Instituto Federal de São Paulo Campus Presidente Epitácio Redes e Protocolos Industriais Prof Fernando Barros Rodrigues Protocolos Industriais

Transcrição

1 Protocolos Industriais Redes de campo surgiram da necessidade de interligar equipamentos usados nos sistemas de automação, que se proliferavam operando independentemente. A interligação desses equipamentos em rede permitiu o compartilhamento de recursos e bases de dados, as quais passaram a ser únicas e não mais replicadas, conferindo mais segurança aos usuários da informação. Nos anos 80, com o avanço tecnológico e a concorrência entre empresas para dominar o mercado de automação industrial, provocaram um crescimento desordenado e surgiram no mercado mais de 29 tipos diferentes de redes industriais, demonstrando a total falta de padronização. A maioria dos protocolos na época eram proprietários, impossibilitando a interconexão entre sistemas de fabricantes distintos. Os fabricantes começaram a ter um olhar diferenciado, buscando a implementação de sistemas abertos, com as seguintes características: Interoperabilidade: capacidade dos sistemas abertos trocarem informações entre eles, mesmo quando fornecidos por fabricantes diferentes; Interconectividade: maneira como os computadores de fabricantes distintos podem ser conectar; Portabilidade: capacidade de um software rodar em plataformas diferentes. Nos anos seguintes esforços foram movidos em busca de uma padronização das redes industriais, beneficiando o usuário final, uma vez que ele não fica mais amarrado a um padrão utilizado por uma empresa, podendo utilizar componentes de diferentes fabricantes usando o mesmo protocolo, aumentando assim a concorrência entre os fabricantes, reduzindo os custos. Na primeira idealização, o Fieldbus (barramento de campo) seria uma rede multiponto digital para conectar dispositivos de campo e controle a longas distâncias por apenas um barramento (dois fios), porém após essa primeira etapa, percebeu-se que essa tecnologia poderia fazer muito mais do que isso. O Fieldbus, além de ser uma tecnologia feita para economizar cabeamento, é o verdadeiro controle distribuído em que, muito mais do que distribuir os pontos de entrada e saída (I/O input/output), permite, em alguns casos, fazer o controle no local da aquisição e atuação dos processos, ou seja, no próprio sensor e atuador. Logo os problemas de comunicação são minimizados. A padronização dos barramentos de campo começou quando diversos fabricantes, na maioria americanos, passaram a usar o Modbus da MODICON como padrão em seus dispositivos de controle. Na Europa o protocolo Profibus se tornou padrão. O Profibus criado pela Siemens, assim como o Modbus, tornou-se aberto por acordos entres os fabricantes europeus. No meio da década de 80 a empresa International Standards Association (ISA), reuniu uma comissão e criou o SP50. A ISA desperdiçou anos e anos tentando criar um padrão único mundial, mas foi barrada pelos interesses de cada grande fabricante. Em 1992, Fisher-Rosemount, Yokogawa e Simens, os três maiores fabricantes de CLP e com protocolos compatíveis do mercado, uniram-se e

2 criaram o Interroperable Systems Project (ISP). Outra grande facção da SP50, inclusos Honeywell, AllenBradley entre outros, formou um padrão com os mesmos objetivos do ISP, o Worldfip. Em 1993 o ISP e o Worldfip foram unificados para criar o Foundation Fieldbus, um padrão que até hoje, apesar das inúmeras aplicações e dos vários fabricantes, está por ser totalmente definido e testado e por um fim a essa disputa de um novo padrão. No mercado podem ser encontrados outros tipos de protocolos além dos citados acima, como por exemplo: Seriplex, Interbus-s, Hart, Can, devicenet, ControlNET, Ethernet Industrial, Profinet, ARCNet, SDS, LonWorks, etc. Atualmente existe uma grande quantidade de protocolos ou redes industriais. Estes protocolos podem ser classificados em três categorias de acordo com a sua utilização na indústria: i) Protocolos de nível mais baixo (SENSORBUS) - redes de dispositivos simples (sensores ou atuadores em nível de bit - I/O), como por exemplo, o ASi, o SERIPLEX, o Interbus-S, o Profbus-PA e o HART; ii) Protocolos de nível médio (DEVICEBUS) - redes de controladores de campo, com comunicação serial entre CLP s. Podemos citar o CAN, o Lonworks, o Modbus, o DeviceNET e o Profibus-DP; iii) Protocolos de nível alto (FIELDBUS) - redes de controladores (mestres) para controles e instrumentação mais sofisticada, como a rede Ethernet Industrial, o SP50-H2 e o Profibus-FMS.

3 MODBUS O MODBUS é um protocolo para barramentos de campo criado pela MODICON, empresa fabricante de produtos para automação, visando o uso em seus próprios dispositivos. Porém, com o tempo, o MODBUS foi adotado por um grande número de fabricantes, sob autorização da própria MODICON, passando a ser um protocolo aberto. Na verdade, o MODBUS é utilizado por milhares de fabricantes de dispositivos para automação. O MODBUS é baseado no modelo mestre-escravo. Nesse modelo os escravos não podem dialogar entre si, toda comunicação deve passar por um mestre. O mestre pode requisitar informações de um escravo em particular e esperar pela sua resposta (modo requisição/resposta) ou pode enviar uma mensagem comum a todos os escravos (modo difusão). Como o mestre está ligado, assim como todos os escravos, sobre uma rede bidirecional do tipo barramento, é necessário designar um endereço para cada escravo. Todos os escravos recebem as questões do mestre, mas só o escravo endereçado responde ao mestre. Esse endereço pode variar de 1 a 247, sendo possível, haver 1 mestre e 247 escravos. O mestre possui quatro atribuições: 1- Assegurar a troca de informação entre as ECL (Estações de Controle Local) ou EDT (Equipamentos Terminais de Dados); 2- Assegurar um diálogo com o operador do sistema (diálogo homemmáquina); 3- Assegurar um diálogo com outros mestres ou com um computador para uma gestão centralizada do conjunto do processo; 4- Assegurar a programação ou passagem de parâmetros para os escravos (ECL) a fim de obter a flexibilidade da produção. O mestre pode transmitir dois tipos de mensagens aos escravos, dentro de uma mesma rede: Mensagem tipo unicast: o mestre envia uma requisição para um escravo definido e este retorna uma mensagem-resposta ao mestre. Portanto, nesse modo são enviadas duas mensagens: uma requisição e uma resposta. Mensagem tipo boadcast: o mestre envia requisições para todos os escravos, e não é enviada mensagem de resposta para o mestre. Para este tipo de mensagem é utilizado o endereço 0.

4 O protocolo MODBUS pode utilizar vários tipos de meio físico. O mais utilizado é o RS-485 a dois fios (2W-MODBUS, Figura a), existindo uma outra opção a quatro fios (4W-MODBUS, Figura b). A interface serial RS-232 deve ser utilizada somente para comunicação ponto a ponto. Figura a. Figura b. Codificação de mensagens: As trocas de informações são realizadas por iniciativa do mestre no instante do envio da requisição. O escravo destinatário a interpreta e envia uma resposta, conforme a Figura abaixo:

5 Uma mensagem MODBUS pode ser uma sequência que varia desde alguns poucos bytes (menos de 10) até algumas centenas (máximo de 256 bytes). O formado dos pacotes de comunicação entre mestre e escravos pode ser feito nos modos RTU e ASCII: MODBUS ASCII (American Standard Code for Information Interchange) transmite dados codificados em caracteres ASCII de sete bits. Apesar de gerar mensagens legíveis para as pessoas, este modo consome mais recursos da rede. MODBUS RTU (Remote Terminal Unit) - neste modo os dados são transmitidos em formato binário de oito bits. Cada byte na mensagem contém dois caracteres hexadecimais de quatro bits cada. O modo RTU é mais utilizado, pois permite que o tamanho do pacote fique mais compacto. Atualmente, existem outras variações do protocolo MODBUS, que acrescentam novas funções ou outros níveis (camadas) ao protocolo original: MODBUS/TCP (MODBUS sobre Ethernet) Aqui os dados são encapsulados no formato binário em quadros para a utilização do meio físico Ethernet. As estações utilizam o modelo clienteservidor e isto permite que dispositivos MODBUS/TCP se conectem e se comuniquem em redes Ethernet existentes de forma fácil e imediata. Permite também muito mais endereços de RS-485, o uso de múltiplos mestres e velocidade de transmissão na faixa de Gbits. MODBUS Plus Versão que possui vários recursos adicionais de roteamento, diagnóstico, endereçamento e consistência de dados. Esta versão ainda é mantida sob domínio da Schneider Electric e só pode ser implantada sob licença deste fabricante.