Manual do dispositivo escravo Modbus

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1 Manual do dispositivo escravo Modbus Sumário Sumário... 1 Lista de figuras... 1 Lista de tabelas... 1 Introdução... 2 O meio físico EIA Topologia da rede... 4 Layout da placa... 5 Comunicação Modbus... 6 Entradas e saídas disponíveis... 8 Referências Lista de figuras Figura 1 Rede EIA-485 com um CLP (mestre) e diversos inversores (escravos)... 2 Figura 2 Conexões entre dispositivos de uma rede EIA Figura 3 Codificação de um byte e níveis de tensão. Fonte: Wikipedia Figura 4 Resistores de Bias e de terminação. Fonte: Wikipedia Figura 5 Topologias aceitáveis (a) para a rede EIA-485 e ligação em daisy chain (b)... 4 Figura 6 Layout da placa... 5 Figura 7 Resistor de terminação... 7 Figura 8 Utilização das entradas analógicas... 8 Figura 9 Utilização das entradas digitais... 9 Figura 10 Relé e seus contatos (a), carga resistiva (b) e indutiva com snubber (c) Figura 11 Utilização das saídas a transistor com fonte externa (a) e fonte interna (b) Figura 12 Utilização das saídas analógicas Lista de tabelas Tabela 1 Endereçamento do dispositivo na rede... 6 Tabela 2 Taxas de comunicação do dispositivo... 7

2 2 Manual do dispositivo escravo Modbus Introdução Este dispositivo permite o acesso às suas entradas e saídas de maneira remota (I/O remoto), possibilitando a sua utilização em aplicações de controle distribuído. O dispositivo se comunica pelo protocolo Modbus sobre o meio físico EIA-485 e pode receber comandos para ativar as saídas disponíveis, bem como comandos para verificar o estado das suas entradas. O meio físico EIA-485 O padrão EIA-485 define características elétricas (níveis de tensão, impedância, etc.) de drivers e receptores para uso em uma rede serial a dois fios composta por diversos dispositivos interligados, que trocam informações entre si, conforme apresentado na Figura 1. Escravos Mestre Figura 1 Rede EIA-485 com um CLP (mestre) e diversos inversores (escravos) As características do padrão permitem a utilização do mesmo a distâncias significativas (até m) e em ambientes com ruídos eletromagnéticos. Por isso, é bastante adequado para uso em ambientes industriais e é o meio físico padrão utilizado em protocolos como Profibus- DP, Interbus, Modbus, entre outros. De maneira geral, as comunicações em uma rede EIA-485 são do tipo mestre-escravo, ou seja, um dispositivo mestre (CLP, computador, etc.) conectado à rede envia comandos a um ou vários dispositivos escravos (sensores, inversores, dataloggers, conversores, controladores, etc.), que respondem às requisições do mestre, conforme exemplo da Figura 1. Em uma rede EIA-485, existem 2 fios (A e B), pelos quais os dispositivos estão ligados e trocam dados, representada na Figura 2. Figura 2 Conexões entre dispositivos de uma rede EIA-485

3 3 Manual do dispositivo escravo Modbus Cada byte de dados a ser trocado na rede é enviado serialmente (bit a bit). A comunicação é diferencial (níveis de tensão diferentes em cada fio dependendo do nível lógico do bit), e permite que ruídos eletromagnéticos sejam mais facilmente eliminados pelos circuitos receptores. O mesmo princípio é utilizado no protocolo Ethernet, nos cabos de par trançado. A Figura 3 apresenta a variação dos níveis de tensão em cada um dos fios A (U+) e B (U-) da rede EIA-485, de acordo com o bit (1 ou 0) sendo enviado. Na Figura 3 é apresentada a codificação de como o byte 0xD3 é transmitido, com codificação 1 start bit, 1 stop bit e sem paridade. O bit menos significativo (LSB) é transmitido primeiro. Figura 3 Codificação de um byte e níveis de tensão. Fonte: Wikipedia. Quando nenhum dispositivo transmite, os drivers de transmissão estão em alta impedância (High Z), e os níveis de tensão podem flutuar, necessitando que um dispositivo no barramento tenha resistores de bias, que levam os níveis de tensão ao estado lógico 1, conforme a Figura 4. Figura 4 Resistores de Bias e de terminação. Fonte: Wikipedia. O que aconteceria se dois dispositivos tentassem enviar dados ao mesmo tempo na rede? Chama-se colisão. Neste caso ocorre um erro de comunicação, pois os dados são misturados, perdidos ou corrompidos. Desta forma, somente um dispositivo pode estar com o seu driver emissor ativo enviando dados. Os outros dispositivos devem estar apenas com o seu receptor ativo. Evita-se então que dois dispositivos tentem enviar dados ao mesmo tempo. Um controle de acesso ao meio do tipo mestre-escravo é bastante comum neste tipo de rede: um dispositivo escravo só tem direito de enviar dados quando o mestre enviar um comando diretamente para ele solicitando informação. O mestre e seus escravos devem se comunicar a uma mesma taxa de comunicação (dada em bits por segundo), de modo que o tempo de cada bit seja igual no dispositivo emissor e receptor. Pra isto, é necessário configurarmos em cada dispositivo a taxa de comunicação (em bps), a paridade e o número de stop bits da comunicação serial. Taxas de transmissão típicas: 1200 bps, 2400 bps, 4800 bps, 9600 bps, bps, bps, bps.

4 4 Manual do dispositivo escravo Modbus Outro cuidado a ser tomado no protocolo Modbus é que dois dispositivos escravos não podem possuir o mesmo endereço físico (repare que na Figura 1 cada escravo possui um endereço 1, 2, 3, 4), evitando que dois dispositivos escravos tentem responder ao mestre ao mesmo tempo. O mestre pode enviar uma mensagem para todos os dispositivos simultaneamente (broadcast) utilizando-se o endereço de dispositivo 0. Neste caso os escravos interpretam o comando, mas não respondem ao mesmo, evitando assim colisões nas comunicações. Topologia da rede A topologia recomendada da rede EIA-485 é em forma de barramento com derivações ou daisy chain (interligações dos fios diretamente nos terminais A e B de cada dispositivo), conforme apresentado na Figura 5. Nas Figura 1 e Figura 2 apresentadas anteriormente, a topologia é de barramento com derivações. a) b) Figura 5 Topologias aceitáveis (a) para a rede EIA-485 e ligação em daisy chain (b) Os dois dispositivos localizados nos extremos da rede EIA-485 devem possuir resistores de terminação, de modo a evitar problemas de reflexões nas comunicações. Este resistor de terminação consiste em um resistor de 120 Ω que interliga os fios A e B da rede EIA-485. De maneira geral, os dispositivos que possuem interface EIA-485 apresentam um jumper ou uma chave pela qual é possível ativar o resistor de terminação.

5 5 Manual do dispositivo escravo Modbus Layout da placa A placa apresenta os seguintes componentes principais: Dip Switches Chave Táctil Entradas Digitais Saída 5 V 1 A Alimentação 12 V 2 A Relés LEDs de Status Resistor de terminação Saídas Digitais NPN Porta EIA-485 Potenciômetro Entradas analógicas Saídas analógicas Figura 6 Layout da placa

6 6 Manual do dispositivo escravo Modbus Comunicação Modbus Funções de acesso Modbus reconhecidas pelo dispositivo O dispositivo é compatível com diversas funções do protocolo para dar acesso às IOs disponíveis. As seguintes funções são reconhecidas: Read Coils (0x01) Leitura do estado das saídas digitais; Read Discrete Inputs (0x02) Leitura do estado das entradas digitais; Read Holding Registers (0x03) Leitura das entradas analógicas e saídas analógicas, e leitura do bloco de entradas e saídas digitais; Read Input Registers (0x04) Leitura das entradas analógicas e leitura do bloco de entradas digitais; Write Single Coil (0x05) Escrita de uma única saída digital; Write Single Register (0x06) Escrita de uma única saída analógica, ou do bloco de saídas digitais; Write Multiple Registers (0x10) Escrita de um conjunto de saídas analógicas e do bloco de saídas digitais. Demais funções requisitadas ao dispositivo irão gerar uma resposta de exceção Modbus. Configuração do endereço do dispositivo na rede Modbus A configuração do endereço físico do dispositivo é realizada na inicialização do mesmo, através do Dip Switch de 5 posições disponível na placa. Dependendo da combinação das chaves, é atribuído um endereço de 1 a 8 no dispositivo, conforme apresentado na Tabela 1. Após a inicialização do dispositivo, não é mais possível alterar o seu endereço. Tabela 1 Endereçamento do dispositivo na rede DIP Switch Endereço OFF OFF OFF 1 OFF OFF ON 2 OFF ON OFF 3 OFF ON ON 4 ON OFF OFF 5 ON OFF ON 6 ON ON OFF 7 ON ON ON 8 Configuração da comunicação A configuração da taxa de comunicação do dispositivo também é realizada na inicialização do mesmo, através do Dip Switch de 5 posições disponível na placa. As taxas disponíveis são apresentadas na Tabela 2. Após a inicialização do dispositivo, não é mais possível alterar a taxa de transmissão.

7 7 Manual do dispositivo escravo Modbus Tabela 2 Taxas de comunicação do dispositivo DIP Switch Taxa de transmissão Distância Paridade Stop Bits 1 2 (bps) máxima (m) OFF OFF N OFF ON N ON OFF 9600 N ON ON 4800 N Cabo de condução dos sinais Preferencialmente sugere-se a utilização de cabo par trançado com malha, sendo que a malha deve estar ligada no aterramento em um dos lados. Porém, para experimentos e aplicações de laboratório onde não existem grandes fontes de interferência (cargas indutivas e resistivas motores, solenoides, etc.) não há preocupação. Resistor de terminação O resistor de terminação deve ser ligado sempre que o dispositivo encontra-se em uma extremidade da rede EIA-485. A ativação do resistor de terminação é feita através do jumper JP1, localizado ao lado dos bornes da porta EIA-485, conforme identificado na Figura 7. Figura 7 Resistor de terminação

8 8 Manual do dispositivo escravo Modbus Entradas e saídas disponíveis Entradas analógicas A placa possui 4 entradas analógicas de resolução 10 bits que convertem níveis de tensão de entrada em valores numéricos decimais. Entradas analógicas AI1 e AI2: Tensão de entrada de 0 a 10 VDC. Estão disponíveis através dos bornes na placa; Sensor de temperatura LM35: Apresenta 0 VDC quando a temperatura está próxima de 0 C e 1 VDC quando a temperatura está próxima de 100 C; Potenciômetro: Varia o valor conforme a posição do cursor do potenciômetro. Localizado na placa. Endereçamento das entradas analógicas Função de acesso Nome Descrição R/W Endereço Modbus AI1 0x0000 Entrada Analógica 0-10 V AI2 0x0001 AI3 N/A Read Holding Registers 0x0002 R AI4 Potenciômetro Read Input Registers 0x0003 AI5 Sensor LM C 0x0004 Range de valores = 0 C 204 = 100 C Utilização das entradas analógicas AI1 e AI2 Para ligar sensores e dispositivos externos que forneçam uma tensão analógica entre 0 10 V deve-se ligar a referência (0 V) do dispositivo ao terminal COM das entradas analógicas. O sinal de tensão deve ser ligado na entrada (AI1 ou AI2) desejada, conforme Figura 8. Faixa de tensão: 0 10 V Entradas digitais A placa possui 8 entradas digitais: Figura 8 Utilização das entradas analógicas Entradas digitais DI1 e DI2: Entradas digitais isoladas através de optoacopladores. Estão disponíveis através de bornes na placa. São ativadas quando suas entradas estão com tensões maiores que 5 VDC. Suportam tensões de até 24 VDC; DI3: Botão de toque disponível na placa, localizado próximo dos Dip Switches; Dip Switches: 5 chaves localizadas no Dip Switch.

9 9 Manual do dispositivo escravo Modbus Endereçamento das entradas digitais Nome Descrição R/W Função de acesso Modbus Endereço DI1 DI2 Entrada Digital 0-24 V 0x0000 0x0001 DI3 Botão táctil 0x0002 DI4 DI5 Dip Switch 5 Dip Switch 4 Read Discrete Inputs 0x0003 0x0004 DI6 Dip Switch 3 R 0x0005 DI7 Dip Switch 2 0x0006 DI8 Dip Switch 1 0x0007 DI Status de todas as entradas Read Holding Registers Read Input Registers 0x0005 Range de valores 0 = off 1 = on Bit 0 DI1... Bit 7 DI8 Utilização das entradas digitais DI1 e DI2 Para ligar sensores e chaves externos, deve-se ligar a referência (0 V) do dispositivo ao terminal COM das entradas digitais. O sinal deve ser ligado na entrada (DI1 ou DI2) desejada, conforme Figura 9. Tensão máxima nas entradas: 24 VDC Saídas digitais A placa possui 6 saídas digitais: Figura 9 Utilização das entradas digitais Saídas Relé 1 e 2: Saídas a relé com contatos NF (normalmente fechado) e NA (normalmente aberto); Saídas DO1 a DO4: 4 saídas NPN. Endereçamento das saídas digitais Nome Descrição R/W Função de acesso Modbus Endereço RELE1 Saída Relé 1 0x0000 RELE2 Saída Relé 2 0x0001 DO1 LED DO1 Saída Digital NPN Read Coils 0x0002 DO2 LED DO2 Write Single Coil Saída Digital NPN R/W 0x0003 DO3 Saída Digital NPN 0x0004 DO4 DO Status de todas as saídas Write Single Register Write Multiple Registers 0x0005 0x0006 Range de valores 0 = off 1 = on Bit 0 D01... Bit 5 D04

10 10 Manual do dispositivo escravo Modbus Utilização das saídas digitais a relé Para acionar cargas utilizando as saídas com relé, deve-se ligar a carga em série com os contatos comum (C) e normalmente aberto (NA) da saída a relé desejada, conforme Figura 10. Caso a carga seja indutiva (motores, bobinas, solenoides), recomenda-se a utilização de um circuito snubber (RC série) em paralelo com a carga, para evitar danos ao relé e a geração de ruídos eletromagnéticos, conforme Figura 10 c. Corrente máxima fornecida por saída: 10 A a) b) c) Figura 10 Relé e seus contatos (a), carga resistiva (b) e indutiva com snubber (c) Utilização das saídas digitais a transistor Para acionar cargas utilizando as saídas a transistor NPN, deve-se ligar a carga em série com o contato da saída desejada (DO1 DO4). O transistor NPN da saída chaveia a carga para 0 V. No caso de se utilizar uma fonte de alimentação externa, deve-se ligar o 0 V da fonte juntamente com o 0 V da placa, conforme Figura 11. Corrente máxima fornecida por saída: 500 ma a) b) Figura 11 Utilização das saídas a transistor com fonte externa (a) e fonte interna (b) Saídas analógicas A placa possui duas saídas analógicas: Saída AO1: Saída de 0 a 10 VDC. Colocando-se o jumper PWMO na placa, pode-se utilizar o pino PWM1 (localizado junto à barra de pino de saídas digitais) como uma saída PWM de 1,2 khz; Saída AO2: Saída de 0 a 10 VDC, similar à AO1. Endereçamento das saídas analógicas Nome Descrição Read/Write Função de acesso Modbus AO1 Saída Analógica 0 10 V Read/Write Write Single AO2 Register Write Multiple Registers Endereço 0x0007 0x0008 Range de valores 0 = 0 V 100 = 10 V

11 11 Manual do dispositivo escravo Modbus Utilização das saídas analógicas Para enviar sinais analógicos de 0 a 10 V para dispositivos externos, deve-se ligar a saída analógica diretamente à entrada analógica do dispositivo externo. Deve-se ligar o terminal COM na entrada COM ou 0 V do dispositivo, conforme Figura 12. Corrente máxima fornecida na saída: 20 ma Figura 12 Utilização das saídas analógicas Referências