Sistemas Embarcados/ Redes Industriais/ Comunicação Serial

Transcrição

1 1 Sistemas Embarcados/ Redes Industriais/ Comunicação Serial César Yutaka Ofuchi

2 2 Pirâmide da Automação ERP (Entreprise Resource Planning) MES (Manufacturing Execution Systems)

3 3 Pirâmide da Automação APC (Advanced Process Control) PIMS (Plant Information Management System) MES (Manufacturing Execution Systems)

4 Equipamentos conectados a rede de campo Sensores, atuadores, fim de curso IHM Botões Inversores de frequência Robos Valvulas Gateways/Bridges César Ofuchi ofuchi@utfpr.edu.br 4

5 Camada de Campo - Padrões Analógicos Padrões de transmissão de informação a partir de sensores com saída analógica (anos 60) Ainda são vendidos e utilizados em plantas industriais. Padrão ISA S V, 0-10V, 1-5V, 2-10V, 4-20mA, etc. Padrões de tensão (0-10V) Fácil entendimento Afetados pela impedância da linha Padrões de corrente (4-20mA) Maior imunidade a ruído Transmitido a longas distâncias (não depende do comproimento do cabo) César Ofuchi ofuchi@utfpr.edu.br 5

6 6 Malha de Corrente (4-20mA) ADUM1411

7 Redes de Campo -Fieldbus Fieldbus é um termo genérico que descreve uma rede digital de comunicação usada para interligar dispositivos de campo. Substituir os sensores analógicos (4-20 ma) Sistema de comunicação Digital/Serial/Bi-direcional Topologias Arvore Ponto a ponto Daisy Chain Barramento Misto César Ofuchi ofuchi@utfpr.edu.br 7

8 8 Categoria Comunicações rápidas, equipamentos discretos e analógicos (mais bytes), poder de diagnóstico Modbus RTU Manufatura discreta (sensores de proximidade, botões, chaves, etc., poucos bits) Operações de alta confiabilidade, de tempo crítico, variáveis em ponto flutuante e simultâneas.

9 Fieldbus Meio físico Par trançado é um dos meios de transmissão mais utilizados em telecomunicações, principalmente pelo baixo custo e simplicidade de conexão. Pares trançados podem ser blindados para tornar o cabo mais imune a ruídos externos. Camada física Malha de Corrente (4-20mA) RS485/IEC (serial) CAN Ethernet Industrial Fibra Optica (maiores distâncias 80km) César Ofuchi ofuchi@utfpr.edu.br 9

10 4-20mA -> Protocolo Digital Hart Modulação FSK sobre rede 4-20mA 1 lógico: 1200Hz 0 lógico: 2400Hz César Ofuchi ofuchi@utfpr.edu.br 10

11 Comunicação Serial RS232 TIA RS232 (1969) Interface de comunicação serial entre um DTE (Data Terminal Equipment) e um DCE (Data Communication Equipment) Procedimento de envio (Ao menos 10 bits por caracter) 1 bit de marcação de inicio de mensagem 8 bits de dados 1 bit de paridade(opcional) 1, 1,5 ou 2 bits de marcação de fim de mensagem Para dois dispositivos conversarem é necessário compatibilizar o procedimento Codificação Taxa de transmissão Tamanho da palvra Codificação Bit de paridade César Ofuchi ofuchi@utfpr.edu.br 11

12 RS232 x UART UART RS232, RS485, USB Similaridades/Diferenças/Observações UART é uma versão generalizada de comunicações seriais e portanto pode ser utilizada como base para os protocolos 232, 485, 422 além de outros como USB. Visa fornecer uma base padrão para todos estes protocolos UART tem tensões em nível de processador Conversões para os protocolos ficam a cargo de chips externos MAX232 (RS232) FT232 (USB) SP490E (RS485) César Ofuchi ofuchi@utfpr.edu.br 12

13 13 Exemplos de comunicação utilizando UART

14 14 Exemplo UART x RS232

15 Comunicação Serial RS485 Melhoria do sinal RS232 Maiores distâncias (1200 metros) Maiores velocidades (35 Mbps) Multiponto 32 devs Como?? Sinal Diferencial Sinal original + Sinal negado Ruídos que ocorrem nas duas linhas são cancelados! César Ofuchi ofuchi@utfpr.edu.br 15

16 16 Exemplo de Sinal Diferencial RS485 Sinal + Sinal - Diferencial!

17 17 Comparativo RS232 x RS485

18 18 LPC1343: UART - USB LPC1343 TX RX

19 19 LPC1343: UART RS485

20 CAN Controller Area Network Rede automotiva desenvolvido na Robert Bosch (1983) mas que hoje é usado na indústria também. Características Protocolo serial síncrono Mensagens sincronizadas Multimaster serial com acesso múltiplo ao barramento. Acordo mútuo não destrutivo e sem atrasos de acesso de escrita no bus Prioridade de mensagem no barramento (Real Time) Múltipla detecção de erros Retransmissão automática de mensagens corrompidas César Ofuchi ofuchi@utfpr.edu.br 20

21 21 Exemplo de Sinal CAN NRZ Non Return to Zero Zero vivo possibilita a detecção de avarias em rompimento de fios

22 Controle de Arbitragem O que é recessivo?? Quando a diferença entre CANH e CANL é próxima de zero! (nível lógico 1) O que é dominante? Quando uma existe uma certa tensão de diferença entre CANH e CANL. (nível lógico 0) César Ofuchi ofuchi@utfpr.edu.br 22

23 23 Distância x Velocidade

24 Prioridade Dados são sempre sincronizados no tempo Todos os nós da rede CAN enxergam as mensagens e cabe a cada um deles descartar ou não a informação. Mecanismo de Prioridade CSMA/DCR Mensagens com bit dominante (0) mais próximos do inicio recebem a prioridade automaticamente. Mensagens com menor prioridade retransmitem a mensagem César Ofuchi ofuchi@utfpr.edu.br 24

25 25 CAN Sistemas Embarcados Um nó CAN pode ter 3 blocos funcionais implementados separadamente ou integrados em diversas formas. μc μc $3,17 Shields de CAN Controller + CAN Transceiver

26 Fieldbus Protocolo de Comunicação Referêcia ao modelo OSI com apenas três camadas: Camada de Aplicação Camada de Enlace de dados: Envio de Quadros, tratamento de erros Camada física: Definição do meio físico César Ofuchi 26

27 27 Fieldbus Protocolo de Comunicação Fieldbus são sistemas padronizados, mas não unificados, largamente utilizados em automação industrial. IEC (Especificação) e (Perfis de Familia de Comunicação CPF)

28 28 Exemplos de de Protocolos de Comunicação Fieldbus Malha de Corrente RS485/ Fibra CAN Ethernet Industrial

29 29 Fieldbus Gateways & Converters

30 30 Velocidade x Tecnologia

31 31 Comparativo (Fonte: HMS 2017)

32 32 Device Bus - Modbus Um dos primeiros protocolos a se difundirem no meio industrial foi o Modbus RTU. Desenvolvido pela Modicon em 1979, foi largamente usado para comunicação entre diferentes CLPs, tornando-se domínio publico e, portanto, protocolo aberto.

33 Variações do Modbus Redes Seriais baseadas em RS485 ou R232 ASCII: Caracteres de 7 bits RTU (Remote Terminal Unit): Binário de 8 bits Modbus TCP Ethernet (IEEE 802.3) Modbus Plus Proprietário da Schneider Electrics César Ofuchi ofuchi@utfpr.edu.br 33

34 34 Modelo OSI Modbus RTU Camada de Data Link (Enlace): Detecção de Erros, transmissão de quadros e controle de fluxo. Camada Física: Definição do Meio físico (RS485, fibra )

35 35 Estrutura das Mensagens no Modo RTU Comunicação Mestre (1) Escravo (até 247) Toda comunicação inicia com o mestre fazendo uma solicitação a um escravo, e este responde o mestre como solicitado Estrutura sempre a mesma: Endereço, Código da Função, Dados e CRC. Apenas o campo de dados tem tamanho variável Mestre - Solicitação Escravo - Resposta

36 36 Tempo entre Mensagens No modo RTU não existe caracter que indique início ou fim de mensagem. Indicação de quando a mensagem começa ou quando termina é feita pela ausência de transmissão de dados por um tempo de 3,5x o tempo de transmissão de um byte de 11 bits. Se durante a transmissão da mensagem, o tempo entre bytes for maior que o tempo mínimo, a mensagem será considerada inválida.

37 37 Tempo entre mensagens Para Taxas superiores a bits/s os tempos serão os mesmos.

38 38 Exemplos de Códigos da Função

39 39 CRC - Checksum No modo RTU a Checagem de framing adotado é o CRC, Cyclical Redundancy Check, que calcula o conteúdo de toda mensagem. O CRC é obtido é um valor de 16 bits sendo 8 bits menos significativos primeiro e depois os 8 bits mais significativos depois. Para calcular o CRC em linguagem C são utilizadas duas tabelas de 256 bytes e uma função disponibilizada no manual.

40 Resumo Pirâmide da Automação (ERP->Supervisorio->CLP->Sensores) Nível de Campo (Field level) Redes de Campo (Fieldbus) Meios físicos e Protocolos Industriais Modbus 4-20mA (loop de corrente): HART Par trançado RS485: Modbus/Profibus/Foundation Fieldbus CAN: CanOpen/DeviceNet Fibra Optica: Mesmos protocolos Ethernet: Ethercat, Modbus TCP Tipos: RTU, ASCII TCP/IP Camada OSI Camada de enlace: Estrutura, CRC, Tempos Start e End Camada de aplicação: Comandos César Ofuchi ofuchi@utfpr.edu.br 40