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 Siemens, os três maiores fabricantes de CLP e com protocolos compatíveis do mercado, uniram-se e 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.

2 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 AS-i, 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. 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.

3 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 cliente-servidor 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.

6 FOUNDATION FIELDBUS Muitos fabricantes de dispositivos para automação estão se empenhando para tornar realidade o Foundation Fieldbus. Apesar de ter algumas características idênticas a outros padrões, o Foundation traz novos conceitos, como o LAS (Link Active Scheduler), entidade responsável pelo gerenciamento das mensagens. Este padrão permite comunicação entre uma variedade de equipamentos, como: Transmissores (sensores); Válvulas (atuadores); Controladores de processos; CLP; Leitora de código de barras; Indicadores dedicados; Programadores; Registradores. A base para arquitetura de um equipamento Foundation é formada pelos blocos funcionais, os quais executam as tarefas necessárias às aplicações existentes hoje, tais como: aquisição de dados, controle PID, cálculos e atuação. Todo bloco funcional contém um algoritmo, uma base de dados (entradas e saídas) e um nome definido pelo usuário (o tag do bloco deve ser único na planta do usuário). Em outros protocolos de barramento de campo, tem-se uma organização conforme ilustrada na Figura c. Existem transmissores (sensores) e atuadores cujo sinal de transmissão, na maioria das vezes analógico (4 a 20 ma, por exemplo), se dirigem às estações de controle de campo (ECL) no qual o sinal é convertido para a forma digital. Nessa unidade são executados os vários algoritmos de controle de processo. Os dados das variáveis trafegam em uma rede de computadores de campo, onde podem ser armazenados e manipulados através da utilização de software de supervisão. Figura c

7 Com o Foundation, têm-se os sensores e atuadores se comunicando em rede, como é mostrado na Figura d. Desta forma, se reduz o número de ECL e o custo do cabeamento, que não precisa mais ser dedicado a um sensor ou atuador. Figura d Além do que já foi anteriormente dito, pode-se enumerar outras vantagens para o Foundation: Informação imediata sobre diagnóstico de falhas nos equipamentos de campo. Os problemas podem ser detectados antes deles se tornarem sérios, reduzindo assim o tempo de inatividade da planta; Distribuição das funções de controle nos equipamentos de campo; Instrumentos de medição e elementos de controle final. São dispensados os equipamentos dedicados para tarefas de controle. Assim, em caso de falha em um equipamento, o resto da rede continua funcionando; Aumento da robustez do sistema, visto que dados digitais são mais confiáveis que analógicos; Os custos de engenharia serão reduzidos e os atuais procedimentos serão completamente mudados. Cada equipamento de campo oferece muitos blocos de controle e cálculos que podem ser usados pelo usuário; A atual conexão física ponto-a-ponto entre equipamentos é substituída pelas conexões multiponto com diversos equipamentos em um mesmo par de fios, com consequente redução de cabos, bandejas, borneiras, etc.; Os equipamentos de campo são capazes de fornecer muito mais informação do que hoje. Como o sinal digital é menos sensível a ruído, a qualidade da informação também é melhor; Equipamentos de campo pedem indicar falhas em tempo real, assim como indicar diagnóstico preventivo baseado em dados de operação do equipamento e avaliação estatística dos mesmos.

8 Para a aplicação do Foundation, são usados os níveis 1, 2 e 7 do modelo OSI (Figura e), além de um oitavo nível, chamado de nível do usuário. Os níveis de 3 a 6 não se prestam a comunicação em tempo real. O Foundation foi desenvolvido através da união de outras padronizações. O nível físico foi herdado do ISP, que por sua vez veio do PROFBUS. Enquanto isso, o nível de enlace com o uso do LAS, veio do Wordfip. Figura e Nível Físico O nível físico define o meio que transporta a mensagem, a forma, os limites de amplitudes do sinal, taxa de transmissão de dados, distribuição de potência e topologias aceitáveis. São definidos três tipos de meios físicos para o Foundation: cabos, fibra óptica e sinal de rádio. A especificação para cabos está aprovada e disponível pela ISA sobre o título ISA Part 2: physical layer spedification and service definiton. A taxa de comunicação para meio físico: para cabos é de 31,25 kbps; para H1 é 1Mbits e para H2 é 2,5 Mbits. H1 e H2 são classificações do Foundation para as aplicações industriais. H1 tem baixa velocidade, permite o aproveitamento da fiação existente e alimenta os equipamentos de campo através dos mesmos fios usados para a comunicação digital. Em H1 pode-se ter de 2 a 32 equipamentos, sem alimentação e não intrinsecamente seguro. De 2 a 6 pode-se dispor de alimentação modulada pelo sinal. H2 é para aplicações que requerem menor tempo de resposta, maior taxa de transmissão, porem pode necessitar fios independentes para alimentar os equipamentos de campo. As topologias de barramento e árvore são aceitas no Foundation. A distância máxima é de até 1900 metros para 31,25 kbps sem repetidores (número máximo de repetidores igual a 4), de até 750 metros para 1Mbit/seg e até 500 metros para 2,5 Mbit/seg.

9 Nível de Enlace O nível de enlace garante a integridade da mensagem através de CRC. Este nível controla também o acesso ao meio de transmissão, determinando quem pode transmitir e quando. O nível de enlace também garante que os dados cheguem ao equipamento correto. O acesso ao meio é controlado pelo LAS. Este acesso é realizado a partir da requisição de token por um equipamento conectado ao barramento. Esse equipamento pode ser uma ECL, um sensor ou um atuador. O token é a autorização de acesso ao meio físico e só pode ser concedido pelo LAS. O LAS envia o token a um equipamento. Para este equipamento é determinado um tempo fixo máximo para tratar suas mensagens. Com a posse do token, este equipamento pode se comunicar diretamente com outros equipamentos, se que a comunicação precise passar por um mestre. Quando terminar de enviar as mensagens, o equipamento retoma o token para o LAS. O LAS transmite o token para outro equipamento que o requisitou, via pré-configuração ou escalonamento. Nível de Aplicação O nível de aplicação fornece uma interface para o software aplicativo do equipamento. Basicamente este nível define como ler, escrever ou disparar uma tarefa em uma estação remota. A principal tarefa é a definição de uma sintaxe para as mensagens. Ele também define o modo pelo qual a mensagem deve ser transmitida: ciclicamente, imediatamente, somente uma vez ou quando requisitado pelo consumidor. O gerenciamento define como inicializar a rede: atribuição do tag, atribuição do endereço, sincronização do tempo, escalonamento das transações na rede ou conexão dos parâmetros de entrada e saída dos blocos funcionais. Ele também controla a operação da rede com levantamento estatístico de detecção de falhas e de adição de um novo elemento ou remoção de uma estação. Essa adição/remoção automática é característica única do Foundation Fieldbus. O gerenciamento monitora continuamente o barramento para identificar a adição de novas estações. Nível de Usuário O grupo normalizador do Foundation Fieldbus está definindo um oitavo nível, o qual estabelece a estrutura das mensagens para implementar estratégias de controle. O projeto destas estruturas de controle em Fieldbus é realizado normalmente através de conexão de blocos funcionais. Este oitavo nível, também chamado nível do usuário, define variáveis e algoritmos para os blocos funcionais executarem tarefas como leitura de valor analógico, controle PID, geração de saída analógica ou totalização. Esse novo nível permite que um sistema utilizando a tecnologia Foundation alcance o mais alto nível da intercambiabilidade.