11 Redes Industriais
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Parte 2 - <strong>Redes</strong> de comunicação
<strong>Redes</strong> <strong>Industriais</strong><br />
<strong>11</strong><br />
As redes industriais são de fundamental importância para obter-se eficiência e<br />
confiabilidade no sistema produtivo. Com o avanço da tecnologia e a necessidade de<br />
integração entre sistemas de controle e máquinas, esses sistemas distribuídos com diversos<br />
elementos trabalham de forma simultânea com o objetivo de supervisionar e controlar um<br />
determinado processo em uma troca rápida e precisa de informações entre computadores,<br />
sensores, atuadores, CLPs, entre outros.<br />
Neste tópico vamos aprender a definir e implementar uma Rede de Comunicação Digital<br />
de Dados, mais conhecida como Barramento Industrial. Abordaremos a estrutura dos dados,<br />
as topologias utilizadas, os meios físicos existentes e também os protocolos de comunicação<br />
abertos encontrados nos mais diversos fabricantes, além de configurar e programar uma rede<br />
de dados e a troca deles. Para tanto, utilizaremos os Controladores Lógicos Programáveis,<br />
conforme a necessidade da aplicação. Para a implantação de um sistema como esse, teremos<br />
que realizar uma pesquisa detalhada para saber qual sistema baseado em redes será utilizado<br />
para sanar cada uma das necessidades.<br />
No final dos anos 70, tínhamos a perspectiva de crescimento acelerado proporcionado pelo<br />
investimento e desenvolvimento que estavam em foco, por outro, havia uma tendência que<br />
poderia levar a uma grande crise no setor referente à diferença de padrões utilizados pelos<br />
fabricantes da época, quase impossibilitando a interconexão entre os sistemas de diversos<br />
fabricantes, então foram desenvolvidos objetivos para implantação de um sistema aberto<br />
como interoperabilidade, interconectividade, portabilidade de aplicação e escalabilidade.<br />
Para alcançar esses objetivos, a ISO (International Organization for Standardization) passou a<br />
se preocupar com um padrão de arquitetura aberta e baseada em camadas. Foi então definido<br />
o Modelo de Referência para Interconexão de Sistemas Abertos (Reference Model for Open<br />
Systems Interconection - RM OSI).
76 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Portabilidade da aplicação: Capacidade de um software<br />
VOCÊ<br />
SABIA?<br />
específico rodar em várias plataformas diferentes.<br />
Interoperabilidade: Capacidade de um sistema de<br />
se comunicar de forma transparente.Escalabilidade:<br />
Capacidade que determinado equipamento possui<br />
para receber implementações evitando que se torne<br />
obsoleto ou deixe de atender as necessidades do usuário.<br />
Interconectividade - Capacidade pela qual podemos<br />
conectar vários equipamentos de diversos fabricantes.<br />
<strong>11</strong>.1 Por que um sistema aberto?<br />
Utilizamos um sistema aberto, pois esse possui várias vantagens como acesso<br />
mais rápido a novas tecnologias com um menor custo, já que é mais econômico<br />
fabricar produtos baseados em uma plataforma padrão; redução de investimentos<br />
em novas máquinas, já que os sistemas e os softwares de aplicação são portáveis<br />
para os vários tipos de máquinas existentes e além de tudo temos a liberdade de<br />
escolha entre soluções de diversas fabricantes.<br />
O projeto de uma rede deve levar em conta vários fatores, considerando que<br />
uma rede de computadores tem como objetivo principal o processamento de<br />
tarefas distribuídas de forma cooperativa e harmônica entre os vários setores de<br />
aplicação, pois consideramos todos os eventos que podem acontecer durante a<br />
comunicação e temos que conhecer todos os efeitos e as causas destes eventos, e<br />
especificar em detalhes todos os aspectos técnico-operacionais dos meios físicos<br />
a serem utilizados como suporte à comunicação.<br />
Percebemos, desta forma que o problema é extremamente complexo e<br />
abrangente. Para facilitar a implementação e manutenção, projetamos a rede<br />
como um conjunto de camadas.<br />
O conjunto de camadas é hierárquico, ou seja, cada camada baseia-se na<br />
camada inferior. Reduzindo o projeto global da rede ao projeto de cada uma das<br />
camadas, simplificamos muito o trabalho de desenvolvimento e de manutenção.<br />
O projeto de uma camada é restrito ao contexto dela e supõe que os problemas<br />
fora desse contexto já estejam devidamente resolvidos.<br />
VOCÊ<br />
SABIA?<br />
Atualmente, no mercado de controladores programáveis,<br />
todos esses equipamentos são oferecidos com um<br />
protocolo aberto incorporado. Na maioria dos casos, é<br />
o Modbus-RTU, porém outro protocolo aberto pode ser<br />
oferecido, além do proprietário. Quando utilizamos um<br />
controlador programável em rede, na maioria dos casos,<br />
optamos por um protocolo aberto.
<strong>11</strong> <strong>Redes</strong> <strong>Industriais</strong><br />
77<br />
<strong>11</strong>.2 Vantagens da utilização da arquitetura em camadas<br />
Utilizar a arquitetura em camadas apresenta duas vantagens práticas:<br />
1. Independência das camadas, ou seja, a camada (N) preocupa-se apenas<br />
em utilizar os serviços da camada (N-1), independentemente de seu protocolo.<br />
2. A complexidade do esforço global de desenvolvimento é reduzida por<br />
meio de abstrações (não interessa para uma determinada camada como<br />
as demais implementam o fornecimento de seus serviços, mas o que elas<br />
oferecem). Na arquitetura hierárquica, a camada (N) sabe apenas que existem<br />
as camadas (N- 1), prestadoras de determinados serviços, e a camada (N+1),<br />
que lhe requisita os serviços. A camada (N) não toma conhecimento da<br />
existência das camadas (N±2), (N±3) etc.<br />
É assim também que novas aplicações podem ser implementadas na<br />
camada apropriada, aproveitando os mesmos serviços já fornecidos pelas<br />
outras camadas (redução dos esforços para evoluções).<br />
Porém, a elaboração de um sistema aberto passa por algumas etapas<br />
obrigatórias que podemos observar claramente na definição do modelo<br />
OSI, desde a definição dos padrões dos componentes que fazem parte<br />
do modelo (padrões de interoperabilidade e portabilidade), não só os<br />
relacionados à comunicação, mas também alguns não relacionados, como<br />
estrutura de armazenamento de dados etc, assim como a definição do<br />
modelo do sistema aberto (padrão para a arquitetura do sistema aberto); e<br />
a seleção dos perfis funcionais.<br />
Podemos observar que o modelo OSI corresponde exatamente ao<br />
primeiro item citado, ou seja, definição do modelo do sistema aberto<br />
(padrão para a arquitetura do sistema aberto). Esse modelo é somente uma<br />
referência e define apenas a arquitetura do sistema. O padrão criado para o<br />
modelo OSI, então, define exatamente o que cada camada deve fazer, mas<br />
não define como isso será feito; ou seja, define os serviços que cada camada<br />
deve prestar, mas não o protocolo que o realizará. Esse primeiro passo já<br />
está bem definido pela ISO.<br />
A definição dos protocolos de cada camada, então, fica por conta do<br />
segundo passo. Essa parte também está definida pela ISO, mas é realizada por<br />
grupos de estudo diversos. Esse passo é uma tarefa muito dinâmica, pois novas<br />
tecnologias de transmissão surgem a todo instante. Portanto, por um lado<br />
temos alguns padrões bem documentados, mas por outro temos tecnologias<br />
emergentes que precisam ser adaptadas às condições do modelo OSI e ainda<br />
estão em processo de definição.
78 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Já a terceira etapa não é uma fase de responsabilidade da ISO. Essa etapa<br />
de definição de perfis funcionais é realizada por cada país, que escolhe os<br />
padrões que lhe cabem baseados em condições tecnológicas, base instalada,<br />
visão futura etc. Por exemplo: no Brasil temos o Perfil Funcional do Governo<br />
Brasileiro. A escolha do Perfil Funcional é uma etapa importante, pois, apesar<br />
de dois sistemas seguirem o Modelo OSI, se eles adotarem perfis diferentes<br />
nunca conseguirão interoperar.<br />
A arquitetura OSI foi desenvolvida a partir de três elementos básicos, como<br />
está apresentada na figura 52:<br />
1. os processos de aplicação existentes no ambiente OSI;<br />
2. as conexões que ligam os processos de aplicação e lhes permitem trocar<br />
informações;<br />
3. os sistemas.<br />
Processo de Aplicação<br />
Sistema A<br />
Sistema B<br />
Conexões<br />
Meio fisico para<br />
interconexão de<br />
sistemas abertos<br />
Figura 52 - Processos de aplicação, conexões e sistemas<br />
Fonte: Autor<br />
A figura 53 nos dá uma ideia da arquitetura do equipamento que utiliza um<br />
sistema de comunicação:<br />
Aplicação<br />
Interface<br />
com<br />
Usuário<br />
Linguagem<br />
Gerenciamento<br />
de Dados<br />
Sistema Operacional<br />
Comunicação<br />
(Rede)<br />
Hardware<br />
Figura 53 - Arquitetura de uma máquina do sistema<br />
Fonte: Autor<br />
A arquitetura do equipamento descrita na figura 53 pode ser utilizada tanto<br />
para um PC quanto para um Controlador Lógico Programável. Por isso, vamos<br />
aprofundar um pouco mais o entendimento destes campos.
<strong>11</strong> <strong>Redes</strong> <strong>Industriais</strong><br />
79<br />
• hardware: proporciona a infraestrutura necessária (no nível mais baixo) para o<br />
processamento da aplicação, como a manipulação de bits, acesso a disco etc;<br />
• sistema operacional: proporciona os serviços básicos de acesso a hardware;<br />
• gerenciamento de dados: controla as tarefas como o acesso, manipulação<br />
e troca de vários tipos de dados. Existem várias formas de implementação<br />
de acesso a bancos de dados, mas a mais comum e aceita pela indústria é a<br />
SQL (Structured Query Language);<br />
• linguagem: têm sido feitos esforços em relação à criação de uma linguagem<br />
com independência da plataforma, de forma a prover a portabilidade de código;<br />
• interface com o usuário - é um dos principais fatores de portabilidade, já<br />
que proporciona a interface entre o usuário e a aplicação. Cada vez mais<br />
estão sendo desenvolvidas interfaces gráficas e orientadas a objetos,<br />
baseadas em janelas, ícones e menus;<br />
• comunicação: o processo de comunicação é o objeto principal do nosso<br />
estudo. Essa secção vai prover a comunicação e a interoperação entre<br />
máquinas e sistemas diferentes, cuidando de características como padrões<br />
de interoperação, endereçamento, mensagens etc.;<br />
• fieldbus: o termo “Field” refere-se à área onde os equipamentos produzem<br />
peças ou onde reside um processo mais conhecido como “campo”. É mais<br />
comum dentro de uma indústria, e também fora do complexo industrial,<br />
assim como a planta de uma indústria química. Em um “campo”, os<br />
equipamentos de um processo estão mais expostos aos ruídos elétricos,<br />
variações de energia, temperatura, umidade e à corrosão. No “campo” é onde<br />
os processos devem ser medidos, e podemos utilizar os condicionadores de<br />
sinais para melhorar o sinal da medida. O equipamento de medidas e seu<br />
cabeamento não devem estar próximos de equipamentos elétricos, motores<br />
e contactoras, para reduzir a geração de ruídos.<br />
CASOS E RELATOS<br />
Vantagem da rede de comunicação<br />
Como estamos estudando comunicação utilizando redes, cabe citar uma<br />
rede industrial bastante utilizada atualmente. O protocolo mais utilizado<br />
na área de saneamento é o Modbus-RTU, pois é um protocolo antigo e vem<br />
integrado, sem custo, na grande maioria dos equipamentos, fazendo que ele<br />
seja o preferido na área de saneamento.
80 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Dentro de uma estação de tratamento temos muitos sensores de nível,<br />
pressão, além dos sensores analíticos de cloro, pH e turbidez. Além desses<br />
sensores, há também os inversores que modulam a dosagem de produtos<br />
químicos para a realização do tratamento de água. Antigamente, para realizar a<br />
automação de uma planta desse tipo, era necessária uma grande quantidade de<br />
entradas e saídas analógicas interligadas ao controlador programável, elevando<br />
muito os custos de implementação.<br />
Atualmente, os inversores possuem portas de comunicação RS-485 com<br />
Modbus-RTU nativo, e os sensores também possuem o Modbus-RTU com o mesmo<br />
meio físico, bastando acrescentar uma porta RS-485 no controlador programável,<br />
que também possui o Modbus-RTU implementado para a montagem de uma<br />
rede. Desse modo, é necessário um projeto. Uma das vantagens de utilizar a rede<br />
de comunicação em vez das entradas e saídas analógicas é que a quantidade de<br />
informação que pode ser enviada ao controlador é muito superior, enriquecendo,<br />
assim, as informações ao usuário final.<br />
Recapitulando<br />
Aprendemos, neste capítulo que os fabricantes passaram a implementar um<br />
sistema aberto para permitir a troca de informações, mesmo que os equipamentos<br />
fossem fornecidos por diferentes fabricantes criando, assim, o modelo da ISO<br />
conhecido como OSI e aceito até hoje pelos fabricantes. Vimos, também, que esse<br />
sistema aberto de comunicação nos permite escolher a melhor solução dentre os<br />
vários fabricantes, menor custo devido ao acesso de novas tecnologias estar baseado<br />
em uma plataforma padrão, e menos investimentos em novos equipamentos, uma<br />
vez que os novos equipamentos aceitam softwares existentes.
<strong>11</strong> <strong>Redes</strong> <strong>Industriais</strong><br />
81<br />
Anotações:
Arquiteturas básicas e topologias<br />
12<br />
Definindo rede como uma estrutura de produtos (hardware e software) interligados de<br />
acordo com um padrão pré-estabelecido para satisfazer os requisitos dos sistemas distribuídos,<br />
cabe distinguir duas arquiteturas básicas: a rede local e a rede de longa distância.<br />
12.1 Rede local<br />
A rede local é conhecida como LAN (Local Area Network). Sua característica básica é que os<br />
equipamentos interligados estão confinados a uma área geometricamente limitada, com taxas de<br />
transmissão de moderada a alta. Normalmente, o sistema completo pertence a uma única organização<br />
e seu raio de ação está limitado a alguns quilômetros, no máximo. Resumidamente, as características<br />
gerais desta estrutura são:<br />
• dimensões moderadas;<br />
• alta capacidade de transmissão de informação;<br />
• alta confiabilidade na comunicação; e<br />
• conectividade total entre as estações de trabalho.<br />
12.2 Rede de longa distância<br />
A rede de longa distância é conhecida como rede WAN (Wide Area Network). Esse tipo<br />
de rede estende as características das redes locais no que se refere, principalmente, à área<br />
de abrangência. Por meio de recursos de telecomunicações, uma rede deste tipo pode ter<br />
dimensões globais, com um número indeterminado e muito grande de estações interligadas.<br />
VOCÊ<br />
SABIA?<br />
Podemos fazer uma rápida associação de LAN e WAN com as nossas<br />
casas, pois a grande maioria possui acesso à internet, que é a WAN, e<br />
se possuímos mais do que um computador em nossa casa (o que não é<br />
muito difícil) também podemos ter uma LAN.
84 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL FIQUE<br />
1<br />
MÁQUINAS<br />
São os dispositivos do tipo<br />
PC, Controladores Lógicos<br />
Programáveis, Interface<br />
Homem Máquina, Inversores<br />
de Frequência ou qualquer<br />
dispositivo que possa ser<br />
integrado em uma rede de<br />
comunicação.<br />
ALERTA<br />
Toda vez que projetamos e montamos uma rede de<br />
automação, devemos tentar mantê-la em rede local (LAN)<br />
distante do acesso à rede externa (WAN), pois atualmente<br />
há vírus que podem causar descontroles em sistemas de<br />
supervisão do tipo Scada.<br />
12.3 Topologias<br />
Uma rede de comunicação é uma rede de trabalho na qual temos a interconexão<br />
de máquinas 1 ligadas a uma transmissão comum, de modo que qualquer uma<br />
pode transmitir dados para a outra que se encontre interligada à rede. Existem<br />
três principais topologias de comunicação de redes:<br />
• barramento (BUS);<br />
• estrela (STAR); e<br />
• anel (RING).<br />
Essas são as topologias mais comuns, pois com elas trabalhamos no “chão de<br />
fábrica”, já que atendem às necessidades da aplicação. Cada uma das topologias<br />
tem suas características que devem ser observadas no momento de projeto, para<br />
que o resultado seja a melhor escolha possível em termos de custo e desempenho.<br />
Nas figuras 54 a 56, temos a representação das topologias apresentadas:<br />
Figura 54 - Topologia Barramento (BUS)<br />
Fonte: Autor<br />
Figura 55 - Topologia Estrela (STAR)<br />
Fonte: Autor
12 Arquiteturas Básicas e Topologias<br />
85<br />
Figura 56 - Topologia Anel (RING)<br />
Fonte: Autor<br />
12.3.1 Barramento (bus)<br />
Na topologia de barramento, como o ponto de início e de fim da rede<br />
não estão relacionados, podemos minimizar o comprimento dos cabos de<br />
conexão entre os equipamentos. Basicamente, se tivermos apenas duas<br />
máquinas interligadas, poderemos observar que qualquer dano ao cabo<br />
causará falhas na comunicação da rede. O fato de os cabos serem reduzidos<br />
em comprimento facilita a manutenção e a montagem do meio físico da rede.<br />
Se esses equipamentos estiverem bem configurados na rede, poderemos<br />
adicioná-los ou removê-los sem causar distúrbios no funcionamento da rede.<br />
Exemplos deste tipo de comunicação são os Fieldbus (Modbus, Profibus,<br />
Devicenet, CAN etc), que foram desenvolvidos para substituir a comunicação do<br />
tipo ponto-a-ponto. A Ethernet é um dos exemplos mais modernos desse tipo de<br />
topologia e, apesar de não ser desenvolvida para a indústria, ela se tornou um<br />
padrão devido a sua larga escala de aplicações.<br />
SAIBA<br />
MAIS<br />
Para conhecer um pouco mais sobre protocolos abertos,<br />
acesse os sites das organizações do Modbus www.modbus.<br />
org e do Profibus www.profibus.org.br<br />
Os barramentos industriais de campo (Fieldbus) utilizados na atualidade<br />
são baseados em grande parte no meio físico da RS-485, e algumas já<br />
migrando para o meio físico TCP/IP. A RS-485 possui algumas desvantagens<br />
em relação ao TCP/IP, pois para a montagem do barramento as duas<br />
extremidades devem possuir resistências de terminação para a correta<br />
impedância da rede.
86 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Temos também um ponto importante em qualquer uma das topologias,<br />
que é a correta escolha do cabo de comunicação. O cabo deve ser específico<br />
para a necessidade. Como a maioria das instalações não possui esse cuidado, o<br />
desempenho do cabo é reduzido.<br />
CASOS E RELATOS<br />
Aumentando a velocidade de tráfegos<br />
Podemos citar o seguinte caso ocorrido no atendimento a um cliente.<br />
Verificamos que o cliente possuía uma rede Profibus-DP montada com cabo<br />
“manga” e conector DB-9 simples. A rede funcionava, porém precariamente.<br />
Como a rede Profibus-DP é uma rede de alta velocidade de tráfego de dados,<br />
suporta velocidades de até 12Mbps em 100 metros. O comprimento de cabo<br />
no local não passava de 30 metros, porém a velocidade máxima utilizada era de<br />
9600bps. A partir dessa situação, tomamos as seguintes ações:<br />
1. Troca do cabo manga por cabo Profibus modelo UNITRONIC BUS PB do<br />
fabricante LAPP CABLE, como verificamos na figura 57.<br />
LAPP KABEL STU I I GART UNITRONIC BUS PB FC<br />
Figura 57 - Cabo para comunicação Profibus-DP<br />
Fonte: LAPP GROUP, 2012<br />
2. Troca dos conectores DB-9 por conectores Profibus SUBCON-PLUS-PROFIB/<br />
SC2 do fabricante Phoenix Contact, como podemos ver na figura 58.<br />
Figura 58 - Conector para rede Profibus-DP<br />
Fonte: PHOENIX CONTACT, 2012<br />
O resultado imediato obtido com essas duas ações foi o aumento da<br />
velocidade de tráfego de dados, que passou de 9600bps para 12Mbps,<br />
aumentando o tempo de resposta do sistema de 3s para 0,03s.
12 Arquiteturas Básicas e Topologias<br />
87<br />
12.3.2 Estrela (star)<br />
Essa topologia consiste em um equipamento central que gerencia as informações<br />
de todos os equipamentos do sistema, recebendo os dados, tratando e transmitindo,<br />
conforme a necessidade. É a mais utilizada em médias e grandes corporações pela<br />
redução do custo, pois todas as estações de trabalho são conectadas a uma central. Esse<br />
tipo de topologia pode apresentar problemas quando a estação central de comunicação<br />
estiver desligada, podendo comprometer o funcionamento do sistema se ele depender<br />
de informações que venham de uma estação para a outra, passando pela central.<br />
FIQUE<br />
ALERTA<br />
A estação central nesse tipo de comunicação é o maior ponto<br />
de falhas. Uma estação central muito bem configurada nesse<br />
tipo de rede tem a capacidade de suportar muita demanda<br />
de informações ao mesmo tempo. Assim, pares de máquinas<br />
podem comunicar-se ao mesmo tempo utilizando cabos de<br />
comunicação ponto-a-ponto. Este tipo de topologia está<br />
ficando cada vez mais comum em ambientes industriais que<br />
possuam uma linha de produção de alta velocidade.<br />
Atualmente, um dos principais recursos para minimizar o tempo da estação central<br />
parada é a utilização de servidores de dados do tipo “Hot-StandBy” ou “Redundantes”.<br />
Esse tipo de equipamento consiste em uma dupla de máquinas idênticas, que têm<br />
ligação física por meio de barramentos ou até mesmo sem fio, e utiliza um software que<br />
as gerencia, escolhendo uma das duas para ser a principal e a outra, a reserva.<br />
As máquinas redundantes possuem um espelhamento dos dados e ficam<br />
100% do tempo trocando os dados para manter esse espelho atualizado. Em caso<br />
de falha na principal (queima do equipamento, desligamento acidental ou outro<br />
fator), a reserva passa a assumir todo o gerenciamento de dados, evitando, assim,<br />
que a estação central fique indisponível.<br />
Como exemplo dessa topologia temos situações de rede sem fio em que há um<br />
equipamento que gerencia a troca de dados, mais conhecido como “Access Point”. Outro<br />
exemplo pode ser visto na grande maioria dos sistemas de automação de processo do<br />
saneamento, que possui um sistema de supervisão central e utiliza rádios UHF para a<br />
troca de dados entre a central e as estações de bombeamento, recebendo dados lidos<br />
dos sensores e comandando o acionamento das bombas e válvulas.<br />
12.3.3 Anel (ring)<br />
Essa topologia é semelhante ao barramento, porém consiste em interligar as<br />
duas extremidades da rede no mesmo ponto, formando um tipo de anel, daí o nome<br />
da topologia. O anel pode ser simples ou redundante. Nesse caso, as mensagens<br />
são enviadas em uma direção em torno do anel. É obrigatório que nesse tipo de<br />
topologia a mensagem enviada seja removida pelo receptor (em caso de sucesso)<br />
ou pelo transmissor (em caso de falha), para evitar que entre em loop no anel e<br />
ocupe a rede, reduzindo seu desempenho.
88 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Se tivermos um rompimento nos canais de comunicação do anel, esse se torna<br />
uma rede idêntica à topologia do tipo barramento. Algumas normas especificam<br />
que dois anéis sejam utilizados, um em direção contrária ao outro, como pode ser<br />
visto na figura 59.<br />
Figura 59 - Topologia anel redundante<br />
Fonte: Autor<br />
Quando acontece uma interrupção em algum dos anéis, automaticamente o<br />
outro anel passa a fazer toda a comunicação. Veja a figura 60.<br />
Figura 60 - Topologia anel redundante com interrupção em um dos anéis<br />
Fonte: Autor<br />
No caso de acontecer uma falha nos dois anéis de comunicação, as extremidades<br />
automaticamente unem seus inícios e suas terminações para formar um único anel,<br />
conforme apresenta a figura 61, exatamente igual a uma topologia de anel simples.<br />
Figura 61 - Topologia anel redundante com interrupção nos dois anéis<br />
Fonte: Autor
12 Arquiteturas Básicas e Topologias<br />
89<br />
Recapitulando<br />
Neste capítulo vimos que existem dois tipos de redes de dados, a rede<br />
local (LAN) e a rede de longa distância (WAN). Aprendemos que na indústria<br />
encontraremos, na maioria das vezes, aplicações utilizando redes locais.<br />
Quanto às topologias, estudamos que as redes podem ser construídas em<br />
cinco principais formatos: barramento (BUS), estrela (STAR), anel (RING). Essas<br />
topologias são as mais utilizadas no chão de fábrica e atendem a todas as<br />
necessidades das aplicações. Cada uma delas possui características diferenciadas<br />
que devem ser observadas durante o projeto.
Modelo OSI aplicado a CLP e a<br />
barramentos de campo<br />
13<br />
De acordo com a definição do IEC/ISA-SP50, os barramentos de campo possuem três das<br />
sete camadas definidas pelo modelo OSI, da ISO:<br />
1. camada física,<br />
2. camada de enlace, e<br />
3. camada aplicativa.<br />
Possuem também uma quarta camada, ainda sem previsão de normalização pelo IEC, que é<br />
denominada camada do usuário (“a oitava camada”).<br />
A divisão em camadas permite a livre implementação do sistema de comunicação, desde<br />
que obedecidas as interfaces entre as camadas e o protocolo (regras/linguagem) de cada<br />
camada. Vamos conhecer resumidamente cada camada.<br />
13.1 Camada física<br />
Define o meio físico que transporta o sinal entre os equipamentos e também os circuitos<br />
e regras para a modulação do sinal no meio físico. Possui as seguintes características técnicas:<br />
• meio físico: foram definidos três meios físicos – par de fios (RS-232, RS-485), fibra ótica<br />
e rádio. A normalização para par de fios já foi aprovada pela ISA-SP5O e está disponível<br />
como publicação da ISA, sob o título “ISA-S50.02 part 2: physical layer specification and<br />
service definition”;<br />
• taxa de comunicação: estão previstas taxas de comunicação de 31.25 kbit/s até 100<br />
megabits;<br />
• número de equipamentos no barramento (31.25 kbit/s): para sistema sem alimentação<br />
via barramento e sem segurança intrínseca de 1 a 32 equipamentos. Com segurança<br />
intrínseca e alimentação, de 2 a 6 equipamentos. Sem segurança e com alimentação, de 1<br />
a 12 equipamentos.
92 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL • máxima distância: até 1.900 metros para 31.25 kbit/s, sem repetidores<br />
(máximo número de repetidores igual a 4). Até 750 metros para 1 megabits.<br />
Até 500 metros para 2.5 megabits. Até 100 metros para 12 megabits;<br />
• topologias: tipo de barramento em que os equipamentos estão conectados<br />
por braços que saem de diferentes pontos do barramento principal ou tipo<br />
árvore em que os braços saem do mesmo ponto do barramento;<br />
• alimentação: 9 a 32 VDC;<br />
• isolação galvânica obrigatória;<br />
• redundância: duplicação da fiação e dos circuitos de transmissão e recepção.<br />
VOCÊ<br />
SABIA?<br />
Quando ouvimos falar em velocidade de comunicação,<br />
acreditamos que se refere à transferência de bytes de dados.<br />
Mas, às vezes, a quantidade de informações transferidas é muito<br />
maior do que simplesmente dados, podendo chegar até 70%<br />
de informações de mensagem e 30% apenas de dados. Por isso,<br />
é muito importante conhecer bem o protocolo a ser utilizado e<br />
escolher corretamente a velocidade de comunicação.<br />
A maioria das comunicações de campo oferece uma topologia de comunicação<br />
em que os segmentos devem ser conectados utilizando repetidores. Para<br />
conectar equipamentos em um segmento de comunicação, podemos utilizar<br />
uma pequena distância de cabos. A faixa de alcance de uma comunicação é de<br />
aproximadamente 2.000 metros. Os periféricos de porte médio utilizam um par<br />
de cabos blindados e trançados. Lembramos, também, que tanto a fibra ótica<br />
quanto a rádio frequência se encontram disponíveis para esse fim. Atualmente, já<br />
encontramos uma mistura de comunicação com cabos e sem fio.<br />
FIQUE<br />
ALERTA<br />
A instalação de fibra ótica não é simples, pois necessita de<br />
equipamentos adequados para a realização de sua fusão.<br />
Dependendo da distância que deverá ser coberta pela fibra<br />
ótica, os custos ficam muito elevados e podem ultrapassar<br />
os orçamentos previstos para o projeto.<br />
13.2 Camada de enlace<br />
Esta camada define a forma de acesso dos equipamentos na rede para evitar<br />
colisões de dados e ainda garante a integridade das mensagens que possuem<br />
código acrescentado na mensagem para ser verificado em terminais, mais<br />
conhecido como CRC. Possui as seguintes características técnicas:<br />
• acesso à rede: existem três meios para acessar o barramento. O primeiro modo é<br />
aquele em que recebemos do gerenciador ativo do barramento o token (ou seja,<br />
uma ficha), o segundo modo é por meio da requisição de um token com um código<br />
nas mensagens de resposta, e o terceiro modo é por meio de uma resposta imediata<br />
requerida por um equipamento mestre (aquele que inicia a passagem da ficha);
13 Modelo OSI aplicado a CLP e a barramentos de campo<br />
93<br />
• modelo produtor/consumidor: os produtores de variáveis colocam-nas num<br />
buffer que pode ser acessado pelo consumidor sem envolvimento com o produtor;<br />
• atualização cíclica: é possível programar o gerenciador ativo para<br />
ciclicamente assumir o token e, por meio do sistema de resposta imediata,<br />
fazer a atualização das variáveis;<br />
• referência de tempo: existem recursos para manter uma referência de<br />
tempo única na rede, de forma a permitir o sincronismo das atividades no<br />
barramento que influenciam os processos;<br />
• endereçamento: os barramentos podem ser interconectados, e mais de<br />
100.000 variáveis ou os equipamentos podem ser unicamente endereçados.<br />
13.3 Camada de aplicação<br />
A camada de aplicação define a notação das mensagens e a forma como<br />
elas devem ser transmitidas (ciclicamente, imediatamente, apenas uma vez,<br />
ou quando solicitado pelo consumidor). O gerenciamento das mensagens é<br />
também de responsabilidade do grupo que está definindo esta camada. Ele é o<br />
responsável pela inicialização do sistema, levantamento estatístico e relato de<br />
falhas para o usuário.<br />
13.4 Camada do usuário<br />
A camada do usuário foi criada para garantir uma utilização das atuais<br />
aplicações do usuário, tendo muitas vezes como padrão o 4-20 mA para o<br />
sistema fieldbus. Essa camada define os vários blocos funcionais utilizados<br />
hoje no setor de controle de processo industrial (algoritmos, parâmetros de<br />
entrada e saída, alarmes).<br />
Recapitulando<br />
Aprendemos que os barramentos de campo utilizam apenas três das sete<br />
camadas definidas pelo modelo OSI. Essas camadas são a camada física, que<br />
é responsável por definir o tipo do meio físico (RS-232, RS-485), número de<br />
equipamentos, velocidade de transmissão, e outros; a camada de enlace,<br />
responsável por definir a forma de acesso dos equipamentos na rede em relação<br />
as suas mensagens; e a camada aplicativa, que é responsável por definir a forma<br />
de transmissão das mensagens.
Redundância<br />
14<br />
Após estudarmos os tipos de topologia (anel, estrela e barramento), veremos agora que esses<br />
três tipos também podem ser implementados utilizando a redundância. Redundância pode<br />
ser definida como “Repetição”. Nas figuras 62 a 65 temos os esquemas das três topologias que<br />
utilizam redundância em cada uma delas.<br />
SAIBA<br />
MAIS<br />
Para conhecer um pouco mais sobre redundância em redes de<br />
comunicação, veja esses documentos:<br />
http://www.altus.com.br/site_ptbr/index.php?option=com_content&v<br />
iew=article&id=285&Itemid=176.<br />
www.smar.com/PDFs/Misc/Redundancy_Smar_Port.pdf<br />
Figura 62 - Topologia redundante em anel<br />
Fonte: INSTRUMENT SOCIETY OF AMERICA, 1992
96 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Computadores<br />
com 2 placas<br />
de rede<br />
Switch<br />
primário<br />
HSE<br />
Switch<br />
secundário<br />
Linking Device<br />
redundante com<br />
1 porta ETH cada<br />
H1<br />
Linking<br />
Device Sem<br />
redundância<br />
com 2 portas<br />
ETHERNET<br />
H1<br />
Linking Device<br />
redundante com<br />
2 portas ETH cada<br />
(redundância de<br />
supervisão)<br />
Figura 63 - Topologia redundante em estrela<br />
Fonte: INSTRUMENT SOCIETY OF AMERICA, 1992<br />
Figura 64 - Topologia redundante em barramento<br />
Fonte: INSTRUMENT SOCIETY OF AMERICA, 1992<br />
Figura 65 - Topologia redundante em duplo anel<br />
Fonte: INSTRUMENT SOCIETY OF AMERICA, 1992
14 Redundância<br />
97<br />
FIQUE<br />
ALERTA<br />
Ao projetar um sistema redundante, devemos saber quais<br />
são as reais necessidades do cliente, pois a implementação<br />
de uma rede com essas características possui um custo muito<br />
elevado e pode não trazer o retorno esperado pelo cliente.<br />
Abaixo segue a descrição de dois tipos distintos de redundância.<br />
14.1 Sistema de controle redundante<br />
Utilizamos a redundância no sistema de controle quando queremos aumentar<br />
a disponibilidade dos barramentos que possuem apenas um mestre. Este tipo de<br />
redundância pode prevenir a falha do sistema de controle em caso de falta de<br />
alimentação do campo. Na figura 66 temos o esquema básico de um sistema de<br />
controle redundante.<br />
Control Station 1<br />
(Central Processing)<br />
Direct<br />
Coupling<br />
Control Station 2<br />
(Central Processing)<br />
Master Station 1<br />
Master Station 2<br />
Bus a<br />
(Bus b)<br />
Figura 66 - Sistema de controle redundante<br />
Fonte: PROFIBUS INTERNATIONAL, 1997<br />
No esquema apresentado na figura 66, apenas um dos mestres está ativo,<br />
sendo eleito na inicialização do sistema. O outro passa a ser reserva e recebe os<br />
dados através do acoplamento direto para ter sua memória atualizada em caso<br />
de falha no mestre principal, passando a assumir todo o controle, sem reações<br />
indesejáveis no sistema.<br />
VOCÊ<br />
SABIA?<br />
A redundância na indústria petroquímica aplica-se tanto para<br />
o sistema de controle como para o meio físico, principalmente<br />
para sistemas de segurança, garantindo a disponibilidade em<br />
100% do tempo, pois é um sistema crítico.<br />
14.2 Redundância de meio físico<br />
Utilizamos a redundância quando queremos aumentar a confiabilidade do<br />
barramento de campo. Quando implementada, a redundância consiste em<br />
dois barramentos físicos distintos (barramento A e barramento B) com dois<br />
transceptores não interconectados de forma alguma, gerando total independência<br />
das informações que trafegam por eles. A seguir, veja o diagrama de ligação de<br />
uma rede redundante.
98 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Bus a<br />
LSS !<br />
Comunications<br />
Microprocessor<br />
+ - / - + UART Controller<br />
RxD-a RxD -b TxD<br />
Transcceiver<br />
a<br />
Transcceiver<br />
b<br />
Bus b<br />
Figura 67 - Redundância por meio do Profibus-PA<br />
Fonte: PROFIBUS INTERNATIONAL, 1997<br />
O princípio básico da redundância do meio físico é o envio simultâneo de uma<br />
mensagem para dois transceptores, e eles enviam as mensagens recebidas para seus<br />
respectivos barramentos “A” e “B”. As mensagens enviadas pelos escravos do campo<br />
são tratadas pelo mestre em um dos barramentos escolhidos na inicialização, e caso<br />
esse falhe, o mestre assume o próximo barramento como principal.<br />
Recapitulando<br />
Neste capítulo vimos que as topologias apresentadas anteriormente<br />
também podem ser implementadas utilizando-se o recurso conhecido como<br />
redundância, que é uma “repetição” da topologia. Aprendemos que o objetivo é<br />
garantir disponibilidade total do sistema durante a operação, e que a redundância<br />
pode ser realizada no sistema de controle (controlador programável, ou sistema<br />
de supervisão) ou no meio físico (remota de I/O ou escravo da rede).
14 Redundância<br />
99<br />
Anotações:
Sistemas Distribuídos<br />
15<br />
Os sistemas distribuídos consistem em equipamentos geograficamente dispersos e em vários<br />
pedaços, porém interconectados, e que trabalham de forma cooperativa. Em vez de possuir<br />
apenas um dispositivo central controlando todo o processo/máquina, cada setor ou área tem<br />
seu computador de controle. Por exemplo, em uma fábrica de alimentos podemos ter um setor<br />
controlando a parte de líquidos e outro setor que controla a parte seca. O sistema distribuído<br />
também é utilizado com um protocolo que controla apenas as entradas e saídas de controle.<br />
Em outras palavras, a filosofia de sistemas distribuídos consiste em colocar a capacidade<br />
de processamento e armazenamento junto ao usuário final, e a intercomunicação entre os<br />
elementos do sistema permite ao usuário o acesso a dados e recursos localizados remotamente.<br />
É preciso ter muita atenção, pois essas definições citam o “Sistema de Controle Distribuído” (SDCD)<br />
e também os Sistemas Distribuídos. Apesar de serem bem parecidos, como o nome diz, um realiza o<br />
controle em locais diferentes, e o outro, não.<br />
VOCÊ<br />
SABIA?<br />
O precursor de sistemas distribuídos foi o SDCD, apesar de ter o<br />
controle também distribuído. Esse sistema levou os controladores<br />
programáveis a evoluir, tanto que hoje os SDCDs estão sendo<br />
substituídos por controladores programáveis com os I/O distribuídos.<br />
SAIBA<br />
MAIS<br />
Conheça a última geração de SDCDs, que são ainda muito utilizados,<br />
acessando este site:<br />
http://www2.emersonprocess.com/en-US/brands/deltav/Pages/index.aspx<br />
Os protocolos dos barramentos industriais são canais de comunicação gerenciados<br />
pelo processador do controlador lógico programável e trazem informações de dispositivos<br />
de entradas e saídas (I/O) discretas e analógicas, podendo ser desde uma remota até um<br />
sensor/atuador inteligente. Quando falamos em sensor/atuador inteligente, devemos<br />
lembrar que ele não precisa do controlador lógico programável para funcionar e realizar o<br />
controle, e que apenas o utiliza para levar as informações, na maioria das vezes, ao sistema<br />
de supervisão e controle.
102 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL FIQUE<br />
ALERTA<br />
O sistema de supervisão não deve ter lógicas de controle<br />
implementadas na aplicação, pois geralmente, está<br />
instalado em um computador que não é industrial. Desse<br />
modo, se houver um problema no computador, o processo/<br />
máquina irá parar e comprometer toda a produção,<br />
Podemos também dizer que uma comunicação de campo pode ser utilizada<br />
para interligar uma célula de produção a outra, mas devemos observar que esta<br />
não é uma aplicação da comunicação dos barramentos de campo. Na figura 68 é<br />
ilustrada a utilização da comunicação de campo.<br />
Controlador<br />
Lógico<br />
Programável<br />
Estação de<br />
Supervisão<br />
e Controle<br />
Interface Fieldbus<br />
Interface Fieldbus<br />
fieldbus<br />
&<br />
Interface<br />
de I / O<br />
fieldbus<br />
&<br />
Interface<br />
de I / O<br />
FIELDBUS<br />
fieldbus<br />
&<br />
Interface<br />
de I / O<br />
SENSORES<br />
ATUADORES<br />
PROCESSO<br />
Figura 68 - Sistema com entradas e saídas distribuídas<br />
Fonte: Autor<br />
São algumas vantagens desse tipos de sistemas:<br />
• maior controle do usuário final: o usuário final utiliza seu próprio sistema;<br />
assim, o acessa quando for necessário, não precisando competir pelo uso do<br />
sistema central com os outros usuários;<br />
• maior eficiência: o usuário final utiliza máquinas de pequeno porte, com<br />
aplicações dedicadas, obtendo, assim, melhor tempo de resposta;<br />
• maior disponibilidade: como o sistema é constituído independentemente,<br />
se um equipamento falhar os outros ficarão funcionando sem nenhum<br />
problema, impedindo que o sistema pare por completo;<br />
• modularidade: o sistema pode ser desenvolvido gradualmente, começando<br />
com um pequeno número de máquinas que processam poucas aplicações,<br />
podendo posteriormente aumentar o sistema;<br />
• flexibilidade: sendo necessário, um equipamento pode ser substituído,<br />
expandido, alterado ou retirado sem afetar os demais.
15 Sistemas Distribuídos 103<br />
Sistema de Controle Distríbuído<br />
Controller<br />
Controller<br />
Data High Way<br />
Central Control Room<br />
Controller<br />
Controller<br />
Sistema Centralizado<br />
Central Control Room<br />
Computer<br />
Figura 69 - Comparativo entre sistema distribuído e sistema centralizado.<br />
Fonte: SENAI/MG, [s/d]<br />
Recapitulando<br />
Aprendemos, neste capítulo, que o Controlador Programável para foram menos<br />
utilizados do que os sistemas mais complexos de controle, principalmente, para os<br />
sistemas da indústria petroquímica conhecidos como SDCDs – Sistemas Digitais de<br />
Controle Distribuído. Vimos, também, que o Controlador Programável foi a base para<br />
o grande desenvolvimento das redes, até conseguirmos um sistema com pontos de<br />
I/O distribuídos pelo campo. Estudamos que esse sistema pode ser chamado de<br />
sistema distribuído, pois possui o controle centralizado e as informações de estado<br />
distribuídas pelo campo. Concluindo, aprendemos que as vantagens do sistema<br />
distribuído são o maior controle por parte do usuário final, a maior eficiência do<br />
sistema, a maior disponibilidade de operação, a modularidade e a flexibilidade.
Meios Físicos<br />
16<br />
Conforme visto no capítulo que abordou o modelo OSI aplicado a controladores lógicos<br />
programáveis e a barramentos de campo, verificamos que o modelo OSI define os meios físicos<br />
para a utilização. Vamos agora detalhar cada um deles.<br />
VOCÊ<br />
SABIA?<br />
Cada cabo fabricado possui uma característica técnica e, também, uma<br />
construção especial para realizar tarefas específicas. Um dos grandes<br />
problemas encontrados na área técnica, no Brasil, é que misturamos<br />
os cabos e suas funções, ou seja, generalizamos a utilização de<br />
cabeamento. Por exemplo: em muitas instalações encontramos um cabo<br />
sendo utilizado para rede de comunicação, que também está sendo<br />
empregado para transmissão de sinal analógico de sensores (4-20mA).<br />
16.1 Par trançado<br />
Este meio físico é o mais difundido por ter seu custo de implementação reduzido. O mais<br />
comum é o RS-485 e o RS-232. O RS-232 é pouco utilizado, mas ganha força com a utilização de<br />
um conversor (hardware) de meio físico de RS-232 para RS-485. Podemos dizer que o RS-232 é<br />
utilizado para conectar um equipamento ponto-a-ponto, como, por exemplo, a programação<br />
de um dispositivo ou a comunicação com modem. O RS-485 tem sua constituição mais robusta<br />
e imune aos ruídos e interferências com a utilização da malha de blindagem; por este motivo,<br />
é o mais utilizado na indústria.<br />
LAPP KABEL STU I I GART UNITRONIC BUS LD<br />
Figura 70 - Cabo para comunicação de dados RS-485, com malha<br />
Fonte: LAPP GROUP, 2012<br />
SAIBA<br />
MAIS<br />
Para conhecer uma vasta gama de cabos e suas aplicações específicas,<br />
visite o site da Lapp Kable: www.lappgroup.com<br />
Para conhecer as normas EIA/TIA-568-B visite o site: http://www.tiaonline.org/<br />
O par trançado, como o próprio nome diz, são dois fios enrolados em espiral, de forma a<br />
reduzir o ruído e manter constantes as propriedades elétricas do meio físico ao longo de todo o<br />
seu comprimento. Também permite a transmissão analógica ou digital. Esse cabo é classificado<br />
em seis categorias, por isso apresentamos as características de três categorias, de acordo com<br />
sua capacidade de utilização e aplicação. A seguir:
106 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Categoria Descrição<br />
Categoria 3<br />
Transmite tanto voz como dados. Pode chegar à uma velocidade<br />
de até 10 Mbps. Pode ser usada em redes Ethernet, Fast<br />
Categoria 4<br />
Categoria 5<br />
Ethernet e Token Ring.<br />
Tem a mesma utilidade dos cabos da categoria 3, mas sua<br />
velocidade chega a 20 Mbps.<br />
Pode ser usado em redes Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet,<br />
Token Ring e ATM. Sua velociade chega a 155 Mbps.<br />
Quadro 4 - Categorias dos cabos segundo a norma EIA/TIA-568-B<br />
Fonte: Energy information administration, [s/d].<br />
Podemos encontrar vários tipos de conexão, como, por exemplo, os conectores<br />
DB-9, os bornes de conexão e os conectores circulares.<br />
CASOS E RELATOS<br />
A causa escondida do problema<br />
O grande problema que encontramos na utilização dos cabos é sua má<br />
utilização, pois os técnicos pensam que qualquer cabo pode fazer o trabalho<br />
de um cabo de rede. Certa vez, fomos contratados para realizar a automação de<br />
uma estação de bombeamento de água bruta que havia sida inaugurada há uns<br />
três anos, porém nunca tinha operado automaticamente.<br />
Ao chegar na estação de bombeamento, nos deparamos com uma instalação<br />
que possuía em seu controle principal um Controlador Lógico Programável<br />
e dois inversores (um para cada bomba) interligados através de uma rede de<br />
comunicação com protocolo Modbus-RTU. Como todos os equipamentos<br />
estavam próximos, pensamos que a automação daquela estação seria simples.<br />
Após desenvolvermos o software para o Controlador Programável, fomos realizar<br />
alguns testes de comunicação para nos certificarmos de que as informações<br />
que seriam trazidas dos inversores estavam corretas.<br />
Para nossa surpresa, o resultado foi desastroso, pois os equipamentos<br />
simplesmente não comunicavam. Ao realizar o teste individual com cada um<br />
dos equipamentos e obter um resultado satisfatório, sobrou-nas apenas uma<br />
causa para o problema: a montagem incorreta da rede.<br />
Como resultado da péssima instalação realizada pela empresa anterior,<br />
foi necessário colocar um cabo para rede RS-485 de uso interno, retirando<br />
os cabos de energia que estavam sendo utilizados para a montagem da<br />
rede. Outra medida realizada em conjunto foi a passagem de eletrodutos<br />
galvanizados somente para a rede de comunicação, isolando os cabos de<br />
alimentação dos inversores e dos motores que estavam gerando interferência.
16 Meios Físicos 107<br />
16.2 Cabo coaxial<br />
Outro meio físico é o cabo coaxial, no qual o condutor consiste em um núcleo<br />
interno de cobre circundado por condutor externo, tendo um dielétrico separando<br />
condutores. O condutor externo é ainda circundado por outra camada isolante,<br />
conforme verificamos na figura 71.<br />
LAPP KABEL STU I I GART RG - 213 / U<br />
Figura 71 - Cabo coaxial<br />
Fonte: LAPP GROUP, 2012<br />
Este tipo de cabo possui uma grande variedade de construções, sendo<br />
alguns melhores para altas frequências, outros mais imunes a ruídos etc. Os<br />
cabos possuem alta qualidade e, por causa disso, tendem a não ser maleáveis,<br />
o que torna a instalação um pouco difícil. Em sua forma construtiva, mantêm<br />
uma capacitância constante e baixa, permitindo que trabalhemos com taxas<br />
mais altas de transmissão. Por causa desta característica, esse tipo de cabo<br />
sempre foi muito utilizado para a transmissão de áudio e vídeo, e é muito<br />
encontrado em instalações de antenas de televisão em nossas casas.<br />
Existem cinco tipos de conectores para serem utilizados com cabos<br />
coaxiais em redes de computadores, são eles conector BNC padrão macho,<br />
conector BNC tipo”T”, conector BNC tipo “i”, conector transceiver, conector<br />
BNC de terminação.<br />
16.3 Fibra ótica<br />
Um dos meios físicos mais interessantes é a fibra ótica. Seu núcleo pode ser<br />
construído em vidro ou em plástico. A transmissão é realizada pelo envio de um<br />
sinal de luz codificado, dentro do domínio de frequência do infravermelho na<br />
grandeza de 10^12 até 10^14 Hz. Devido a essa característica, caso seja instalada<br />
corretamente, a fibra ótica é totalmente imune a ruídos elétricos. Por não terem<br />
contato elétrico entre as partes, o isolamento entre o transmissor e o receptor não<br />
precisa ser no mesmo ponto podemos utilizar aterramentos distintos.<br />
Os únicos problemas apresentados são o alto custo de implantação e a<br />
necessidade de junção de fibras em longas distâncias.<br />
Figura 72 - Fibra ótica<br />
Fonte: LAPP GROUP, 2012
108 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL FIQUE<br />
ALERTA<br />
Não utilize cabos multifunção, pois eles não são<br />
específicos, apresentam falhas durante a operação e<br />
podem comprometer o desempenho final. Muitas vezes,<br />
um sistema pode ficar inoperante durante um bom<br />
tempo, até que se descubra que o cabo é o causador dos<br />
problemas. Por isso, utilize sempre o cabo adequado.<br />
SAIBA<br />
MAIS<br />
Resumo das normas.<br />
EIA/TIA 568 Especificação geral sobre cabeamento<br />
estruturado em instalações comerciais.<br />
EIA/TIA 569 Especificações gerais para encaminhamento<br />
de cabos (infraestrutura, canaletas, bandejas, eletrodutos,<br />
calhas).<br />
EIA/TIA 570 Especificação geral sobre cabeamento<br />
estruturado em instalações residenciais.<br />
EIA/TIA 607 Especificação de aterramento<br />
Recapitulando<br />
Neste capítulo apresentamos o meio físico mais utilizado atualmente<br />
na indústria, que é o par trançado. Ele pode ser encontrado nas redes que<br />
utilizam os padrões RS-232 e RS-485, e também a Ethernet. Aprendemos<br />
que o cabo coaxial é um dos mais antigos, devido a suas características<br />
construtivas, e continua sendo utilizado em larga escala para a transmissão<br />
de áudio e vídeo. Concluído este capítulo, vimos que a fibra ótica é o meio<br />
físico mais moderno e, por isso, tem sido amplamente utilizada devido,<br />
principalmente, à sua imunidade e às altas taxas de transmissão.
Anotações:<br />
16 Meios Físicos 109
Tipos de Comunicação de Dados<br />
17<br />
Os tipos de comunicação dos dados entre Controladores Lógicos Programáveis, ou entre<br />
Sistema de Supervisão e Controladores Lógicos Programáveis, devem ser definidos. Existem<br />
Controladores Lógicos Programáveis que se comunicam em redes com protocolos abertos<br />
(tipo de rede utilizada por diferentes fabricantes) ou em redes com protocolos proprietários<br />
(tipo de rede utilizada apenas pelo fabricante). Definiremos dois modelos de rede descritos<br />
como Origem/Destino e Produtor/Consumidor. Vamos ver cada um deles.<br />
17.1 Rede do tipo origem/destino<br />
Nesse tipo de configuração, os dados são transmitidos/recebidos do nó fonte para um<br />
destino específico. A ação sincronizada entre os nós é muito difícil, uma vez que os dados<br />
chegam aos nodos em momentos diferentes. Nesse tipo de rede existe o desperdício de<br />
recursos em função da repetição dos mesmos dados quando apenas o destino é diferente.<br />
17.2 Rede do tipo produtor/consumidor<br />
Em relação à rede do tipo produtor/consumidor, os dados são transmitidos/recebidos do nó<br />
fonte para todos os nós da rede simultaneamente. Em uma mesma rede podem trafegar dados<br />
de controle, de Entradas e Saídas Digitais e Analógicas, e também dados de configuração,<br />
podendo dar prioridade para os dados de Entradas e Saídas.<br />
Os sistemas do tipo Produtor/Consumidor possuem várias divisões e podemos citar o<br />
Mestre/Escravo, Multimestre ou Ponto-a-Ponto. A troca de dados pode ser do tipo cíclico, ou<br />
seja, os dispositivos produzem os dados a uma taxa configurada pelo programador. Lembre-se<br />
de que esta taxa deve sempre estar dentro do intervalo de atualização aceito no projeto.<br />
Em uma rede do tipo Produtor/Consumidor, os dados são identificados pelo conteúdo e<br />
não pela origem e/ou destino. No cabeçalho da mensagem encontra-se apenas a informação<br />
do número da mensagem e, assim, os dispositivos que precisam deste dado a “consomem”. Esta<br />
tecnologia de redes permite que os dados síncronos de Entradas e Saídas sejam adquiridos em<br />
intervalos específicos e que dados não síncronos como uploads, downloads, configuração e<br />
programação sejam transferidos em intervalos não programados. Esses dois tipos de tráfego são<br />
suportados pela rede sem que um tipo venha interferir no outro.
<strong>11</strong>2 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Figura 73 - Tipo de rede Produtor/Consumidor<br />
Fonte: ALLEN BRADLEY, [s/d]<br />
17.2.1 Comunicação mestre/escravo<br />
Nesse tipo de comunicação, a estação Mestre é fixa e somente ela é capaz de<br />
iniciar as mensagens. Os dispositivos do tipo Escravo trocam dados apenas com<br />
o Mestre, informando somente os dados solicitados. Esse tipo de rede suporta<br />
apenas um Mestre e múltiplos Escravos.<br />
VOCÊ<br />
SABIA?<br />
A comunicação do tipo Mestre/Escravo é a mais utilizada na<br />
indústria, principalmente quando queremos comunicar um<br />
Controlador Programável com um sistema de supervisão,<br />
podendo ser um computador PC, industrial ou até mesmo<br />
uma IHM. Esta situação é bem comum em pequenas<br />
plantas e, também, em máquinas.<br />
Figura 74 - Tipo de rede Mestre/Escravo<br />
Fonte: ALLEN BRADLEY, [s/d]
17 Tipos de Comunicação de Dados <strong>11</strong>3<br />
17.2.2 Comunicação multimestre<br />
Esse tipo de comunicação é exatamente idêntico ao Mestre/Escravo, porém<br />
com a diferença que a comunicação MultiMestre suporta mais do que um Mestre.<br />
Figura 75 - Tipo de rede MultiMestre<br />
Fonte: ALLEN BRADLEY, [s/d]<br />
17.2.3 Comunicação ponto-a-ponto<br />
Um par de estações toma o controle da rede por vez para trocar informações<br />
entre elas. Não é realizado o polling para verificar se a estação receptora está ativa<br />
e possui mensagens para enviar. Os dispositivos podem trocar dados com mais de<br />
um dispositivo, ou múltiplas trocas com o mesmo dispositivo.<br />
*** ***<br />
Figura 76 - Tipo de rede Ponto-a-Ponto<br />
Fonte: ALLEN BRADLEY, [s/d]<br />
17.2.4 Multitransmissão<br />
Nessa situação, os dados são transmitidos simultaneamente para todos os<br />
equipamentos da rede.
<strong>11</strong>4 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 17.2.5 Passagem de ficha<br />
Nesse tipo de rede não existe Mestre nem Escravo, e a cada instante uma<br />
estação está no controle da rede, quando envia e recebe seus dados. Após receber<br />
seus dados, passa a vez para a próxima estação, que também deverá enviar e<br />
receber seus dados, e assim por diante.<br />
FIQUE<br />
ALERTA<br />
Alguns tipos de comunicação são bem parecidos. Por<br />
esse motivo, devemos ter muita atenção no momento<br />
do projeto para não haver confusão. Antes de projetar a<br />
rede, devemos verificar com o fabricante a capacidade de<br />
cada um dos equipamentos a serem instalados e garantir<br />
que podem ser interligados; caso contrário, a rede não irá<br />
funcionar.<br />
Recapitulando<br />
Aprendemos a identificar de que forma os dados podem ser trocados entre<br />
os equipamentos de uma rede. Vimos, também, que podemos definir dois<br />
modelos que se adequam ao Controlador Programável e podem ser descritos<br />
como origem/destino e produtor/consumidor. Neste capítulo soubemos que<br />
no modelo produtor/consumidor se encontram quase todos os tipos de troca<br />
de dados, dos quais podemos citar os protocolos do tipo Mestre/Escravo,<br />
Multimestre, ponto-a-ponto, passagem de ficha e multitransmissão.
Anotações:<br />
17 Tipos de Comunicação de Dados <strong>11</strong>5
Métodos de Troca de Dados<br />
18<br />
Existem três tipos de métodos para troca de dados, entre eles o Cíclico, o Não Solicitado e o<br />
Polling. Vamos detalhar um pouco mais cada um dos três métodos.<br />
18.1 Cíclico<br />
Neste método, os dispositivos produzem dados a uma certa taxa configurada pelo<br />
programador. Novamente, o intervalo máximo de atualização deve estar no valor definido em<br />
projeto, e o valor da taxa de atualização também.<br />
A transferência de dados cíclica é eficiente devido ao fato de os dados serem<br />
transferidos numa taxa adequada ao dispositivo/aplicação. Desse modo, os recursos<br />
podem ser preservados pelos dispositivos com alta variação e maior determinismo.<br />
Esse método é compatível com a utilização dos tipos de comunicação Mestre/Escravo,<br />
Multimestre, ponto-a-ponto e multitransmissão.<br />
a cada 100ms<br />
a cada 5ms<br />
a cada 2000ms<br />
Analógica<br />
l / O<br />
Figura 77 - Método cíclico<br />
Fonte: ALLEN BRADLEY, [s/d]<br />
FIQUE<br />
ALERTA<br />
Para não haver confusão entre os métodos de comunicação cíclico e<br />
polling nas diferenças das redes de comunicação, utilize corretamente<br />
os recursos da rede.
<strong>11</strong>8 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 18.2 Não solicitada (unsolicited)<br />
Neste tipo de troca de dados os dispositivos produzem mensagens quando existe<br />
alguma alteração no valor (estado) de certa memória, otimizando, assim, a transferência<br />
dos dados trocados entre dois equipamentos. Uma mensagem é enviada ciclicamente<br />
para ver se os equipamentos estão ativos ou com falha. Um sinal é uma mensagem<br />
em segundo plano e é transmitido ciclicamente para confirmar que o dispositivo está<br />
ok. A mudança de estado é eficiente porque se reduz significativamente o tráfego da<br />
rede e recursos não são desperdiçados processando-se dados antigos.<br />
Digital<br />
l / O<br />
Figura 78 - Método Não Solicitado<br />
Fonte: ALLEN BRADLEY, [s/d]<br />
CASOS E RELATOS<br />
O método correto para determinado evento<br />
Vamos analisar o caso de um sistema que roda executando ciclos de atualização do<br />
método de mensagem não solicitada (unsolicited). Uma das grandes áreas de atuação<br />
da automação é o setor de energia elétrica. Toda vez que uma nova subestação de<br />
energia elétrica é construída, uma norma da ANEEL solicita as concessionárias a<br />
instalarem um sistema de supervisão em plataforma Unix, conhecida como SAGE<br />
– Sistema Aberto de Gerenciamento de Energia. Veja a resolu;áo normativa n o<br />
338/2008 da ANEEL (www.aneel.gov.br/cedoc/ren2008333.pdf), e o Sistema Aberto<br />
de Gerenciamento de Energia (SAGE), no site www.sage.cepel.br.<br />
Assim, além da instalação de um sistema de supervisão para monitoração e<br />
controle de toda a estação, também há necessidade da instalação do SAGE, que<br />
está interligado diretamente à agência de energia, em Brasília. Toda vez que ocorrer<br />
um evento, como a abertura de uma seccionadora, por exemplo, o controlador<br />
programável armazena a informação em uma placa especial de eventos (por meio<br />
do que chamamos de time-stamp), com precisão de centésimos de segundos.<br />
Automaticamente, o SAGE é informado pelo método de mensagem não solicitada.<br />
Dependendo do tamanho da subestação, são milhares de pontos monitorados e,<br />
no caso de algum evento, as informações devem ser enviadas em tempo real, o que<br />
torna os métodos de polling ou cíclico inviáveis para esse tipo de aplicação.
18 Métodos de Troca de Dados <strong>11</strong>9<br />
18.3 Polling<br />
O “Polling” é uma mensagem enviada pelo equipamento central à rede, sendo que<br />
os outros equipamentos só poderão responder a esta solicitação se ela for enviada<br />
com destino a ele. O desempenho deste tipo de rede depende principalmente do<br />
equipamento principal, porém a falta de algum outro nó não afetará a rede.<br />
Este método é utilizado em sistemas do tipo Mestre/Escravo e também na<br />
MultiMestre.<br />
Figura 79 - Método de Polling<br />
Fonte: ALLEN BRADLEY, [s/d]<br />
Recapitulando<br />
Neste capítulo conseguimos identificar os métodos utilizados para<br />
transportar os dados entre os equipamentos de uma mesma rede. Aprendemos<br />
que esses métodos são o cíclico, o não solicitado e o polling. Estudamos<br />
que no método cíclico os equipamentos geram os dados a uma certa taxa<br />
configurada pelo programador. No método não solicitado, os equipamentos<br />
geram os dados quando existe alguma alteração no estado de uma certa<br />
memória, otimizando, assim, o canal de comunicação de dados. Já no método<br />
de polling aprendemos que o equipamento central envia uma mensagem à<br />
rede, sendo que os equipamentos só responderão as mensagens que forem<br />
enviadas com destino eles.
Protocolos <strong>Industriais</strong><br />
19<br />
Cada fabricante possui protocolos de comunicação de dados conhecidos como proprietários.<br />
Em vez de analisar cada um desses protocolos, estudaremos alguns protocolos abertos.<br />
Os protocolos de comunicação têm a função de estabelecer os parâmetros de troca de dados<br />
entre os equipamentos, de forma ordenada, evitando erros e informando seu acontecimento.<br />
Na figura 80 vemos a maior parte dos protocolos existentes no mercado. Basearemos o curso<br />
nos protocolos mais utilizados e conhecidos no mercado.<br />
Faixa de Aplicação de <strong>Redes</strong><br />
NÍVEL DE AUTOMAÇÃO<br />
Sensor<br />
Nível de Bit Dispositivo Controle Negócio<br />
Interbus<br />
Loop<br />
interbua<br />
ASI<br />
Profibus DP<br />
Seriplex<br />
Can<br />
Profibus<br />
FMS<br />
CCL ink<br />
Contro LNet<br />
DeviceNet<br />
SDS<br />
ATM / FDDI<br />
Etherenet 10/100/1000 Base - T<br />
DeviceWFIP WorldFIP<br />
LonWorks<br />
HART<br />
IEC / SP50 H2<br />
IEC / SP50H1<br />
Profibus PA<br />
Discreto Aplicações Processo<br />
Figura 80 - Faixa de aplicação das redes de campo<br />
Fonte: ALLEN BRADLEY, [s/d]<br />
19.1 Protocolo modbus<br />
O protocolo Modbus foi um dos primeiros protocolos abertos, desenvolvido pela Modicon,<br />
para a comunicação entre Controladores Lógicos Programáveis. Atualmente, esse protocolo<br />
pertence ao grupo da Schneider Electric e é utilizado em larga escala por quase todos os<br />
fabricantes. O protocolo Modbus possui duas variações, o Modbus-RTU e o Modbus-ASCII.<br />
Analisaremos apenas o RTU por ser o protocolo mais utilizado.
122 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Inicialmente, o protocolo só era funcional nas portas dos controladores que<br />
utilizavam RS-232 ou RS-485. Atualmente, temos essas mesmas portas, cartões<br />
adaptadores de rede para computadores, módulos especiais e gateways da<br />
Modicon e de outros fabricantes.<br />
Entre os dispositivos que utilizam esse protocolo, citamos os Controladores<br />
Lógicos Programáveis, interfaces homem máquina, unidades terminais remotas<br />
(RTU), drives AC/DC, sensores e atuadores inteligentes.<br />
SAIBA<br />
MAIS<br />
Para conhecer um pouco mais sobre o protocolo Modbus,<br />
acesse o site da organização:<br />
www.modbus.org<br />
No nível de mensagens, o protocolo do Modbus aplica o tipo de comunicação<br />
Mestre/Escravo, mesmo que por vezes pareça que temos um tipo de rede ponto<br />
a ponto. Assim, podemos dizer que quando um controlador gera uma mensagem<br />
(comportamento de equipamento mestre), ele aguarda uma resposta de um<br />
escravo. De forma similar, quando um controlador recebe uma mensagem, ele<br />
deve responder como se fosse um escravo, retornando a mensagem para o<br />
controlador que a originou. Vemos esse tipo de comunicação na figura 81.<br />
Query message from Master<br />
Device Address<br />
Function Code<br />
Eight - Bit<br />
Data Bytes<br />
Error Check<br />
Device Address<br />
Function Code<br />
Eight - Bit<br />
Data Bytes<br />
Error Check<br />
Response message from Slave<br />
Figura 81 - Ciclo de pergunta-resposta do mestre/escravo<br />
Fonte: MODICON INC, 1996<br />
19.1.1 A pergunta<br />
O código da função na pergunta indica ao dispositivo escravo qual o tipo de<br />
ação que deverá ser realizada. Os bytes de dados contêm informações adicionais de<br />
que o escravo precisa para executar a função. Por exemplo: se utilizarmos o código<br />
de função 03 (leitura de registros), o escravo irá agrupar suas informações referentes<br />
aos registros e responderá ao mestre com seus valores. O campo de dados deve<br />
conter informações para o escravo, comunicando o registro inicial e a quantidade<br />
deles que devem ser informados ao mestre. O campo de erros possibilita ao escravo<br />
validar a integridade do conteúdo da mensagem enviada ao mestre.
19 Protocolos <strong>Industriais</strong> 123<br />
19.1.2 A resposta<br />
Se o escravo envia uma resposta normal, o código da função enviada ao mestre<br />
deve ser exatamente igual à solicitada; ou seja, se a função solicitada pelo mestre<br />
for a 16 (escrita de múltiplos registros), então a resposta deverá conter o código de<br />
função 16. Os bytes de dados contêm os valores coletados pelo escravo, sendo eles<br />
os valores ou o estado dos registros. Na ocorrência de um erro, o código da função<br />
é modificado para indicar que a resposta é um erro e que os bytes de dados contêm<br />
o código descrevendo o erro ocorrido. O campo de checagem de erro permite ao<br />
mestre confirmar que aquela mensagem de erro é válida antes de aceitá-la.<br />
19.1.3 Modo RTU (Remote terminal unit)<br />
A expressão desenvolvida pela Modicon para suas remotas de entradas e saídas<br />
(I/O), conhecidas como Remote Terminal Unit (RTU), são conhecidas, atualmente,<br />
como remotas de I/O. Quando ajustamos um equipamento para comunicar por<br />
meio de uma rede Modbus, utilizando o modo RTU (Unidade Terminal Remota<br />
– Remote Terminal Unit), significa que cada byte (8 bits) em uma mensagem<br />
contém dois caracteres hexadecimais de 4 bits cada (0-F).<br />
A maior vantagem desse modo é que permite maior densidade de tráfego<br />
de dados do que o modo ASCII, na mesma velocidade de transferência, ou<br />
seja, são mais dados enviados pelo modo RTU do que pelo ASCII. Por este<br />
motivo, principalmente, o RTU é mais utilizado. Cada mensagem pode ser<br />
transmitida em sequência.<br />
O formato de cada byte no modo RTU esta descrito na quadro 4:<br />
Formato de bytes no modo RTU<br />
Sistema de Codificação Binário de 8 bits / Hexadecimal 0-F;<br />
Dois caracteres Hexadecimal contendo em cada um o campo<br />
Bits por Byte<br />
de mensagem com 8 bits.<br />
1 start bit;<br />
8 bits de dados, menos significante enviado antes;<br />
1 bit de paridade par/impar, ou sem bit quando for sem paridade;<br />
1 stop bit quando houver paridade e 2 quando não houver<br />
Campo de Erro<br />
paridade.<br />
Checagem de Redundância Cíclica (CRC).<br />
Quadro 5 - Formato de bytes no modo RTU<br />
Fonte: Autor
124 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 19.1.4 Frame RTU<br />
No modo RTU, as mensagens começam com um intervalo de silêncio<br />
com comprimento de 3,5 caracteres. Esse comprimento é mais facilmente<br />
implementado utilizando múltiplos para caracteres na taxa de transmissão, que é<br />
utilizada na rede de trabalho, e pode ser representado por T1-T2-T3-T4 no frame<br />
a seguir. Após o intervalo inicial, o primeiro campo a ser enviado é o endereço do<br />
equipamento na rede.<br />
Os caracteres permitidos para transmissão de todos os campos são os números<br />
hexadecimais (0-F). Os equipamentos pendurados na rede monitoram-na<br />
constantemente, inclusive nos intervalos de silêncio. Quando o primeiro campo<br />
(o campo de endereçamento) é recebido, cada um dos dispositivos o decodifica<br />
internamente para descobrir a qual escravo pertence a solicitação.<br />
Após o último caractere transmitido, um intervalo similar ao primeiro com um<br />
tempo de, no mínimo, 3,5 caracteres marca o final da mensagem. Uma mensagem<br />
pode começar a transmitir logo após esse intervalo.<br />
O frame da mensagem inteira deve ser transmitido continuamente de uma vez<br />
só. Se ocorrer um intervalo de silêncio com duração acima de 1,5 caracteres, antes<br />
da finalização do frame, o equipamento que a recebe deve eliminar a mensagem<br />
incompleta e assumir que o próximo byte será o campo de endereçamento da<br />
nova mensagem.<br />
Do mesmo modo, se uma nova mensagem começar com um tempo menor que<br />
os 3,5 caracteres, após a mensagem anterior, o escravo que receber a mensagem irá<br />
considerar como uma continuação da mensagem anterior. Isso gerará um erro, pois<br />
o CRC no final da mensagem não terá um valor correto para as mensagens.<br />
Na figura 82 vemos um frame de mensagem do Modbus RTU:<br />
START<br />
ADDRESS<br />
DATA<br />
CRC<br />
CHECK<br />
END<br />
T1 - T2 - T3 - T4<br />
8 BITS<br />
n x 8 BITS<br />
16 BITS<br />
T1 - T2 - T3 - T4<br />
Figura 82 - Frame do Modbus RTU<br />
Fonte: MODICON INC., 1996<br />
19.2 Profibus (process field bus)<br />
O Profibus é, atualmente, um dos padrões de rede mais empregados no<br />
mundo todo. Esta rede teve início por volta de 1987, em uma iniciativa conjunta<br />
de alguns fabricantes, usuários e também do governo alemão. Em face desse<br />
acontecimento, a rede já nasceu como uma norma alemã chamada DIN 19245,<br />
que está incorporada na norma europeia Cenelec EN 50170, e desde 1999 incluída<br />
na normas IEC 6<strong>11</strong>58/IEC 61784.
19 Protocolos <strong>Industriais</strong> 125<br />
O Profibus é um padrão aberto de rede de comunicação industrial utilizado em<br />
muitas aplicações de automação da manufatura, de processos e, também, predial.<br />
Como o protocolo é aberto, existe uma independência dos fabricantes, podendo<br />
cada um produzir seu equipamento. Assim, há garantia de que os equipamentos<br />
funcionem com qualquer mestre Profibus. Com o Profibus, dispositivos de<br />
diferentes fabricantes podem comunicar-se sem a necessidade de qualquer<br />
adaptação na interface.<br />
SAIBA<br />
MAIS<br />
Para conhecer um pouco mais sobre o protocolo Profibus,<br />
acesse o site da organização:<br />
www.profibus.org.br<br />
O Profibus está dividido em três famílias, ou, como é chamado na comunidade<br />
Profibus, está dividido em três Communication Profiles, como veremos nos<br />
próximos tópicos.<br />
19.2.1 Profibus-DP (Decentralized Periphery)<br />
O Profibus-DP é primeira versão criada e especializada na comunicação<br />
entre sistemas de automação e equipamentos periféricos distribuídos. É a rede<br />
do Profibus mais utilizada frequentemente. Otimizado para a alta velocidade e<br />
com conexão de baixo custo, foi projetado especialmente para a comunicação<br />
entre sistemas de controle de automação e suas respectivas entradas e saídas<br />
(I/O) distribuídas em nível de equipamentos. O Profibus-DP pode ser usado<br />
para substituir a transmissão de sinais em 24 Vcc em sistemas de automação de<br />
manufatura, assim como para a transmissão de sinais de 4-20 mA ou HART em<br />
sistemas de automação de processo.<br />
19.2.2 Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification)<br />
O Profibus-FMS é uma rede de grande capacidade para comunicação de<br />
dispositivos inteligentes tais como computadores, controladores lógicos<br />
programáveis e outros sistemas inteligentes que impõem alta quantidade de<br />
transmissão de dados. Podemos dizer que esse perfil é universal (aceita qualquer<br />
equipamento) para tarefas de comunicação complexas. Esse tipo de rede perdeu<br />
muita força desde a utilização da rede Ethernet TCP/IP, que realiza a mesma<br />
funcionalidade do Profibus FMS.
126 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 19.2.3 Profibus-PA (Process Automation)<br />
O Profibus-PA é uma rede para a interligação de instrumentos analógicos de campo<br />
e para transmissores de pressão, vazão, temperatura etc. Esta rede possui uma grande<br />
fatia do mercado de barramentos de campo, geralmente chamados de Fieldbus.<br />
19.2.4 Tipos de Comunicação<br />
O Profibus é uma rede que suporte multimestre. A especificação deste<br />
barramento de campo distingue dois tipos de dispositivos:<br />
• Dispositivo mestre – O mestre é capaz de enviar mensagens independentes<br />
de solicitações externas quando tiver a posse do token. São também<br />
chamados de estações ativas. Os dispositivos mestres determinam a<br />
comunicação de dados no barramento. Um mestre pode enviar mensagens,<br />
sem uma requisição externa, sempre que possuir o direito de acesso ao<br />
barramento (o token). Os mestres também são chamados de estações ativas<br />
no protocolo Profibus.<br />
• Dispositivo escravo – Os escravos não possuem direito de acesso ao<br />
barramento e podem, apenas, confirmar o recebimento de mensagens ou<br />
responder a uma mensagem enviada por um mestre. Os dispositivos escravos<br />
são dispositivos remotos (de periferia), tais como módulos de entradas e<br />
saídas (I/O), válvulas, acionamentos de velocidade variável e transdutores.<br />
Eles não têm direito de acesso ao barramento. Os escravos também são<br />
chamados de estações passivas, já que, para executar essas funções de<br />
comunicação, somente uma pequena parte do protocolo se faz necessária.<br />
Sua implementação é particularmente econômica.<br />
19.2.5 Meio de Transmissão<br />
Existem três tipos de meio físico de comunicação que podem ser utilizados<br />
pelo Protocolo Profibus:<br />
RS-485<br />
O padrão RS-485 é a tecnologia de transmissão mais frequentemente<br />
encontrada no Profibus. Sua aplicação inclui todas as áreas nas quais é necessária<br />
uma alta taxa de transmissão aliada a uma instalação simples e barata. Um par<br />
trançado de cobre blindado com um único par condutor é o suficiente nesse caso.
19 Protocolos <strong>Industriais</strong> 127<br />
A tecnologia de transmissão RS-485 é muito fácil de manusear. O uso de par<br />
trançado não requer conhecimento ou habilidade especial. A topologia, por sua<br />
vez, permite a adição e a remoção de estações e uma colocação em funcionamento<br />
do tipo passo a passo, sem afetar outras estações.<br />
Expansões futuras, portanto, podem ser implementadas sem afetar as estações<br />
já em operação. Taxas de transmissão entre 9.6 kbit/sec e 12 Mbit/sec podem ser<br />
selecionadas, porém uma única taxa de transmissão é selecionada para todos os<br />
dispositivos no barramento, quando o sistema é inicializado.<br />
Instruções de instalação para o RS-485<br />
Todos os dispositivos são ligados a uma estrutura de tipo barramento linear. Até<br />
32 estações (mestres ou escravos) podem ser conectadas a um único segmento.<br />
O barramento é terminado por um terminador ativo do barramento, no início<br />
e fim de cada segmento. Para assegurar uma operação livre de erros, ambas as<br />
terminações do barramento devem estar sempre ativas.<br />
Normalmente, esses terminadores se encontram nos próprios conectores de<br />
barramento ou nos dispositivos de campo, acessíveis por meio de uma dip-switch.<br />
No caso de mais de 32 estações necessitarem ser conectadas, ou no caso de a<br />
distância total entre as estações ultrapasse um determinado limite, devem ser<br />
utilizados repetidores para interconectar diferentes segmentos do barramento.<br />
Baud rate (kbit/s)<br />
Distância / segmento (m)<br />
9.6<br />
1200<br />
19.2 93.75 187.5 500 1500 12000<br />
1200 1200 1000 400 200 100<br />
Figura 83 - Tabela de velocidades suportadas pelos cabos Profibus<br />
Fonte: PROFIBUS, 1999<br />
Durante a instalação, devemos observar atentamente a polaridade dos sinais<br />
de dados (A e B). O uso da blindagem é absolutamente essencial para obtermos<br />
alta imunidade contra interferências eletromagnéticas. A blindagem, por sua vez,<br />
deve ser conectada ao sistema de aterramento em ambos os lados com bornes<br />
de aterramento adequados. Adicionalmente, é recomendado que os cabos de<br />
comunicação sejam mantidos separados dos cabos de alta voltagem. O uso de<br />
cabos de derivação deve ser evitado para taxas de transmissão acima de 1,5<br />
Mbits/s. Os conectores disponíveis atualmente no mercado permitem que o cabo<br />
do barramento entre/saia diretamente no conector, permitindo, assim, que um<br />
dispositivo seja conectado/desconectado da rede sem interromper a comunicação.<br />
VOCÊ<br />
SABIA?<br />
Nota-se que quando ocorrem problemas em uma rede<br />
Profibus, cerca de 90% dos casos são provocados por<br />
incorreta ligação e/ou instalação. Esses problemas podem<br />
ser facilmente solucionados com o uso de equipamentos<br />
de teste, os quais detectam falhas nas conexões.
128 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Fibra óptica<br />
É o meio físico mais recomendado para locais onde há grande possibilidade<br />
de interferências eletromagnéticas (EMI). Existem equipamentos disponíveis<br />
no mercado para efetuar a conversão de RS-485 para fibra óptica e vice-versa,<br />
específica para rede Profibus DP.<br />
19.2.6 Protocolo de acesso ao meio profibus<br />
O protocolo Profibus de acesso ao barramento inclui o procedimento de<br />
passagem do token, que é utilizado pelas estações ativas da rede (mestres) para<br />
comunicar-se uns com os outros, e o procedimento de Mestre-Escravo, que é usado<br />
por estações ativas para se comunicarem com as estações passivas (escravos).<br />
O procedimento de passagem do token garante que o direito de acesso ao<br />
barramento seja designado a cada mestre dentro de um intervalo preciso de<br />
tempo. A mensagem de token, um telegrama especial para passar direitos de<br />
acesso de um mestre ao próximo mestre, deve ser distribuída no anel lógico<br />
de token pelo menos uma vez a todos os mestres, dentro de um intervalo<br />
de tempo máximo, denominado tempo de rotação do token. No Profibus, o<br />
procedimento de passagem de token somente é utilizado na comunicação<br />
entre estações ativas (mestres).<br />
O procedimento mestre-escravo permite ao mestre, no momento em que<br />
possui o token, acessar seus próprios escravos. O mestre pode enviar mensagens<br />
aos escravos ou ler mensagens deles. Este método de acesso permite as seguintes<br />
configurações de sistema:<br />
• sistema puro Mestre-Escravo;<br />
• sistema puro Mestre-Mestre (com passagem de token);<br />
• uma combinação dos dois.<br />
19.2.7 Perfil de comunicação - DP<br />
O Profibus-DP foi projetado para a comunicação de dados em alta velocidade no<br />
nível de equipamentos. Os controladores centrais (por exemplo, os controladores<br />
lógicos programáveis e computadores pessoais) comunicam-se, via um link serial<br />
de alta velocidade, com seus dispositivos de campo distribuídos, sendo eles as<br />
placas de entradas e saídas (I/O’s), acionamentos (drivers), válvulas etc.
19 Protocolos <strong>Industriais</strong> 129<br />
A maior parte da comunicação de dados com os dispositivos distribuídos<br />
é feita de maneira cíclica. As funções necessárias para estas comunicações são<br />
especificadas pelas funções básicas do Profibus-DP, conforme o EN 50170. Além<br />
da execução dessas funções cíclicas, funções de comunicação não cíclicas estão<br />
disponíveis especialmente para dispositivos de campo inteligentes, permitindo,<br />
assim, configuração, diagnóstico e manipulação de alarmes.<br />
19.3 Canopen<br />
Desenvolvido pela empresa Bosch em 1983, o padrão CANOpen<br />
consiste em um planejamento de endereçamento e alguns protocolos de<br />
comunicação. Os protocolos de comunicação têm suporte ao gerenciamento<br />
de rede, monitoração de dispositivo e comunicação entre nós, incluindo o<br />
envio de mensagens segmentadas ou não. O nível de link e a camada física<br />
são desenvolvidos exatamente igual ao CAN (Controller Area Network),<br />
apesar de os dispositivos poderem utilizar outros meios de comunicação,<br />
assim como, a Ethernet, o Powerlink, EtherCAT, porém implementando o<br />
CANOpen. O dispositivo básico do CANOpen e as configurações são definidas<br />
pelos padrões, e as configurações mais avançadas são construídas com base<br />
em configurações básicas.<br />
SAIBA<br />
MAIS<br />
Para conhecer um pouco mais sobre o CANOpen, acesse o<br />
site:<br />
www.can-cia.de<br />
19.3.1 Objeto identificador de comunicaçáo (COB-ID)<br />
O CANbus é a camada física do CANOpen e pode apenas transmitir pequenos<br />
pacotes que consistem de uma identificação (ID) de <strong>11</strong>bits, um bit de requisição<br />
remota de transmissão (RTR) e de 0 até 8 bytes de dados. O padrão do CANOpen<br />
divide o frame de identificação da CAN composto por <strong>11</strong> bits em um código de<br />
função de 4 bits e uma identificação de 7 bits para o nó. Este fato limita a quantidade<br />
de equipamentos da rede em 127. Esta quantidade de equipamentos pode ser<br />
expandida utilizando-se as normas da CAN 2.0, porém, no momento, é uma<br />
quantidade de equipamentos que não se utiliza muito. Os <strong>11</strong> bits de identificação<br />
do frame são conhecidos como o Objeto Identificador de Comunicação (COB-ID –<br />
Communication OBject IDentifier).
130 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL No caso de colisões entre as comunicações na rede do CANOpen, o barramento<br />
escolhe a menor mensagem e a encaminha primeiro e, posteriormente, a outra.<br />
Ainda, em caso de colisões, e como os frames possuem os 4 primeiros bits como<br />
código da função de identificação, podemos usar esse mesmo código para garantir<br />
prioridade no envio de mensagem reduzindo, assim, o tempo de comunicação.<br />
O conteúdo padrão do frame CANOpen está apresentado na figura 84:<br />
Length<br />
Function code Node ID RTR<br />
4 bis 7 bit 1 bit<br />
Data length<br />
4 bits<br />
Data<br />
0 - 8 bytes<br />
Figura 84 - Frame CANOpen<br />
Fonte: MOELLER, 2007<br />
O padrão possui alguns objetos de comunicação (COB-IDs) para gerenciar<br />
a rede e transferir os Objetos de Serviço de Dados (SDO - Service Data Object).<br />
Alguns códigos de funções e objetos de comunicação (COB-IDs) podem ser<br />
mapeados para realizarem algumas tarefas de inicialização e, posteriormente,<br />
para outras finalidades durante o funcionamento do sistema.<br />
19.3.2 Modelos de comunicação<br />
Diferentes tipos de comunicação podem ser utilizados para transferir as<br />
mensagens entre os equipamentos da rede CANOpen. No modo Mestre/Escravo, um<br />
equipamento é designado como mestre que envia ou requisita os dados dos escravos.<br />
No modo Cliente/Servidor utiliza-se o protocolo do serviço de dados (SDO), em que<br />
o cliente os envia para um servidor e ele replica os dados para um ou mais clientes.<br />
No modo Produtor/Consumidor é utilizado o recurso de batimentos (heartbeat)<br />
e de guarda de nó (node guarding). O produtor pode enviar ao consumidor, sem<br />
requisição específica, e também o consumidor pode requisitar os dados ao produtor.<br />
19.3.3 Protocolo de gerenciamento de rede (NMT)<br />
O protocolo de Gerenciamento de Rede (NMT – Network ManagemenT)<br />
é utilizado para monitorar e comandar as mudanças de máquina como, por<br />
exemplo, os dispositivos de partida e parada. O protocolo de controle de módulo<br />
pode ser utilizado para ordenar a mudança de estado dos equipamentos da rede.<br />
Nesse protocolo, o COB-ID do frame do CAN é sempre 0, significando que o código<br />
da função também é 0, e a identificação do nodo é 0, o que representa que todos<br />
os nodos da rede processarão essa mensagem.
19 Protocolos <strong>Industriais</strong> 131<br />
Os batimentos (heartbeat) são utilizados para monitorar os nodos na rede<br />
e verificar se estão ativos. O produtor do batimento, geralmente um escravo,<br />
envia uma mensagem periodicamente com uma função binária de <strong>11</strong>10 e o<br />
número do escravo (COB-ID = 0x700 + ID do endereço). O consumidor faz<br />
a leitura dessa mensagem, e se ela não chegar em certo, limite de tempo<br />
(definido em programação do dispositivo), o consumidor poderá tomar uma<br />
ação como, por exemplo, reiniciar o dispositivo e indicar erro de comunicação<br />
com o escravo.<br />
19.3.4 Objeto de serviço de dados (SDO)<br />
Esse protocolo é utilizado para ajustar e ler valores dos equipamentos<br />
remotos. Os dispositivos são acessados por meio do SDO cliente. A<br />
comunicação é sempre iniciada pelo cliente. Na terminologia CANOpen, a<br />
comunicação é vista do servidor SDO. Como a quantidade de bytes enviados<br />
pelo frame pode ser maior do que 8 bytes, o SDO tem a capacidade de<br />
implementar ou não a segmentação de grandes mensagens.<br />
O COB-ID das respectivas mensagens enviadas do cliente para o servidor, e<br />
do servidor para o cliente, pode ser ajustado. Podemos ter até 127 endereços<br />
para servidores (0x1200 – 0x127F); já os clientes podem utilizar até 127<br />
endereços (0x1280-0x12FF).<br />
19.3.5 Objeto de processamento de dados (PDO)<br />
O protocolo do Objeto de Processamento de Dados (PDO – Process Data<br />
Object) é utilizado para processar, em tempo real, os dados vindos de vários<br />
nodos. Um PDO pode conter múltiplos objetos. Existem dois tipos de PDOs<br />
de Transmissão (TPDOs) e dois PDOs de Recepção (RPDOs). Podem-se utilizar<br />
os PDOs síncronos ou assíncronos.<br />
19.3.6 Objeto de sincronização (SYNC)<br />
Nesse tipo de protocolo, o produtor envia um sinal de sincronização para o<br />
consumidor. Quando o consumidor do sincronismo recebe o sinal, ele inicia as<br />
tarefas de sincronização. Em geral, o tempo de transmissão síncrona do PDO é<br />
parecido com o tempo de sincronismo.
132 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 19.3.7 Time stamp (TIME)<br />
É o protocolo utilizado para registrar o tempo absoluto em unidade de ms, após<br />
a meia-noite, nos dias a partir de 1º de janeiro de 1984. Em algumas aplicações<br />
críticas, principalmente para as concessionárias de energia, o registro de horário é<br />
necessário para os eventos ocorridos.<br />
19.3.8 Protocolo de emergência<br />
No protocolo de emergência, as mensagens de emergência são enviadas na<br />
ocorrência de erro do dispositivo.<br />
19.4 Smartwire<br />
Descreveremos um pouco mais esse novo protocolo, pois ele é muito “inteligente”.<br />
O smartwire tem o propósito de integrar todos os equipamentos ao Controlador<br />
Lógico Programável sem a necessidade de utilização de placas de entradas e saídas<br />
remotas, começando por um botão até interfaces homem máquina e inversores de<br />
frequência. Esse protocolo é conhecido como smartwire-darwin ou pela abreviação<br />
SWD. Na figura 85, temos os elementos do sistema smartwire-darwin.<br />
Figura 85 - Elementos do Sistema SmartWire Darwin<br />
Fonte: EATON CORPORATION, 2010<br />
O smartwire é um sistema de conexão de equipamentos e elementos<br />
eletromecânicos e de controle. A estrutura principal deste protocolo é a rede<br />
autoconfigurável, na qual os dados são trocados com os escravos por meio de um<br />
condutor flat de 8 vias. Os escravos do smartwire são alimentados por meio do mesmo<br />
cabo, podendo ser conectados até 99 escravos em um mesmo gateway, que pode<br />
comunicar utilizando os protocolos Profibus, CANOpen e DeviceNet, entre outros.<br />
Como os escravos do smartwire são localizados, em sua maioria, dentro do<br />
próprio painel de comando e controle, este sistema reduz consideravelmente<br />
os custos com cabeamento. A topologia é criada com um software que verifica<br />
falhas de configuração antes mesmo de enviar ao equipamento.
19 Protocolos <strong>Industriais</strong> 133<br />
A cabeça de rede sempre é um gateway, que disponibiliza a alteração do meio<br />
físico de cabo RS-485 (par trançado) para cabo chato. Esse gateway smartwire<br />
controla a troca de dados utilizando uma rede do tipo Mestre/Escravo, em que<br />
ele é o mestre e, ao mesmo tempo, executa as funções de escravo no barramento<br />
superior com o controlador programável.<br />
19.4.1 Elementos do smartwire<br />
1<br />
4<br />
5<br />
5<br />
<strong>11</strong><br />
9<br />
8<br />
7<br />
3<br />
6<br />
4<br />
3<br />
7<br />
3<br />
12 6<br />
3<br />
10<br />
Figura 86 - Painel montado com Sistema SmartWire Darwin<br />
Fonte: EATON CORPORATION, 2010<br />
1. SWD gateway<br />
2. M22-SWD - botoeira em porta de painel<br />
3. Interruptor de conexão SWD<br />
4. SWD módulo de entradas e saídas<br />
5. SWD módulo de contactoras<br />
6. Resistor de terminação<br />
7. Cabo circular<br />
8. M22-SWD – botoeira em porta de painel<br />
9. Cabo chato<br />
10. Terminal de acoplamento<br />
<strong>11</strong>. Módulo de potência.
134 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Alguns elementos ainda estão em desenvolvimento, porém já existem<br />
disponíveis os módulos para contactoras, botoeiras, sinaleiros, módulos de<br />
entradas e saídas (I/O) para a conexão de sensores e atuadores, módulos para softstart,<br />
interfaces homem máquina (IHM), inversores de frequência AC. É necessária<br />
a confecção de um barramento, utilizando resistores de terminação nas duas<br />
extremidades dos cabos. Para realizar a utilização do cabo chato e converter para<br />
o circular, ou vice-versa, um dispositivo está disponível.<br />
19.4.2 Características técnicas<br />
Uma das grandes características que podemos citar na rede smartwire é<br />
que o endereçamento dos escravos é realizado automaticamente, conforme<br />
o programado no Controlador Lógico Programável; ou seja, se trocarmos um<br />
equipamento da rede por outro igual não será necessário realizar nenhuma<br />
programação no escravo e nem no elemento a ser colocado na rede. Sempre que<br />
um novo escravo for colocado na rede, será necessário apenas pressionar o botão<br />
de reconfiguração da rede.<br />
Após a inicialização do controlador programável e da energização do gateway<br />
do smartwire, ele determina quem está presente na rede. A comunicação se inicia<br />
com a sincronização da velocidade dos escravos na rede. Após essa configuração,<br />
o led de rede ok deve acender para informar que tudo está correto; caso contrário,<br />
ele piscará indicando falha em algum dos elementos.<br />
A área de memória reservada para cada gateway smartwire é de 1000 bytes.<br />
Esta área reservada é completamente transferida da rede, e cada escravo realiza<br />
a leitura dos dados destinados para as entradas e escreve os dados nas saídas<br />
reservadas para esta função.<br />
Durante a transferência de dados é realizada uma validação dos dados enviados<br />
ao fim da transmissão e, se não houver erros, o escravo continua enviando dados<br />
para o mestre. No quadro 5 temos as características do SmartWire.<br />
Cabo de dados<br />
físicos<br />
Comprimento<br />
máximo do cabo<br />
Número máximo de<br />
escravos<br />
Taxa de<br />
transferência<br />
(Kbits/s)<br />
Bytes de dados<br />
por mensagem<br />
Tempo de ciclo<br />
para 1 polling<br />
RS-485<br />
Até 100 metros<br />
99 (endereçamento automático)<br />
125 Kbits/s (com detecção automática)<br />
Até 1000 bytes<br />
2 + (número de bytes de dados x 0.1)<br />
(continua)
19 Protocolos <strong>Industriais</strong> 135<br />
(conclusão)<br />
Tipo de acesso<br />
Protocolo de<br />
transferência de<br />
dados<br />
Backup de dados<br />
Aquisição de<br />
alarmes<br />
Dependência do<br />
sistema smartwire<br />
Escopo da<br />
aplicação<br />
Coordenação centralizada (polling)<br />
Smartwire, frame fixo e quantidade de dados variáveis<br />
Polinômio de verificação CRC32<br />
Transferência de dados acíclica<br />
Tolerante a erro, troca de escravo<br />
Conexão por meio de barramento de campo utilizando controladores<br />
lógicos programáveis, controladores de processo e<br />
gerenciamento de energia<br />
Quadro 6 - Características do SmartWire<br />
Fonte: Autor<br />
Recapitulando<br />
Vimos a importância da utilização dos protocolos abertos e as facilidades<br />
que eles oferecem. Além disso, neste capítulo aprendemos que cada fabricantes<br />
possui seu protocolo proprietário. Compreendemos que este protocolo é<br />
desenvolvido com tecnologia própria e feito para utilização dentro de uma rede<br />
que possua equipamentos de apenas um fabricante.<br />
Também estudamos os protocolos abertos, especificando em detalhes<br />
os mais comuns. Conhecemos o Modbus (e algumas de suas variações), o<br />
Profibus (DP e PA) e o CANOpen. Concluíndo este capítulo, conhecemos uma<br />
nova tecnologia que está sendo muito utilizada, principalmente em CCMs ditos<br />
“inteligentes”. Esta nova tecnologia é a smartwire.