Protocolos Industriais SensorBus Redes Industriais Semestre 01/2015

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1 Protocolos Industriais SensorBus Redes Industriais Semestre 01/2015 Engenharia de Controle e Automação

2 Introdução Devido aos diferentes requisitos de comunicações industriais, existem diferentes tipos de sistemas de comunicação industrial, como partes de um sistema de automação industrial em uma empresa: Redes de Sensores/Atuadores (Sensor Bus): atuam a nível de chão de fábrica, conectando sensores, atuadores e controles simples Fieldbus: atuam a nível de chão de fabrica, coletando e distribuindo dados de e para sensores e atuadores, comunicando dados entre os dispositivos de campo e controladores programáveis e consoles de gerenciamento (IHM, SCADA, etc) Redes de controladores: atuam a nível dos controladores, transmitindo dados entre dispositivos poderosos de campo e controladores, além de transmitir dados entre controladores Redes Coorporativas: atuam a nível da empresa, conectando e transmitindo dados entre segmentos dos sistemas de automação e demais setores da empresa.

3 Honeywell PV 6000 SP 6000 AUTO 1 Tamanho dos Quadros (bytes) 10, Sensor Bus Dispositivos Simples Baixo custo Mensagens curtas (bits) Configuração fixa Não intrinsicamente seguras Par trançado Dist. Max 500m Redes de Dados Estações de trabalho, Robôs, PCs Maior custo Não energizado Mensagens longas ( , files) Não intrinsicamente seguras Fibra ótica, Dist. Max quilômetros Fieldbus Alta velocidade PLC, DCS, I/O remotos, motores Custo médio Não energizados Mensagens: valores, status Não seguras Par trançados (shielded) Dist. Max 800m ,000 Tempo de resposta, millisegundos Fieldbus Baixa Velocidade Instrumentos de processo, valvulas Custo médio Energizado (2 cabos) Mensagens: valores, status Intrinsicamente seguras Par trançados (re-uso de 4-20 ma) Dist. Max 1200m

4 HART - Highway Addressable Remote Transducer

5

6 HART ma loop de corrente fluido O dispositivo transmite dados pelo loop de corrente

7 Relembrando Loops de Corrente

8 Relembrando Loops de Corrente sensor flow transdutor i(t) = f(v) Leitor 1 Leitor 2 R L1 R1 R2 R3 R L2 R L3 R L4 i(t) = 0, ma R L4 Resistencia do meio Fonte 10V..24V O 4-20 ma é o meio mais comum de transmissão analógica na indústria O Transdutor limita a corrente para valores entre 4 ma e 20 ma, proporcionalmente ao valor a ser medido, sendo que 0 ma sinaliza um erro (quebra do loop) A tensão diminui ao longo do cabo e o numero de leitores não induzem erros OBS: 4-20mA é basicamente uma comunicação ponto-a-ponto

9 HART - Principio HART foi desenvolvido pela Fisher-Rosemount para reutilizar o loop de corrente 4-to- 20mA com comunicação digital HART modula a corrente 4-20mA com sinais senoides se afetar a média do sinal analogico. HART usa baixas frequencias (1200Hz and 2200 Hz) para lidar com cabeamentos ruins. Com taxas de1200 Bd Mas suficientes

10 HART - 2 Canais de comunicação Canal 4-20mA "Analogico Ø 4-20mA Analogico suporta grande parte do protocolo de comunicação Ø Comunicação em um sentido e de um processo Ø Um simples filtro passa baixa isola o sinal 4-20 ma Canal HART"Digital" ØAdicionado ao 4-20mA ØBaseado em modems de telefonia analógica ØComunicação em dois sentidos 33

11 HART - Protocolo Hart comunica ponto-a-ponto, sob comando de um mestre, ex.: Dispositivo de mediçao Mestre Requisição Indicação time-out Resposta Confirmação 1

12 Formato dos Quadros (Frames)

13 Hart Exemplos de Comandos Obrigatórios Identificação Medições e Unidade das Variáveis e Primarias Valor do loop de corrente (%) = mesma informação do loop de corrente Leitura de até 4 variáveis de processo pré-definidas Numero Serial do Sensor, Fabricante, modelo, descritor Opcionais Diagnosticos Limites Constantes de tempo Dados de Calibração Total: 44 comandos padroes, mais comandos definidos pelo fabricante

14 HART Praticamente todos os dispositivos baseados em loop 4-20 ma são equipados com HART Milhões de equipamentos vendidos anualmente Mais informações em:

15 ASi - Actuator Sensor Interface

16

17 ASi AS-Interface é um sistema que requer quatro componentes básicos: Um Mestre, na maioria dos casos na forma de um Gateway para alguma rede industrial de maior nível, ou uma placa de rede em um controlador programável Um certo numero de s, na maioria dos casos módulos de entradas e/ou saídas Exatamente uma fonte de suprimento de energia, utilizado para energizar os escravos e habilitar a comunicação com o Mestre Infra-estrutura de cabeamento, realizado geralmente utilizando-se um cabo chato amarelo, com conexão tipo vampiro Conectores Penetrantes

18 Construção Modular Fácil extensão Conecte um novo quando desejar Conecte uma nova Linha sempre que desejar

19 Solução de Sistemas AS-Interface módulos permite a conexão de sensores e atuadores convencionais: D0 = sensor 1 Uma conexão D1 = sensor 2 D2 = atuador 1 1 módulo anexo AS-Interface C.I. D3 = atuador 2 P0 Watchdog energia até 4 sensores e/ou 4 atuadores

20 ASi Principio Mestre - Até 31 s em uma Linha Controlador Mestre Tempo de Ciclo < 5 ms Cada escravo tem até 4 entradas digitais + 4 saidas digitais Mais 4 bits parametrizaveis por escravo Max. 248 Entradas e Saidas digitais Mestre chama A-s Mestre chama B-s 1A 2A 31A 1B 2B 1A 2A 31A 1B 2B responde A-s responde B-s

21 ASi - Topologias Sem limites para a estrutura: linha controle Mestre estrela controle Mestre Árvore controle Mestre

22 Fatos sobre ASi Princípio Mestre- Sem limites para a estrutura Cabo paralelo ( 2 fios ) para dados e energia até 8 A Cabo sem blindagem 2 x 1,5mm² 4 entradas digitais + 4 saídas digitais transmissão de valores analógicos Técnica de conexão por penetração Fiação Paralela Barramento de campo Mestre Comprimento do cabo até 100m, extensível até 500m por repetidor Transmissão de dados segura https://youtu.be/aoaayrm84ey https://youtu.be/ngrz_twppwe

23 CAN - Controller Area Network & CANOpen Automotive bus

24 Controller Area Network CAN ControllerAreaNetwork Desenvolvido inicialmente por Robert Bosch em 1980, para utilizac ão em redes de comunicac ões em veículos, o CAN veio a ser posteriormente desenvolvido para a aquisic ão de dados de sensores discretos; Desde 1994, o CAN baseia-se nas normas e definic ões: ISO11898 Camada de ligac ão de dados; e ISO Propagac ão de sinais e tambeḿ a comunicac ão de dados seŕie a baixa velocidade;

25 Caracteristicas do CAN Sistema flexivel com um ma ximo de 110 unidades num projeto com dista ncias ma ximas compreendidas entre 500m e 1Km; Para barramentos de 500m atinge ate 100kbps e para dista ncias de 50m chega a 1Mbit/s; Confiabilidade da transmissaõ de dados: permite definir a prioridade de mensagens, com late ncia ma xima garantida; Na detecc ão e sinalizac ão de erros: retransmite automaticamente as mensagens corrompidas; Em casos de colisaõ, utiliza o bitwise arbitration e o NON-Destructive Collision Resolution.

26 Funcionamento Básico A comunicac ão dos dispositivos com o barramento é realizada em modo Multicast, com identificador único de rede (os dispositivos naõ te m identificadores proṕrios) das mensagem enviada para o barramento; Os outros dispositivos que estaõ à escuta, ao receberem a mensagem, verificam se devem processa -la ou naõ atraveś de um teste de aceitabilidade; O identificador tambeḿ define a prioridade da mensagem. Quanto menor for o seu valor numeŕico, maior sera a sua prioridade; O me todo utilizado para transmissaõ de mensagens é o CSMA/CD; Utiliza a codificac ão NRZ (Non Return to Zero) com bit-stuffing para assegurar o sincronismo em comunicac ões efetuadas em cabos com 1 par trançado;

27 CAN e as Camadas Enlace e Fisica

28 CAN e o Modelo OSI Modelo OSI Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Física Camadas superiores defindas por outros padroes internacionais: DeviceNet, CANOpen, CANaerospace, MilCAN, SAE J1939, ISO1192 and others CAN define as camadas inferiores (1 e 2)

29 CAN e o Meio Físico Par trançado terminado com resistores de 120 Ohms em cada lado: - Eliminação de reflexos na comunicação Node A Node B 120 Ω 120 Ω

30 Niveis de Sinais Diferenciais Volts CAN H Recessivo 1 Dominante 0 Recessivo 1 CAN L

31 Protocolo CAN Camada Física

32 Exemplo de Pacotes e BitStuffing

33 Detecção de Erros 1 - Cyclic Redundancy Checks (CRC) usa o polino mio X15 +X12 +X1 ), com 15 bits efetivos e 1 como delimitador; 2 - Frame Checks Faz a verificac ão do quadro, identificando bits recessivos onde so pode haver bits dominantes, como SOF, EOF e os delimitadores CRC e ACK; 3 - Acknowledgement Error Checks Possui um bit de confirmac ão e um delimitador; 4 - Bit Monitoring Verifica a consiste ncia dos bits, onde a interface avalia se o bit transmitido é igual ao bit lido apoś a escrita, caso contraŕio gera um frame de erro. A verificac ão ocorre por toda a mensagem exceto para os campos de identificac ão (onde ha o processo de arbitragem) e o de confirmac ão (que valida a mensagem); 5 - Bit Stuffing ou enchimento de bits - Determina que apoś 5 bits consecutivos de mesmo valor, o 6o é o complemento dos anteriores.

34 Prioridade de Mensagens - Enlace A rede CAN é um protocolo de muĺtiplo acesso com detecc ão de portadora e de colisaõ (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) e arbitragem na prioridade da mensagem (Arbitration of Message Priority) ou CSMA/CD+AMP. A detecc ão de portadora especifica que todo nodo que deseja transmitir deve antes verificar se o barramento esta livre, e se o estiver, iniciar a transmissaõ; Colisoẽs saõ detectadas e resolvidas de forma naõ destrutiva; A arbitragem do barramento é definida pela mensagem e naõ pelos nodos; Isso garante que mensagens vitais sejam transmitidas em detrimento de mensagens naõ taõ importantes.

35 Processo de Arbitragem Priorização da mensagem

36 Exemplos

37 Antes do CAN

38 Depois do CAN

39 Perguntas?

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