Uma Comparação entre as Tecnologias CAN e Interbus

Uma Comparação entre as Tecnologias CAN e Interbus João Paulo de Araújo Bezerra José Sávio Alves de Souza Segundo Paulo Roberto da Motta Pires Departamento de Engenharia de Computação e Automação Universidade Federal do Rio Grande do Norte Natal, RN, Brasil {jpaulo,savio,proberto}@engcomp.ufrn.br Resumo Existe disponível um grande número de tecnologias em redes para automação industrial. A escolha de qual adotar demanda um estudo comparativo entre os diversos tipos, levando em conta aspectos que se estendem do custo de instalação ao desempenho em situações críticas. O presente artigo exibe uma comparação entre duas tecnologias de grande utilização em ambientes industriais, a saber, Controller Area Network (CAN) e Interbus. Palavras chave: Redes para Automação Industrial, CAN, Interbus Abstract There is a large number of industrial networking technologies available. The choice of which to adopt is based on comparative analysis among the several types, considering aspects ranging from installation costs to critical performance. This paper is concerned with a comparison between two technologies vastly used in industrial environment, namely, Controller Area Network (CAN) and Interbus. Keywords: Industrial Networks, CAN, Interbus 1 Introdução O grande número de dispositivos de integram sistemas de automação industrial sugere uma alta complexidade para interconexão. De fato, a comunicação através de linhas dedicadas implica em grandes esforços para configuração, instalação, inicialização e manutenção desses sistemas. Assim, muitas soluções eficientes para comunicação de dispositivos em ambientes industriais têm sido sugeridas e oferecidas comercialmente. O presente artigo volta-se a comparar brevemente duas tecnologias lançadas ao mercado em uma mesma época, Controller Area Network (CAN) e Interbus. A seção 2 traz um breve histórico e uma descrição geral das duas tecnologias. A seção 3 enquadra as duas tecnologias no modelo de camadas OSI. A seção 4 compara a CAN e a Interbus quanto ao tipo de aplicação para a qual foram desenvolvidas. A seção 5 compara as duas redes em suas características físicas. A seção 6 mostra as principais diferenças nos mecanismos de comunicação implementados pelas redes. A performance temporal das duas tecnologias é apresentada na seção 7. A seção 8 encerra este artigo, expondo as conclusões tomadas da pesquisa. 1

Uma Comparação entre as Tecnologias CAN e Interbus 2 2 Visão Geral Os padrões CAN e Interbus surgiram em uma mesma época, porém em contextos bastante diferentes, considerando requisitos de operação diversos. As subseções abaixo expõem em linhas gerais as origens de cada uma das tecnologias, suas principais características e as exigências a que atendem. %! "$# 2.1 CAN Entre 1983 e 1985, a Bosch, em colaboração com a Intel, desenvolveu a Controller Area Network, CAN, para interconexão de componentes de controle em automóveis (luzes de freio, airbags, sensores, vidro elétrico, travas das portas, etc.). A grande vantagem dessa nova tecnologia residia na substituição de toda a pesada fiação usada em automóveis por um cabo simples. Na época, diante de falhas referentes a fiação, fabricantes frequentemente encontravam como solução mais barata o reprojeto de todo o automóvel. Os custos adicionais provenientes de dispositivos com capacidade de interconexão foi, de longe, compensado pela economia em horas de trabalho, [4]. A tecnologia foi lançada ao mercado em 1987, assumindo o posto de único padrão aberto de comunicações para automação de veículos. Suas características logo a estenderam a aplicações industriais. Atualmente, a tecnologia é encontrada em maquinário agrícola, instrumentação médica, controle de elevadores e sistemas de controle industrial, etc. Uma das principais características da tecnologia CAN consiste na sua alta confiabilidade. De fato, em um automóvel, erros de transmissão podem comprometer gravemente a segurança dos passageiros. As taxas de erros em transmissões em redes CAN, portanto, se apresentam muito reduzidas, [5]. A difusão da tecnologia faz dos chips que a implementam muito baratos. Os principais fabricantes de processadores (Philips, Intel, Motorola, National Semiconductors, por exemplo) disponibilizam chips CAN. A Allen-Bradley elegeu a tecnologia CAN para suporte a suas redes de campo, a chamada DeviceNet. Um exemplo de uma rede CAN é mostrado na Figura 1. A migração dessa tecnologia para um ambiente industrial implicaria, na figura, apenas na mudança dos tipos de nodos interligados. Figura 1: Exemplo de um segmento de rede CAN. A idéia básica do protocolo CAN consiste em se substituir ligações ponto-a-ponto entre dispositivos por um único canal lógico de comunicação, comandado por múltiplos mestres. Assim, uma mensagem transmitida é recebida por todos os dispositivos ligados a rede, devendo ser aceita ou descartada, conforme as necessidades da cada recebedor. Entretanto, essa forma de comunicação revela problemas de colisão, uma vez que vários dispositivos têm permissão para transmitir simultâneamente. A elegante solução encontrada pela CAN baseia-se na estratégia de bits dominantes e recessivos. Os primeiros prevalecem quando em uma colisão. No início de cada mensagem é transmitido um identificador. Deste modo, um dispositivo pode reconhecer uma colisão quando transmite um bit recessivo e o barramento contém um dominante. Nesta situação, pára imediatamente de enviar. Percebe-se, assim, que em uma rede CAN menores valores nos identificadores representam maiores prioridades. Há duas versões em uso da tecnologia, a versão V2.0A, conhecida como CAN padrão, e a versão V2.0B, chamada CAN extendida. A diferença entre as duas versões se dá pelo tamanho do campo identificador enviado nas mensagens, fixado em 11 e 29 bits, respectivamente. 2.2 Interbus A tecnologia Interbus foi desenvolvida no ano de 1984 pela Phoenix Contact, e apresentada ao público na Feira de Hannover, em 1987, como um protocolo proprietário, trazendo a inovação de um barramento simples em oposição ao cabeamento paralelo para comunicação entre sensores e atuadores, difundido na época. Em 1990, a Phoenix

Uma Comparação entre as Tecnologias CAN e Interbus 3 Contact optou por abrir as especificações da tecnologia, fazendo da Interbus a primeira rede de campo independente de fabricante, [2]. A normatização da Interbus tem sido realizada pela Deutsch Elektrotechnische Kommission, DKE. Em 1993, esse órgão publicou a norma DIN E 19 258, que cobre os protocolos de transmissão e serviços. Em 1995, publicaram-se as especificações para transmissão de parâmetros, DIN Report 46. A múltipla funcionalidade de tecnologia Interbus é patenteada pela sua utilização em setores diversos da indústria. Interbus se caracteriza como um rede serial de campo para transmissão de dados entre sistemas de controle e unidades de Entrada/Saída espacialmente distribuídas. A comunicação serial de dados é realizada através de um cabo único, que interliga o mestre aos demais módulos pendurados no sistema (escravos). O sistema Interbus baseia-se no paradigma de Mestre-Escravo, e revela uma topologia em anel de dados. O mestre do barramento é a entidade central para o controle do anel. Esse dispositivo exerce também a função de interface com os níveis superiores, caso a rede faça parte de uma hierarquia. Apenas um mestre é admitido em um rede Interbus. Barramento Remoto Terminais de barramento Mestre Interbus mensagens de erro, com hierarquias superiores da rede. Barramentos remotos: Conectam o mestre a dispositivos remotos do sistema. Terminais de barramento: Estes dispositivos servem para segmentação da rede, tornandoa melhor gerenciável. A partir desses terminais, pode-se ramificar o barramento Interbus. Barramentos locais: Trata-se das ramificações penduradas nos terminais de barramento. Não admitem outras ramificações. Loops: Sensores e atuadores são ligados através de loops Interbus. O cabo que os conecta, além de conduzir informações, atua como fio de alimentação dos dispositivos. O protocolo Interbus retira vantagens da estrutura física da rede, possibilitando transmissões de dados de processos em modo full-duplex. Utiliza uma técnica de Time Division Multiple Access (TDMA), totalmente livre de colisões. O protocolo adequa-se tanto a transmissões de dados de processo críticos quanto a passagem de parâmetros não críticos. Todos os dados de processos têm sua transmissão completada em um ciclo de barramento. De outra forma, dados referentes a parâmetros podem ocupar múltiplos ciclos. Loop Dispositivos Locais Figura 2: Topologia geral de um sistema Interbus. Uma rede Interbus típica compõe-se de segmentos locais e remotos, conforme mostrado na Figura 2. Os principais componentes de uma rede Interbus são, [6]: Placa controladora (Mestre): Exerce a função de monitoramento da transmissão de dados. A placa controladora exibe através de um display mensagens de diagnóstico acerca da operação da rede e comunica-se, transmitindo 3 Contexto do Modelo OSI A CAN consiste em um padrão ISO, normalizado para as primeiras duas camadas do modelo OSI, a camada física e a camada de enlace. Para camada de aplicação existem várias implementações, entre elas a DeviceNet (Allen-Bradley), a SDS (Honeywell), a CANopen (CAN In Automation) e CAN Kingdom (CAN Kingdom International). Os chips CAN disponíveis comercialmente implementam as duas camadas inferiores do modelo OSI, havendo ainda a necessidade de se ligar a um transceiver externo. A Figura 3 localiza a tecnologia CAN na estrutura de camadas OSI. Ao lado de cada camada, indica-se o padrão ISO correspondente.

Uma Comparação entre as Tecnologias CAN e Interbus 4 Modelo OSI Aplicação Enlace Física Padrão CAN Não Padronizada ISO 11519 1 ISO 11519 2 ISO 11898 Camada Física: Dependente do segmento particular da rede. Segmentos remotos podem usar RS-485 ou fibra óptica, possibilitando a cobertura de maiores distâncias. Redes locais lançam mão de comunicação via sinais em nível CMOS, restringindo-se a curtas distâncias portanto. Camada de Enlace: Como exposto anteriormente, a estrutura de um sistema Interbus se reduz a um anel dotado de um mestre e vários escravos. Dois ciclos de barramento são realizados pela camada de enlace. O primeiro deles, executado apenas uma vez, na inicialização da rede, consiste no ciclo de identificação. O outro, relativo a operação normal da rede, denomina-se ciclo de dados. Figura 3: Tecnologia CAN sob o espectro do modelo OSI. A implementação do protocolo Interbus referese também as mesmas camadas do modelo OSI/ISO abordadas pela tecnologia CAN, como apresentado na Figura 4. A camada de Enlace Interbus atua na transmissão de dados de processos. A transmissão de parâmetros é viabilizada na camada de aplicação pela implementação Peripherals Communication Protocol (PCP), que se fundamenta na camada Peripherals Message Specification (PMS). Implementação Básica Implementação PCP Camada PMS: Camada que suporta ao protocolo PCP, baseado em conexão, orientado a objetos, de caráter cliente/servidor e peerto-peer. 4 Aplicação Original A tecnologia CAN tem como foco inicial a comunicação de dispositivos de controle em automóveis. A meta em seu desenvolvimento residiu na redução do cabeamento utilizado, [1]. As redes Interbus caracterizam-se como um barramento de sensores e atuadores para comunicação em alta velocidade em ambientes industriais, [3]. 7 PMS 5 Características Físicas 1 Modelo OSI 2 Enlace Física Interbus Figura 4: Estrutura do Protocolo Interbus. Uma sucinta descrição de cada camada Interbus é dada a seguir. As tecnologias Interbus e CAN apresentam grandes diferenças relativas a suas características físicas. A topologia física de um rede Interbus consiste de um simples barramento dividido em segmentos na junção dos quais ramificações podem ser adicionadas. Uma rede CAN pode exibir um barramento central com ramificações em sua extensão. As redes CANopen apresentam como meios físicos principais o cabo coaxial e a fibra óptica. Por sua vez, a tecnologia Interbus emprega, além desses tipos de cabos (padrão RS-485), transmissão por ondas no infravermelho e o slip-ring. Uma característica essencial em uma rede figura como o número máximo de nodos que se pode interconectar. Nesse critério, a tecnologia Interbus exibe uma larga vantagem sobre as redes CAN. Uma rede Interbus pode envolver até 256 nodos. A CAN acolhe apenas um máximo de 127 dispositivos.

Uma Comparação entre as Tecnologias CAN e Interbus 5 Um último aspecto a ser tratado é o alcance geográfico da rede. Uma rede Interbus pode extenderse por até um total de 12,8 quilômetros. Nessa tecnologia, recomenda-se um máximo de 400 metros por segmento de rede. Muito diferentemente, as redes CAN abrangem raios máximos de 25 a 1000 metros, de acordo com a taxa de sinalização (baudrate) praticada. Isso porque o barramento deve apresentar o mesmo bit a todos os dispositivos, de forma a manter a consistência do mecanismo de arbitragem. 6 Comunicação de Dados O método de comunicação apresentado pela tecnologia Interbus consiste no esquema de mestre/escravo, no qual se realizam transferências de quadros completos. As redes CAN podem, doutro modo, configurar-se como sistemas mestre/escravo, peer-to-peer, multi-cast ou multi-mestres. Um aspecto interessante a se comparar reside nos métodos de arbitragem praticados por ambas as redes. A Interbus, utilizando TDMA, abole a possibilidade de colisões. Assim, nenhum tipo explícito de arbitragem é realizado em uma rede Interbus. A transmissão em uma rede CAN, diferentemente, baseia-se na técnica de Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) com arbitragem bit-a-bit não destrutiva. Ou seja, o transmissor escuta o barramento e, caso detecte um bit diferente do que enviou, instantaneamente suspende a transmissão. Em uma mensagem transmitida sobre uma rede CAN, dados podem ocupar um máximo de 8 bytes. As redes Interbus oferecem tamanhos maiores, sendo possível a transmissão de dados com até 64 bytes e parâmetros com 256 bytes. Com relação as velocidades de transmissão alcançadas, a Interbus opera em 500 Kbits por segundo em modo full-duplex. Com a tecnologia CAN essas taxas variam. Velocidades de 10, 20, 50, 125, 250, 500, 800 e 1000 Kbps podem ser usadas. Em ambas as tecnologias a checagem de erros se baseia na avaliação de um campo de CRC nas mensagens. Os quadros transmitidos na Interbus apresentam 16 bits destinados a essa função. Na CAN, 15 bits têm esse papel. Quanto a diagnósticos de operação, a Interbus pode fornecer o segmento onde um erro de CRC seja detectado ou haja um rompimento do cabo. Na tecnologia CAN, o diagnóstico baseia-se fundamentalmente em mensagens de controle de erros e emergência. 6.1 Quadros e Mecanismos de Transmissão O quadro transmitido por um dispositivo conectado a uma rede CAN é mostrado na Figura 5. Após o envio de um bit de início de quadro (SOF), um identificador é transmitido. Esse campo é utilizado para arbitragem do barramento, determinando conforme elucidado anteriormente, se a mensagem tem ou não prioridade para continuar sua transmissão. O bit RTR informa se a mensagem é uma requisição remota ou carrega dados. O bit IDE indica a versão usada (básico ou extendido). O bit r0 é reservado para uso futuro. 11 bits SOF RTR r0 IDE Identificador DLC DADOS 0 a 8 bytes Figura 5: Quadro CAN. ACK CRC EOF O campo de dados, composto por um máximo de 8 bytes, contribui para que se mantenha um quadro pequeno, o que se revela muito adequado a transmissões entre dispositivos industriais. Há ainda os campos de CRC, para checagem de erros, e ACK, que é preenchido por um bit dominante pelos recebedores da mensagem caso ela tenha chegado corretamente. A tecnologia Interbus, por sua vez, emprega o método de Summation Frames, que utiliza um único quadro do protocolo para transmissão de dados de todos os dispositivos pendurados no barramento. Essa solução provê sistemas conectados via Interbus com intervalos de amostragem previsíveis e constantes, adequados a operação em tempo real. Na prática, pode-se descrever este mecanismo de comunicação como um registrador de deslocamentos, do qual cada célula corresponde a um dispositivo. Esse registrador, a cada pulso de clock, desloca a informação de um dispositivo a outro.

Uma Comparação entre as Tecnologias CAN e Interbus 6 loopback frame controle FCS Estação Estação Estação Estação Estação 1 2 3 4 5 Figura 6: Quadro Interbus. O summation frame é composto por uma palavra de loopback, dados gerados por cada dispositivo (estações), um campo de checagem de erros, e outro para controle. A Figura 6 apresenta um quadro Interbus. 7 Desempenho Esta seção compara as duas tecnologias em diferentes situações de operação. Em uma estrutura que envolva 16 nodos com 16 entradas/saídas digitais, o intervalo relativo a um ciclo na rede Interbus é de 1,8 milissegundos. Para a rede CAN esse intervalo se mostra menor que 1 milissegundo. Caso se disponham em rede 16 nodos como 8 entradas/saídas analógicas cada, o ciclo para a tecnologia Interbus é de 7,4 milissegundos. A rede CAN tem esse tempo é reduzido para 5 milissegundos se realizado polling a uma taxa de 1 Mbps. Em uma terceira situação, considera-se uma transferência de um bloco com 128 bytes. A Interbus finaliza a ação em 140 milissegundos. A rede CAN demora menos que 2,5 milissegundos para completar a transferência. 8 Conclusões Entre CAN e Interbus não se pode afirmar a mais eficiente. Muito embora a primeira tecnologia atue com muito maior sucesso na interconexão de componentes de um automóvel, a segunda tem sido intensamente utilizada no ambiente industrial automobilístico (Volkswagen do Brasil, por exemplo). A comparação entre duas tecnologias de redes industriais, desta forma, deve considerar não apenas aspectos técnicos e econômicos relativos as opções disponíveis. A aplicação a que se destina a rede deve nortear qualquer comparação. Em linhas gerais, observa-se que CAN e Interbus são produtos de uma mesma estratégia, utilizada em contextos diferentes. As tecnologias abordam os mesmos aspectos (meio físico, enlace lógico, aplicação, etc.), concentradas, entretanto, em atender a requisistos particulares, de onde emergem suas diferenças. Referências [1] CAN in Automation. www.can-cia.org [2] INTERBUS club. www.interbusclub.com [3] Ricardo Aldabó Lopez. Sistemas de Rede para Controle e Automação. Book Express Ltda. 2000. [4] M. Farsi, K. Ratcliff and M. Barbosa. An Overview of Controller Area Network. IEEE Computing & Control Engineering Journal. Junho 1999. [5] Bruce Negley. Getting Control Through CAN. Sensors Magazine. www.sensorsmag.com [6] Interbus Club. Interbus Basics. 2001. www. interbusclub.com