 60 km. n S/E BAN UTR Centro de Operação do Sistema Informação 1 - Disjuntor está fechado 1 bit 0 aberto 1 fechado Informação 2 BAN está recebendo 600 MW de XAV 2 Bytes ou 4 números hexadecimal F21A Banco de Dados da UTR deve ser compatível com o do SSC ( COS ).

11 2 Exemplos S/E BAN linha para XAV Informação 1 - Disjuntor está fechado Informação 2 BAN está recebendo 600 MW de XAV Informação 60 km. n S/E BAN UTR Protocolos DNP 3, IEC 101, MODBUS Linha Serial Centro de Operação do Sistema O N S Informação 1 - Disjuntor está fechado 1 bit 0 aberto 1 fechado Informação 2 BAN está recebendo 600 MW de XAV 2 Bytes ou 4 números hexadecimal F21A Banco de Dados da UTR deve ser compatível com o do SSC ( COS ).

12 2 Exemplos S/E BAN linha para XAV Informação 1 - Disjuntor está fechado Informação 2 BAN está recebendo 600 MW de XAV Informação 60 km Centro de Operação do Sistema O N S - Brasília Informação 1 - Disjuntor está fechado BAN / XCBR1.Pos.stVal Vai a informação completa, sem necessidade de referência externa. Configura-se na origem e passa um arquivo XML para configurar o computador do COS. Simplifica trabalho de configuração. Informação 2 BAN está recebendo 600 MW de XAV BAN / MMXU / F21A Banco de Dados da UTR independe do Banco de Dados do SSC ( COS ).

13 2 Exemplos S/E BAN linha para XAV Informação 1 - Disjuntor está fechado Informação 2 BAN está recebendo 600 MW de XAV Informação 60 km IEC Rede TCP/IP Centro de Operação do Sistema Informação 1 - Disjuntor está fechado BAN / XCBR1.Pos.stVal Vai a informação completa, sem necessidade de referência externa. Configura-se na origem e passa um arquivo XML para configurar o computador do COS. Simplifica trabalho de configuração. Informação 2 BAN está recebendo 600 MW de XAV BAN / MMXU / F21A Banco de Dados da UTR independe do Banco de Dados do SSC ( COS ).

14 2 Modelo do Protocolo MODBUS Coloca a informação na Tela do Operador na S/E ou no COS Objeto de dados Ex: S/E BAN Disjuntor 7 abriu MODBUS - Funções e Mapas de Memória Disjuntor 7 Aberto - Informação => B B 7 0 Aplicação Aplicação B 7 0 End B 7 0 crc End B 7 0 crc Desencapsular Físico Físico Encapsular Destino COS São Paulo Origem - S/E Bandeirantes

15 Camada Física Interfaces e Conexões Circuito de Dados Equipamento Terminal de Dados (DTE) Equipamento Terminal do Circuito de Dados (DCE) Canal Serial Equipamento Terminal do Circuito de Dados (DCE) Equipamento Terminal de Dados (DTE)

16 Camada Física RS 232 Sinais ITU V.24 Circuito Nome Circuito Do DCEPara DCE 102 Comum Tx X 104 Rx X 105 a) RTS X 106 b) CTS X 107 b) DSR X 108 a) DTR X 109 b) DCD X a) Pode ser mantido constante b) Não obrigatório. Pode ser usado para supervisionar o circuito de transmissão

17 Interface RS 232 Conector DB25 25 pinos Comunicação SERIAL Bits de dados -12 V = 1 ou Alto, +12V = 0 ou baixo Bits dentro do Byte transm. primeiro LSB e depois o MSB Cada Byte começa com 1 Start Bit Alto e termina com 0 a 2 Stops Bits Baixos Desocupada a linha esta Baixa 1 Start Bit MSB Data Byte LSB 2 stops bits Onda Eletromagnética km/segundo 9600 BPS - Bits por Segundo 873 Bytes por seg Mensagem de 100 Bytes 115 ms Internet Mega BPS / Giga BPS Pinagem Modem DCE 1 - CD 2 - TXD 3 - RXD 4 - DTR 5 - terra 6 - DSR 7 - RTS 8 - CTS 9 - RI DB9 Femea Cabo Multipares DTE 1 - CD 2 - RXD 3 - TXD 4 - DTR 5 - terra 6 - DSR 7 - RTS 8 - CTS 9 - RI DB9 Macho Relé de Proteção PC ou Micro

18 Interface RS 232 Ligação Ponto a Ponto DCE Data Communication Equipment Modem DTE - Data Terminal Equipment Relé ou PC-Microcomputador Hardware Handshake se não usado só são necessários 3 sinais TXD, RXD e Terra. Jumpeados 4 com 5; 6,8 com 20. CD Carrier Detected avisa o PC que o modem tem uma boa conexão CTS Clear To Send Modem está pronto para receber do PC DSR Data Set Ready avisa o PC que o modem está pronto DTR Data Terminal Ready avisa modem que o PC está pronto RTS Request to Send avisa o modem que o PC quer mandar dados RI Ring Indicator Modem detetou um sinal do outro modem Comunicação digital Comunicação digital PC São Paulo Modem Comunicação Analógica Modem RELÉ Jupiá

19 Conectores Seriais

20 Tx (2) Rx (3) RTS (4) DTE Exercício 1 Diagrama de um Cabo Cruzado DTE Tx (2) Rx (3) RTS (4) CTS (5) DSR (6) Gnd (7) DCD (8) DTR (20) CTS (5) DSR (6) Gnd (7) DCD (8) DTR (20)

21 DTE Exercício 1 DTE Tx (2) Rx (3) RTS (4) CTS (5) DSR (6) Gnd (7) DCD (8) DTR (20) Tx (2) CT 103 Rx (3) CT 104 RTS (4) CT 105 CTS (5) CT 106 DSR (6) CT 107 Gnd (7) CT 102 DCD (8) CT 109 DTR (20) CT 108

22 Tx (2) Rx (3) RTS (4) DTE Exercício 2 Diagrama de um Cabo sem handshake simplificado TX com RX, Terra (Ground), jumpers nos conectores 4 com 5; 6,8 com 20. DTE Tx (2) Rx (3) RTS (4) CTS (5) DSR (6) Gnd (7) DCD (8) DTR (20) CTS (5) DSR (6) Gnd (7) DCD (8) DTR (20)

23 Tx (2) Rx (3) RTS (4) DTE Exercício 2 Diagrama de um Cabo sem handshake simplificado TX com RX, Terra (Ground), jumpers nos conectores 4 com 5; 6,8 com 20. DTE Tx (2) Rx (3) RTS (4) CTS (5) DSR (6) Gnd (7) DCD (8) DTR (20) CTS (5) DSR (6) Gnd (7) DCD (8) DTR (20)

24 RS 485 (Recomended Standard ) EIA 485 ( Electronic Industry Assossiation ) Half duplex, Multiponto ( 32 nós ), 1200 metros. Velocidade de 100 K a 10 MBps. Única CPU, diversos IHM endereçáveis, compartilham o mesmo cabo. Conversor RS232 para 485, isolamento ótico. Redes locais muito baratas, multidrop. Prover Rejeição de Modo Comum com par trançado, e blindagem. Topologia recomendada Daisy Chain Outras Topologias BARRAMENTO Funciona mas não é o ideal Daisy Chain ESTRELA Não usar ANEL

25 CABO para RS 485 (Recomended Standard ) EIA 485 ( Electronic Industry Assossiation ) Deve ser blindado Recomenda-se utilizar 3 vias e blindagem até 1200 m Dado + Dado Comum (GND) Blindagem Com 2 vias para curtas distâncias poucos metros Função do COMUM equalizar o potencial dos equipamentos conectados à Rede Função da BLINDAGEM : proteção contra Ruídos externos Não utilizar a BLINDAGEM como COMUM, pois colocaria o Ruído existente como referência

26 USART ( chip de computador que implementa as recomendações da 2ª camada Enlace (Link) do modelo ISO ) USART se refere a Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter. É um formato padrão para comunicação de dados de forma SERIAL. Em forma assíncrona, dois fios são usados para transmitir dados, um em cada direção, em regime Full-duplex, bi-direcional. Para isso, cada dispositivo deve ter seu clock, e as velocidades devem ser iguais. Em forma síncrona, uma ponta é mestre e a outra escravo. Um fio é utilizado para dados, em regime half-duplex, ou seja, nos dois sentidos, mas um sentido de cada vez. O outro fio é usado para pulsos de clock emitidos pelo dispositivo mestre. Os microcomputadores PC costumam ter até 4 portas USART, nomeadas de COM1 a COM4. Entre os dispositivos ligados em protocolo USART estão o modem e o mouse.

27 MODBUS FRAME Function Code 1 byte ( ) Válidas 1 a 127 ASCII ou RTU

28 Endereçamento dos Dados nas Mensagens MODBUS

29 Mensagens Pergunta / Resposta ASCCII ou RTU Automação

30 Modelo de Dados MODBUS itens de dados

31 Modelo de Endereçamento MODBUS

32 Definição dos Códigos de Função Públicos

33 Descrição das Funções 01 ( 0x 01) Read Coil Automação

34 Descrição das Funções 02 ( 0x 02) Read Discrete Inputs

35 Descrição das Funções 03 ( 0x 03) Read Holding Register Inicia no Mapa de Memória Automação

36 Descrição das Funções 04 ( 0x 04) Read Input Register Inicia no Mapa de Memória Automação

37 Descrição das Funções 05 ( 0x 05) Write Single Coil Automação

38 Descrição das Funções 06 ( 0x 06) Write Single Register Automação

39 Frames MODBUS

40

41 MODBUS DÚVIDA FREQUENTE QUESTÃO DO MAPA DE ENDEREÇOS Função 0x04 ( Read Input Register ) : em diante (ex: 30015) Transmissão: = 14 = 0x0E Função 0x03 ( Read Holding Register ) : em diante (ex: 40002) Transmissão: = 01 = 0x01 IMPORTANTE Não há confirmação de recebimento de dados nativa Não existe padronização no formado de dados Não existe padronização no mapa de memória

42 SPS-Supervisor de Paralelismo Síncrono TREE TECH Mapa de Registradores - MODBUS

43 SPS-Supervisor de Paralelismo Síncrono TREE TECH Mapa de Registradores - MODBUS

44 OBRIGADO! Protocolo MODBUS Paulo Roberto Pedroso de Oliveira (11) (11) ASCC Automação

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