AUTOMAÇÃO / Redes. Redes da Organização Profibus. Imprimir

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1 Page 1 of 6 Imprimir AUTOMAÇÃO / Redes 10/02/ :40:08 Redes da Organização Profibus Na edição anterior, inauguramos uma série de artigos sobre as redes de comunicação utilizadas no mercado de automação industrial, iniciando com uma rede bastante simples e muito usada no mercado: MODBUS RTU. A partir desta edição, abordaremos a Organização PROFIBUS, cujas principais redes suportadas são PROFIBUS DP, PROFIBUS PA e PROFInet Osmar Brune Em automação, é importante a integração entre todos os sistemas, tanto de forma horizontal no campo, quanto de forma vertical através de diversos níveis hierárquicos. A figura 1 ilustra os principais níveis hierárquicos. F.1 Comunicação em Sistemas de Automação No nível de sensores e atuadores, pequenas quantidades de dados (poucos bytes) devem ser transferidas de forma rápida e com baixo custo, numa área física limitada. Tipicamente, o cabo da rede provê tanto um meio de comunicação como alimentação elétrica para sensores e atuadores. Um exemplo é a rede AS-i. Na edição Dezembro/2003-Janeiro/2004 de Mecatrônica Atual foi publicado um artigo sobre a rede AS-i, cuja leitura aconselhamos. No nível de campo podem ser encontrados dispositivos mais complexos, como sistemas modulares ou compactos de E/S, transdutores e acionamentos inteligentes, medidores e analisadores inteligentes, terminais de operação, e outros. Estes dispositivos devem se comunicar com os sistemas de automação de níveis superiores através de uma rede de comunicação rápida para prover baixos tempos de resposta, transferindo uma média quantidade de dados (alguns milhares de bytes), em uma área física relativamente maior (uma grande planta industrial, por exemplo). Um exemplo é a rede PROFIBUS DP. A conexão deste nível ao nível de sensores e atuadores pode ser feita através de conversores (por exemplo, gateways PROFIBUS DP para AS-i). No nível de células, podem ser encontrados controladores programáveis (CPs) ou computadores industriais, executando funções especializadas, tais como o controle de máquinas ou processos. As diversas células podem se interligar entre si, e com sistemas de maior hierarquia (produção, gerencial, companhia, Intranet e Internet), através de redes onde trafegam grandes quantidades de dados, e com tempos de resposta maiores do que aqueles exigidos nos níveis de campo e sensores/atuadores. Um exemplo de tal rede é a Ethernet TCP/IP, para a qual a organização PROFIBUS define a rede PROFInet no nível de aplicação. A figura 2 mostra um exemplo de utilização de redes suportadas pela organização PROFIBUS nos diversos níveis hierárquicos. Algumas observações importantes pode ser feitas a partir desta figura:

2 Page 2 of 6 Figura 2 Exemplo com Redes da Organização PROFIBUS A conexão do nível de campo PROFIBUS DP ao nível de sensores/atuadores AS-i através de um gateway, que provê a conversão entre estes protocolos A conexão entre as redes PROFIBUS DP (apropriada para ambientes de produção e manufatura) e PROFIBUS PA (apropriada para ambientes agressivos de processo, em especial, áreas classificadas com risco de explosão, onde se exige segurança intrínseca). Esta conexão pode ser feita por meio de acopladores ou gateways DP/PA. A conexão entre as redes PROFIBUS DP e PROFInet, através de gateways ou de equipamentos com interfaces para ambas, tais como CPs (controladores programáveis) ou PCs industriais. A conexão entre as redes PROFInet e Internet pode ser feita usando se tecnologias como HTTP, XML, HTML ou scripts. Assim como a rede PROFInet se baseia em Ethernet sobre TCP/IP, outros protocolos de comunicação (abertos ou proprietários) também se baseiam em Ethernet sobre TCP/IP. A interoperabilidade entre diferentes protocolos baseados em Ethernet sobre TCP/IP pode ser obtida através de clientes e servidores OPC DA ou OPC DX. Histórico das Redes de Campo Proprietárias e Abertas A criação de redes de campo abertas e padronizadas através de normas mantidas por organizações internacionais (tecnologias fieldbus), há pouco mais de uma década, significou uma evolução considerável, que possibilitou a migração de sistemas centralizados para descentralizados, com diversas vantagens associadas, tais como: -Possibilidade de distribuir a inteligência no campo, reduzindo a carga de processamento na UCP central -Redução brutal da fiação de campo, propiciando grande economia de fiação, eletrocalhas, projetos e trabalhos de instalação. -Redução do tamanho de armários elétricos, e sua distribuição no campo mais perto dos sensores e atuadores. -Disponibilidade de diagnósticos avançados fornecidos pelos dispositivos de campo inteligentes. -Interoperabilidade entre equipamentos produzidos por fabricantes diferentes, evitando que o cliente se prenda a um fornecedor único (proteção do investimento). As redes de campo surgiram nos anos 80, com o intuito inicial de descentralizar os módulos de E/S, e assim reduzir a enorme quantidade de fiação de campo. As primeiras soluções, no entanto, foram proprietárias, e ainda mantinham o cliente amarrado a um único fornecedor. Posteriormente, como meio de proteger seus investimentos, os clientes começaram a exigir interoperabilidade entre equipamentos de diversos fabricantes, isto é, a utilização de redes abertas padronizadas. Surgiram então organizações de composição mista (Governos, usuários e fabricantes) cujo objetivo era definir as normas para tais redes de campo, ou tecnologias fieldbus. Uma norma internacional geral, denominada IEC (Digital Data Communications for Measurement and Control Fieldbus for Use in Industrial Control Systems) engloba diferentes tipos de sistemas de rede de campo presentes no mercado. Outra norma internacional geral, denominada IEC 61784, preocupa-se com os profiles (perfis), que discutiremos adiante. A tabela 1 mostra uma correspondência destas normas com as redes existentes no mercado.

3 Page 3 of 6 T.1 - Redes Incluídas nas Normas IEC e IEC No caso da norma IEC 61158, definem-se as camadas física, E/R/T (enlace, rede, transporte) e de aplicação do modelo OSI da ISO, que será discutido adiante neste artigo. Histórico da Organização Profibus PROFIBUS se estabeleceu como uma norma alemã (DIN 19245) em Em 1996, foi ratificada na norma européia (EN 50170). Em 2000, foi ratificada na norma internacional (IEC 61158), e em 2003 nas normas internacionais IEC e IEC 61784, conforme mostra a tabela 1. Principais Características das Rede da Organização PROFIBUS A organização PROFIBUS assume como premissas as seguintes tendências em automação e controle, e as embutiu nas redes que suporta: -sistemas centralizados dando lugar a sistemas com topologias descentralizadas; -suporte a tecnologias avançadas tais como: -comunicação publisher/subscriber entre escravos -sincronização de relógios -estampa de tempo (time stamping) -funções de segurança (PROFIsafe); -interoperabilidade entre dispositivos de diversos fabricantes: -tecnologia aberta e normalizada -método eficiente para descrição de dispositivos -conexões plug and play ; -capacidade de integração vertical e horizontal ao longo de uma planta industrial: -PROFInet -PROFIBUS DP -cobertura da área de processos em áreas classificadas (PROFIBUS PA) -baixos tempos de resposta e determinismo no nível de campo (PROFIBUS DP) As Redes PROFIBUS DP e o Modelo de Referência ISO/OSI Em 1983 a ISO (International Organization for Standardization) desenvolveu o modelo de referência OSI (Open System Interconnection Reference Model). Seu objetivo foi definir regras e interfaces que permitissem comunicação eficiente entre estações de um sistema de comunicação, através de

4 Page 4 of 6 protocolos de comunicação. A figura 3 ilustra este modelo de referência, estruturado em até 7 níveis ou camadas. F.3 Modelo de Referência OSI da ISO Em algumas redes de comunicação, nem todas estas camadas são implementadas, por não terem função. No caso das redes PROFIBUS DP e PA, são implementadas apenas as camadas 1, 2 e 7. Já no caso da rede PROFInet, estão presentes as camadas 1,2, 3, 4 e 7. Conceitos Importantes Alguns conceitos utilizados neste artigo, ou que aparecerão nos próximos artigos, devem ser compreendidos pelo leitor e serão descritos a seguir. Protocolos de Comunicação Protocolos de comunicação definem como duas ou mais estações trocam dados através de estruturas de mensagens (message frames). Um frame de mensagem não contém apenas os dados a serem transferidos entre as estações, são necessárias algumas informações de controle, tais como endereço da estação origem e da estação destino, o tipo de serviço associado a estes dados, o endereço e tamanho destes dados, e informações que permitam detectar erros ocorridos na transmissão de dados. Uma característica dos protocolos de comunicação utilizados em redes de campo é a simplicidade, permitindo que quantidades relativamente pequenas de dados (algumas centenas de bytes) sejam transferidas de maneira rápida, viabilizando aplicações com tempo de resposta crítico (real time applications). Endereçamento de Estações O endereçamento é necessário para identificar uma estação, diferenciando-a das demais. Quando estações trocam mensagens, esta mensagem deve conter no mínimo o endereço do destino, e muitas vezes também o endereço da origem. Endereços de estações podem ser determinados por hardware (exemplo: micro-switches) ou por software (configurações via programadores). Por exemplo, uma rede PROFIBUS DP pode conter até 126 endereços, entre 0 e 125, para identificar cada uma das estações. Em alguns casos, utilizam-se endereçamentos especiais denominados broadcast ou multicast, onde uma mensagem transmitida por uma estação pode ser do interesse de todas estações da rede (broadcast) ou de um subconjunto destas (multicast). Serviços de Comunicação Serviços de comunicação executam as tarefas de comunicação cíclicas e acíclicas necessárias, tais como leitura e escrita de dados, escrita de parâmetros de configuração, leitura de diagnósticos, e outros. Cada protocolo define um conjunto de serviços. Por exemplo, alguns dos principais serviços da rede PROFIBUS DP são a parametrização, a configuração, a leitura de diagnósticos, e a transferência de dados de E/S (escrita de saídas e leitura de entradas). Os serviços de comunicação podem ser cíclicos ou acíclicos. Por exemplo, o protocolo PROFIBUS DP básico (PROFIBUS DP-V0) define uma comunicação cíclica entre um mestre e seus escravos para transferência de dados de E/S (escrita de saídas e leitura de entradas), e métodos acíclicos para os serviços de configuração, parametrização e diagnósticos. O protocolo PROFIBUS DP-V1 estendeu o uso de serviços acíclicos, permitindo por exemplo calibrações e parametrizações de dispositivos em qualquer momento. O método de comunicação publisher-subscriber permite comunicações entre escravos, por exemplo, na rede PROFIBUS DP-V2. O que determinado escravo publica em broadcast pode ser captado por outros escravos, permitindo comunicação direta entre escravos sem intermediação do mestre. Isto permite grandes ganhos em tempos de resposta e possibilidade de intertravamento direto entre

5 Page 5 of 6 escravos. Timestamping é um importante serviço disponibilizado para colocar data e hora em eventos (variações em dados). Considerando que estes dados podem provir de diferentes estações de uma rede, outro serviço denominado de clock synchronization se faz necessário, para ajustar o relógio das diferentes estações da rede com alta precisão. Controle de Acesso ao Meio Físico Medium Access Control (MAC) é o método que disciplina o acesso ao meio físico da rede, evitando conflitos reincidentes que levariam a uma queda da performance da rede (duas ou mais estações não podem transmitir ao mesmo tempo em um meio físico do tipo barramento a isto se chama colisão). Existem estações ativas que podem iniciar comunicações, e estações passivas que respondem às requisições feitas anteriormente por estações ativas. Quando um barramento contém uma única estação ativa, e todas as demais são passivas, trata-se de uma rede mestre-escravo, onde a implementação do MAC é muito simples. Este é o caso do protocolo MODBUS RTU, descrito no artigo anterior desta série. No entanto, há redes onde há várias estações ativas e, neste caso, o MAC deve disciplinar o acesso das estações ao barramento, dando oportunidades a todas (muitas vezes, deseja-se igualdade de oportunidades para todas, outras vezes deseja-se algum tipo de prioridade para algumas estações). O MAC deve procurar minimizar colisões, e tratá-las adequadamente para evitar reincidências quando ocorrerem. Chama-se de determinismo à propriedade de um MAC garantir que uma estação conseguirá acesso ao barramento em um tempo máximo que pode ser calculado em função de características da rede (número de estações, velocidade, etc). É altamente desejável que redes de campo sejam determinísticas, o que ocorre por exemplo com as redes PROFIBUS DP e PA. Existem também redes onde o MAC define um método randômico e não determinístico, tal como o método CSMA/CD, empregado em redes Ethernet. Neste caso, uma estação azarada numa rede congestionada poderia ficar um tempo indeterminado sem conseguir acesso ao barramento, já que a prioridade de acesso ao barramento depende de sorteios (tempos randômicos de silêncio após detecção de uma colisão). Mesmo que a rede Ethernet utilize este tipo de MAC, algumas características atualmente apresentadas a estão tornando quase-determinística (alta velocidade, utilização de switches que separam dinamicamente os barramentos, etc). Meios Físicos Meios físicos definem o hardware utilizado para comunicação entre dispositivos, tais como conectores, cabos, níveis elétricos, velocidade de transmissão (baudrate), etc. Em PROFIBUS DP pode-se empregar RS-485 ou fibra ótica, e atingir velocidades de até 12 Mbps. Em PROFIBUS PA usa-se um meio denominado MBP (Manchester code Bus Powered), intrinsicamente seguro, com velocidade fixa em 31,25 kbps. Em PROFInet utiliza-se o meio físico Ethernet, bem conhecido de todos. Perfis Perfis (Profiles) são utilizados em automação para definir comportamentos e propriedades específicas de dispositivos, famílias de dispositivos ou sistemas inteiros. Isto permite enxergar tais dispositivos ou sistemas como blocos funcionais facilmente configuráveis. Os perfis também devem ser normalizados para garantir interoperabilidade entre fabricantes diferentes. A Organização PROFIBUS define três classes básicas de perfis: Perfis Específicos de Aplicação: desenvolvidos para uma aplicação específica, como por exemplo: -PROFIdrive: abrange aplicações de controle de posicionamento (motion control) -Fluid Power: controle de acionamentos hidráulicos -Perfis Genéricos de Aplicação: definem opções de implementação para diferentes tipos de aplicação, como por exemplo: -PROFIsafe: abrange segurança funcional, necessária em aplicações críticas onde a redução de riscos de acidentes é essencial. É baseado em normas de segurança funcional tais como a IEC HART on PROFIBUS DP: possibilita a integração de dispositivos HART através de HMDs (Hart Master Devices), que mapeiam o protocolo HART para o mestre PROFIBUS. -Time Stamp: possibilita datar com alta precisão eventos importantes em dispositivos de campo, tais como alarmes ou variações em entradas. Uma pré-condição é que haja sincronização dos relógios das diversas estações, possibilitada pelo protocolo PROFIBUS DP-V2. Perfis de Sistema: define o suporte a funcionalidades específicas, tais como:

6 Page 6 of 6 -comunicação cíclica -comunicação acíclica -diagnósticos e tratamento de alarmes -comunicação entre escravos (modelo publisher-subscriber) Conclusões Este artigo é o primeiro de uma série de quatro sobre as principais redes suportadas pela Organização PROFIBUS. Os próximos três artigos abordarão, respectivamente, as redes PROFIBUS DP, PROFIBUS PA e PROFInet. O objetivo deste artigo, particularmente, foi dar uma introdução conceitual a este assunto complexo. Quanto aos demais, terão um conteúdo mais prático, focado nas respectivas redes analisadas. Bibliografia *Originalmente publicado na revista Mecatrônica Atual - Nº16 - Jul/04 Extraído do Portal Mecatrônica Atual - Todos os direitos reservados -