Redes industriais
Carlos Roberto da Silva Filho, M. Eng.
Profibus
• Profibus (Process FieldBus) é um
protocolo de comunicação que provê uma
solução de propósitos gerais para
manufatura, processos e automação
predial;
• Ele efetua tarefas de comunicação do tipo
mestre-escravos e perfis de aplicações
associadas a automação;
• A rede Profibus é um conjunto de três
redes ou communication profiles no jargão
Profibus.
Profibus
• Profibus DP (Distributed Peripherals): Esta
rede é especializada na comunicação entre
sistemas de automação e periféricos
distribuídos;
• Profibus
FMS
(Fieldbus
Message
Specification): Tem uma ampla capacidade
para
comunicação
de
dispositivos
inteligentes
como:
CLPs,
DCS,
Computadores ou outros sistemas que
precisam de alta demanda de transmissão
de dados.
Profibus
• A rede FMS vem sendo substituído pela
rede Ethernet TCP/IP – no caso da
Siemens pela Profinet.
• Profibus
PA
(Process
Automation):
projetada para aplicação em processos
contínuos.
• Permite a conexão de sensores e atuadores
em um barramento único e comum, em
áreas intrinsecamente seguras.
Profibus
• A rede Profibus PA possibilita a
comunicação de dados e alimentação no
mesmo barramento, usando tecnologia a 2
fios, de acordo com o padrão internacional
IEC 1158-2.
Profibus
Profibus - aplicações
Profibus
Profibus
Características Gerais
• Profibus é uma rede multimestres.
• A especificação fieldbus distingue 2 tipos de
dispositivos:
• Dispositivo Mestre: Um mestre é capaz de
enviar
mensagens
independente
de
solicitações externas quando tiver a posse
do token.
• São também chamados de estações ativas;
Características Gerais
• Dispositivo Escravo: Não possuem direito
de acesso ao barramento e podem apenas
confirmar o recebimento de mensagens ou
responder a uma mensagem enviada por
um mestre.
• São também chamadas de estações
passivas.
• Sua implementação é mais simples e
barata que a dos mestres.
Arquitetura
• A arquitetura especifica como o protocolo
interage na rede em função do modelo de
camadas de referência OSI.
• As redes industriais implementam as
camadas 1, 2 e 7 do modelo OSI.
• A rede Ethernet Industrial implementa as
camadas 1, 2, 3, 4 e 7 do Modelo OSI.
Arquitetura
Arquitetura
• O Profibus-DP utiliza os níveis 1 e 2, e uma
interface de aplicação, que assegura
transmissão de dados rápida e eficiente.
• O DDLM (Direct Data Link Mapper) facilita o
acesso da aplicação ao nível 2.
• As aplicações disponíveis, bem como o
comportamento dos vários tipos de
dispositivos, estão especificados na interface
do usuário.
• As tecnologias de transmissão disponíveis
são RS 485 ou fibras ópticas.
Arquitetura
• Na Profibus-FMS, utilizam-se os níveis 1,2 e
7 do Modelo OSI;
• O nível de aplicação é composto de
mensagens
FMS
(Fieldbus
Message
Specification) e LLI (Lower Layer Interface).
• As mensagens FMS contem o protocolo de
aplicação, proporcionando ao usuário uma
grande seleção de serviços de comunicação.
• As mensagens LLI implementam as várias
relações de comunicação, e habilitam o
acesso independente de fornecedor ao FMS.
Arquitetura
• O nível 2 (FDL, Fieldbus Data Link)
implementa o controle de acesso à rede e a
segurança dos dados.
• Tecnologias de transmissão RS 485 ou
fibras ópticas podem ser utilizadas.
• O Profibus-DP e o FMS utilizam a mesma
tecnologia de transmissão e o mesmo
protocolo de acesso à rede.
• Ambas as versões podem ser utilizadas no
mesmo cabo ao mesmo tempo.
Arquitetura
• O Profibus-PA usa o protocolo estendido do
Profibus-DP para transmissão de dados.
• O Profibus-PA tem um formato que define o
comportamento dos dispositivos de campo;
• A tecnologia de transmissão segue a norma
IEC 1158-2, incluindo segurança intrínseca;
• Ele permite que os dispositivos de campo
sejam
alimentados
pelo
próprio
barramento;
• Os dispositivos podem ser interligados ao
barramento DP através de um acoplador;
Arquitetura
Arquitetura
Arquitetura
Arquitetura
Meio de Transmissão
• O padrão RS 485 é a tecnologia de
transmissão mais encontrada no Profibus.
• Sua aplicação inclui todas as áreas nas
quais uma alta taxa de transmissão aliada à
uma instalação simples e barata.
• Um par trançado de cobre blindado (shield)
com um único par condutor é o suficiente
neste caso.
• O uso de par trançado não requer nenhum
conhecimento ou habilidade especial.
Meio de Transmissão
• A topologia permite a adicionar e remover
estações, sem afetar outras estações.
• Ampliações
futuras,
podem
ser
implementadas sem afetar as estações já
em operação.
• Taxas de transmissão entre 9,6 kbps e 12
Mbps podem ser selecionadas, porém uma
única taxa de transmissão é selecionada
para todos os dispositivos no barramento,
quando o sistema é inicializado.
Meio de Transmissão
Meio de Transmissão
• Todos os dispositivos são ligados à uma
estrutura de tipo barramento linear.
• Até 32 estações (mestres ou escravos)
podem ser conectados à um único
segmento.
• O barramento é terminado por um
terminador ativo do barramento no início e
fim de cada segmento.
• Para garantir uma operação livre de erros,
ambas as terminações do barramento
devem estar sempre ativas.
Meio de Transmissão
Meio de Transmissão
Meio de Transmissão
• Em Geral, estes terminadores encontramse nos próprios conectores de barramento
ou nos dispositivos de campo, acessíveis
através de uma dip-switch.
• No caso em que mais que 32 estações
necessitem ser conectadas ou no caso que
a distância total entre as estações
ultrapasse um dado limite, devem ser
utilizados repetidores (repeaters) para se
interconectar diferentes segmentos do
barramento.
Meio de Transmissão
• O comprimento máximo do cabo depende
da taxa de transmissão. As especificações
de comprimento de cabo, são baseadas em
um cabo tipo-A, com o seguintes
parâmetros:
• Impedância: 135 a 165 Ohms;
• Capacitância: < 30 pF/m;
• Resistência: 110 Ohms / km;
• Medida do cabo: 0,64 mm
• Área do condutor: 0,34 mm2
Meio de Transmissão
Meio de Transmissão
• Para a conexão em locais com grau de
proteção IP20, utiliza-se conectores tipo
DB9 (9 pinos).
• Já no caso de grau de proteção IP65/67,
existem 3 alternativas para a conexão:
• Conector circular M12 (IEC 947-5-2);
• Conector
Han-Brid,
conforme
recomendação DESINA;
• Conector híbrido SIEMENS;
Conector DB9
Conector DB9
Conector
Formas de Transmissão
• Geralmente, a transmissão pode ser
realizada de forma bidirecional, de forma
alternada ou simultânea.
• Assim, a cada elemento na rede deverá
estar
associado
um
equipamento
transmissor e um receptor compondo o
conjunto transceptor;
• A transmissão de dados em um único
sentido é denominada simplex, e quando
realizada nos dois sentidos é denominada
duplex.
Formas de Transmissão
• No caso em que ela se realiza
alternadamente, ou seja, ora num sentido,
ora no outro, ela se denomina half-duplex.
• No caso em que ela se realiza
simultaneamente nos dois sentidos, esta
será denominada full-duplex.
• Televisão – simplex;
• Rádio amador – half-duplex;
• Rede – full-duplex;
Formas de Transmissão
• Os modos de transmissão caracterizam as
diferentes formas como os bits de
informação transmitidos são delimitados
e encaminhados ao longo da linha de
comunicação;
• Neste caso, podem ser transmitidos no modo
serial e paralelo;
• Na forma paralela, os bits são transportados
simultaneamente em várias linhas em
paralelo, sendo apropriado apenas à
comunicação entre equipamentos à curtas
distâncias.
Formas de Transmissão
• Na transmissão serial, mais adequada a
comunicação
entre
equipamentos
separados por grandes distâncias, os bits
são encaminhados serialmente através de
uma única linha de comunicação,
usualmente com 2 ou 4 fios.
• Pode-se considerar outros parâmetros para
a classificação dos modos de transmissão,
como, por exemplo, a forma de sincronia
entre emissor e receptor, associada à
temporização,
ou
seja,
transmissão
síncrona ou assíncrona.
Formas de Transmissão
• Na transmissão síncrona, os bits de dados
são enviados segundo uma cadência prédefinida, obedecendo a um sinal de
temporização (clock). O receptor, por sua
vez, conhecendo os intervalos de tempo
que permitem delimitar um bit, poderá
identificar a seqüência dos bits fazendo
uma amostragem do sinal recebido.
• Na transmissão assíncrona, não existe a
fixação prévia de um período de tempo de
emissão entre o transmissor e o receptor.
Formas de Transmissão
• A separação entre os bits é feita através de
um sinal especial com duração variável.
• Um caso típico de transmissão assíncrona
é a transmissão de caracteres;
• Neste caso, a cada grupo de bits
constituindo um caracter são adicionados
bits especiais para representar o start bit e
o stop bit;
• Neste tipo de comunicação, apesar da
assincronia ao nível de caracteres, ocorre
uma sincronização ao nível de bit.
Camada Física - RS 232
• A transmissão serial RS 232 é sinalizada
eletricamente através dos níveis de tensão para
representar os bits 0 e 1.
• A especificação RS 232C foi a mais utilizada e
trabalha com tensões entre – 15V e + 15V.
• A representação dos bits 0 e 1 são feitos da
seguinte forma:
• 0 corresponde à uma tensão entre +3V e +15V;
• 1 corresponde à uma tensão entre – 3V e –
15V;
• Esta forma de representação é dita bipolar;
Camada Física - RS 232
• As tensões entre + 3V e – 3V é considerado
indefinido e indica um erro de transmissão
de dados;
• Além da representação física a interface RS
232 é uma forma de comunicação halfduplex;
• A recepção do sinal é feita de forma que se
em um dado intervalo de tempo se o sinal
estiver em nível fixo, o mesmo é
interpretado como 1 ou 0;
Camada Física - RS 232
Protocolo - RS 232
• Start bit – inicialização da mensagem;
• Dados
–
representa
os
dados
transmitidos;
• Paridade – técnica verificação de erros de
transmissão;
• Stop bit – finalização de uma
transmissão;
Protocolo - RS 232
Protocolo - RS 232
Paridade no Protocolo - RS 232
Paridade no Protocolo - RS 232
Camada física – RS 485
• A camada física da RS 485 é chamada de
linhas de comunicação balanceadas;
• Os circuitos transmissores e receptores
adotados nestas interfaces utilizam como
informação a diferença entre os níveis
de tensão em cada condutor do par
trançado.
• Os códigos binários são identificados pela
polaridade (+ ou -) da diferença de
tensão entre os condutores do par;
Camada física – RS 485
• Ou seja, quando a tensão no condutor “+”
for maior que no condutor “-”, é
caracterizado um nível lógico “1”;
• Porém, quando, ao contrário, a tensão no
condutor “-” for maior que no condutor “+”,
é caracterizado um nível lógico “0”.
• Uma margem de ruído de ±0,2 V é
definida para aumentar a tolerância a
interferências.
Camada física – RS 485
• Esta técnica resulta no cancelamento de
ruídos induzidos no meio de transmissão,
pois se o mesmo ruído é induzido nos 2
condutores, a diferença de tensão entre
eles não se altera e a informação é
preservada.
• A interferência eletromagnética emitida
por um barramento de comunicação
diferencial é também menor que a emitida
por barramentos de comunicação nãodiferenciais.
Camada física – RS 485
• Os circuitos eletrônicos de transmissão e
recepção da rede podem ser danificados
se cabo apresentar um potencial muito
elevado em relação ao referencial
(comum ou terra).
• A norma EIA/TIA-485 especifica que a
máxima diferença de potencial entre os
equipamentos da rede deve estar entre –
7V e + 12V, conhecida como tensão de
modo comum.
Camada física – RS 485
Camada física – RS 485
• Além do dois estados lógicos, um
transmissor RS-485 pode operar em um
terceiro estado, chamado de “tri-state”
ou alta impedância.
• Este estado é conhecido com estado
desabilitado e pode ser iniciado por um
pino de controle no seu circuito integrado.
• Operação em “tri-state” permite que, em
uma rede, apenas um dispositivo esteja
ativo em cada momento.
Camada física – RS 485
• O código usado pelo padrão RS 485 é o
NRZ – Non Return to Zero;
• Neste padrão o sinal permance totalmente
em “zero” ou “um” durante todo o tempo
de bit;
• A figura abaixo mostra a codificação.
Camada física – RS 485
Camada física – RS 485
Camada física – RS 485
Camada física – RS 485
Sinal Bom
Camada física – RS 485
Ruído Entrando pelo Shield
Protocolo – RS 485
• Para o padrão RS 485, o protocolo de
comunicação não é especificado.
• O usuário deve especificar o protocolo.
• Alguns protocolos que utilizam o padrão
são oModbus, Devicenet, Profibus DP,
etc.
Protocolo Profibus DP
• Os “perfis” de comunicação Profibus usam
um protocolo uniforme de acesso ao meio.
• Este protocolo é implementado pela camada
2.
• Isto inclui também a segurança de dados e
a
manipulação
do
protocolos
de
transmissão e mensagens.
• No Profibus a camada 2 é chamada
Fieldbus Data Link (FDL).
Protocolo Profibus DP
• O Controle de Acesso ao Meio (MAC)
especifica o procedimento quando uma
estação tem a permissão para transmitir
dados.
• O MAC deve assegurar que uma única
estação tem direito de transmitir dados
em um determinado momento.
• O protocolo do Profibus foi projetado para
atender os dois requisitos básicos do
Controle de Acesso ao Meio:
Protocolo Profibus DP
• Para durante a comunicação entre sistemas
(mestres), deve ser assegurado que cada
uma destas estações detém tempo
suficiente para executar suas tarefas de
comunicação dentro de um intervalo definido
e preciso de tempo.
• Para que na transmissão cíclica de dados
em tempo real deverá ser implementada tão
rápida e simples quanto possível para a
comunicação entre um CLP complexo e seus
próprios dispositivos de I/O’s (escravos).
Protocolo Profibus DP
• Portanto, o protocolo Profibus de acesso ao
barramento inclui o procedimento de
passagem do Token, que é utilizado pelas
estações ativas, os mestres, para
comunicar-se uns com os outros;
• Enquanto que o procedimento de mestreescravo que é usado por estações ativas
para se comunicarem com as estações
passivas, os escravos.
Protocolo Profibus DP
Protocolo Profibus DP
• O procedimento de passagem do Token que
garante o direito de acesso ao meio é passado
a cada mestre dentro de um dado tempo.
• A mensagem de Token, deve ser distribuída no
anel lógico de pelo menos uma vez a todos
mestres dentro de um certo tempo máximo
denominado tempo de rotação do Token.
• Na inicialização do sistema, a tarefa do controle
de acesso dos mestres é captar esta
designação lógica e estabelecer o anel de
Token.
Protocolo Profibus DP
• Outra tarefa importante de camada 2 é a
segurança de dados, ou seja, formata
frames para assegurar a integridade de
dados.
• Todos os telegramas têm Hamming
Distance HD=4, alcançada através do uso
de telegramas especiais delimitadores de
início/fim, bit de paridade e byte de check.
• HD 4 significa que até 3 falhas de
transmissões ao mesmo tempo podem ser
detectadas;
Protocolo Profibus DP
• A camada 2 opera num modo chamado “sem
conexão”, e além de transmissão de dados
ponto-a-ponto, proporciona comunicações do
tipo multi-ponto, ou seja, Broadcast e Multicast.
• Broadcast: uma estação ativa envia uma
mensagem sem confirmação a todas outras
estações (mestres e escravos).
• Multicast: uma estação ativa envia uma
mensagem sem confirmação a um grupo de
estações
pré-determinadas
(mestres
e
escravos).
Profibus DP - resumo
Profibus DP - resumo
Profibus DP – versões do
protocolo
Profibus DP - resumo
Profibus DP - resumo
Protocolo Profibus DP
• A transmissão de dados entre o DPM1 e os
escravos DP associados a ele é
executado sempre na mesma ordem,
que repete-se.
• Quando configurando o sistema, o usuário
especifica a associação de um escravo
DP ao DPM1 e quais escravos DP serão
incluídos ou excluídos da transmissão
cíclica de dados do usuário.
• A transmissão de dados entre o DPM1 e os
escravos DP é dividida em três fases:
Protocolo Profibus DP
• Parametrização,
configuração
e
transferência de dados.
• Na
fase
de
configuração
e
parametrização de um escravo, sua
configuração real é comparada com a
configuração projetada no DPM1.
• Somente se corresponderem é que o
escravo passará para a fase de
transmissão de dados.
Protocolo Profibus DP
• Assim,
todos
os
parâmetros
de
configuração, tais como tipo, formato e
comprimento de dados, I/Os, etc., devem
corresponder à real.
• Estes testes proporcionam ao usuário uma
proteção
contra
erros
de
parametrização.
• Além da transmissão de dados, que é
executada automaticamente pelo DPM1,
uma nova parametrização pode ser
enviada à um escravo sempre que
Protocolo Profibus DP
Protocolo Profibus DP