COMPARATIVO ENTRE OS PROTOCOLOS DEVICENET E FOUNDATION FIELDBUS

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1 COMPARATIVO ENTRE OS PROTOCOLOS DEVICENET E FOUNDATION FIELDBUS Marcos Vinícius de Miranda Weldson Queiroz de Lima Leonardo Silveira DCA - UFRN CEP Natal, RN {miranda, well, leonardo}@dca.ufrn.br Resumo O conceito de Redes para automação industrial tem crescido em grande escala nos últimos anos. Diversos fatores metrificam para a escolha de um modelo ou outro. Alguns dos fatores mais relevantes são: forma de transmissão, redução do hardware, capacidade de processamento nos dispositivos, fácil instalação e manutenção, qualidade de transmissão, etc. Neste artigo serão abordadas dois modelos de Redes para automação industrial, explicitando suas características e potencialidades. 1 INTRODUÇÃO Soluções consistentes de redes para automação industrial tem surgido ao longo dos anos. Dois modelos vêm ganhando destaque por seu potencial e flexibilidade, são a Devicenet e o Fildbus Fundation. Desenvolvida pela Allen Bradley, a Devicenet, tem como característica que tanto o controle de acesso quanto a sinalização serem feitos pelo protocolo CAN; portanto, cada dispositivo Devicenet deve possuir um chip CAN. O DeviceNet utiliza o conceito de Produtor/Consumidor, tornando possível qualquer dispositivo enviar e receber uma A relevância da transmissão está no conteúdo, e não no destinatário, fazendo com que a transmissão assuma um caráter multicast. Já o Fildbus Fundadion, usado para comunicação digital serial em instrumentação e controle de processos, interligando equipamentos como sensores, atuadores e controladores, possui várias diferenças dos outros protocolos que se designam aos mesmos propósitos. Uma delas é a possibilidade de resolver aplicações de controle de processos em vez de apenas transferir dados no modo digital. Com o modelo Fildbus o constrole é distribuído, visto que cada dispositivo possuí unidade de memória e processamento, com diversas funções armazenadas. 2 A REDE DEVICENET A rede DeviceNET foi desenvolvida pela Allen Bradley com o intuito de utilizar interligações em dispositivos de campos como sensores, atuadores, etc. Essa rede de dispositivos foi criada sobre o protocolo CAN, inicialmente construída e usada pela industria automobilística. 3 CARACTERÍSTICAS DO DEVICENET 3.1 Pilha das Camadas A tecnologia utiliza apenas as camadas de aplicação, rede e físico como mostra a figura abaixo Protocolo de enlace Utiliza protocolo CSMA/NBA Carrier Sense Multiple Access with Non Destructive Bitwise Arbitration ou CSMA/CD + AMP (Arbitration on Message Priority). Com esse protocolo, qualquer nó, no máximo de 64, pode enviar e receber dados a medida que necessite, porém, entes de enviar uma mensagem, o protocolo escuta o meio e verifica se o barramento está em silêncio. Em caso afirmativo, o dado é enviado. Caso contrário, a mensagem é colocada em uma fila e uma nova tentativa é feita dependendo do algoritmo de retransmissão. Tanto o controle de acesso quanto a sinalização é feita usando os recursos do protocolo CAN. Assim, para se implementar uma rede DeviceNet, cada dispositivo deve possuir um chip

2 CAN fazendo interface com a camada de aplicação. O chip CAN garante a interoperabilidade entre os demais dispositivos (Padrão ISO 16845) CAN é baseado no mecanismo de broadcast. Esse mecanismo é implementado usando um protocolo orientado a mensagens. Assim, não se define estações nem endereços de estações, apenas mensagens. Cada mensagem é identificada por um identificador em toda rede e define não o seu conteúdo mas a prioridade da Isto será importante quando muitos nós tentam acessão o meio ao mesmo tempo Formato de quadro Campo de Controle + LEN É formado por 6 bits, sendo 2 fixos e varia entre 0 a 8. Esse valor representa o tamanho em bytes da área de dados. Dados A mensagem a ser transmitida com tamanho máximo de 8 bytes CRC Esse campo é composto por 16 bits, possibilitando a integridade da A validação da mensagem é composta dos campos de Identificado, controle, tamanho e dados ACK Esse bit é usado para a confirmação do envio de uma Caso a mensagem tenha sido transmitida com sucesso, esse bit é alterado, caso contrário, o bit permanece no seu valor original, forçando assim uma nova retransmissão SOF (Start Of Frame) O quadro inicia com um SOF usado para acordar avisando aos demais nós que o barramento será ocupado por alguma O Identificador de 11 bits Usado para definir a prioridade de uma determinada Dois ou mais nós podem tentar enviar dados simultaneamente. Quando isso acontece, o mecanismo de arbitragem bit a bit vai garantir o envio de uma mensagem com maior prioridade. Esta função é definida no identificador da mensagem de 11 bits. É importante salientar que cada mensagem de cada nó terá identificadores diferentes evitando-se assim duplicidade ou ambigüidade das mensagens. O protocolo utiliza dois estados lógicos possíveis para o uso da arbitragem. O bit 1 chamado de recessivo e o bit 0 chamado de dominante. Como cada mensagem tem seu próprio identificador, o nó saberá se está apto a transmitir ou não quando percebe que o bit que acaba de transmitir no barramento é o mesmo que está no barramento em um tempo t1. O protocolo faz um e com todas as mensagens do barramento. Como o bit 0 é dominante, a presença de apenas um bit em um determinado tempo t, faz com que o bit ativo seja 0. Assim, se um determinado nó que transmitiu no mesmo tempo um bit 1, não terá sua mensagem transmitida, pois escutará no barramento o bit 0. Mensagens com identificadores de menor número terão prioridade em uma transmissão. A figura abaixo mostra 3 estações tentando enviar dados. Só a última obtém sucesso, pois o número de identificador da mensagem garantiu a prioridade EOF O campo de término do quadro é feito com 7 bits setados em 1 (recessivos). Isso faz com que os demais nós percebam que o barramento está preste a ficar ocioso. Como o protocolo não permite a presença de mais de 6 bits da mesma forma em seqüência, a presença do EOF garante aos demais nós que o quadro terminou Protocolo físico Para a interligação entre os dispositivos são usados dois pares de fios em um único cabo. O primeiro par para a comunicação co técnicas de tensão diferencial. Já o segundo par é destinado para a alimentação dos dispositivos com corrente contínua de 24V Sinalização Como já foi dito anteriormente, toda sinalização é executada pelo protocolo CAN. Essa sinalização converte os dados adquiridos na camada de enlace em bits que são imediatamente transmitidos no meio físico sem que haja nenhuma codificação adicional como Manchester ou equivalentes. A conversão tornaria a arbitragem impossível por usar transições. Esse processo também não impede a sincronia, pois o protocolo garante que só são enviados seis bits do mesmo tipo em seqüência evitando assim uma sinalização muito extensa ocasionando perda de sincronismo. 4 TROCAS DE MENSAGENS Existem dois tipos de mensagens usada nessa tecnologia: Mensagens de entrada e saída: São mensagens enviadas por um estação produto e lida por uma estação consumidora. Esta troca de mensagens deve ser inicialmente configurada em cada dispositivo. Mensagens explicitas: São mensagens de baixa prioridade utilizada normalmente para configuração dos nós e diagnóstico de problemas. 5 COMUNICAÇÃO ENTRE OS DISPOSITIVOS O DeviceNet utiliza o conceito de Produtor/Consumidor, tornando possível qualquer dispositivo enviar e receber uma

3 Assim, é possível obter as seguintes trocas de mensagens: Produtor/Consumidor O Dado é identificado pelo seu conteúdo. A mensagem não necessita explicitar endereço da fonte e destino dos dados. Também não existe o conceito de mestre. Qualquer nodo pode iniciar um processo de transmissão. Este modelo permite gerar todos os demais: Neste esquema existe um mestre ( 1 por rede e fixo) que realiza o polling aos demais dispositivos, que respondem só quando são perguntados. Redes de dispositivos par não possuem mestres fixos. A passagem do token garante o direito de cada estação transmitir suas próprias mensagens mecanismo de passagem de token pode ser baseado na posição do nodo no anel lógico ou definido por um mecanismo de prioridades. Uma mensagem pode atingir diversos dispositivos simultaneamente. Para isso, a configuração inicial da rede deve ser ajustada para que uma determinada mensagem produzida por um nó seja consumida por vários dispositivos. Um dispositivo pode iniciar automaticamente uma transmissão se um determinado evento aconteça sem que necessariamente tenha sido convidado pelo mestre. Outra utilização para este esquema é uso de mensagens de heart beat que são enviadas periodicamente ao mestre avisando se o dispositivo está parado ou em uso. Outro esquema válido para troca de mensagens é o uso de transmissões cícilicas predefinidas e em instantes diferentes para cada nó, configurado inicialmente no dispositivo. 6 RECURSOS Segundo documentação da Rede DeviceNet, cada dispositivo segue os requisitos mínimos para garantir a interoperabilidade da rede, fornecendo recursos, variáveis, etc Um perfil de dispositivo DeviceNet deve conter as seguintes seções: Definição do modelo de objeto do dispositivo: Lista todas as classes de objeto presentes no equipamento, o número de instâncias em cada classe, como cada objeto afeta o comportamento das interfaces públicas para cada objeto. Definição do formato de dados de I/O do produto. Geralmente inclui a definição de um objeto da classe Assembly que contém o endereço (classe, instância e atributo) dos componentes de dados desejados. Definição dos parâmetros configuráveis do objeto e das interfaces públicas para este parâmetros. Estas informações são incluídas no EDS. O protocolo Foundation Fieldbus também possui um arquivo chamado DD (Device Description) que define o modelo de objeto do dispositivo. 7 A REDE FIELDBUS FOUNDATION Foundation Fieldbus é um protocolo confiável para comunicação digital serial em instrumentação e controle de processos, interligando equipamentos como sensores, atuadores e controladores, com a restrição de que todos estes equipamentos devem ser Fieldbus. Várias diferenças existem entre ele e os outros protocolos que se designam aos mesmos propósitos. Uma delas é a possibilidade de resolver aplicações de controle de processos em vez de apenas transferir dados no modo digital. O Fieldbus é uma rede de trabalho local (LAN) para instrumentos usados em processos e automação da mão de obra com capacidade embutida para distribuir o controle de aplicação através da rede de trabalho. Esses dispositivos também podem ser interligados à redes HSE (High Speed Ethernet) para serem configurados remotamente de acordo com as necessidades do usuário, o que torna essa tecnologia adequada para sistemas pequenos até plantas industriais inteiras. Já existem diversos fabricantes que desenvolvem produtos fieldbus, que estão rodando em diversas plantas em todo o mundo. Mas, sendo o fieldbus um protocolo digital, teria possibilidade de se comunicar com equipamentos analógicos? Sim, existem equipamentos como o CLP LC700 que tornam possível essa associação. Em redes Fieldbus, a estratégia de controle é distribuída ao longo dos dispositivos de campo. Isso é possível porque todos os dispositivos possuem microprocessadores e memória com várias funções, inclusive de controle PID, implementadas. Graças a todas essas novas possibilidades, o conceito de gerenciamento de processos atual permite novas tarefas de automação como novas configurações, diagnósticos de performance on-line e manutenção de registros e ferramentas.

4 7.1 Vantagens do fieldbus Em relação às tecnologias analógicas e até a algumas tecnologias digitais, o Fieldbus Foundation obtém vantagens significativas. Algumas delas são descritas a seguir: Redução do hardware A estratégia de controle no protocolo Foundation Fieldbus é implementada através de blocos de função que estão presentes nos dispositivos fieldbus. Estes blocos são funções implementadas em num chip de memória ROM presente na placa dos equipamentos e que possibilitam usar funções de automação padronizadas. Algumas dessas funções são os recebimentos tanto de entradas analógicas como digitais, bem como a disponibilização das respectivas saídas; cálculos de PD/ PI / PID que permitem configurar a lógica de controle que será executada no próprio dispositivo, através da interligação dos blocos, o que reduziria a necessidade de equipamentos de controle como arquivos de cartão, fontes de alimentação e gabinetes Distribuição do processamento O projeto usando blocos funcionais permite ao projetista da rede a distribuição de funções entre os diversos equipamentos de campo, até mesmo de fabricantes diferentes. Essa distribuição aumenta a robustez da rede, uma vez que não é necessário sobrecarregar um mesmo equipamento com a execução de várias funções. Pode-se, por exemplo, ter um dispositivo executando um controle PID numa entrada analógica que foi recebida em outro dispositivo da rede. Com o controle nos dispositivos de campo a quantidade de E/S também é reduzida, uma vez que não será necessário enviar dados para um dispositivo central de processamento. 7.2 Características do Foundation Pilha do protocolo A pilha do protocolo consiste na base física, que equivale ao nível físico do modelo OSI. O nível de link de dados equivale ao nível de enlace no modelo OSI. Os níveis 3 ao 6 do modelo OSI não são implementados no Foundation. O FAS (Fieldbus Access Sublayer) faz a interface entre a camada de mensagem (FMS) e o DLL. O Fieldbus Foundation especificou um modelo de aplicação do usuário, mas não a definiu. A pilha está mostrada abaixo: Sinalização, cabeamento e formato de quadro No nível físico, os sinais Fieldbus, padronizados pelo IEC e pela ISA, são codificados usando Manchester Biphase-L. Este tipo de sinal carrega junto com os dados a informação de clock para sincronização. Alguns sinais padronizados do protocolo e o quadro de dados são mostrados abaixo: Instalação O fieldbus facilita a instalação da rede, pois muitos dispositivos podem ser conectados com um único par de fios. Os dispositivos podem ser pendurados num tronco principal. Isso resulta em cabos menores, barras de segurança menores e gabinetes mais organizados Quantidade e qualidade de dados. No Foundation Fieldbus, a quantidade de dados disponível para o usuário é muitos maior do que em sistemas de automação tradicionais, indo muito além de apenas variáveis de controle. A confiabilidade dos dados também é maior devido à comunicação digital entre os dispositivos, evitando conversões A/D e D/A que degradam o sinal Manutenção A possibilidade de executar auto-testes e a comunicação entre os diversos microprocessadores em cada dispositivo reduzem o tempo de manutenção e tornam o sistema mais confiável. Os alarmes e os relatórios enviados pelos dispositivos possibilitam uma melhor manutenção preventiva e corretiva Interoperabilidade O protocolo foundation fieldbus é um protocolo aberto, ou seja, diversos fabricantes podem produzir equipamentos para esta tecnologia, que deverão funcionar em conjunto, deixando o usuário livre para escolher o seu provedor de dispositivos. Os dados do Foundation podem trafegar junto da energia que alimenta os dispositivos, necessitando então apenas de um cabo, que poderá ser os mesmos usados em dispositivos 4-20mA. O dispositivo transmissor entrega +10mA a 31.25kbps para uma carga de até 50ohm para criar uma tensão de 1V pico-apico modulada acima da corrente direta da fonte de tensão. Para algumas aplicações esta fonte pode variar de 9 a 32 V. O comprimento do cabo é determinado pela taxa de comunicação, tipo e tamanho do cabo e potencia da linha Comunicação entre os dispositivos e protocolo de comunicação Existe um dispositivo de que funciona como interface entre os diversos equipamentos. É o DFI, o qual pode interconectar a rede fieldbus a 31.25kbps com uma de alta velocidade (HSE) a 100Mbps ou 1Gbps, abrindo a porta da Internet para aproveitar suas facilidades (TCP/IP, SNTP, etc.). Esta interface permite que outras redes como a DEVICENET e PROFIBUS serem mapeados no padrão dos blocos de função Foundation. O Fieldbus Foundation define dois tipos básicos de equipamentos: Dispositivos básicos, que são os sensores, atuadores, etc.

5 Dispositivos de Link Mestre, que preferencialmente será um LAS (Link Actve Schedule). Um LAS é um dispositivo que controla os tempos que os dispositivos transmitem (publica) os dados dos buffers para a linha. Quem estiver configurado para receber (assinante), copia estes dados. Qualquer dispositivo pode ser um LAS, desde que a rede não tenha um DFI. Isso implica que a rede não pára de o DFI cair, pois outro dispositivo irá desempenhar essa função. Entre as transmissões de mensagens agendadas também podem acontecer mensagens de forma não agendada. O LAS concede permissão para um dispositivo usar o barramento emitindo um sinal PT. Quem receber este sinal pode transmitir, se necessitar. Isso significa que o Foundation Fieldbus funciona, também, como o protocolo token passing de barramento. O algoritmo do LAS é mostrado abaixo: DeviceNet - ad/downloadfiles/devicenet.pdf Coretti, José Alberto. Manual de treinamento System 302 básico Fieldbus Foundation. Centro de treinamento SMAR CONCLUSÃO Existem diversas redes de automação industrial, cada uma com suas características, funcionalidades etc. Seria pretensão dizer que uma determinada tecnologia é melhor que outra. Correto seria dizer que uma rede dada uma situação se comporta melhor que uma outra. No caso do DeviceNet, a sua implantação seria fácil e rápido com uma integral compatibilidade entre os dispositivos por usarem o chip CAN. A instalação de uma rede Foundation ainda seria mais simples e barata, com as diversas vantagens que já foram descritas neste artigo. Em redes DeviceNet os dispositivos trabalham com sinais analógicos e discretos tornando o uso dessa rede possível em sensores, atenuadores, etc lendo e escrevendo valores em aplicações de campo. Os dispositivos Fieldbus trabalham entre si com comunicação digital, mas dispositivos como o CLP LC700 podem fazer a interface entre um dispositivo analógico e um digital. Outra característica importante da tecnologia DeviceNet é o controle do acesso ao meio e o uso de mensagens prioritárias na ocorrência de disputa do barramento. O ponto fraco dessa tecnologia é o fato de que para mensagens de baixa prioridade, há a perda do determinismo, pois será retransmitido n vezes até que nenhuma mensagem mais prioritária esteja disputando o meio. REFERÊNCIAS CAN in Automation - ODVA -