AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
PARTE 4
TECNOLOGIAS DE
COMUNICAÇÃO UTILIZADAS EM
AUTOMAÇÃO
Nestor Agostini
[email protected]
Rio do Sul (SC), 12 de março de 2014
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Os modernos sistemas de automação industrial tendem a serem cada vez mais centralizados em
poderosos servidores que controlam indústrias inteiras. Para atingir este grau de especialização foi
necessário o desenvolvimento de sistemas de comunicações entre estações de chão de fábrica e
servidores centralizados. O texto seguinte apresenta uma breve descrição do processo de automação
industrial utilizando redes industriais.
1. SINAIS ANALÓGICOS E SINAIS DIGITAIS
1.1. Sinais analógicos
A transmissão analógica de informações é caracterizada por uma contínua variação na amplitude do
sinal transmitido. Os órgãos sensoriais humanos registram os estímulos do ambiente, tais como a
luz, o som, o sabor essencialmente sob a forma de sinais analógicos.
Na engenharia de processos o sinal de 4...20mA ou 0...5Vdc é transmitido de forma analógica pura.
Uma corrente ou uma tensão proporcional ao valor medido de uma grandeza percorre o circuito
entre o transmissor e o controlador. Mudanças na intensidade da corrente/tensão são imediatamente
registradas por qualquer dispositivo presente no circuito.
Um sinal analógico pode transportar muitas informações, como em um sinal acústico, onde se pode
reconhecer o tom, a intensidade e o timbre. No caso do sinal de corrente de 4...20mA ou 0...5Vdc
de tensão, entretanto, somente a intensidade do sinal ou a sua presença ou ausência pode ser
determinada. O sinal digital não varia continuamente, mas é transmitido em pacotes discretos de
informação. A informação não é imediatamente interpretada devendo ser primeiro decodificada
pelo receptor. Existem diferentes maneiras de transmiti-la; como pulsos elétricos que saltam entre
dois diferentes níveis de tensão, em computadores e em barramento de campo, ou , como uma série
de pulsos ópticos ou acústicos de diferentes durações, como ocorre no Código Morse.
Não há limitação quanto ao conteúdo do sinal, podendo este transmitir além do valor da variável
medida, outras informações a respeito do sensor.
Uma das vantagens da transmissão digital é a economia de uma conversão D/A no início da linha e
uma D/A no final. A conversão D/A é feita através de uma amostragem do sinal analógico a
intervalos regulares. A taxa de amostragem influencia na resolução da conversão, mas os custos de
conversão aumentam, havendo portanto um compromisso entre a precisão e custo na determinação
da qualidade da conversão.
1.2. Sinais digitais
Na comunicação digital o sinal, composto de uma série de pulsos de tensão é enviado do
transmissor para o receptor através de um meio de transmissão. Este pode ser um fio, fibra ótica ou
ondas eletromagnéticas. A informação está contida nas mudanças entre dois níveis de tensão.
Convencionalmente o nível alto de tensão representa o nível lógico 1 e a tensão baixa o nível lógico
0. A Figura 1.1 ilustra este conceito.
Figura 1.1: Informação representada por uma série de níveis de tensão
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A unidade de informação, representada pelos valores 0 e 1, é denominada bit-binary digit. O
sistema de numeração binário, que utiliza estes dois algarismos na sua representação, é usado nos
microprocessadores. Um bit somente não é suficiente para o processamento de números e textos.
Por isto se utiliza o byte, o bloco construtivo dos caracteres alfanuméricos (letras, números e outros
símbolos), constituído de 8 bits, que possibilita a comunicação entre operador e o
microprocessador. A comunicação, envolvendo dois parceiros, exige que ambos seja capaz de
interpretar o sinal. Para isto se utiliza os códigos de controle e de dados, que informam o que está
sento transmitido e de que modo. Exemplos de códigos são : o ASCII (Americana Standard Ode of.
Informativo Interchange) , o ANSI (American National Standard Institute) e o RTU ( Remote
Terminal Unit). O código hexadecimal é principalmente utilizado no endereçamento de bancos de
memória, tendo a vantagem de encurtar a representação numérica facilitando a programação.
2. ESTRUTURAS DE REDES
Uma rede é a conexão de dois ou mais dispositivos através de um meio de transmissão. Em uma
rede de barramento de campo, o meio pode ser fio, fibra óptica ou um canal de telecomunicação. A
escolha do meio depende da interface e da taxa de transmissão requerida.
A topologia de rede descreve a maneira pela qual os vários dispositivos da rede são conectados.
Existem varias topologias, que se diferenciam de acordo com três critérios : a disponibilidade, a
redundância e a expansibilidade. As três topologias básicas são : estrela, anel e barramento.
Na estrutura em estrela, Figura 2.2(a), toda a informação é canalizada através de um nó central, um
computador de processo. Cada dispositivo é servido por uma conexão própria. Toda troca de
informação entre os diapositivos é manipulada via nó central.
(a)
(b)
( c)
Figura 2.2: Estrutura de redes em (a) estrela, (b) anel e (c) barramento
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Nesta topologia falhas nas linhas individuais não são críticas, afetando somente o dispositivo a elas
conectado. Pôr outro lado se a estação falhar toda a rede falha.
Na estrutura em anel, Figura 2.2(b), não há um controle centralizado. Cada dispositivo assume o
papel de controlador em intervalos estritamente predeterminados. Expansibilidade teoricamente
eliminada. Falha em um dispositivo seria suficiente para interromper a comunicação na rede. Isto é
evitado utilizando-se chaves “by pass”.
Na estrutura em barramento, Figura 2.2(c), todos os dispositivos são conectados a uma linha de
dados simples, chamada barramento, ao longo da qual a informação é disponibilizada. Um
barramento com ramos é denominado árvore. A informação chega até um receptor sem a ajuda de
qualquer outro dispositivo, agindo estes como elementos passivos, ao contrário do que ocorre na
estrutura em anel.
A estrutura permite comunicação cruzada entre quaisquer dispositivos conectados, mas a
transmissão de dados pelo barramento deve ser regulada com rigor. Apresenta expansibilidade
teoricamente ilimitada.
3. MEIOS DE TRANSMISSÃO
Quanto mais informação e quanto maior a taxa de transmissão necessários maiores são as
exigências sobre os meios de transmissão. Isto é particularmente verdadeiro em redes de
comunicação industrial, onde as condições podem se afastar muito de ideal devido às possíveis
interferências da maquinaria elétrica pesada. O melhor meio de transmissão depende muito da
aplicação.
Figura 3.1: Vários tipos de condutores
A Figura 3.1 apresenta vários tipos de condutores utilizados como meios de conexão de uma rede
de comunicação.
O par trançado é a solução mais econômica na transmissão de dados, possibilitando taxas de
transmissão de até 375kbit/s em distâncias de até 300m. Quando encapado aumenta sua imunidade
a interferências e melhora a performance.
Cabos múltiplos encapados podem ser usados desde que não haja comunicação cruzada entre os
cabos. O padrão FIP especifica dois pares de cabos com duplo revestimento permitindo taxas de
transmissão de 1Mbit/s sobre distâncias de até 2000m. Em qualquer caso, entretanto, estes meios
devem ficar bem afastados dos cabos de potência onde grandes cargas são chaveadas. Os cabos
coaxiais permitem altas taxas de transmissão e podem transportar várias mensagens
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simultaneamente. Por serem mais caros que os pares trançados serão raramente encontrados no
campo.
A capacidade de transmissão das fibras óticas é cinco vezes maior que a dos cabos coaxiais. São
compostas de uma fibra de vidro simples e fina, mas que, por motivo de estabilidade recebe várias
camadas de proteção tornando o cabo espesso como um cabo coaxial. Os sinais transmitidos nas
fibras óticas são sinais de luz, o que as torna imunes a interferências eletromagnéticas. As fibras
ótica permitem taxas de transmissão da ordem de gigabits por segundo. Os métodos de conexão
ainda são muito complicados, tornando-as muito caras para sua utilização extensiva em nível de
campo.
4. MODOS DE TRANSMISSÃO
Quando um sinal é enviado de um dispositivo para outro, ele deve primeiro passar pela interface
para o meio de transmissão. Isto pode ser feito de duas maneiras :
Transmissão de dados byte a byte com um mínimo de 8 linhas de transmissão paralelas sobre
uma interface paralela. Ver Figura 10.4(a). Exemplo : IEC-625/IEEE-488.
2) Transmissão de dados bit a bit sobre uma interface serial, denominada transmissão serial. Ver
Figura 10.4(b). Requer menos fios do que na transmissão paralela mas o tempo de transmissão
aumenta em função do tamanho do cordão
1)
(a)
(b)
Figura 4.1: Transmissão paralela (a) e transmissão serial (b)
de bits transmitido. Exemplos são as interfaces padrão IEEE RS- 232C e RS – 485.
A interface tem a finalidade de colocar o sinal gerado pelo dispositivo da rede no meio de
transmissão. O cordão de bits pode ser transmitido como um sinal de corrente alternada de
amplitude, frequência ou fase moduladas. Ver Figura 10.5. Na recepção o sinal é demodulado pela
interface eletrônica e a informação original é recuperada. Os módulos eletrônicos que executam a
modulação e a demodulação fazem parte de toda interface e são projetados para um particular
padrão.
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Figura 4.2: Transmissão de sinal por amplitude e frequência moduladas
4.1. Temporização:
Uma interface pode transmitir de dois modos : assíncrono, onde a transmissão pode ocorrer a
qualquer tempo; ou síncrono, onde a transmissão está amarrada a um sistema comum de relógio
entre transmissor e receptor.
A transmissão assíncrona é particularmente adequada para as pequenas mensagens encontradas em
sistemas de barramento de campo. Cada byte a ser transmitido é empacotado entre um “start bit” e
um “stop bit”. Ver Figura 10.6.
O “start bit” informa ao receptor que um byte de dados o segue, e o “stop bit”que a transmissão de
byte está completa. O comprimento da mensagem pode ser maior do que um byte desde que isto
seja regulamentado. A transmissão assíncrona exige relativamente poucos esforços técnicos,
podendo ser utilizado em praticamente todas as situações.
Figura 4.3: Estrutura de um sinal assíncrono
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Na transmissão síncrona o sistema de relógio no transmissor e no receptor devem estar em fase. Isto
exige o envio de um “preâmbulo” antes do começo da transmissão. O preâmbulo compõe-se de
pulsos de bits de sincronização do receptor, da base de tempo e da mensagem, resultando em um
“caractere de sincronização”, que deve ser repetida a intervalos regulares. Ver Figura 4.4.
Figura 4.4: Estrutura de um sinal síncrono
A transmissão síncrona, portanto, apresenta mais problemas técnicos do que a assíncrona. Sua
vantagem, entretanto, está na possibilidade de transmissão de longos blocos de dados mais
eficientemente, isto é , com uma alta proporção de dados úteis.
4.2. Sentido da mensagem
O modo da transmissão pode ser classificado em Simplex, Half-duplex e Full-duplex. Ou seja, a
informação pode fluir num único sentido, nos dois sentidos sendo que somente um transmitindo a
cada
vez,
ou
nos
dois
sentidos
simultaneamente.
Os sistemas de comunicações como: telefonia, satélite, Redes, sistemas wireléss,
teleprocessamento, etc., usam um desses modos de transmissão. A escolha de qual modo usar
depende do que se pretende transmitir.
SIMPLEX
No modo Simplex, o fluxo de transmissão flui somente em um sentido, ou seja, um dispositivo
só envia os dados e o outro só recebe. Como exemplo, podemos citar uma emissora de Rádio, onde
ela só transmite.
Figura 4.5 – Transmissão modo simplex
HALF-DUPLEX
No modo Half-duplex ambos os dispositivos transmitem nos dois sentidos, mas, não
simultaneamente. Ou seja, um transmite enquanto o outro espera e vise versa. Esse modo usa um
Figura 4.6 – Transmissão modo half duplex
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FULL-DUPLEX
No modo de transmissão Full-duplex, há duas linhas independentes, onde uma é usada para
transmitir e a outra para receber os dados. Ambos os dispositivos transmitem simultaneamente.
Como exemplo, podemos citar uma auto-estrada de duas vias onde os veículos rodam nos dois
sentidos.
A porta Serial RS232 trabalha em modo Full-duplex, através das duas linhas TX-RX.
Figura 4.7 – Transmissão modo full duplex
4.3. Taxa de transmissão
Indica a quantidade de bits por segundo que pode ser transmitida entre transmissor e receptor.
Todos os dispositivos em uma rede devem operar a uma mesma taxa de transmissão.
A máxima taxa de transmissão é limitada pelo tipo de interface e pelo meio de transmissão
utilizado. Ela também é função do comprimento da linha, pois, a interferência eletromagnética
aumenta com o comprimento da linha. O par trançado, o cabo múltiplo, o cabo coaxial e as fibras
óticas apresentam taxa de transmissão admissível crescente nesta ordem.
Interfaces
No campo as linhas de transmissão devem ser baratas e confiáveis, exigências que se refletem no
tipo de condutor utilizado, mas também na interface adotada. Assim, apesar da alta taxa de
transmissão atingível, uma interface paralela como o patrão IEC-625/IEEE-488, que exige 16
linhas para enviar 1Byte de informação, o seu custo de instalação é muito alto neste nível.
Por esta razão a interface padrão no nível de campo é a serial. Os custos de instalação mais baixos
(menos conectores e cabos), linhas longas, e transmissão mais segura compensam de sobra as taxas
de transmissão menores.
4.5.
a) Interface Paralela
A interface paralela não é utilizada em redes de conectividade comerciais. Isto em função dos
problemas existentes neste tipo de interface, sendo o mais significativo a distância máxima
transmissão que pode ser realizada com esta interface, 8 metros.
Fisicamente, os sinais são transmitidos em nível TTL (Transistor Transistor Logic): 0 lógico = 0 V
e 1 lógico = 5 Vdc.
O conector utilizado é o DB25 cuja pinagem está apresentada abaixo. O dB25 fêmea está localizado
no comutador e o DB25 macho está localizado no cabo.
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Figura 4.8: Interface paralela
b) Interfaces Seriais
As interfaces seriais são as mais utilizadas em redes para automação e/ou controle. Basicamente, há
duas formas de comunicação serial:
- Padrões RS (Recommended Standart)
- USB (Universal Serial Bus)
Fisicamente a interface serial é realizada com conectores DB9 ou conector USB, conforme figuras
abaixo.
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Figura 4.9: Interface serial
Figura 4.10: Conectores USB
O sistema USB foi desenvolvido para ser um sistema padrão, ou seja, todos os equipamentos seriais
produzidos pela indústria passariam a ter um código de fabricação. Através deste código, no
momento em que o dispositivo é conectado à rede, ele seria reconhecido, não havendo mais
necessidade de ressetar máquinas para inicializar novos componentes. Na prática já ocorrem
distorções: nem todos os componentes tem o seu código padronizado e alguns não são reconhecidos
de imediato pelo sistema.
A rede USB funciona como mostrado na Figura 4.11.
Figura 4.11: Rede USB
5. MÉTODOS DE TRANSMISSÃO
5.1. Método de transmissão “single-ended”:
As comunicações de informações eletrônicas entre elementos irão geralmente se enquadrar entre
duas categorias: single-ended e diferencial. O RS232 (single-ended) foi introduzido em 1962, e
apesar dos rumores de que teria uma vida curta, permaneceu sendo largamente utilizado pelas
indústrias. As especificações permitem para transmissão de dados de um transmissor para um
receptor baixas taxas ( ate 20K bits/segundo) e distâncias curtas (ate 50 pés)
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Canais independentes são estabelecidos para dois caminhos de comunicação (full-duplex). Os sinais
do RS-232 são representados por níveis de voltagem relacionados ao sistema comum. O estado nulo
(MARK) tem o nível de sinal negativo em relação ao comum e o estado ativo (SPACE) tem o nível
de sinal positivo em relação ao comum.
O RS232 possui numerosas linhas “handshaking” (primeiramente utilizadas com modems) e
também especifica um protocolo de comunicação. Em geral se você não estiver conectado a um
modem a linha “handshaking” pode apresentar muitos problemas, caso não esteja desabilitada por
software. O RTS (Request to send) tem alguma utilidade em certas aplicações. O RS423 e outra
especificação single ended com melhoria de operação sobre o RS232; entretanto não tem sido
muito usado pela indústria.
5.2. Método “differential data transmission”:
Quando comunicando em altas taxas de transmissão, ou por longas distâncias em ambientes reais,
métodos “Single-ended” são geralmente inadequados. O método “differential data transmission”
(sinal diferencial balanceado) oferece performance superior na maioria das aplicações. Os sinais
diferenciais podem ajudar a anular os efeitos dos sinais de ruído induzido que podem aparecer como
modos de tensão comum na rede.
O RS-422 (diferencial) foi designado para maiores distâncias e maiores taxas de transmissões em
relação ao RS-232. Na sua forma mais simples, um par de conversores de RS-232 para RS-422 (e
vice-versa) pode ser usado para formar uma “Extensão do Rs-232”. Transmissão de dados até 100
Kbps e distâncias até 4000 pés podem ser supridas com o Rs-422. Este padrão é também
especificado para aplicações “mult-drop” onde apenas um driver é conectado a, e transmite em, um
barramento (“bus”) de até 10 receivers.
Ponto a ponto: sistema em que somente dois aparelhos participam da comunicação
Multi-drop: sistema em que os equipamentos terão de "disputar" o direito de transmitir
em primeiro lugar ao longo do Bus
Multi-port: sistema em que o NT1, por exemplo , alimenta diretamente dois ou mais
dispositivos
Enquanto uma aplicação do tipo “mult-drop” apresenta muitas vantagens desejáveis, equipamentos
em RS-422 não podem ser utilizados para construir uma rede multi-ponto confiável. Uma rede
verdadeiramente multi-ponto consiste em múltiplos drivers e receivers conectados em um único
barramento, onde todos os nós podem transmitir ou receber dados.
Redes “Quasi” multi-drop (4-fios) são geralmente construídas usando equipamentos RS-422. Estas
redes normalmente operam no modo “half-duplex”, onde um único “mestre” no sistema envia um
comando para um dos muitos equipamentos “escravos” em uma rede. Tipicamente um equipamento
é endereçado para que possa receber os dados atribuídos a ele. Sistemas deste tipo (4-fios – halfduplex) normalmente são construídos para evitar problemas de colisão de dados (contenção de
barramento).
O padrão RS-485 encontra os requisitos para uma rede multi-ponto confiável, pois especifica
padrões para até 32 drivers e 32 receivers um único barramento (2-fios). Com a introdução de
repetidores automáticos e drivers/receivers de alta impedância, esta limitação pode ser estendida
para centenas (ou até milhares) de nós em uma rede. O padrão RS-485 aumenta o modo de
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transmissão comum para os drivers/receivers no modo “tri-state”. Os drivers RS-485 podem resistir
a problemas de colisão de dados (contenção de barramento) e a falhas de condições do barramento.
Para resolver o problema da colisão de dados presentes em redes multi-drop, unidades de hardware
(conversores, repetidores, controles de microprocessadores) podem ser construídos para ficar em
modo de recepção até que os dados estejam prontos para serem transmitidos. Sistemas de um único
mestre (muitos outros esquemas de comunicação estão disponíveis) oferecem uma maneira simples
de evitar colisão de dados em um típico sistema de 2-fios, half-dulpex e multi-drop. O mestre inicia
um pedido de comunicação a um “nó escravo” pelo endereçamento desta unidade. O hardware
detecta o bit de inicialização da transmissão e automaticamente habilita o transmissor RS-485. Uma
vez enviado o caractere, o hardware volta ao modo de recepção em aproximadamente 1 – 2
microssegundos.
Qualquer número de caracteres pode ser enviado, onde o transmissor irá automaticamente redisparar com cada novo caractere (ou em muitos casos um esquema temporizador “bit-oriented” é
usado em conjunto com uma rede preparada para uma operação automática, incluindo qualquer taxa
de transmissão e/ou qualquer especificação de comunicação). Uma vez endereçada, uma unidade
“escrava” está pronta para responder imediatamente por causa do curto tempo de duração da
transmissão de um equipamento automático. Não é necessário introduzir grandes “delays”em uma
rede para evitar colisão de dados. Por que “delays” não são necessários, as redes podem ser
construídas com taxa de transmissão de dados de até 100% de “throuput put”.
RS – 232C
O padrão estabelece as características físicas e elétricas para a transmissão serial de bits. Define os
sinais de reconhecimento para os equipamentos padrões de controle para linhas telefônicas e
modems.
Eletricamente o sistema é baseado em pulsos de +12V (0 lógico) e –12V (1 lógico) nos quais os
dados são codificados. Mecanicamente, o padrão define conectores de 9 pinos e 25 pinos. Compõese principalmente de três linhas : a de transmissão, a de recepção e a do potencial de referência.
Figura 5.1 – Níveis lógicos na RS232
RS – 422
Define uma interface balanceada, mas não define um conector físico. Fabricantes que aderiram a
este padrão usam muitos conectores diferentes, incluindo os terminais de parafusos, DB9, DB25
com pinagem não padronizada, DB25 com padrão RS-530 e DB37 com padrão RS-449. O RS-422
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é comumente usado em comunicações ponto a ponto realizadas por um driver dual-state. As
transmissões podem ir a grandes distâncias e altas velocidades.
Figura 5.2 – Transmissão na RS422
Características gerais:
Sinais: A RS422 possui sinais de comunicação Tc+, Ra+, Tc- e RX-, sendo o Tc aquele que envia e
Ra o que recebe. O modo de transmissão é por diferencial elétrico. Pode utilizar outros sinais para
controle.
Número Max de equipamentos: 10 em uma conexão de barramento único.
Distância Max.: Até 1200 metros para o último ponto.
RS-449 - Especifica o padrão de pinagem para RS422/423 com conectores DB9 e DB37.
RS-530 - Especifica o padrão de pinagem para interfaces balanceadas como a RS422 para
conectores DB25.
RS-485 - é semelhante ao RS-422, exceto pelo fato dos drivers associados serem tri-state e não
dual-state. Pode ser utilizado em aplicações multiponto em que um computador controla muitos
dispositivos diferentes. Até 64 dispositivos podem ser conectados com o RS-485.
Figura 5.3 – Transmissão na RS485
Sinais: A RS485 possui sinais de comunicação Tc+/Ra-, Tc-/ RX+, sendo o Tc aquele que envia e o
Ra o que recebe. O modo de transmissão é por diferencial elétrico. Pode utilizar outros sinais para
controle.
Número Max de equipamentos: 32 em uma conexão de barramento único.
Distância Max.: Até 1200 metros para o último ponto.
IEEE 1158-2
Interface intrinsecamente segura, apoiada pela WorldFFIP e PROFIBUS PA, semelhante á camada
física da FIP (usa o código Manchester II de transmissão de dados). A interface usa um preâmbulo
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de sincronização e adiciona um delimitador de começo e de fim de dados transmitidos. A
inconfundível natureza dos delimitadores e a monitoração estrita do tempo do sinal proporciona
uma transmissão muito segura a altas taxas e longas distâncias.
A interface pode suprir potência intrinsecamente segura para até 10 dispositivos.
Banda portadora : digital, um canal cabo coaxial, 5Mbit/s a 1000m.
Banda larga : analógico, multiplexados independentes, cabo coaxial, 10Mbit/s a distâncias de
quilômetros.
Abaixo tabela de especificação dos padrões: RS232, RS423, RS422 e RS48:
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SPECIFICATIONS
Modo de operação
RS232
Terminação
RS423
Terminação
simples
simples
RS422
RS485
Diferencial
Diferencial
Número total de dispositivos emu ma
linha (para RS485, somente um driver
ativo a cada instante)
Comprimento máximo do cabo
Velocidade máxima de transmissão
(40ft. - 4000ft. for RS422/RS485)
Voltagem máxima na saída
Voltagem máxima na saída
Carregado
Sem carga
Impedância de saída (Ohms)
Máx. Corrente de saída
Ligado
em estado alto
Máx. Corrente de saída
Desligado
em estado alto
Taxa de subida (máx)
Voltagem máxima na saída
1 DRIVER
1 DRIVER
1 DRIVER
32 DRIVER
1 RECEPTOR
1 RECEPTOR
10 RECEPTOR
32 RECEPTOR
16,5 m
1200 m
20kb/s
100kb/s
1200 m
10Mb/s-
1200 m
10Mb/s100Kb/s
+/-25V
+/-6V
100Kb/s
-0.25V to
+/-5V to +/15V
+/-25V
3k to 7k
N/A
+/-6mA @ +/2v
30V/uS
+6V
+/-3.6V
+/-2.0V
+/-1.5V
+/-6V
>=450
+/-6V
100
+/-6V
54
N/A
N/A
+/-100uA
+/-100uA
+/-100uA
+/-100uA
Ajustável
N/A
-10V to
N/A
Faixa de voltagem do receptor
+/-15V
+/-12V
Sensibilidade de entrada do receptor
Resistência de entrada do receptor
+/-3V
+/-200mV
+10V
+/-200mV
3k to 7k
4k min.
4k min.
(Ohms), (Para RS485, carga padrão)
-7V to +12V
-7V to +12V
+/-200mV
>=12k
6. ACESSOS A BARRAMENTOS
Quando um computador passa dados para uma impressora em uma conexão ponto a ponto, não há questões
relativas a forma como o que é permitido transmitir e como o meio de transmissão é acessado. Quando
vários dispositivos de comunicação estão presentes em uma linha simples, entretanto, deve haver regras
claras para a comunicação.
Há dois métodos distintos para regular o acesso ou a arbitragem do barramento:
1) O Mestre Fixo (controle centralizado do barramento), onde o acesso ao barramento pelos dispositivos é
controlado por um mestre central. Como exemplo temos o método Mestre-Escravo e o método
Arbitrador de Barramento.
2) O Mestre Volante (controle descentralizado do barramento). Devido à sua inteligência, cada dispositivo
tem condições, ele mesmo, de controlar o barramento quando ele quer se comunicar. Dois modelos de
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controle descentralizado já alcançaram aceitação mundial : o “Carrier Sense Multiple Access with
Colision Detection” (CSMA/CD) e o “Token Passing”.
Mestre-Escravo
Neste método, encontrado em aplicações de campo e de sensor/atuador, um dispositivo de barramento é o
mestre. O principio é mostrado na Figura 10.12 .
O mestre endereça os dispositivos no barramento um de cada vez. Ele os alimenta com dados, e/ou pede a
eles que transmitam seus dados, por exemplo, o status ou valores medidos. A segurança dos dados depende
da estrutura protocolar e dos métodos de checar erros. A interface e o meio de transmissão também
influenciam a performance geral da transmissão.
Arbitrador de Barramento
A Figura 6.1 ilustra um método híbrido (centralizado/descentralizado) de controle de barramento baseado no
principio da difusão.
Todo dispositivo transmite e recebe. O direito de transmitir é organizado por um controlador central,
denominado arbitrador de barramento. A cada variável produzida por um único dispositivo é dado um nome.
Ela é definida como sento produzida por um único dispositivo mas pode ser consumida por qualquer número
de dispositivos da rede. Cada dispositivo é autônomo, exigindo-se apenas que ele envie sua variável quando
solicitado pelo arbitrador. Ele também deve reconhecer as variáveis por ele mesmo processadas.
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Figura 6.1: Método Mestre – Escravo
Figura 6.2: Método Arbitrador de Barramento
O arbitrador nomeia as variáveis de acordo uma tabela. Com este princípio de acesso todos os dispositivos
que consomem uma particular variável são atualizados simultaneamente.
Método CSMA/CD
O princípio é ilustrado na figura 6.3. Todos os dispositivos no barramento têm o direito de transmitir. Cada
um sensoria continuamente o barramento. Se ele estiver livre, então qualquer dispositivo pode transmitir seus
dados. Se vários dispositivos querem transmitir simultaneamente, uma colisão é detectada eles recuam. Uma
temporização aleatória em cada dispositivo determina então um intervalo de tempo para que ele tente
novamente.
O CSMA/CD é um método encontrado em nível de administração ou nos níveis mais altos de sistemas de
automação. Raramente ele será encontrado em nível de campo, pois não há estrita periodicidade de
varredura.
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Figura 6.3: Método CSMA/CD
Token Passing
Neste método o “token”, ou seja, o direito de transmitir, é passado de dispositivo para dispositivo. A
circulação do token é real ou lógica. A sequência de passagem depende da aplicação e é definida durante o
planejamento do sistema. O princípio é mostrado na Figura 6.4.
Este método dá a cada dispositivo direito igual de acesso ao barramento, pois, a cada um é permitido
transmitir dentro de um período de tempo predefinido. O tempo gasto para passar o token em torno de
sistema determina a frequência de audiência de cada membro.
Este método de acesso é usado em aplicações de controle e de campo, onde a resposta a eventos na periferia
do processo deve ser dada dentro de um tempo específico.
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Figura 6.4: Método Token Passing
7. MODELO DE INTERCONEXÃO DE SISTEMAS ABERTOS
Em 1978 a I S O (International Standards Organization), diante da proliferação de sistemas de redes fechadas
definiu um Modelo de Referência para a Comunicação de Sistemas Abertos, chamado OSI ( Open Systems
Interconnection). Ele se aplica a todos os sistemas de comunicação, desde um computador pessoal operando
em uma rede até a comunicação entre satélites e suas estações terrestres.
Redes proprietárias tornam evidentes dois problemas : a impossibilidade de atendimento completo de todas a
necessidades de sistemas de grandes companhias e o crescente custo de softwares especiais para interfacear
diferentes redes.
Em 1984 o modelo OSI foi aceito como o padrão internacional I S O 7498-1. Desde então trabalha-se com
protocolos de redes baseado neste padrão.
O modelo de referência OSI é uma estrutura modular, contendo sete camadas que governam a transmissão de
dados entre vários sistemas, assim como em um sistema único com várias redes heterogêneas. Ver Figura
7.1.
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Figura 7.1: Modelo de Referência I S O / OSI
Cada camada tem uma função particular. A comunicação dentro de um sistema heterogêneo é possível se as
funções dentro de cada camada seguirem o padrão.
Uma descrição resumida da função de cada camada é apresentada a seguir :
Camada 1 – Camada física – Responsável pela transmissão de dados através do meio físico entre dois nós
adjacentes. Os protocolos se referem qualidades dos bits de informação e especificações de cabeamento,
conectores, etc.,
Camada 2 – Camada de Enlace – Assegura que a informação pode ser trocada entre dois nós adjacentes.
Camada onde os dados serão preparados para a transmissão. Responsável também pela transferência de
dados sem falha para a próxima camada.
Camada 3 – Camada de Rede – Controla o intercâmbio de dados entre nós não adjacentes. Roteia os
pacotes de informação pela rede para a correspondente camada de destina.
Camada 4 – Camada de Transporte – Assegura que as informações são confiavelmente trocadas entre nós
finais. Manipula detecção de erros nos subsistemas 1 a 3 .
Camada 5 – Camada de Sessão – Sincroniza sessões de comunicação entre duas aplicações.
Camada 6 – Camada de Apresentação – Converte informações codificadas localmente em um código
comum aos parceiros em comunicação. Faz a tradução entre os códigos.
Camada 7 – Camada de Aplicação – Oferece serviços OSI compreensíveis diretamente pelos programas
de aplicação.
O modelo OSI serve como um padrão de comunicação para grandes e pequenos sistemas. Para uma
rede de barramento de campo, que com frequência compreende um controlador, sensores e
atuadores somente, a estrutura completa não é necessária. Ao invés disto, as camadas de aplicação,
de enlace de dados e a camada física são usadas junto com uma camada de sub- aplicação
exercendo a função das camadas do modelo ausentes. Para ele também é adicionada a Camada do
Usuário.
20/36
8: PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO – MODBUS
O protocolo Modbus foi desenvolvido pela Modicon Industrial Automation Systems, hoje Schneider, para
comunicar um dispositivo mestre com outros dispositivos escravos. Embora seja utilizado normalmente sobre
conexões seriais padrão RS-232, ele também pode ser usado como um protocolo da camada de aplicação de
redes industriais tais como TCP/IP sobre Ethernet e MAP. Este é talvez o protocolo de mais larga utilização
em automação industrial, pela sua simplicidade e facilidade de implementação.
O protocolo Modbus é baseado em um modelo de comunicação mestre-escravo, onde um único dispositivo, o
mestre, pode iniciar transações denominadas queries. Os demais dispositivos da rede (escravos) respondem,
suprindo os dados requisitados pelo mestre ou executando uma ação por ele comandada. Geralmente o
mestre é um sistema supervisório e os escravos são controladores lógicos programáveis. Os papéis de mestre
e escravo são fixos, quando se utiliza
comunicação serial, mas em outros tipos de rede, um dispositivo pode assumir ambos os papéis, embora não
simultaneamente.
Atividades do "mestre" da rede:
O "mestre" tem quatro atividades:
1- Assegurar a troca de informação entre os terminais. Os terminais não podem dialogar entre eles, o
"mestre" assegura a passagem das diferentes informações.
2- Assegurar
o diálogo
com o operador do
sistema
(diálogo
homem/máquina).
O "mestre" é em geral constituído por um gráfico que permite visualizar de modo dinâmico a evolução do
processo em curso. Graças à gestão de eventos pelo "mestre", é possível seguir de modo preciso qualquer
processo, com vista a uma manutenção preventiva, prevendo avarias ou incidentes.
3- Assegurar um diálogo com outros "mestres" ou com um computador para uma gestão centralizada do
conjunto do processo.
4- Assegurar a programação ou passagem de parâmetros para os "escravos" a fim de obter a flexibilidade da
produção.
Protocolo MODBUS:
Existem dois modos de transmissão: ASCII (American Code for Informastion Interchange) e RTU
(Remote Terminal Unit), que são selecionados durante a configuração dos parâmetros de
comunicação.
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Codificação de mensagens sobre o Protocolo MODBUS:
O formato das mensagens transmitidas é padronizado de acordo com o tipo de protocolo MODBUS
utilizado.
Formato da mensagem no tipo ASCII:
Formato da mensagem no tipo RTU:
Os únicos identificadores através dos quais o dispositivo mestre pode reconhecer a resposta para
uma determinada mensagem são o endereço do dispositivo escravo e a função solicitada. Assim, o
envio de múltiplas requisições, em que tais parâmetros coincidam, deve ser feito ordenadamente,
isto é, cada mensagem só deve ser enviada, depois que a resposta para a mensagem anterior for
recebida. Não há problema em se enviar simultaneamente comandos iguais para dispositivos
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diferentes ou comandos diferentes para um mesmo dispositivo, As trocas de informação são feitas
por iniciativa do "mestre" que envia a questão, o "escravo" destinatário interpreta-a e envia uma
resposta.
Uma mensagem sobre o protocolo MODBUS é constituída por um conjunto de caracteres hexadecimais,
incluindo quatro tipos de informação:
- O número do "escravo" (1 byte), que designa o destinatário da mensagem;
- O código da função a realizar (1 byte), que designa um comando de escrita ou leitura sobre o TES;
- O endereço respectivo (2 bytes), que designa a posição de memória do TES;
- Os dados a transmitir (p bytes), que designa os parâmetros relativos à função;
- Uma palavra de controle (2 bytes), que serve para detectar os erros de transmissão chamada CRC (Cyclic
Redundancy Check).
Funções possíveis:
Existem três tipos de troca de mensagens
- Leitura de dados;
- Escrita de Dados;
- Difusão de dados.
Código hexadecimal das funções a realizar ...
Para realizar uma difusão de dados o endereço ou número do "escravo" (TES) a utilizar deve ser 0 hex. Neste
caso todos os "escravos recebem enviada pelo "mestre", executando simultaneamente a sua ordem sem
enviarem nenhuma resposta, (caso de sincronização de telecomandos, reset de contadores...).
Estrutura da mensagem entre Mestre -MODBUS- Escravo:
Exemplo da estrutura da mensagem a enviar e receber segundo o protocolo MODBUS, para a função leitura
de n palavras.
Obs: Trama no gráfico significa ‘mensagem’. Gráfico extraído de texto com português de Portugal.
Exemplo de uma mensagem MODBUS a enviar ao TES:
Leitura de 1 palavra do "escravo" número 1, endereço 01 hex <=> leitura do estado das 4 entradas digitais do
TES número 1.
Mensagem de questão:
01 04 00 01 00 01 60 0A
Mensagem de resposta:
01 04 02 00 0F F9 34
(caso as 4 entradas do TES estejam a 1 - ativas)
A Mensagem deve ser enviada em ASCII, sem espaços entre os diversos bytes que a constituem e sem
caracteres de início e fim de trama.
Considerações:
Todos os bytes constituintes da trama, são em hexadecimal. O CRC 16 é constituído por dois bytes hex.,
estes são invertidos antes de enviados na trama, isto é, o byte menos significativo passa a ocupar o
lugar do byte mais significativo e vice-versa. Isto, para um melhor controle de erros de transmissão. O
conjunto de todos os bytes constituintes da mensagem, são codificados caractere por caractere em
ASCII antes de serem enviados aos TES’s. Deve-se ter atenção, por que o TES tem a seguinte
configuração fixa: Baud rate = 9600 bps; 8 bits de data; parity even (par); 1 bit de stop, logo o
"mestre", deve estar configurado do mesmo modo para estabelecer comunicação com os "escravos"
TES.
9: FOUNDATION FIELDBUS
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O Fieldbus é uma rede de transmissão de dados para comunicação com equipamentos de instrumentação e
controle de plantas industriais, tais como transmissores, atuadores e controladores, podendo, inclusive, ser
utilizado em aplicações que requeiram especificações quanto aos requisitos de segurança intrínseca. Esta
rede é do tipo digital, serial, half-duplex e multi-drop. Ela é digital porque as informações são transmitidas
em forma de mensagens de acordo com as camadas de comunicação definidas pelo protocolo Fieldbus;
serial, porque as informações são transmitidas e recebidas bit a bit; half-duplex, porque a comunicação é
bidirecional, porém, em uma única direção a cada instante e multidrop, porque é permitida a comunicação
entre vários equipamentos conectados à rede.
O fieldbus surgiu com o objetivo de interligar e operar os instrumentos de campo com características
diferentes e de diversos fabricantes. Usufruindo de toda sua inteligência através de uma rede,
proporcionando a descentralização das tarefas. Esta interligação incorpora vantagens como: maior imunidade
a ruídos, pré-processamento em dados específicos, transmissão de informações adicionais dos dados
capacitando o diagnóstico do dispositivo e a previsão de falhas, redução dos custos de projeto, de fiação, de
instalação e de expansão, entre outras. A descentralização das tarefas, é muitas vezes vista como uma
possibilidade de espalhar entre vários dispositivos um determinado programa ou processo de controle na
busca de melhor uso de suas características. Para alcançar uma maior confiabilidade foi prevista a
capacidade de, em caso de pane do dispositivo, sua substituição imediata por outro implementando o mesmo
programa. Como os dispositivos podem ser diferentes e de diferentes fabricantes, a padronização das funções
a serem distribuídas nos mesmos foi necessária. Estas funções são chamadas de Blocos Funcionais (FBFunction Blocks). A interligação desses blocos funcionais é que define a estratégia de controle e
programação do processo a ser controlado. Na configuração especifica-se a escolha do FB e em que
dispositivo será executado.
A versatilidade do fieldbus permite, em caso de pane em alguns deles, a reconfiguração automática on-line,
especificando em qual dispositivo o(s) FB(s) do dispositivo em pane será(ão) executado(s). Sem esta
padronização internacional a redundância de FB's (conseqüentemente a redundância de dispositivos) fica
limitada a só ser implementada em dispositivos iguais e dos mesmos fabricantes. A verdadeira
interoperabilidade e intercambiabilidade fica inviável.
O Fieldbus é um protocolo interoperável suportado pela quase totalidade dos fabricantes mundiais de
instrumentação. Ao seu término deverá ter reconhecimento mundial, devido ao comprometimento destes
fabricantes em seguir um padrão único. A opção de baixa velocidade para Fieldbus é 25 vezes mais rápida
que os protocolos comuns para transmissores inteligentes, além de ser muito mais eficiente. Esta versão do
fieldbus foi projetada para usar o mesmo tipo de fiação dos transmissores analógicos e inteligentes, para
facilitar a substituição do sistema. O fieldbus é baseado no modelo OSI (Open System Standards
Organization) para representar as várias funções requeridas em uma rede de comunicação. O fieldbus não é
só mais um protocolo de comunicação digital. Ele foi concebido para a indústria de controle de processos de
modo a atender plenamente a todos os itens de uma lista longa e antiga de desejos do usuário. Esta lista de
desejos inclui itens tais como: - estar de acordo com o modelo ISO/OSI; - uso de cabos de conexão de
utilização industrial normal; - segurança intrínseca para atmosferas perigosas; - variáveis identificadas por
tags e expressas em unidades de engenharia; - variáveis com status, onde o status indique as condições da
variável; - blocos de função, com parâmetros de entrada e saída padronizados, parâmetros de configuração
padronizados e algoritmos padronizados.
Aplicações:
Uma das primeiras instalações usando o FF que foi capaz de demonstrar a interoperabilidade de dispositivos
de vários fabricantes em uma mesma rede foi implementada em 3 de Junho de 1997 na cidade de Daishowa
no estado de Washington, onde a instalação era composta de 1 host, 6 transmissores, 6 entradas analógicas e
5 saídas analógicas; durante 18 meses foram realizadas diversas experiências, analisando-se os benefícios,
problemas com manutenção, treinamento, etc... Hoje, plantas muito maiores podem ser citadas como
exemplos de aplicações utilizando Fieldbus Foundation pode ser encontrados em instalações como as da SFT
- França, BASF - Bélgica, Estação Geradora de Mohave - USA, CFE - México.
Tecnologia Fieldbus
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O Foundation Fieldbus é um sistema da comunicação totalmente digital, em série e bidirecional que conecta
equipamentos “fieldbus” tais como sensores, atuadores e controladores. O fieldbus é uma rede local (LAN)
para automação e instrumentação de controle de processos, com capacidade de distribuir o controle no
campo.
Figura 9.1: Rede fieldbus com controle centralizado
Ao contrário dos protocolos de rede proprietários, o Fieldbus não pertence a nenhuma empresa, ou é
regulado por um único organismo ou nação.
A tecnologia é controlada pela Fieldbus Foundation uma organização não lucrativa que consiste em mais de
100 dos principais fornecedores e usuários de controle e instrumentação do mundo. O Foundation Fieldbus
mantém muitas das características operacionais do sistema analógico 4-20 mA, tais como uma interface
física padronizada da fiação, os dispositivos alimentados por um único par de fios e as opções de segurança
intrínseca, mas oferece uma série de benefícios adicionais aos usuários.
Benefícios do fieldbus
a) Interoperabilidade
Com a interoperabilidade, um dispositivo Fieldbus pode ser substituído por um dispositivo similar com
maior funcionalidade de um outro fornecedor na mesma rede do Fieldbus, mantendo as características
originais. Isto permite aos usuários mesclar dispositivos de campo e sistemas de vários fornecedores.
Dispositivos individuais Fieldbus podem também transmitir e receber a informação de multivariáveis,
comunicando-se diretamente um com o outro sobre o barramento Fieldbus, permitindo que novos
dispositivos sejam adicionados ao barramento sem interromper o controle.
b) Dados de Processo Mais Completos
Com o Foundation Fieldbus, as variáveis múltiplas de cada dispositivo podem ser trazidas ao sistema de
controle da planta para a análise, arquivo, análise de tendência, estudos de otimização de processo e geração
de relatórios. Este acesso aos dados mais exatos e de alta resolução, permite um ajuste fino do processo para
melhor operação, reduzindo o tempo ocioso da planta. Estas características permitem um maior desempenho
e lucratividade mais elevada da planta.
c) Vista expandida do processo
Dispositivos modernos Fieldbus, com comunicação poderosa microprocessada permitem que os erros de
processo possam ser reconhecidos mais rapidamente e com uma maior certeza. Como consequência, os
operadores de planta são notificados de condições anormais ou da necessidade de manutenção preventiva, e
podem tomar melhores decisões sobre a produção. Os problemas que diminuem a eficiência operacional são
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corrigidos mais rapidamente, permitindo um aumento no rendimento enquanto que o custo de matéria prima
e os problemas de emissões perigosas diminuem.
d) Melhor Segurança da Planta
A tecnologia Fieldbus ajuda as plantas a manter as exigências de segurança, cada vez mais restritas.
Fornecendo operadores com notificação e aviso antecipados de circunstâncias perigosas pendentes e atuais, o
Fieldbus permite a ação corretiva antes de uma parada não planejada. As potencialidades de diagnóstico
ampliadas da planta reduzem também a necessidade do acesso frequente às áreas perigosas, minimizando
assim os riscos do pessoal no campo.
e) Manutenção Proativa Mais Fácil
As potencialidades ampliadas de diagnóstico dos dispositivos de campo possibilitam monitorar e registrar
condições como o desgaste da válvula e entupimento do transmissor. O pessoal da planta pode executar a
manutenção proativa sem esperar uma parada programada, evitando ou reduzindo assim o tempo ocioso da
planta.
f) Redução de Custos de fiação e de Manutenção
O Foundation Fieldbus usa a fiação existente e as conexões multi-drop fornecem economias significativas
nos custos de instalação. Isto inclui reduções nos custos de barreira de segurança intrínseca e de cabos,
particularmente nas áreas onde a fiação está já no lugar. Redução de custo adicional pode ser conseguida
com a redução do tempo necessário para a construção e partida, bem como com a simplificação da
programação das funções do controle e da lógica, usando os blocos de função embutidos nos dispositivos. De
acordo com estimativas atuais, há agora sistemas Foundation Fieldbus em operação em mais de 25 países.
Estima-se hoje que aproximadamente 80 por cento de todas as novas instalações de sistemas de controle de
planta que utilizam a tecnologia fieldbus são compatíveis com o Foundation Fieldbus.
10.9.3. Possibilidades de Topologias fieldbus
As topologias mais comumente utilizadas em um sistema FIELDBUS são :
a) Topologia de Barramento com Spurs : Nesta topologia utiliza-se um barramento único onde
equipamentos ou barramentos secundários (spurs) são conectados diretamente a ele. Pode-se ter ainda vários
equipamentos diferentes em cada spur.
Figura 9.2: Rede tipo spurs
b)Topologia Ponto a Ponto : Nesta topologia tem-se a ligação em série de todos os equipamentos utilizados
na aplicação . O cabo FIELDBUS é roteado de equipamento para equipamento neste segmento e é
interconectado nos terminais de cada equipamento FIELDBUS. As instalações que utilizam esta topologia
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devem usar conectores de forma que a desconexão de um simples equipamento não interrompa a
continuidade do segmento.
Figura 9.3: Rede ponto a ponto
c) Topologia em Árvore : A topologia em árvore concentra em acopladores/caixas de campo a ligação de
vários equipamentos. Devido à sua distribuição, esta topologia é conhecida também como "Pé de Galinha".
Figura 9.4: Topologia árvore
d) Topologia End to End : Esta topologia é utilizada quando se conecta diretamente apenas dois
equipamentos. Esta ligação pode estar inteiramente no campo (um transmissor e uma válvula sem
nenhum outro equipamento conectado) ou pode ligar um equipamento de campo (um transmissor)
ao Device Host.
27/36
Figura 9.5: Topologia final
e) Topologia Mista : Nesta configuração encontra-se as três topologias mais comumente utilizadas entre si.
Deve-se observar no entanto, o comprimento máximo do segmento que deve incluir o comprimento dos
spurs no comprimento total.
Figura 9.6: Rede Mista
Blocos Funcionais:
AI – Entrada Analógica
O bloco AI pega os dados do transdutor de entrada da fábrica e deixa-o disponível para outros blocos
funcionais na sua saída.
PID – Controle PID
O bloco PID é a chave para vários diagramas de controle e é usado quase que universalmente, com exceção
do PD, que é usado quando o processo faz a própria integração. Enquanto existir um erro, a função PID
integrará o erro, que move a saída na direção a corrigir o erro. Blocos PID podem ser ligados em cascata
quando a diferença nas constantes de tempo do processo forem necessárias. Esta é uma técnica muito
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simples e segura que trabalha bem para constantes de tempo relativamente pequenas, encontradas na
primeira linha de controle do processo.
AO – Saída Analógica O bloco de saída analógica é um bloco funcional usado por equipamentos que
trabalham como elementos de saída em um loop de controle como válvulas, atuadores, posicionadores, etc. O
bloco AO recebe um sinal de outro bloco funcional e trabalha sobre ele para fazê-lo compatível com a
necessidade do hardware. Tipicamente, a saída de um bloco AO é conectada a um bloco transdutor de saída.
ARTH – Aritmético O bloco aritmético de aplicação geral é da classe do bloco de cálculo. Ele não usa
nenhuma forma de escala. Ele não tem estrutura em cascata e seleção de set-point. Ele somente opera sobre
entradas escalares. Ë usado para calcular uma saída que é um valor escalar, como uma função de até quatro
saídas das cinco entradas de acordo com um algoritmo selecionado.
INT – Integrador O bloco funcional integrador integra uma variável na função de tempo ou acumula a
contagem de um bloco de entrada de pulso.
ISS – Seletor do Sinal de Entrada O bloco seletor de sinal fornece seleção de até três entradas e gera uma
saída baseada na ação configurada. Este bloco normalmente receberá sua entrada de um bloco AI ou de outro
bloco. Em adição à seleção de sinal o bloco também pode selecionar o maior, o menor, o intermediário, o
multiplex e primeira seleção boa.
CHAR – Caracterizador de Sinal O bloco caracterizador de sinal tem duas saídas que são uma função não
linear das entradas respectivas. A função é determinada por uma tabela com coordenadas X-Y de vinte
pontos cada.
SPLT – Seletor de Saída/Splitter O bloco splitter é um bloco de controle que geralmente é usado conectado
ao bloco AO.
AALM – Alarme Analógico O bloco de alarme analógico fornece informações das condições de alarme
sobre uma saída analógica de qualquer bloco.
CIAD – Dados Analógicos da Entrada de Comunicação. Este bloco é um grupo de oito entradas analógicas
Fieldbus
CIDD – Dados Digitais da Entrada de Comunicação. Este bloco é um grupo de oito entradas digitais
Fieldbus.
COAD – Dados Analógicos da Saída de Comunicação. Este bloco é um grupo de oito saídas analógicas
Fieldbus.
CODD – Dados Digitais da Saída de Comunicação .Este bloco é um grupo de oito saídas digitais Fieldbus.
SPG – Gerador de Setpoint. O bloco gerador de setpoint normalmente é usado para gerar um setpoint para o
bloco PID em aplicações como controle de temperatura, reatores por batelada, etc. Nessas aplicações o
setpoint deve seguir uma certa curva na função de tempo.
ABR – Bridge Analógico. Este bloco funcional tem oito parâmetros de entrada/saída do dados tipo DS-33,
cujo objetivo principal é a transferência de dados conectáveis entre canais no mesmo cartão PCI.
DENS – Densidade Este bloco funcional tem um algoritmo para calcular densidade em diferentes tipos de
unidades de engenharia como Plato Degree, Brix e TC. O algoritmo para calcular a densidade é baseado na
pressão em dois pontos do tanque com uma diferença de altura conhecida. Usando a diferença de pressão e a
altura, é calculada a densidade, que é compensada pela temperatura e convertida para unidades de
engenharia.
DBR – Bridge Digital Este bloco funcional tem oito parâmetros de entrada/saída do dados tipo DS-34, cujo
objetivo principal é a transferência de dados conectáveis entre canais no mesmo cartão PCI.
10. PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO PROFIBUS
Profibus (Process Field Bus)
O Profibus foi desenvolvido na Alemanha inicialmente pela Siemens em conjunto com a Bosch e a Kockler
Moeller em 1987. Posteriormente, 13 empresas e 5 centros de pesquisa propuseram alterações. O Profibus
representa a alternativa alemã de padronização internacional do Fieldbus. Esta proposta é, atualmente,
apoiada por cerca de 110 empresas europeias e estrangeiras. Em 1996 tornou-se o padrão da comunidade
europeia sob a designação de EN50170. Em 2000 foi ratificado na norma internacional IEC61158 e
IEC61784.
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O PROFIBUS especifica as características técnica e funcionais de um sistema de comunicação industrial,
através do qual dispositivos digitais podem se interconectar, desde do nível de campo até o nível de células.
O PROFIBUS é um sistema multi-mestre e permite a operação conjunta de diversos sistemas de automação,
engenharia ou visualização, com seus respectivos dispositivos periféricos (por ex. I/O’s).
O PROFIBUS diferencia seus dispositivos entre mestres e escravos. Dispositivos mestres determinam a
comunicação de dados no barramento. Um mestre pode enviar mensagens, sem uma requisição externa,
sempre que possuir o direito de acesso ao barramento (o token). Os mestres também são chamados de
estações ativas no protocolo PROFIBUS. Os dispositivos escravos são dispositivos remotos (de periferia),
tais como módulos de I/O, válvulas, acionamentos de velocidade variável e transdutores. Eles não têm direito
de acesso ao barramento e só podem enviar mensagens ao mestre ou reconhecer mensagens recebidas
quando solicitados. Os escravos também são chamados estações passivas. Já que para executar estas funções
de comunicação somente um pequena parte do protocolo se faz necessária, sua implementação é
particularmente econômica.
O padrão Profibus subdivide-se em três famílias: Profibus-FMS, Profibus-DP e Profibus-PA . A primeira
família está situada no segundo nível da pirâmide (cell level), já as outras duas estão voltadas para o fieldbus
e serão abordadas com maior detalhe.
Figura 10.1 - Famílias do padrão Profibus
Esta família foi desenvolvida (1994) para fazer a comunicação entre os sistemas de controle (controladores)
e os elementos de campo através da configuração mestreXescravo. O sistema pode ser configurado como
mono-master (apenas um mestre) ou multi-master (com vários mestres), neste último as entradas podem ser
lidas por todos os mestres, e cada mestre aciona apenas suas respectivas saídas. A topologia utilizada é em
linha, utilizando o par trançado ou fibra óptica como meio físico. A transmissão dos dados é feita através de
RS-485 e a taxa de transmissão está relacionada com a distância do cabo (9,6 Kbit/s® 1200m, 500 Kbit/s®
400m, 12000Kbit/s® 100m por exemplo). O sistema comporta 32 estações sem a utilização de repetidores e
até 127 estações com a utilização de repetidores. Quando do término do meio físico da rede, a mesma
necessita da colocação de um terminador de rede (resistor de terminação), responsável por garantir a
imunidade a ruídos e determinar o final da rede.
Profibus-PA
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Esta família foi desenvolvida (1995) de acordo com a norma IEC 1158-2, a qual é utilizada na automação e
controle de processos contínuos, principalmente no setor químico e petroquímico. O Profibus-PA permite
que os sensores e atuadores sejam conectados ao bus (barramento) mantendo a segurança intrínseca dos
elementos requerida pelo processo. A transmissão é baseada nos seguintes princípios:
o
o
o
o
o
cada segmento possui apenas uma fonte de alimentação;
quando a estação está mandando dados não existe energia no barramento;
todo equipamento possui um consumo constante de corrente;
são permitidas as topologias em linha, estrela ou árvore;
para aumentar a confiabilidade, segmentos de rede redundantes podem ser disponibilizados.
Interbus
O padrão Interbus foi concebido em 1984, teve sua tecnologia desenvolvida pela empresa Phoenix Contact
e utiliza o princípio mestreXescravo através do protocolo denominado "One Total Frame".
O sistema é composto por três tipos de elementos:
• Controlador: o controlador é denominado Host Controller Board (HCB) e pode ser acoplado em
PC’s ou CLP’s, ou ainda possuir interface para um nível mais alto de rede, desenvolvendo ao mesmo
tempo funções de "master" e "slave".
• Rede física: a rede física ou remote bus é constituída por um único cabo de comunicação, composto
por três pares trançados. Pode-se utilizar também fibra óptica como meio físico. O cabo pode chegar
até 13 km de comprimento, fazendo-se necessária a utilização de repetidores a cada 400m.
• Elementos de campo: os escravos (sensores e atuadores) podem ser inteligentes, não inteligentes ou
mistos. Hoje estão disponíveis mais de 2000 produtos compatíveis, tais como: módulos de I/O
remotos, terminais de válvulas, placas de interface para robôs, válvulas de controle, encoders,
inversores de frequência, ...
A rede possui uma capacidade de 4096 pontos de I/O’s distribuídos em 256 nós e uma taxa de transmissão
de 500 Kbits/s. Nos sistemas INTERBUS existem dois tipos de ciclos de dados: ciclo de reconhecimento e
ciclo de regime. O ciclo de reconhecimento ocorre quando o sistema é energizado e é responsável pela
estruturação dos buffers de I/O’s para o funcionamento. Após, inicia-se o ciclo de regime, onde os dados de
entrada e saída são atualizados entre o controlador e os elementos de campo.
Conclusão
Com a conclusão deste trabalho de pesquisa e informação, verificamos que as tecnologias denominadas
fieldbus são extremamente recentes no mercado brasileiro, necessitando um forte trabalho de esclarecimento
e divulgação, para que os técnicos e profissionais da área tenham consciência e saibam das vantagens de sua
utilização na indústria.
Em relação à divulgação e esclarecimento do assunto, esse trabalho serve como material bibliográfico,
tornando-se uma fonte de consulta clara e objetiva sobre os conceitos e padrões das tecnologias fieldbus.
Qualquer profissional da área de automação industrial pode usá-lo para consultas e esclarecimentos.
Em qualquer ramo da indústria mundial há necessidade de controle, onde há controle podem ser aplicadas as
tecnologias fieldbus, então concluímos que no Brasil, esta tem plenas condições de se tornar, em um curto
espaço de tempo, a técnica de controle mais utilizada em toda a indústria.
• Em muitos trechos do trabalho, informamos as inúmeras vantagens das tecnologias fieldbus sobre o
sistema de controle convencional, como exemplo, para conclusão desta pesquisa, podemos citar:
• Otimização dos recursos financeiros;
• Rede aberta;
• Tecnologia avançada;
• Imunidade a ruídos eletromagnéticos;
• Flexibilidade na montagem e alteração;
• Versatilidade;
• Inteligência;
• Fácil expansão;
• Descentralização;
• Configuração remota;
• Custos reduzidos com montagem e projeto;
• Agilidade na manutenção;
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Figura 10.2: Camadas Profibus
Na ponta da pirâmide ou PC Manager temos a gerencia do processo fabril onde se encontra o maior volume
de informação. Na parte intermediaria da pirâmide temos as células de PLC onde se encontra todo o controle
da automação. E, finalmente, na parte inferior estão situados os dispositivos de chão de fabrica responsáveis
pelo processo de fabricação.
11. CONTROLE SUPERVISÓRIO
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Figura 10.1 – Tela típica dos sistemas de controle supervisório
Os sistemas supervisórios permitem que sejam monitoradas e rastreadas informações de um
processo produtivo ou instalação física. Tais informações são coletadas através de equipamentos de
aquisição de dados e, em seguida, manipulados, analisados, armazenados e, posteriormente,
apresentados ao usuário. Estes sistemas também são chamados de SCADA (Supervisory Control
and Data Aquisition).
Os primeiros sistemas SCADA, basicamente telemétricos, permitiam informar periodicamente o
estado corrente do processo industrial, monitorando sinais representativos de medidas e estados de
dispositivos, através de um painel de lâmpadas e indicadores, sem que houvesse qualquer interface
aplicacional com o operador.
Atualmente, os sistemas de automação industrial utilizam tecnologias de computação e
comunicação para automatizar a monitoração e controle dos processos industriais, efetuando coleta
de dados em ambientes complexos, eventualmente dispersos geograficamente, e a respectiva
apresentação de modo amigável para o operador, com recursos gráficos elaborados (interfaces
homem-máquina) e conteúdo multimídia.
Para permitir isso, os sistemas SCADA identificam os tags, que são todas as variáveis numéricas ou
alfanuméricas envolvidas na aplicação, podendo executar funções computacionais (operações
matemáticas, lógicas, com vetores ou strings, etc) ou representar pontos de entrada/saída de dados
do processo que está sendo controlado. Neste caso, correspondem às variáveis do processo real (ex:
temperatura, nível, vazão etc), se comportando como a ligação entre o controlador e o sistema. É
com base nos valores das tags que os dados coletados são apresentados ao usuário.
Os sistemas SCADA podem também verificar condições de alarmes, identificadas quando o valor
da tag ultrapassa uma faixa ou condição pré-estabelecida, sendo possível programar a gravação de
registros em Bancos de Dados, ativação de som, mensagem, mudança de cores, envio de mensagens
por pager, e-mail, celular, etc.
Resumo
33/36
Os componentes físicos de um sistema de supervisão podem ser resumidos, de forma simplificada,
em: sensores e atuadores, rede de comunicação, estações remotas (aquisição/controle) e de
monitoração central (sistema computacional SCADA).
Os sensores são dispositivos conectados aos equipamentos controlados e monitorados pelos
sistemas SCADA, que convertem parâmetros físicos tais como velocidade, nível de água e
temperatura, para sinais analógicos e digitais legíveis pela estação remota. Os atuadores são
utilizados para atuar sobre o sistema, ligando e desligando determinados equipamentos.
O processo de controle e aquisição de dados se inicia nas estações remotas, PLCs (Programmable
Logic Controllers) e RTUs (Remote Terminal Units), com a leitura dos valores atuais dos
dispositivos que a ele estão associados e seu respectivo controle. Os PLCs e RTUs são unidades
computacionais específicas, utilizadas nas instalações fabris (ou qualquer outro tipo de instalação
que se deseje monitorar) para a funcionalidade de ler entradas, realizar cálculos ou controles, e
atualizar saídas. A diferença entre os PLCs e as RTUs é que os primeiros possuem mais
flexibilidade na linguagem de programação e controle de entradas e saídas, enquanto as RTUs
possuem uma arquitetura mais distribuída entre sua unidade de processamento central e os cartões
de entradas e saídas, com maior precisão e sequenciamento de eventos.
A rede de comunicação é a plataforma por onde as informação fluem dos PLCs/RTUs para o
sistema SCADA e, levando em consideração os requisitos do sistema e a distância a cobrir, pode ser
implementada através de cabos Ethernet, fibras ópticas, linhas dial-up, linhas dedicadas, rádio
modems, etc.
As estações de monitoração central são as unidades principais dos sistemas SCADA, sendo
responsáveis por recolher a informação gerada pelas estações remotas e agir em conformidade com
os eventos detectados, podendo ser centralizadas num único computador ou distribuídas por uma
rede de computadores, de modo a permitir o compartilhamento das informações coletadas.
Internamente, os sistemas SCADA geralmente dividem suas principais tarefas em blocos ou
módulos, que vão permitir maior ou menor flexibilidade e robustez, de acordo com a solução
desejada.
Em linhas gerais, podemos dividir essas tarefas em:
Núcleo de processamento;
Comunicação com PLCs/RTUs;
Gerenciamento de Alarmes;
Históricos e Banco de Dados;
Lógicas de programação interna (Scripts) ou controle;
Interface gráfica;
Relatórios;
Comunicação com outras estações SCADA;
Comunicação com Sistemas Externos / Corporativos;
Outros.
A regra geral para o funcionamento de um sistema SCADA parte dos processos de comunicação
com os equipamentos de campo, cujas informações são enviadas para o núcleo principal do
software. O núcleo é responsável por distribuir e coordenar o fluxo dessas informações para os
demais módulos, até chegarem na forma esperada para o operador do sistema, na interface gráfica
ou console de operação com o processo, geralmente acompanhadas de gráficos, animações,
Internamente, os sistemas SCADA geralmente dividem suas principais tarefas em blocos ou
módulos, que vão permitir maior ou menor flexibilidade e robustez, de acordo com a solução
desejada.
Em linhas gerais, podemos dividir essas tarefas em:
Núcleo de processamento;
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Comunicação com PLCs/RTUs;
Gerenciamento de Alarmes;
Históricos e Banco de Dados;
Lógicas de programação interna (Scripts) ou controle;
Interface gráfica;
Relatórios;
Comunicação com outras estações SCADA;
Comunicação com Sistemas Externos / Corporativos;
Outros.
A regra geral para o funcionamento de um sistema SCADA parte dos processos de
comunicação com os equipamentos de campo, cujas informações são enviadas para o núcleo
principal do software. O núcleo é responsável por distribuir e coordenar o fluxo dessas informações
para os demais módulos, até chegarem na forma esperada para o operador do sistema, na interface
gráfica ou console de operação com o processo, geralmente acompanhadas de gráficos, animações,
relatórios, etc, de modo a exibir a evolução do estado dos dispositivos e do processo controlado,
permitindo informar anomalias, sugerir medidas a serem tomadas ou reagir automaticamente.
As tecnologias computacionais utilizadas para o desenvolvimento dos sistemas SCADA têm
evoluído bastante nos últimos anos, de forma a permitir que, cada vez mais, aumente sua
confiabilidade, flexibilidade e conectividade, além de incluir novas ferramentas que permitem
diminuir cada vez mais o tempo gasto na configuração e adaptação do sistema às necessidades de
cada instalação.
A principal funcionalidade de qualquer sistema SCADA está ligada à troca de informações, que
podem ser, basicamente:
Comunicação com os PLCs/RTUs;
Comunicação com outras estações SCADA;
Comunicação com outros sistemas.
A comunicação com os equipamentos de campo, realizada através de um protocolo em comum, cuja
metodologia pode ser tanto de domínio público ou de acesso restrito, geralmente pode ocorrer por
polling ou por interrupção, normalmente designada por Report by Exception.
A comunicação por polling (ou Master/Slave) faz com que a estação central (Master) tenha controle
absoluto das comunicações, efetuando sequencialmente o polling aos dados de cada estação remota
(Slave), que apenas responde à estação central após a recepção de um pedido, ou seja, em halfduplex. Isto traz simplicidade no processo de coleta de dados, inexistência de colisões no tráfego da
rede, facilidade na detecção de falhas de ligação e uso de estações remotas não inteligentes. No
entanto, traz incapacidade de comunicar situações à estação central por iniciativa das estações
remotas. Já a comunicação por interrupção ocorre quando o PLC ou o RTU monitora os seus
valores de entrada e, ao detectar alterações significativas ou valores que ultrapassem os limites
definidos, envia as informações para a estação central. Isto evita a transferência de informação
desnecessária, diminuindo o tráfego na rede, além de permitir uma rápida detecção de informação
urgente e a comunicação entre estações remotas (slave-to-slave). As desvantagens desta
comunicação são que a estação central consegue detectar as falhas na ligação apenas depois de um
determinado período (ou seja, quando efetua polling ao sistema) e são necessários outros métodos
(ou mesmo ação por parte do operador) para obter os valores atualizados.
A comunicação com outras estações SCADA pode ocorrer através de um protocolo desenvolvido
pelo próprio fabricante do sistema SCADA, ou através de um protocolo conhecido via rede Ethernet
TCP/IP, linhas privativas ou discadas.
A Internet é cada vez mais utilizada como meio de comunicação para os sistemas SCADA. Através
do uso de tecnologias relacionadas com a Internet, e padrões como Ethernet, TCP/IP, HTTP e
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HTML, é possível acessar e compartilhar dados entre áreas de produção e áreas de supervisão e
controle de várias estações fabris. Através do uso de um browser de Internet, é possível controlar
em tempo real, uma máquina localizada em qualquer parte do mundo. O browser comunica com o
servidor web através do protocolo http, e após o envio do pedido referente à operação pretendida,
recebe a resposta na forma de uma página HTML. Algumas das vantagens da utilização da Internet
e do browser como interface de visualização SCADA são o modo simples de interação, ao qual a
maioria das pessoas já está habituada, e a facilidade de manutenção do sistema, que precisa ocorrer
somente no servidor. Já a comunicação com outros sistemas, como os de ordem corporativa, ou
simplesmente outros coletores ou fornecedores de dados, pode se dar através da implementação de
módulos específicos, via Bancos de Dados, ou outras tecnologias como o XML e o OPC.
12. BILBLIOGRAFIA
Os textos apresentados neste trabalho são notas de aula do Curso de Engenharia de Produção da
UNIDAVI (Universidade para o Desenvolvimento do Alto Vale do Itajaí – Rio do Sul (SC) e
complementados com textos retirados da internet.
Pedimos desculpas por não poder citar todos os autores.
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