A Tecnologia DeviceNet

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1 A Tecnologia DeviceNet Ana Claudia Medeiros Lins de Albuquerque Departamento de Engenharia de Computação e Automação Universidade Federal do Rio Grande do Norte Campus Universitário s/n Natal - RN - Brazil aclaudia@dca.ufrn.br Resumo As redes industriais vêm cada vez mais sendo implantadas em indústrias e em sistemas de automação e controle uma vez que proporcionam diversas melhorias a esses processos, tais como redução de custos de implantação e manutenção, além de serem capazes de tornar esses processos mais rápidos e eficientes. Além disso, um outro fator importante para a disseminação de redes industriais é a crescente distribuição geográfica, que vem sendo acentuada nas novas instalações industriais. Neste artigo, é feito um estudo sobre a rede industrial As suas principais características, assim como questões de instalação, manutenção e interoperabilidade serão abordadas. conectores, painéis, etc.) que interligam os elementos de campo ao sistema controlador (CLP). A redução também é muito significativa no projeto e na instalação, pois com menos cabos, diminui-se o tempo de projeto e dos detalhes de encaminhamento dos cabos. Do ponto de vista de manutenção, ganha-se a medida que o sistema fornece mais informações de status e diagnósticos, mas por outro lado requer-se pessoal mais qualificado e treinado para compreender e utilizar os recursos disponíveis. A Figura 1 ilustra a forma tradicional de interligação dos dispositivos de campo com o seu controlador, em comparação com os dispositivos ligados em rede e distribuídos no campo. Abstract Industrial networks are being used, even more frequently, in automation and control systems due to the improvements they provide to these processes, such as reduction of costs of installation and maintenance. Futhermore, industrials networks can enhance both the speed and the efficiency of the industrial processes. Also, another important factor to the spread of industrial networks is the boost of geografic distribution of new industrial establishments. In this paper, it is presented the industrial network In addition, some characteristics of this industrial network, such as installation, maintenance and interoperability are discussed. Palavras Chaves: Automação Industrial, Redes industriais, 1. Introdução Por muitos anos, a automação industrial vem tentando substituir o velho padrão de corrente 4-20mA por um sistema de comunicação serial. Figura 1: Forma Tradicional de Interligação dos Dispositivos de Campo com o seu Controlador Dispositivos Ligados em Rede e Distribuídos no Campo Neste artigo, será fornecida uma introdução à rede industrial Esse tipo de rede industrial é bastante importante e vem sendo cada vez mais utilizada em processos industriais. A rede DeviceNet consiste em uma evolução para a comunicação digital em instrumentação e controle de processos e vem sendo aplicada na indústria em substituição ao velho padrão de corrente 4-20mA. As redes industriais apresentam como grande vantagem a redução significativa de cabos de controle e seus acessórios (bandejamento, leitos, eletrodutos, 1

2 2. Conceitos básicos A rede DeviceNet é uma rede de baixo nível que proporciona comunicações utilizando o mesmo meio físico entre equipamentos desde os mais simples, como sensores e atuadores, até os mais complexos como controladores lógicos programáveis (CLP s) e micro - computadores. A rede DeviceNet possui o protocolo aberto, tendo um número expressivo de fornecedores de equipamento que adotaram o protocolo. A Open DeviceNet Association, também conhecida como ODVA, é uma organização independente com objetivo de divulgar, padronizar e difundir a rede DeviceNet, visando o seu crescimento mundial. A rede DeviceNet é baseada no protocolo CAN (Controller Area Network ), desenvolvido pela BOSCH nos anos 80 originalmente para aplicação automobilística. O protocolo CAN define uma metodologia MAC (Controle de Acesso ao Meio) e fornece como segurança uma checagem CRC (Vistoria Redundante Cíclica), que detecta estruturas alteradas e erros detectados por outros mecanismos do protocolo. A rede DeviceNet é muito versátil, sendo utilizada em milhares de produtos fornecidos por vários fabricantes, desde sensores inteligentes até interfaces homem-máquina, suportando vários tipos de mensagens fazendo com que a rede trabalhe da maneira mais inteligente. Figura 2: Meio Físico da Rede DeviceNet 3.2. Número de Estações Ativas A rede DeviceNet pode ter 64 equipamentos ativos, que utiliza m o barramento para se comunicar, endereçados de 0 a 63. Vale a pena ressaltar que este número significa 64 equipamentos com comunicação CAN ligados ao mesmo meio físico. Entretanto, deve-se observar que as caixas de derivação não ocupam nenhum endereço na rede e os módulos de I/O, muitas vezes, idependentemente do número de entradas e saídas ocupa somente um endereço. A Figura 3 ilustra o número de estações ativas em uma rede 3. Características da Rede DeviceNet 3.1. Meio Físico O meio físico da rede DeviceNet utiliza dois pares de fios, um deles para a comu nicação e o outro para alimentação em corrente contínua dos equipamentos. Os sinais de comunicação utilizam uma técnica de tensão diferencial para reduzir o efeito de indução e ruídos eletromagnéticos. A alimentação da corrente contínua, por sua vez, é de 24V, o que provê proteção aos instaladores contra acidentes. A Figura 2 ilustra o meio físico da rede Figura 3: Número de Estações Ativas em uma Rede DeviceNet É sugerida, entretanto, a utilização de no máximo 61 equipamentos, deixando os seguintes endereços livres ao se fazer um novo projeto: Endereço 0 para o scanner; Endereço 62 para a interface microcomputador-rede; Endereço 63 para novos equipamentos que venham a ser inclusos. 2

3 Entretanto, quando existe a necessidade de instalação de mais do que 64 estações ativas, pode-se utilizar mais scanners, levando sempre em consideração os seguintes fatores limitantes: Memória Disponível: Norma lmente é o principal limitante. A maneira como a CPU faz a leitura da rede através do scanner é variável conforme o fabricante/família do equipamento, porém, basicamente, é a memória da CPU um dos limitantes, pois cada equipamento da rede ocupa um espaço da memória. Rack: Existem determinados fabricantes que fornecem CLP s com um rack para um determinado número de cartões, e caso todos os slots estejam ocupados, para expandir há a necessidade de troca/expansão do rack. Outra interface utilizada ao invés do scanner são placas ligadas diretamente ao micro, e neste caso o limitante é o número de slots livres. Tempo de Resposta: Quanto maior o número de I/O que o CLP deve fazer a varredura, maior o tempo de processamento das informações, portanto este também é outro limitante, principalmente em processos onde exista a necessidade de velocidade na leitura/processamento/ação. Como foi citado anteriormente, dependendo do método de comunicação do equipamento de campo, são gerados maiores ou menores tempos de varredura, assim como também varia o tamanho do pacote de informações a serem trocados entre equipamento de campo/scanner. Na grande maioria das aplicações, a velocidade ideal é de 125Kbit/s pois gera a melhor relação custo/benefício, devido a possibilidade da instalação de mais equipamentos, pois permite o maior comprimento de cabo possível. A taxa de transmissão pode ser configurada via hardware (chaves dipswitch) ou via software, normalmente da mesma forma que o endereço Vale a pena ressaltar que em uma mesma rede DeviceNet, todos os equipamentos devem estar configurados para a mesma taxa de comunicação, podendo colocar o funcionamento da rede em risco caso contrário. 3.4 s DeviceNet Os cabos para redes DeviceNet possuem dois pares de fios, um para alimentação 24Vcc e outro para a comunicação digital. São normalizados e possuem especificações rígidas que garantem o funcionamento da rede nos comprimentos pré-estabelecidos. A Tabela 2 apresenta os comprimentos máximos dos cabos em função da taxa de comunicação adotada para a rede. Tem-se que, quanto maior o cabo, maior sua indutância e capacitância distribuída que atenua os sinais digitais de comunicação. Tipo do Função do Taxa de Transmissão 125Kbits/s 250Kbits/s 500Kbits/s 3.3 Taxa de Comunicação A taxa de comunicação é a velocidade com que os dados são transmitidos no barramento da rede, e quanto maior a velocidade, menor é o tempo de varredura da rede, mas em contra partida menor é o comprimento máximo dos cabos. A Tabela 1 apresenta as três velocidades de transmissão possíveis com a rede Grosso Flat Tronco 500m 250m 100m Tronco 100 m 100m 100m Tronco 380m 200m 75m Derivação 6m 6m 6m Taxas de Transmissão 125 Kbits/s 250 Kbits/s 500 Kbits/s Tabela 1: Três Velocidades de Transmissão Possíveis com a Rede DeviceNet S Derivações 156m 78m 39m Tabela 2: Comprimentos Máximos dos s em Função da Taxa de Comunicação da Rede Os limites nos comprimentos dos cabos foram tecnicamente determinados e normalizados e devem ser rigorosamente respeitados, para que haja garantia do 3

4 funcionamento adequado da rede. Caso os limites forem extrapolados, a rede pode até funcionar inicialmente, porém, intermitentemente, poderá haver quedas na comunicação devido a transitórios e instabilidades resultantes do baixo nível no sinal diferencial de comunicação. 4. Protocolo da Rede DeviceNet Conforme dito anteriormente, a rede DeviceNet é baseada no protocolo CAN, que obteve aceitação mundial como um protocolo muito versátil e confiável, além de ser uma plataforma econômica para a troca de dados aplicáveis em sistemas móveis, máquinas, equipamentos técnicos e automação industrial. Baseado nas sofisticadas normas de protocolos de alto nível, o protocolo CAN é feito na tecnologia de automação aberta, e compete prosperamente em sistemas de automação distribuídos. Uma das principais razões para o sucesso das tecnologias baseadas no protocolo CAN é a capacidade de comunicação produtor-consumidor para transmissão de dados e capacidade de trabalhar com multi-mestre. Com essas propriedades, o protocolo CAN do ponto de vista técnico é bastante atrativo para ser usado em sistemas distribuídos. O protocolo CAN pode ser mostrado de acordo com o modelo OSI, como ilustra a Figura 4. (condição sem comunicação), para o estado dominante (início do frame). Alguns tipos de frames (mensagens) são definidos pelo protocolo CAN: Data Frame; Overload Frame; Remote Frame; Error Frame. O protocolo DeviceNet utiliza somente o Data Frame, sendo que os demais frames ainda não foram implementados. A Figura 5 ilustra o frame de dados da rede 5. Manutenção Figura 5: Frame de Dados da Rede A manutenção de uma rede DeviceNet pode ser muito simples ou extremamente complexa e confusa, dependendo de como a rede foi montada. Figura 4: O Protocolo CAN de Acordo com o Modelo OSI A camada 1 é responsável por funções como codificação, tempo de bit e sincronização de bit. A camada 2, por sua vez, é responsável por funções como arbitração, frame de mensagem e segurança de dados, validação de mensagens, detecção e sinalização de erros e limites de falhas. A camada de conexão de dados da DeviceNet é totalmente definida pela especificação CAN e imple mentação por seus chips. São definidos dois estados lógicos: recessivo (lógica 1) e dominante (lógica 0). Qualquer nó pode iniciar uma transmissão levando o barramento do estado recessivo, Uma rede com pré -projeto, analisando topologia, comprimento dos cabos, cálculo de queda de tensão, cálculo de correntes admissíveis, e análise da banda utilizada determinam a estabilidade e funcionalidade da rede. Caso esses fatores não sejam considerados, podem ocorrer problemas de instabilidades na rede. Redes bem projetadas dificilmente apresentam problemas de instabilidade. Entretanto, caso isto ocorra, existem softwares e equipamentos de análise para as redes DeviceNet que fornecem importantes dicas para solução de problemas tais como número de erros por segundo da rede como um todo e de cada endereço, número de erros acumulados, porcentagem de utilização da banda de comunicação disponível, tensão entre negativo e dreno e tensões entre as linhas de comunicação e a alimentação. Vale ressaltar que o número de erros acumulados por endereço fornece uma importante pista de onde possa estar o problema, entretanto, precisa-se prestar 4

5 muita atenção pois redes com problemas de aterramento podem causar falhas de comunicação com algum equipamento que esteja funcionando corretamente. 6. Interoperabilidade Uma grande vantagem da rede DeviceNet é a habilidade de se ligar/desligar os equipamentos com a rede energizada sem a necessidade de desligar sua alimentação. Entretanto, medidas extras com relação a topologia e a estrutura de conexão devem ser adotadas para que, ao se subtituir um equipamento qualquer, não ocorra o desligamento dos equipamentos subseqüentes. Referências [1] Constantino Seixas Filho, Tutorial DeviceNet; [2] Cursos de Redes Industriais DeviceNet [3] Para efetuar trocas com maior segurança, deve-se utilizar as caixas de derivação, onde liga-se e desliga-se os equipamentos através de conectores plug-in que minimizam a probabilidade de curto entre os fios, que podem interromper o funcionamento da rede e até danificar permanentemente vários equipamentos. 7. Conclusões A rede industrial DeviceNet consiste em uma rede de comunicação de baixo custo, idealizada para interligar componentes industriais e proporciona inúmeras vantagens para a automação industrial, conforme já foi mencionado anteriormente. Através de seu uso, gastos com instalação de equipamentos, assim como de manutenção podem ser drasticamente reduzidos. Além de eliminar o excesso de gasto com a instalação dos equipamentos, a rede proporciona a comunicação entre os participantes, implementando níveis de auto-diagnóstico, nem sempre disponível nas instalações convencionais. Por fim, conclui-se que a DeviceNet é uma solução simples para instrumentação de redes industriais reduzindo os custos de instalação e os tempos de montagem dos equipamentos ao mesmo tempo em que permite a intercambialidade dos intrumentos de diversos fabricantes. Vale ressaltar que a existência da Open DeviceNet Vendor Association (ODVA) é de fundamental importância, uma vez que é responsável pela manutenção do padrão da rede DeviceNet. A ODVA também atua junto aos fabricantes, fornecendo cursos de treinamento, software de desenvolvimento de produtos, teste de conformidade, entre outros. 5