CAPÍTULO 4 PROTOCOLOS INDUSTRIAIS PARTE 2

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1 25 CAPÍTULO 4 PROTOCOLOS INDUSTRIAIS PARTE 2 O Protocolo PROFIBUS O PROFIBUS (acrônimo de Process Field Bus) é o segundo tipo mais popular de sistema de comunicação em rede Fieldbus, ficando atrás somente do protocolo MODBUS, sendo que em 2004 estimava-se que existiriam mais de 10 milhões de nós instalados mundialmente. O PROFIBUS é um padrão internacional aberto, sendo o principal padrão utilizado na Europa. Obs.: Fieldbus é um termo genérico empregado para descrever tecnologias de comunicação industrial; o termo fieldbus abrange muitos diferentes protocolos para redes industriais. Versões do PROFIBUS: PROFIBUS-DP (Decentrallised Periphery) esse protocolo foi a primeira versão criada. Indicada para o chão de fábrica, onde há um volume de informações grande e há a necessidade de uma alta velocidade de comunicação para que os eventos sejam tratados num tempo adequado. PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) esta versão é uma evolução do Profibus DP e destina-se a comunicação ao nível de células (nível onde se encontram os PLCs). O FMS é tão poderoso que pode suportar o volume de dados até o nível gerencial, mesmo que isso não seja indicado. PROFIBUS-PA (Process Automation) é a versão mais moderna do Profibus. Uma característica interessante deste protocolo é que os dados podem trafegar pela mesma linha física da alimentação DC, o que economiza tempo de instalação e cabos e diminui o custo de sua instalação. Existem três tipos de meios físicos de comunicação que podem ser utilizados pelo protocolo Profibus: RS-485 Fibra óptica IEC É um padrão que define regras e particularidades para aplicações em automação de processos (Profibus PA), veio atender aos requisitos das indústrias químicas e petroquímicas. Permite, além de segurança intrínseca, que os dispositivos de campo sejam energizados pelo próprio barramento. A IEC determina que o meio físico do PROFIBUS PA deve ser um par de fios trançados.

2 26 Há uma hierarquia inerente ao uso do Profibus, nessa hierarquia podemos identificar três níveis. Em cada nível temos versões do PROFIBUS as quais são as mais indicadas: Field Level (Nível de campo ou Chão de Fábrica) -> PROFIBUS-DP e PROFIBUS-PA Nível de Célula (comunicação entre PLCs e controladores) -> PROFIBUS-FMS Nível de Fábrica -> TCP/IP O PROFIBUS é um protocolo do tipo mestre-escravo. Os dispositivos mestres determinam a transmissão de dados, emitem mensagens sem pedido externo. No PROFIBUS os dispositivos mestres são também chamados de estações ativas. Os dispositivos escravos podem transmitir somente quando solicitado pelo mestre. No PROFIBUS os dispositivos escravos são também chamados de estações passivas. Protocolo de acesso ao meio no Profibus: No PROFIBUS a camada 2 (enlace) é chamada Fieldbus Data Link (FDL). O Controle de Acesso ao meio (MAC) especifica o procedimento quando uma estação tem a permissão para transmitir dados. O MAC deve assegurar que uma única estação tem direito de transmitir dados em um determinado momento. O protocolo PROFIBUS foi projetado para atender os dois requisitos básicos do Controle de Acesso ao Meio: Durante a comunicação entre sistemas complexos de automação (mestres), deve ser assegurado que cada uma destas estações detém tempo suficiente para executar suas tarefas de comunicação dentro de um intervalo definido e preciso de tempo.

3 27 Por outro lado, a transmissão cíclica de dados em tempo real deverá ser implementada tão rápida e simples quanto possível para a comunicação entre um controlador programável complexo e seus próprios dispositivos de E/S (escravos). Portanto, o controle de acesso ao meio do PROFIBUS inclui o procedimento de passagem de um token (telegrama ou ficha), que é utilizado pelas estações ativas da rede (mestres) para comunicarem entre si, e o procedimento de mestre-escravo que é usado por estações ativas (mestres) para se comunicarem com as estações passivas (escravos). Obs.: O token (telegrama ou ficha) nada mais é do que um pacote especial, padronizado pelo PROFIBUS. O procedimento de passagem do token garante que o direito de acesso ao barramento é designado a cada mestre dentro de um intervalo preciso de tempo. A mensagem de token deve ser distribuída no anel lógico pelo menos uma vez a todos os mestres dentro de um intervalo de tempo máximo denominado tempo de rotação do token. No PROFIBUS o procedimento de passagem de token somente é utilizado na comunicação entre estações ativas (mestres). O procedimento mestre-escravo permite ao mestre que no momento possui o token acessar seus próprios escravos. O mestre pode enviar mensagens aos escravos ou ler mensagens dos escravos. Perspectivas De um total de mais de 2000 produtos e serviços disponíveis, os usuários podem, a qualquer momento, escolher o melhor produto e com a melhor relação custo-benefício para sua automação. O sucesso do PROFIBUS tem sido comprovado em milhares de aplicações, seja na automação da produção, predial ou na de processos, promovendo sucessivamente uma alta economia de gastos, um aumento na flexibilidade associado à uma maior disponibilidade dos sistemas. Estas são com certeza as principais razões que tem levado mais e mais usuários de todo o mundo a decidir em favor do PROFIBUS.

4 28 O Protocolo CAN A rede CAN (Controller Area Network) é um sistema de comunicação serial concebida inicialmente para aplicações distribuídas de sistemas automotivos. Sua crescente utilização na indústria automotiva foi motivada pelos benefícios técnicos e econômicos, o que culminou com sua padronização pela SAE (Society of Automotive Engineers) e pela ISO (International Organization for Standardization). Com o sucesso obtido nas aplicações automotivas a comunidade da indústria de processo e transformação não hesitou em adotá-la também em determinadas aplicações industriais. Áreas de Aplicação do CAN: Veículos (marítimo, aéreo, terrestre) carros de passeio, off-road, trens, sistema de semáforo (trens e carros), eletrônica marítima, máquinas agrícolas, helicópteros, transporte público. Sistema de Controle Industrial controle de planta, de maquinário, robôs, sistema de supervisão. Automação Predial controle de elevadores, ar condicionado, iluminação. Aplicações Específicas sistemas médicos, telescópios, simuladores de voo, satélites artificiais, entre outros. Algumas características do CAN: Acesso à rede baseado em conceito Multi-mestre - todos os módulos podem transmitir uma mensagem assim que o barramento estiver livre e vários módulos podem solicitar à rede simultaneamente. No momento da transmissão simultânea de vários módulos, o que tiver a mais alta prioridade momentânea recebe o direito de acesso à rede; Transmissão do tipo Multicast, ou transmissão para todos os módulos ao mesmo tempo. Um filtro é aplicado para selecionar as informações importantes para cada módulo; Arbitragem do barramento sem perda - Filosofia de acesso ao meio CSMA/BA (Carrier Sense Multiple Access with Bit Wise Arbitration) na qual é feita uma análise da prioridade de transmissão. Aquele que tiver prioridade maior continuará enviando a sua mensagem sem destruição; Taxa de transmissão programável entre 5Kbps a 1Mbps; Protocolo Digital e Comunicação Serial Síncrono; Detecção de erros; Retransmissão Automática de Mensagens Corrompidas.

5 29 Acesso Baseado em Contenção: Em uma rede baseada em contenção, não existe ordem de acesso e mais de um dispositivo pode transmitir ao mesmo tempo, provocando colisão e, possivelmente, a perda da mensagem. A capacidade de detecção e retransmissão da mensagem vai depender do mecanismo adotado pelo dispositivo. CSMA/CD: No método chamado de CSMA (Carrier Sense Multiple Access), quando um dispositivo deseja transmitir uma informação, ele ouve o meio antes para saber se existe alguma transmissão em andamento. Caso durante a escuta não haja, o dispositivo pode transmitir. Caso contrário, ela espera por um tempo aleatório e tenta transmitir novamente. A ocorrência de colisão acontece caso dois dispositivos tentem transmitir exatamente no mesmo instante. O mecanismo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) percebe a colisão durante a transmissão. Ao transmitir, uma ECU escuta o meio e, ao detectar uma colisão, aborta imediatamente a transmissão. O CSMA/CD é o mecanismo utilizado nas redes locais de computadores (Ethernet). CSMA/BA: O controle de acesso ao meio por CSMA/BA (Carrier Sense Multiple Access with Bit Wise Arbitration) é semelhante ao CSMA/CD utilizado na Ethernet, com a diferença que, em uma eventual colisão, temos prioridades de tempo definidas. Enquanto que no CSMA/CD teríamos uma espera aleatória entre os participantes da disputa pelo meio. O CSMA/BA é o mecanismo utilizado nas redes CAN. CSMA/CA: O controle de acesso ao meio por CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) é um método de transmissão que possui um grau de ordenação maior que CSMA/CD e possui também mais parâmetros restritivos, o que contribui para a redução da ocorrência de colisões em uma rede (máquinas interligadas através de uma rede identificam uma colisão quando o nível de sinal aumenta no interior do cabo). Antes de transmitir efetivamente um pacote, a estação avisa sobre a transmissão e em quanto tempo a mesma irá realizar a tarefa. O CSMA/CA é o mecanismo utilizado em redes sem fio wi-fi. Considerando-se fios elétricos como o meio de transmissão dos dados, existem três formas de se constituir um barramento CAN, dependentes diretamente da quantidade de fios utilizada. Existem redes baseadas em 1, 2 e 4 fios. As redes com 2 e 4 fios trabalham com os sinais de dados CAN_H (CAN High) e CAN_L (CAN Low). No caso dos barramentos com 4 fios, além dos sinais de dados, um fio com o VCC (alimentação) e outro com o GND (referência) fazem parte do barramento, levando a alimentação às duas terminações ativas da rede. As redes com apenas 1 fio têm este, o fio de dados, chamado exclusivamente de linha CAN.

6 30 Considerando o CAN fundamentado em 2 e 4 fios, seus condutores elétricos devem ser trançados e não blindados. Os dados enviados através da rede devem ser interpretados pela análise da diferença de potencial entre os fios CAN_H e CAN_L. Por isso, o barramento CAN é classificado como Par Trançado Diferencial. Observe ainda que, assim como no RS-485 o CAN especifica a camada física de forma similar, utilizando resistores terminadores de 120 ohms em cada ponta do barramento.

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