Protocolos de Comunicação em Ambientes Industriais
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- Paulo Mota Jardim
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1 Protocolos de Comunicação em Ambientes Industriais Aula 03 - Protocolos Industriais Heitor Medeiros Florencio 1 heitorm@dca.ufrn.br 1 Universidade Federal do Rio Grande do Norte Centro de Tecnologia Departamento de Engenharia de Computação e Automação Natal-RN Disciplina: Sistemas de Transmissão de Dados,
2 O que foi visto? Conceitos Básicos sobre Sistemas de Comunicações; Técnicas de diversidade: Modulações Analógicas e Digitais;
3 O que será visto? 1 Introdução Protocolos de Internet (TCP/IP) Protocolos de Sistemas Celulares Protocolos Industriais 2 Conceitos de Redes 3 Protocolos Modbus Profibus Foundation Fieldbus Wired HART WirelessHART ISA100 4 Referências
4 Protocolos de Comunicação Protocolos e Padrões de Comunicação: Regras e Convenções; Possibilita a conversação e troca de informação entre sistemas; Características do sinal elétrico(tensão, comprimento do cabo, etc); Características mecânicas; Características de configurações físicas; As modulações estudadas são implementadas por vários protocolos, de diferentes aplicações.
5 Protocolos de Internet (TCP/IP) Protocolos de Internet (TCP/IP)
6 Protocolos de Sistemas Celulares Protocolos de Sistemas Celulares Padrão AMPS(Primeira geração - 1G; faixa 800MHz; FDMA) Padrão AMPS Digital(2G; IS-54) Padrão TDMA Digital(2G; IS-136; TDMA(slots de 40ms)) Padrão CDMA Digital(2G; IS-95; CDMA; espalhamento espectral; QPSK) Padrão GSM (2G; 0,3GMSK(variante do FSK)); Padrão GPRS (2.5G); Padrão EDGE (2.75G); Padrão WCDMA (3G); Padrão LTE (+- 4G);...
7 Protocolos Industriais Protocolos Industriais Redes Industriais são divididas em três grupos: Sensorbus: Inteligar sensores e atuadores; Ex.: ASI, CAN; Devicebus: Interligar componentes inteligentes como controladores(clps, PCs, etc); Ex.: DeviceNet, Profibus-DP; Fielbus: Integrar componentes chão-de-fabrica (sensores e atuadores); Ex.: Foundation Fieldbus, HART, Profibus-PA, WirelessHART*, ISA100.11a*;
8 Protocolos Industriais Vai desde chão-de-fábrica...
9 Protocolos Industriais... Até Sala de Controle e Supervisão
10 Protocolos Industriais Pirâmide da Automação Industrial
11 Protocolos Industriais Redes Industriais Interligação de equipamentos usados nos sistemas de automação. Características necessárias: Confiabilidade e Interoperabilidade. Tempo de Resposta Determinístico. Redes Industriais são essencialmente sistemas ditribuídos, ou seja, diversos elementos trabalhando de forma simultânea a fim de supervisionar e controlar um determinado processo. Tais elementos (sensores, atuadores, CLPs, CNCs, PCs, etc), necessitam estar interligados e trocando informações de forma rápida e precisa. [1]
12 Protocolos Industriais Ethernet Industrial Em termos porcentagem de aplicações a Ethernet(camada 1 e 2) tem o maior índice. A maioria das redes LAN utilizam o padrão Ethernet, IEEE Com isso surgiu o Ethernet Industrial.
13 Protocolos Industriais Ethernet Industrial
14 Protocolos Industriais Ethernet Industrial
15 Modelo OSI 1 Tabela: Camadas do Modelo OSI - PI Camada física Camada de enlace Responsável pela forma como são transmitidos os bit brutos. Trata das considerações mecânicas como o tipo de cabeamento, dos valores físicos para os valores dos bits e do sentido, de transmissão (simplex, duplex e half-duplex); Responsável pelo tratamento de detecção ou correção de erros, do controle de fluxo de dados e, em caso de redes de difusão (barramento comum a vários sistemas), controlar o acesso ao meio;
16 Modelo OSI 1 Tabela: Camadas do Modelo OSI - P2 Camada de rede Camada de transporte Camada de sessão Responsável pelo roteamento de pacotes e pelo controle do congestionamento dos meios de transmissão quando existirem; Responsável pela segurança na transmissão de dados fim-a-fim; Responsável pela sincronização entre máquinas para transferência de dados. Permite trabalhar com estrutura de dados de nível mais alto, como transferência de arquivos;
17 Modelo OSI 1 Tabela: Camadas do Modelo OSI - P3 Camada de apresentação Camada de aplicação Responsável pela conversão dos dados recebidos pela camada de aplicação para os dados trabalhados nas camadas inferiores; Camada que mantém o contrato com o usuário, quando houver;
18 Protocolos...
19 Modbus Protocolo Modbus Esse protocolo era proprietário, pois foi criado pela MODCON (atual Schneider), uma empresa de automaçao, para utilizá-lo em seus próprios equipamentos. Apesar de ser um protocolo proprietário a Schneider difundiu esse protocolo entre os outros fabricantes, o tornando aberto. A Modbus-IDA é uma organização sem fins lucrativos formada por usuários e fornecedores de dispositivos de automação que visam a adoção do protocolo Modbus e a evolução dele para sistemas de automação distribuídos. Ela fornece a infra-estrutura para obter e compartilhar informações sobre os protocolos, suas aplicações e a certificação de dispositivos, visando simplificar a implementação pelos usuários.
20 Modbus Protocolo Modbus É um protocolo de comunicação da camada de aplicação (Camada 7 do modelo OSI). Este protocolo define uma estrutura de mensagem que os controladores irão reconhecer e utilizar, independentemente do tipo de redes sobre as quais eles se comunicam.
21 Modbus Protocolo Modbus As mensagens que contenham protocolo Modbus são embutidas na estrutura dos quadros ou pacotes usado em outras redes. O modelo original rodava sobre o RS-232 para conexão ponto-a-ponto. Foi adaptado para rodar em RS-485 (barramento) para ganhar maior velocidade, alcançar maiores distâncias e possibilitar conexão de vários dispositivos. Os quadros modbus podem ser enviados por modems, via protocolo HDLC. E podem ser inseridos em estruturas de quadros ethernet
22 Modbus Protocolo Modbus e Modelo OSI
23 Modbus Protocolo Modbus Durante as comunicações em uma rede Modbus, o protocolo determina como cada controlador: Saberá seu endereço de dispositivo, Reconhece uma mensagem endereçada a ele, Determina o tipo de ação a ser tomada, Extrair todos os dados ou outras informações contidas na mensagem e detecta erros. Se a resposta for requerida, o controlador irá construir a mensagem de resposta e enviá-la usando o protocolo Modbus.
24 Modbus Tipos de Protocolos Modbus A Modbus possui três tipos de protocolos usados em diferentes níveis da automação industrial. São eles: Modbus Padrão O Modbus TCP/IP O Modbus Plus
25 Modbus Modbus TCP/IP É usado para comunicação entre sistemas supervisórios e CLP s Nele, o protocolo Modbus é encapsulado no protocolo TCP/IP e transmitido por redes com padrão Ethernet e com controle de acesso ao meio CSMA/CD.
26 Modbus Modbus PLUS É usado para comunicação entre CLP s, Módulos E/S, IHM s e etc. Utiliza meio físico RS-485 com taxa de transmissão de 1Mbps e controle de acesso ao meio por HDLC. Modo de operação síncrona Transmissão half-duplex e full-duplex: Suporta configurações ponto-a-ponto e multiponto
27 Modbus Modbus Padrão É utilizado para comunicar CLP s com Dispositivos de entrada e saída de dados, Instrumentos eletrônicos inteligentes ( relés de proteção, atuadores deválvulas, etc). Ele usa os meios físicos RS-232 e RS-485 em conjunto com a tecnologia de comunicação mestre/escravo.
28 Modbus Procolo Modbus É baseado no modelo mestre-escravo. Toda comunicação passa pelo mestre. Todos os dispositivos estão ligados em uma rede bidirecional do tipo barramento. E todos os escravos devem ter um endereço próprio Todos os escravos recebem os dados do mestre, mas apenas o escravo endereçado responde.
29 Modbus Procolo Modbus Existem dois modos de formato de mensagem: Modbus ASCII: Dados são codificados em caracteres ASCII de sete bits. Modbus RTU: Dados são transmitidos em formato binário de oito bits. Cada byte na mensagem contém dois caracteres hexadecimais de quatro bits cada.
30 Modbus Modbus - Formato da Mensagem Pergunta: Número do endereço do escravo - 1byte; Código da função - 1byte; Posição de memória do escravo(fica o endereço inicial dos dados) - 2bytes; 2 bytes que designam o número de operandos; Dados; CRC-16-2bytes;
31 Modbus Modbus - Formato da Mensagem Resposta: Número do endereço do escravo(aquele que solicitou) - 1byte; Código da função - 1byte; Quantidade de bytes da resposta - 1byte; Dados solicitados; CRC-16-2bytes;
32 Profibus Profibus
33 Profibus PROFIBUS (Process Field Bus) É uma rede de campo de padrão aberto; Introduzido em 1989 na norma DIN 19245, depois adotado pela norma EN 50170; Foi incorporado na IEC 61158; Até 126 dispositivos podem ser ligados juntos em uma mesma rede profibus, mas como utiliza-se o RS485 existe uma limitação de 32 dispositivos por segmento; Profibus DP, Profibus FMS, Profibus PA, Profinet(Profibus p/ Ethernet);
34 Profibus Profibus DP e PA
35 Profibus Segmentos, Repetidores, Acopladores e Links de fibra ótica
36 Profibus Estações Mestre classe 1: CLPs, controladores estações SCADA, etc.. Mestre classe 2: PCs, dispositivos de diagnóstico, etc.. Escravos: Transmissores, sensores, atuadores, drivers, etc...
37 Profibus Sistema com Mestre Único
38 Profibus Sistema com dois Mestres
39 Profibus Estrutura do pacote
40 Foundation Fieldbus Foundation Fieldbus (FF)
41 Foundation Fieldbus FF Arquitetura baseada em blocos funcionais que realizam atividades como aquisição de dados, controle PID, cálculos e atuação; As redes FF são divididas em: H1: p/ baixar velocidade; H2: p/ aplicações que requerem menor tempo de resposta, maior taxa de transmissão;
42 Foundation Fieldbus FF Topologias: Barramento e Árvore; Traz um conceito novo de LAS(Link Active Scheduler); O LAS é responsável pelo gerenciamento de mensagens; Comunicação entre diferentes equipamentos(sensores, atuadores, CLPs, programadores, etc); O acesso ao meio é controlado pelo LAS (nível de enlace); com o uso de token(autorização de acesso);
43 Foundation Fieldbus Acesso ao meio pelo LAS Equipamento solicita um token; LAS envia o token a um equipamento; Com a posse do token, este equipamento pode se comunicar diretamente com outros equipamentos, sem que a comunicação precise passar por um mestre; Quando terminar o equipamento retorna o token para o LAS; A transmissão para outro equipamento depende do escalocamento definido no LAS;
44 Wired HART HART
45 Wired HART Padrões HART Primeiro padrão que utilizou o sinal analógico (4-20 ma) sendo sobreposto pelo sinal digital; A HART Communication Foundation (HCF) é a proprietária do procotolo HART, esse com tecnologia de comunicação aberta; Bastante utilizado na indústria.. protocolo Wired HART já testado com sucesso em milhões de aplicações. [Mecatrônica Atual; Ano 10-n ]
46 Wired HART Padrões HART Algumas características: Capacidade Digital; Compatibilidade Analógica; Interoperabilidade: Comandos padrões de fácil acesso: DLL (Device Description Language); Comandos Universais; Bastante utilizado na indústria.. protocolo Wired HART já testado com sucesso em milhões de aplicações. [Mecatrônica Atual; Ano 10-n ]
47 Wired HART Evolução do HART
48 Wired HART Pilha de Protocolo HART
49 Wired HART Baseado no padrão Bell 202 Utiliza modulação FSK, sobrepondo o sinal 4-20 ma; Bit 1: frequência 1200Hz; 1mA pico-a-pico; Bit 0: frequência 2200Hz; 1mA pico-a-pico;
50 Wired HART
51 Wired HART Características Utiliza tecnologia mestre/escravo; Topologia ponto a ponto ou multiponto; Topologia ponto a ponto: o instrumento pode enviar pacotes, como PV, de forma autônoma e periódica, podendo ser interrompido apenas pelo mestre; Modo Broadcast é opcional e usado em redes com apenas 1 escravo, onde o escravo envia repetidamente um valor especificado;
52 Estrutura do pacote: Preâmbulo: 5 a 20 bytes hexadecimais usados para sincronização; Caractere de início (Start byte): indica o tipo de mensagem(mestre-escravo, escravo-mestre, broadcast-escravo); Endereçamento (Address): Curto ou Longo usando 1 ou 5 bytes; Comando HART; Contador de bytes: tamanho da mensagem sem checksum; Status: 2 bytes, escravo; somente na mensagem de resposta de um escravo; avisa o status da mensagem recebida pelo escravo(com erro, sem erro, etc); Dados; Checksum (1 byte): byte de paridade; Wired HART Frame
53 Wired HART Camada de Aplicação Baseada em Comandos; Comandos Universais; Comandos Práticos; Comandos Específicos; Comandos não público (usado apenas por fabricantes); Comandos de Família de Dispositivos: Ajuste e parametrização;
54 WirelessHART WirelessHART
55 WirelessHART Redes WirelessHART
56 WirelessHART Camada Física Baseada na norma IEEE Faixa de 2,4GHz Canais 11-25, cada um com 5MHz Técnicas de Modulação DSSS e OQPSK
57 WirelessHART Camada Enlace Técnica de acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA) Janelas de tempo de 10ms (slots) Salto de Canais CanalAtual = (OffsetCanal + ASN) % NumCanais Lista Negra Tempos de Sincronização Mensagens KEEP-ALIVE com referencial temporal Referencia temporal nas mensagens de ACK
58 WirelessHART Tipos de Pacotes Data Keep Alive Advertise Disconnect ACK
59 WirelessHART Tipos de Links Normal link Broadcast link Join link Discovery link
60 WirelessHART Camada de Rede e Transporte Segurança ponto-a-ponto: Criptografia AES-128bits e o MIC Integridade na comunicação fim-a-fim: Chaves de criptografia.
61 WirelessHART Baseada em Comandos Todos os comandos do wired HART, ou HART5-6; Comandos Wireless
62 ISA100 ISA100.11a
63 Referências _2008_2/ricardo/1.html _communication/images/communication_small.jpg /art_003_modbus.pdf Redes Industriais: Aplicações em Sistemas Digitais de Controle Distribuído; Engenharia de Automação Industrial;
64 Dúvidas?
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