... Estrutura da automação industrial. Protocolos de Comunicação de Dados em Redes Industriais. Supervisor. Gerência de Informação.

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1 Protocolos de Comunicação de Dados em Redes Estrutura da automação industrial Supervisor Base de Dados Gerência de Informação Rede de Comunicação de Dados Local Controlador Local 1 Condicionamento de sinais... Controlador Local n Condicionamento de sinais Sensores Atuadores Sensores Atuadores Processo Físico 1 Processo Físico n

2 Redes (I/O BUS Networks)

3 Função Básica: comunicação entre dispositivos de campo (devices) que estão conectados a um barramento, além de fornecer alimentação elétrica; Comunicação baseada em protocolos (padrões); Uso de I/O bus network scanner.para leitura/escrita dos devices (PLC scanner); Possibilidade de milhares de devices conectados.

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5 Conexão entre um PLC, uma Rede Local e uma Rede I/O Bus

6 Conexões para uma Rede I/O Bus

7 Intelligent Field Device

8 Tipos de I/O Bus Networks I/O Bus Networks podem ser divididas em duas categorias: - uma que trabalha com dispositivos de baixo nível relacionados às operações discretas em manufatura integrada; Device Bus Networks - outra que trabalha com dispositivos de alto nível presentes em processos industriais. Process Bus Networks

9 Device Bus Networks: Tipos de I/O Bus Networks Interligam dispositivos low-level (chaves, limit switches, etc) os quais transmitem dados relativos ao estado do dispositivo (ON/OFF) e seu status operacional (OK, com falha) Geralmente, processam somente poucos bits ou alguns bytes de dados A maioria dos devices nestas redes são digitais.

10 Process Bus Networks: Tipos de I/O Bus Networks Interligam dispositivos high-level (válvulas, medidores de vazão, etc.) que são normalmente utilizados em aplicações de controle de processos. Geralmente, processam grandes volumes de dados, relacionados ao processo e aos próprios devices. A maioria dos devices nestas redes são analógicos.

11 Classificação de I/O Bus Networks 1 50 bytes / tempo menos de 8 bits por dispositivo

12 Protocolos de I/O Bus Networks Allen-Bradley Honeywell

13 Vantagens do uso I/O Bus Networks Embora Device Bus Networks estejam relacionadas a dispositivos discretos e Process Bus Networks a dispositivos analógicos, ambas transmitem informações digitalmente: Diversos dispositivos conectados ao barramento; endereçamento; menor interferência eletromagnética; menor quantidade de conversões A/D e D/A; cabeamento simplificado.

14 Quilômetros de cabos dedicados Um único cabo

15 Bit-Wide Device Bus Networks Implementações ASI Actuator Sensor - Interface

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17 ASI Desenvolvida por empresas alemãs e suiças (lideradas pela Siemens) como alternativa de rede para interligar sensores e atuadores discretos; Em 1998 padronização (EN50295)

18 ASI - Características Topologia Meio Físico Estrutura em Árvore Cabo não blindado (dois condutores para dados e alimentação)

19 ASI - Características 100m Comprimento Máximo do Cabo Número de Escravos 31 máx. Número de pontos Até 4 sensores e 4 atuadores por escravo máx. 31x4 = 124 bidirecional máx. = 31x8 = 248 sinais binários

20 Endereçamento ASI - Características Cada escravo possui um endereço determinado (definido pelo mestre ou interface de programação Mensagens Partem do Mestre para um endereço único, com resposta imediata do escravo

21 bit rate ASI - Características transmissão de 4bit/escravo/mensagem. Todos os escravos são chamados seqüencialmente pelo mestre e recebem 4bits de dados. Cada escravo responde imediatamente com 4bits de dados tempo de ciclo (com 31 escravos) 5ms

22 Detecção de Erros Pós-Graduação Lato Sensu - Automação Industrial Serviços do Mestre ASI - Características Mensagens incorretas são identificadas e retransmitidas Inicialização da Rede Identificação dos escravos Definição assíncrona dos parâmetros para os escravos Diagnóstico do barramento e dos escravos Mensagens de erro para o host Definição de endereços em escravos substituídos

23 ASI - Características Operação do Mestre Realiza pooling cíclico de todos os participantes Realiza a transmissão cíclica de dados para o host ou para os escravos

24 ASI Faixa de Aplicação ASI Profibus DP Seriplex Profibus FMS Bit Controle Negócio Interbus CAN ControlNet DeviceNet SDS ATM Ethernet WorldFIP LonWorks Hart Profibus PA IEC/SP50 H1 IEC/SP50 H2 Controle Discreto Aplicações Controle de Processos

25 ASI Nova norma (2.1) Novas funcionalidades - Ampliação do número de escravos para 62 - Capacidade máxima do barramento: I/O (tempo de ciclo de 5ms para 10ms) - Número de profiles de escravos apliado de 15 para 225 com adição de novos ID codes - Melhor tratamento de sinais analógicos.

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27 Uso de variáveis analógicas: ASI Cada Escravo pode enviar apenas 4bits por ciclo Palavras maiores devem ser divididas e enviadas em diversos ciclos, até que a mensagem completa tenha sido enviada Valor analógico de 16 bits 7 ciclos Valor analógico de 12 bits 6 ciclos

28 ASI Uso de variáveis analógicas: Embora a leitura de uma variável analógica dure 30ms/35ms (6 ou 7 ciclos) todas as variáveis discretas continuam sendo lidas com ciclos de 5ms

29 ASI - Determinísmo Rede Determinística: - apenas um mestre - acesso por pooling cíclico Cada dispositivo é endereçado em um tempo definido tempo de ciclo de 5ms (para 31 escravos)

30 ASI Acesso Camada Física Modulação por pulsos alternados Codificação em banda base Taxa bruta de transferência de dados na rede: 167Kbps Taxa líquida: 53.3Kbps Eficiência de 32%

31 ASI - Mensagens Ciclo de Barramento formado por 4 fases: - Pedido do Mestre - Pausa do Mestre - Resposta do Escravo - Pausa do Escravo

32 ASI - Mensagens

33 ASI - Mensagens Formato do Frame: ST: Start Bit SB: Control Bit 0: dado ou parâmetro 1: comando A4..A0: Endereço do Escravo (5bits) I4..I0: Informação a ser transm. (5bits) PB: Bit paridade EB: Bit final 1bit: 6us

34 Data Exchange: ASI - Mensagens Tipo mais comum de mensagem. Transfere um padrão de bits para um escravo e no mesmo comando lê sua resposta 0 = Dado/parâmetro Dado a ser enviado à saída do escravo

35 ASI - Mensagens Write Parameter: Escreve uma palavra de configuração do comportamento do escravo 0 = Dado/parâmetro Palavra de configuração do escravo

36 ASI - Mensagens Definição do Endereço de um Nó São necessários dois comandos: Delete_Operating_Address apaga o endereço do Nó Assign_Address - atribui o novo endereço O nó deve possuir o endereço 0 para poder receber um novo endereço

37 ASI - Mensagens Delete_Operating_Address: Apaga o endereço de um nó 1 = Comando Endereço do nó Zera o Endereço do nó

38 ASI - Mensagens Address Assign: Atribui novo endereço a um nó 0 = Dado/Parâmetro Endereço velho Endereço Novo

39 Configuração de I/O: ASI - Mensagens A mensagem Read I/O Configuration é utilizada para ler a configuração de I/O de um dispositivo, segundo os padrões abaixo:

40 Read I/O Configuration: ASI - Mensagens Lê configuração de I/O de um nó Endereço do nó 1 = Comando

41 Read ID Code: ASI - Mensagens Lê código do dispositivo (parâmetro definido durante a fabricação do componente, o qual não pode ser mudado; define o perfil do dispositivo) Endereço do nó 1 = Comando

42 Read Status: Lê bits de status do dispositivo ASI - Mensagens

43 Read Status: Lê bits de status do dispositivo ASI - Mensagens Endereço do nó Comando

44 ASI Módulo de 4 canais

45 ASI Equipamento Mínimo

46 ASI Estrutura da Rede

47 ASI

48 ASI

49 ASI

50 Byte-Wide Device Bus Networks Implementações: CANbus

51 Byte-Wide Device Bus Networks CANBus Rede de Barramento baseado na tecnologia dos Chips CAN, amplamente utilizados em automóveis para controle; Sistema open protocol, com mensagens de tamanho variável (até 8 bytes), com arbitragem não destrutiva e gerenciamento de erros;

52 Byte-Wide Device Bus Networks CANBus Barramento a 5 fios (2 para alimentação, dois para sinal e um terra); Comunicação master-slave ou peer-topeer;

53 Byte-Wide Device Bus Networks CANBus

54 Byte-Wide Device Bus Networks CANBus DeviceNet Suporta até 64 Nós e até 2048 devices I/O;

55 Byte-Wide Device Bus Networks CANBus DeviceNet

56 Byte-Wide Device Bus Networks CANBus SDS (Smart Distributed System) Suporta até 64 Nós com possibilidade de expansão para 126 pontos endereçáveis, com o uso de interfaces multiport I/O

57 Byte-Wide Device Bus Networks CANBus SDS

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89 Process Bus Networks FieldBus Profibus Embora trabalhem com taxas de 1 ou 2Mbps, seu tempo de resposta é considerado lento em função da grande quantidade de informação transmitida; Esta velocidade é apropriada para aplicações de processo, já que processos analógicos não respondem instantaneamente, como no controle discreto.

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91 Process Bus Networks FieldBus (Fieldbus Foundation) Sistema de comunicação digital, serial, multiport, two-way, que conecta equipamentos (sensores inteligentes, atuadores, etc.) com controladores (PLC s, etc.). Utiliza um par de fios; compatibilidade com diversos equipamentos.

92 Process Bus Networks FieldBus (Fieldbus Foundation) Baseado em três camadas do modelo OSI (1 física, 2 enlace e 7 aplicação) referenciadas como communication stack; Adição de uma camada acima da camada de aplicação, denominada camada de usuário.

93 Process Bus Networks FieldBus (Fieldbus Foundation)

94 Process Bus Networks FieldBus (Fieldbus Foundation) Camada Física Padrões ISA SP50 e IEC (especificam o tipo de fio, velocidades, quantidade de devices, etc.); Duas velocidades: (H1) low speed: Kbps (H2) high speed: 1 ou 2.5 Mbps

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96 Process Bus Networks FieldBus (Fieldbus Foundation) Camadas 2 e 7 (Communication Stack): Link Active Scheduler controlador de bus determinístico centralizado (ESCALONADOR), baseado nos padrões IEC e ISA (camada 2); Fieldbus messaging specification (FMS) codifica e decodifica comandos da camada do usuário; Uso de dois tipos de transmissão de mensagens: cíclica e acíclica;

97 Pós-Graduação Lato Sensu - Automação Industrial Protocolos de Comunicação de Dados em Redes Process Bus Networks FieldBus (Fieldbus Foundation) Camadas 2 e 7 (Communication Stack): Transmissão de mensagens cíclicas: ocorre em tempos regulares, programados. O device master monitora a ocupação da rede e então delibera aos devices slave permissões para enviar mensagens pela rede em instantes específicos de tempo; Outros devices podem escutar e receber estas mensagens.

98 Process Bus Networks FieldBus (Fieldbus Foundation) Camadas 2 e 7 (Communication Stack): Transmissão de mensagens acíclicas: ocorre entre as mensagens cíclicas, quando um device master envia uma mensagem de informação para um device slave; Envolvem, tipicamente, sinais de alarme ou comandos especiais para obtenção de informações de diagnóstico dos devices.

99 Process Bus Networks FieldBus (Fieldbus Foundation) Camada 8 (User Layer): Implementa a estratégia de controle distribuído Fieldbus, o qual contém três elementos chave: Blocos de Funções, Serviços de Descrição de Devices e Gerenciamento; Define o modelo de software para a interação do usuário com a rede.

100 Process Bus Networks FieldBus (Fieldbus Foundation) Camada 8 (User Layer) Function Blocks: Funções que permitem operações de entrada/saída, tais como: -entradas/saídas analógicas, - Controle PID; - entrada/saída discreta; - ajuste de ganho/bias, etc.

101 Process Bus Networks FieldBus (Fieldbus Foundation) Camada 8 (User Layer) Function Blocks: Permitem a programação de devices com blocos contendo instruções disponíveis no sistema; Através destes blocos, o usuário pode configurar os algoritmos de controle e implementá-los diretamente através dos devices; Os devices podem, então, executar rotinas de software.

102 Process Bus Networks - FieldBus (Fieldbus Foundation) Exemplo: Loop de controle Function Block Lê informações analógicas do processo, executa um PID function Block e gera saída analógica de controle para uma válvula inteligente.

103 Function Block Esta configuração implementa um loop independente, auto-regulável, o qual obtém seus dados de entrada do medidor de fluxo; As informações relativas aos parâmetros de fluxo necessários são enviadas pelo Controlador Host à válvula inteligente, de tal forma que ela possa executar corretamente seus próprios function blocks;

104 Function Block Os function blocks permitem que os devices sejam representados na rede como uma coleção de blocos de instruções de software, ao invés de simples instrumentos.

105 Process Bus Networks FieldBus (Fieldbus Foundation) Camada 8 (User Layer) Device Description Services: Device Descriptions (DD) são mecanismos de software que permitem a um host obter mensagens de informações, tais como nome do fabricante, function blocks disponíveis, além de características de diagnóstico dos devices; Podem ser interpretados como drivers dos devices conectados à rede.

106 Process Bus Networks FieldBus (Fieldbus Foundation) Camada 8 (User Layer) Device Description Services: O host da rede usa os serviços device description (DDS) para ler as informações necessárias de cada device; Todos os devices conectados a uma rede Fieldbus devem ter um device description; Quando um novo device é inserido na rede, o host deve ser alimentado com seu descritor.

107 Process Bus Networks FieldBus (Fieldbus Foundation) Camada 8 (User Layer) Device Description Services: Device descriptions eliminam a necessidade de revisar o software do sistema global de controle quando são realizadas revisões nos devices existentes ou quando novos devices são acrescentados ao sistema de controle do processo.

108 Process Bus Networks FieldBus (Fieldbus Foundation) Camada 8 (User Layer) Gerenciamento: A porção da camada de usuário relacionada ao gerenciamento controla a execução de function blocks em intervalos definidos de tempo; Controla a comunicação de todos os parâmetros Fieldbus usados pelos functions blocks; Automaticamente designa endereços aos devices.

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110 Rede FF acesso ao instrumento e não até o último elemento inteligente (PLC ou outro dispositivo)

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113 Arquitetura

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116 Camada de aplicaçã ção o e blocos A camada de aplicaçã ção o utiliza o conceito de blocos para realizar todas suas funçõ ções. Existem três s tipos de blocos básicos: b blocos de recursos e blocos de transdutores, utilizados para configurar os dispositivos blocos de funçã ção, utilizados para construir a estratégia de controle.

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124 Blocos avançados (especificação FF-892)

125 Blocos múltiplos ou multiple I/O (Especificação FF-893):

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