REDES INDUSTRIAIS
SEMANA 13-2 – PROTOCOLOS
INDUSTRIAIS E PREDIAIS E
APLICATIVOS DE SUPERVISÃO
05/11/2015
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Profibus DP
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
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


O PROFIBUS DP é a solução de alta velocidade
(high-speed) do PROFIBUS.
Voltado para sistemas de controle, onde se destaca
o acesso aos dispositivos de I/O distribuídos.
É utilizada em substituição aos sistemas
convencionais 4 a 20 mA, HART ou em transmissão
com 24 Volts.
Utiliza-se do meio físico RS-485 ou fibra ótica.
Requer menos de 2 ms para a transmissão de 1
kbyte de entrada e saída e é amplamente utilizada
em controles com tempo crítico.
Atualmente, 90% das aplicações envolvendo
escravos Profibus utilizam-se do PROFIBUS DP.
Essa variante está disponível em três versões: DPV0 (1993), DP-V1 (1997) e DP-V2 (2002).
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Versões do Profibus DP
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PROFIBUS-FMS

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
É a solução de padrão de comunicação
universal que pode ser usada para resolver
tarefas complexas de comunicação entre
CLPs e DCSs.
Suporta a comunicação entre sistemas de
automação, assim como a troca de dados
entre equipamentos inteligentes, e é
geralmente utilizada em nível de controle.
Recentemente, pelo fato de ter como função
primária a comunicação mestre-mestre (peerto-peer), vem sendo substituída por
aplicações em Ethernet.
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PROFIBUS-PA


É a solução PROFIBUS que atende os
requisitos da automação de processos, onde
se tem a conexão de sistemas de automação
e sistemas de controle de processo com
equipamentos de campo, tais como:
transmissores de pressão, temperatura,
conversores, posicionadores, etc.
Pode ser usado em substituição ao padrão 4
a 20 mA.
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PROFIBUS-PA
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




Oferece perfil original da aplicação para a automação do processo
e interoperabilidade dos equipamentos de campo dos diferentes
fabricantes.
Adição e remoção de estações de barramentos mesmo em áreas
intrinsecamente seguras sem influência para outras estações.
Uma comunicação transparente através dos acopladores do
segmento entre o barramento de automação do processo
PROFIBUS PA e do barramento de automação industrial
PROFIBUS-DP.
Alimentação e transmissão de dados sobre o mesmo par de fios
baseado na tecnologia IEC 61158-2.
Uso em áreas potencialmente explosivas com blindagem
explosiva tipo “intrinsecamente segura” ou “sem segurança
intrínseca”.
Benefícios econômicos:



Instalações com redução de até 40% em alguns casos em relação aos
sistemas convencionais
Custos de manutenção com redução de até 25% em alguns casos em
relação aos sistemas convencionais
Menor tempo de startup, oferece um aumento significativo em
funcionalidade e segurança.
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Profibus DP e PA


A conexão dos transmissores, conversores e
posicionadores em uma rede PROFIBUS DP
é feita por um coupler DP/PA.
O par trançado a dois fios é utilizado na
alimentação e na comunicação de dados
para cada equipamento, facilitando a
instalação e resultando em baixo custo de
hardware, menor tempo para iniciação,
manutenção livre de problemas, baixo custo
do software de engenharia e alta confiança
na operação.
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Arquitetura de comunicação do Protocolo PROFIBUS: Todas as
variantes do PROFIBUS são baseadas no modelo de comunicação de
redes OSI em concordância com o padrão internacional ISSO 7498.
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PROFUBUS DP e PA





O protocolo de comunicação PROFIBUS PA usa o
mesmo protocolo de comunicação PROFIBUS DP.
Isto porque os serviços de comunicação e
mensagens são idênticos.
De fato, o PROFIBUS PA = PROFIBUS DP protocolo de comunicação + Serviços Acíclico
Estendido + IEC61158 que é a Camada Física,
também conhecida como H1.
Permite uma integração uniforme e completa entre
todos os níveis da automação e as plantas das áreas
de controle de processo.
Isto significa que a integração de todas as áreas da
planta pode ser realizada com um protocolo de
comunicação que usa variações diferentes.
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IEC 61158-2 e o Modelo
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Perfil de comunicação PROFIBUS – Communication Profile:define como
os dados serão transmitidos serialmente através do meio de comunicação.



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O DP é o perfil mais utilizado.
Otimizado para alta velocidade
e conexão de baixo custo, foi
projetado especialmente para a
comunicação entre sistemas de
controle de automação e seus
respectivos I/O’s distribuídos
em nível de dispositivo.
O PROFIBUS-DP pode ser
usado para substituir a
transmissão de sinal
em 24 V em sistemas de
automação de manufatura
assim como para a transmissão
de sinais de 4 a 20 mA ou
HART em sistemas de
automação de processo.
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Perfil Físico
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RS 485: O MEIO FÍSICO MAIS APLICADO DO
PROFIBUS, FIBRA ÓPTICA USADA EM CASO DE
LONGAS DISTÂNCIAS (MAIOR QUE 80 KM)








Transmissão Assíncrona NRZ.
Baud rates de 9.6 kBit/s a 12 Mbit/s, selecionável.
Par trançado com blindagem.
32 estações por segmento s/repetidor, máx. 126
estações c/repetidor.
Distância dependente da taxa de transmissão
12 MBit/s = 100 m; 1.5 MBit/s = 400m; < 187.5 kBit/s
= 1000 m.
Distância expansível até 10Km com o uso de
repetidores.
9 PIN, D-Sub conector.
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PROFIBUS DP
ARQUITETURA
• MÁXIMO DE 32 DISPOSITIVOS POR S/ REPETIDOR
. MÁXIMO DE 126 DISPOSITIVOS C/ REPETIDOR
17
PROFIBUS DP
ARQUITETURA
•MÁXIMO DE 32 DISPOSITIVOS POR S/ REPETIDOR
MÁXIMO DE 126 DISPOSITIVOS C/ REPETIDOR
Taxa de
transmissão
[Kbits/s]
Distância por
segmento
9.6; 19.2; 45.45;
93.75
1200
187.5
1000
500
400
1500
200
3000; 6000; 12000
100
Os valores referentes ao cabo do tipo A
tem as seguintes propriedades:
Impedância  135 a 165W
Capacitância < 30 pf/m
Resistência de loop < 110W/Km
Diâmetro do fio > 0,64 mm
Secção do cordão de guia > 0,34 mm2
19
PROFIBUS DP CABO E CONECÇÕES
•CABO, ATERRAMENTO E TERMINAÇÃO
PROFIBUS DP CABO E CONECÇÕES
•CONECTORES MAIS COMUNS
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Detalhe do Conector Típico 9 – Pin Sub D
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Detalhe da Preparação do Cabo Profibus
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Conexão de Conectores e Indutores na Rede
Profibus DP
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Repetidores, Terminadores e Link Ópticos
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PROFIBUS DP COMUNICAÇÃO NO BARRAMENTO
•COMUNICAÇÃO CÍCLICA E ACICLICA NO DP-V1
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Para casos com mais de 32 estações ou para redes densas,
devem ser utilizados repetidores. O comprimento máximo do
cabeamento depende da velocidade de transmissão.
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TECNOLOGIA DE TRANSMISSÃO NO PROFIBUS PA


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o IEC 61158-2 e foi elaborada
no intuíto de satisfazer os
requisitos das indústrias
químicas e petroquímicas:
segurança intrínseca e
possibilidade de alimentar os
equipamentos de campo pelo
barramento.
As opções e os limites de
trabalho em áreas
potencialmente explosivas
foram definidos segundo o
modelo FISCO ( Fieldbus
Intrinsically Safe Concept).
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TRANSMISSÃO POR FIBRA ÓPTICA: A solução utilizando-se de fibra
óptica vem atender às necessidades de imunidade a ruídos, diferenças de
potenciais, longas distâncias, arquitetura em anel e redundância física e
altas velocidades de transmissão.
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Camada MAC no Profibus


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A arquitetura e a filosofia do
protocolo PROFIBUS
asseguram a cada estação
envolvida nas trocas de dados
cíclico um tempo suficiente para
a execução de sua tarefa de
comunicação dentro de um
intervalo de tempo definido.
Para isso, utiliza-se do
procedimento de passagem de
“token”, usado por estações
mestres do barramento ao
comunicar-se entre si, e o
procedimento mestre-escravo
para a comunicação com as
estações escravas.
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Comunicação Mestre-Escravo
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Serviços do PROFIBUS (nível 2)
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ELEMENTOS DA REDE PROFIBUS PA

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




Mestres (Masters): são elementos responsáveis pelo controle do
barramento. Podem ser de duas classes:
Classe 1: responsável pelas operações cíclicas (leitura/escrita) e
controle das malhas abertas e fechadas do sistema de
controle/automação (CLP).
Classe 2: responsável pelos acessos acíclicos dos parâmetros e
funções dos equipamentos PA (estação de engenharia ou estação de
operação: Simatic PDM ou CommuwinII ou Pactware).
Acopladores (Couplers): são dispositivos utilizados para traduzir as
características físicas entre o PROFIBUS DP e o PROFIBUS PA (H1:
31,25 kbits/s). E ainda:
São transparentes para os mestres (não possuem endereço físico no
barramento).
Atendem aplicações seguras (Ex) e (Non-Ex), definindo e limitando o
número máximo de equipamentos em cada segmento PA. Podem ser
alimentados até 24 Vdc, dependendo do fabricante e da área de
classificação.
Podem trabalhar com as seguintes taxas de comunicação,
dependendo do fabricante: P+F (93.75 kbits/s e SK2: até 12Mbits/s) e
Siemens (45.45 kbits/s).
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Arquitetura básica com couplers
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Link Devices




Link devices : São dispositivos utilizados como
escravos da rede PROFIBUS DP e mestres da rede
PROFIBUS PA (H1: 31,25kbits/s).
São utilizados para se conseguir altas velocidades
(de até 12Mbits/s) no barramento DP.
E ainda: Possuem endereço físico no barramento.
Permitem que sejam acoplados até 5 couplers, mas
limitam o número de equipamentos em 30 em um
barramento “Non-Ex” e 10 em barramento “Ex”. Com
isso, aumentam a capacidade de endereçamento da
rede DP.
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ENDEREÇAMENTO NA REDE PROFIBUS
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Topologia Estrela
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Topologia Barramento
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Topologia Ponto-a-Ponto
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Pontos Fortes e Fracos do Profibus





Mais veloz que o
DeviceNet
É IEC
Pode importar HART
(DP-V2)
Permite alcance maior
que o DeviceNet
Grande número de
fornecedores
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

O uso de Spur não
é usual
Alimentação externa
(pela norma)
Terminadores
alimentados (porém
tem imunidade a
ruídos)
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APLICATIVOS DE SUPERVISÃO



SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition –
Supervisão Controle e Aquisição de Dados.
O SCADA faz a coleta e transferência das
informações lógicas e analógicas sobre o estado
corrente do sistema, pela exibição desses dados na
sala de controle e pelo comando remoto de
dispositivos (automaticamente ou por iniciativa do
operador).
Controle supervisório é o processo de monitorar a
distância uma atividade.
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Atribuições de um Sistema SCADA



Controle – ação de gerar sinais de forma que a variável
controlada se comporte de acordo com o preestabelecido.
Monitoração – aquisição de dados para verificar as condições
de funcionamento do processo (sinalização de valores limites,
ocorrências de falhas, alarmes e relatórios).
Supervisão – aquisição de dados para permitir a elaboração de
uma estratégia de operação para maximizar o retorno financeiro
(maior produção, qualidade e eficiência). Necessita de uma
LAN e gateways para ligar diversos protocolos envolvidos e
seus diversos níveis.
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Controle
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Monitoração
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Supervisão: (a) gateway; (b) LAN e vários
processos
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Definições Importantes




Aplicativo – algoritmos de alto nível, conjunto de telas, recursos,
comunicações e configurações elaboradas pelo usuário
responsável pela personalização do sistema SCADA. É no
aplicativo que é definida toda a funcionalidade do sistema.
Scripts – sub-rotinas (módulos) em que se pode definir linhas
de código em linguagem de programação (Basic, VB, C).
Tags – é o nome dado as variáveis utilizadas em um sistema
SCADA.
Hardkey – dispositivo de segurança ligado à porta paralela ou
USB do microcomputador, que permite e utilização plena do
software. Os tipos de Hardkey são:



Configurador – Módulo que permite a o desenvolvimento de aplicações de
supervisão de processos.
Runtime – Módulo que permite a execução de um aplicativo de supervisão
desenvolvido com o uso do Configurador.
Master – Módulo que engloba o Configurador e o Runtime.
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Arquitetura de um Sistema SCADA
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Níveis de Arquitetura do Sistema Escada
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Arquitetura do Sistema SCADA com o
Mestre em Rede
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Arquitetura do Sistema SCADA tendo o
Servidor como Mestre
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Arquitetura utilizando CLP Mestre ligado ao
Servidor
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Porque a empresa precisa de um sistema
SCADA (SSC)?

QUALIDADE - Através do monitoramento das
variáveis do processo produtivo, (pressão,
temperatura, vazão, etc.) é possível determinar
níveis ótimos de trabalho. Caso estes níveis saiam
da faixa aceitável o SSC pode gerar um alarme na
tela, alertando o operador do processo para um
eventual problema no processo produtivo. Desta
forma, as intervenções no processo são feitas
rapidamente, garantindo que o produto final sempre
tenha as mesmas características.
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Porque a empresa precisa de um sistema
SCADA (SSC)?

REDUÇÂO DOS CUSTOS OPERACIONAIS - Imagine
um processo produtivo com inúmeros instrumentos de
medição. Quanto tempo e quantos funcionários
especializados seriam necessários para percorrer todo
o processo de produção afim de realizar a leitura de
todos os instrumentos? Quantas planilhas seriam
necessárias e qual a probabilidade de erros humanos?
Com um SSC é possível centralizar toda a leitura dos
instrumentos de campo, gerar gráficos de tendência e
gráficos históricos das variáveis do processo. São
necessários poucos funcionários especializados .
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Porque a empresa precisa de um sistema
SCADA (SSC)?

MAXIMIZAR DESEMPENHO DE
PRODUÇÃO - Através da rapidez da leitura
dos instrumentos de campo, as intervenções
necessárias podem ser feitas mais
rapidamente. Problemas de parada de
máquina por defeitos podem ser
diagnosticados mais pontualmente e os
setup´s de máquina também são agilizados.
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Porque a empresa precisa de um sistema
SCADA (SSC)?





BASE DE DADOS PARA OUTROS SISTEMAS - Os
SSC podem coletar os dados do processo produtivo e
armazená-los em banco de dados. Estes dados podem
ser utilizados para gerar informações importantes,
sendo integrados com sistemas MES, ERP, SAP e etc.
Podem também fornecer dados em tempo real, para
sistemas que realizam cálculos de OEE, sistemas SFC,
sistemas de PCP ou similares.
OEE - Overall Equipment Effectiveness
PCP – Planejamento e controle de produção
MES - Manufacturing Execution Systems
SFC - Shop floor control
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Sinóticos


Através das telas de sinóticos é que um
processo industrial pode ser monitorado.
Estas telas são “projetadas e desenhadas”
através de um desenvolvedor (conforme dito
anteriormente) e depois executadas através
do executável (run-time).
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Alarmes


Os SSC´s podem ser configurados para
gerar alarmes, ou seja, avisar ao usuário do
sistema quando uma variável ou condição do
processo de produção está fora dos valores
previstos.
Os alarmes são mostrados na tela em
formato de planilhas e/ou animações na tela.
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Alarmes e Sinóticos
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Relatórios




Atualmente, os SSC´s do mercado possuem
ferramentas para a geração de relatórios na própria
estação de trabalho. Os relatórios mais comuns que
são utilizados são:
Relatório de alarmes: Lista um histórico com os
alarmes ocorridos durante uma faixa de tempo
escolhida pelo operador do sistema.
Relatório de Acesso: Lista quais foram os usuários
que acessaram o SSC ou modificaram algum
parâmetro do processo.
Relatório de variáveis: Lista a alteração de variáveis
ao decorrer do tempo/lote/período.
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Redundância e confiabilidade




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Existem processos industriais
que não podem parar.
Desta forma alguns dos
sistemas SCADA podem ser
configurados de forma
redundante. (depende do
fabricante)
Existem inúmeros métodos de
arquitetura de redundância de
dados, variando de fabricante a
fabricante de SSCs.
O mais utilizado é comumente
chamado de hot standby.
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Aplicativos de Mercado










FIX D´MACS e IFIX da Intellution para aplicações genéricas
LAB VIEW da National Instruments para aplicações em
laboratórios.
ISIS 1000 da Merlin Gerin para sistemas elétricos.
ELIPSE SCADA da Elipse Software (Nacional) para uso
genérico sendo o ELIPSE LAB para aplicações em sistemas de
laboratório, ELIPSE POWER para sistemas elétricos.
MIDAS da YOKOGAWA
UNITEC
IN TOUCH
Cimplicity da GE Fanuc
Action View
WinCC da Siemens
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