11 Redes Industriais

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11 Redes Industriais

Parte 2 - Redes de comunicação


Redes Industriais

11

As redes industriais são de fundamental importância para obter-se eficiência e

confiabilidade no sistema produtivo. Com o avanço da tecnologia e a necessidade de

integração entre sistemas de controle e máquinas, esses sistemas distribuídos com diversos

elementos trabalham de forma simultânea com o objetivo de supervisionar e controlar um

determinado processo em uma troca rápida e precisa de informações entre computadores,

sensores, atuadores, CLPs, entre outros.

Neste tópico vamos aprender a definir e implementar uma Rede de Comunicação Digital

de Dados, mais conhecida como Barramento Industrial. Abordaremos a estrutura dos dados,

as topologias utilizadas, os meios físicos existentes e também os protocolos de comunicação

abertos encontrados nos mais diversos fabricantes, além de configurar e programar uma rede

de dados e a troca deles. Para tanto, utilizaremos os Controladores Lógicos Programáveis,

conforme a necessidade da aplicação. Para a implantação de um sistema como esse, teremos

que realizar uma pesquisa detalhada para saber qual sistema baseado em redes será utilizado

para sanar cada uma das necessidades.

No final dos anos 70, tínhamos a perspectiva de crescimento acelerado proporcionado pelo

investimento e desenvolvimento que estavam em foco, por outro, havia uma tendência que

poderia levar a uma grande crise no setor referente à diferença de padrões utilizados pelos

fabricantes da época, quase impossibilitando a interconexão entre os sistemas de diversos

fabricantes, então foram desenvolvidos objetivos para implantação de um sistema aberto

como interoperabilidade, interconectividade, portabilidade de aplicação e escalabilidade.

Para alcançar esses objetivos, a ISO (International Organization for Standardization) passou a

se preocupar com um padrão de arquitetura aberta e baseada em camadas. Foi então definido

o Modelo de Referência para Interconexão de Sistemas Abertos (Reference Model for Open

Systems Interconection - RM OSI).


76 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Portabilidade da aplicação: Capacidade de um software

VOCÊ

SABIA?

específico rodar em várias plataformas diferentes.

Interoperabilidade: Capacidade de um sistema de

se comunicar de forma transparente.Escalabilidade:

Capacidade que determinado equipamento possui

para receber implementações evitando que se torne

obsoleto ou deixe de atender as necessidades do usuário.

Interconectividade - Capacidade pela qual podemos

conectar vários equipamentos de diversos fabricantes.

11.1 Por que um sistema aberto?

Utilizamos um sistema aberto, pois esse possui várias vantagens como acesso

mais rápido a novas tecnologias com um menor custo, já que é mais econômico

fabricar produtos baseados em uma plataforma padrão; redução de investimentos

em novas máquinas, já que os sistemas e os softwares de aplicação são portáveis

para os vários tipos de máquinas existentes e além de tudo temos a liberdade de

escolha entre soluções de diversas fabricantes.

O projeto de uma rede deve levar em conta vários fatores, considerando que

uma rede de computadores tem como objetivo principal o processamento de

tarefas distribuídas de forma cooperativa e harmônica entre os vários setores de

aplicação, pois consideramos todos os eventos que podem acontecer durante a

comunicação e temos que conhecer todos os efeitos e as causas destes eventos, e

especificar em detalhes todos os aspectos técnico-operacionais dos meios físicos

a serem utilizados como suporte à comunicação.

Percebemos, desta forma que o problema é extremamente complexo e

abrangente. Para facilitar a implementação e manutenção, projetamos a rede

como um conjunto de camadas.

O conjunto de camadas é hierárquico, ou seja, cada camada baseia-se na

camada inferior. Reduzindo o projeto global da rede ao projeto de cada uma das

camadas, simplificamos muito o trabalho de desenvolvimento e de manutenção.

O projeto de uma camada é restrito ao contexto dela e supõe que os problemas

fora desse contexto já estejam devidamente resolvidos.

VOCÊ

SABIA?

Atualmente, no mercado de controladores programáveis,

todos esses equipamentos são oferecidos com um

protocolo aberto incorporado. Na maioria dos casos, é

o Modbus-RTU, porém outro protocolo aberto pode ser

oferecido, além do proprietário. Quando utilizamos um

controlador programável em rede, na maioria dos casos,

optamos por um protocolo aberto.


11 Redes Industriais

77

11.2 Vantagens da utilização da arquitetura em camadas

Utilizar a arquitetura em camadas apresenta duas vantagens práticas:

1. Independência das camadas, ou seja, a camada (N) preocupa-se apenas

em utilizar os serviços da camada (N-1), independentemente de seu protocolo.

2. A complexidade do esforço global de desenvolvimento é reduzida por

meio de abstrações (não interessa para uma determinada camada como

as demais implementam o fornecimento de seus serviços, mas o que elas

oferecem). Na arquitetura hierárquica, a camada (N) sabe apenas que existem

as camadas (N- 1), prestadoras de determinados serviços, e a camada (N+1),

que lhe requisita os serviços. A camada (N) não toma conhecimento da

existência das camadas (N±2), (N±3) etc.

É assim também que novas aplicações podem ser implementadas na

camada apropriada, aproveitando os mesmos serviços já fornecidos pelas

outras camadas (redução dos esforços para evoluções).

Porém, a elaboração de um sistema aberto passa por algumas etapas

obrigatórias que podemos observar claramente na definição do modelo

OSI, desde a definição dos padrões dos componentes que fazem parte

do modelo (padrões de interoperabilidade e portabilidade), não só os

relacionados à comunicação, mas também alguns não relacionados, como

estrutura de armazenamento de dados etc, assim como a definição do

modelo do sistema aberto (padrão para a arquitetura do sistema aberto); e

a seleção dos perfis funcionais.

Podemos observar que o modelo OSI corresponde exatamente ao

primeiro item citado, ou seja, definição do modelo do sistema aberto

(padrão para a arquitetura do sistema aberto). Esse modelo é somente uma

referência e define apenas a arquitetura do sistema. O padrão criado para o

modelo OSI, então, define exatamente o que cada camada deve fazer, mas

não define como isso será feito; ou seja, define os serviços que cada camada

deve prestar, mas não o protocolo que o realizará. Esse primeiro passo já

está bem definido pela ISO.

A definição dos protocolos de cada camada, então, fica por conta do

segundo passo. Essa parte também está definida pela ISO, mas é realizada por

grupos de estudo diversos. Esse passo é uma tarefa muito dinâmica, pois novas

tecnologias de transmissão surgem a todo instante. Portanto, por um lado

temos alguns padrões bem documentados, mas por outro temos tecnologias

emergentes que precisam ser adaptadas às condições do modelo OSI e ainda

estão em processo de definição.


78 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Já a terceira etapa não é uma fase de responsabilidade da ISO. Essa etapa

de definição de perfis funcionais é realizada por cada país, que escolhe os

padrões que lhe cabem baseados em condições tecnológicas, base instalada,

visão futura etc. Por exemplo: no Brasil temos o Perfil Funcional do Governo

Brasileiro. A escolha do Perfil Funcional é uma etapa importante, pois, apesar

de dois sistemas seguirem o Modelo OSI, se eles adotarem perfis diferentes

nunca conseguirão interoperar.

A arquitetura OSI foi desenvolvida a partir de três elementos básicos, como

está apresentada na figura 52:

1. os processos de aplicação existentes no ambiente OSI;

2. as conexões que ligam os processos de aplicação e lhes permitem trocar

informações;

3. os sistemas.

Processo de Aplicação

Sistema A

Sistema B

Conexões

Meio fisico para

interconexão de

sistemas abertos

Figura 52 - Processos de aplicação, conexões e sistemas

Fonte: Autor

A figura 53 nos dá uma ideia da arquitetura do equipamento que utiliza um

sistema de comunicação:

Aplicação

Interface

com

Usuário

Linguagem

Gerenciamento

de Dados

Sistema Operacional

Comunicação

(Rede)

Hardware

Figura 53 - Arquitetura de uma máquina do sistema

Fonte: Autor

A arquitetura do equipamento descrita na figura 53 pode ser utilizada tanto

para um PC quanto para um Controlador Lógico Programável. Por isso, vamos

aprofundar um pouco mais o entendimento destes campos.


11 Redes Industriais

79

• hardware: proporciona a infraestrutura necessária (no nível mais baixo) para o

processamento da aplicação, como a manipulação de bits, acesso a disco etc;

• sistema operacional: proporciona os serviços básicos de acesso a hardware;

• gerenciamento de dados: controla as tarefas como o acesso, manipulação

e troca de vários tipos de dados. Existem várias formas de implementação

de acesso a bancos de dados, mas a mais comum e aceita pela indústria é a

SQL (Structured Query Language);

• linguagem: têm sido feitos esforços em relação à criação de uma linguagem

com independência da plataforma, de forma a prover a portabilidade de código;

• interface com o usuário - é um dos principais fatores de portabilidade, já

que proporciona a interface entre o usuário e a aplicação. Cada vez mais

estão sendo desenvolvidas interfaces gráficas e orientadas a objetos,

baseadas em janelas, ícones e menus;

• comunicação: o processo de comunicação é o objeto principal do nosso

estudo. Essa secção vai prover a comunicação e a interoperação entre

máquinas e sistemas diferentes, cuidando de características como padrões

de interoperação, endereçamento, mensagens etc.;

• fieldbus: o termo “Field” refere-se à área onde os equipamentos produzem

peças ou onde reside um processo mais conhecido como “campo”. É mais

comum dentro de uma indústria, e também fora do complexo industrial,

assim como a planta de uma indústria química. Em um “campo”, os

equipamentos de um processo estão mais expostos aos ruídos elétricos,

variações de energia, temperatura, umidade e à corrosão. No “campo” é onde

os processos devem ser medidos, e podemos utilizar os condicionadores de

sinais para melhorar o sinal da medida. O equipamento de medidas e seu

cabeamento não devem estar próximos de equipamentos elétricos, motores

e contactoras, para reduzir a geração de ruídos.

CASOS E RELATOS

Vantagem da rede de comunicação

Como estamos estudando comunicação utilizando redes, cabe citar uma

rede industrial bastante utilizada atualmente. O protocolo mais utilizado

na área de saneamento é o Modbus-RTU, pois é um protocolo antigo e vem

integrado, sem custo, na grande maioria dos equipamentos, fazendo que ele

seja o preferido na área de saneamento.


80 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Dentro de uma estação de tratamento temos muitos sensores de nível,

pressão, além dos sensores analíticos de cloro, pH e turbidez. Além desses

sensores, há também os inversores que modulam a dosagem de produtos

químicos para a realização do tratamento de água. Antigamente, para realizar a

automação de uma planta desse tipo, era necessária uma grande quantidade de

entradas e saídas analógicas interligadas ao controlador programável, elevando

muito os custos de implementação.

Atualmente, os inversores possuem portas de comunicação RS-485 com

Modbus-RTU nativo, e os sensores também possuem o Modbus-RTU com o mesmo

meio físico, bastando acrescentar uma porta RS-485 no controlador programável,

que também possui o Modbus-RTU implementado para a montagem de uma

rede. Desse modo, é necessário um projeto. Uma das vantagens de utilizar a rede

de comunicação em vez das entradas e saídas analógicas é que a quantidade de

informação que pode ser enviada ao controlador é muito superior, enriquecendo,

assim, as informações ao usuário final.

Recapitulando

Aprendemos, neste capítulo que os fabricantes passaram a implementar um

sistema aberto para permitir a troca de informações, mesmo que os equipamentos

fossem fornecidos por diferentes fabricantes criando, assim, o modelo da ISO

conhecido como OSI e aceito até hoje pelos fabricantes. Vimos, também, que esse

sistema aberto de comunicação nos permite escolher a melhor solução dentre os

vários fabricantes, menor custo devido ao acesso de novas tecnologias estar baseado

em uma plataforma padrão, e menos investimentos em novos equipamentos, uma

vez que os novos equipamentos aceitam softwares existentes.


11 Redes Industriais

81

Anotações:


Arquiteturas básicas e topologias

12

Definindo rede como uma estrutura de produtos (hardware e software) interligados de

acordo com um padrão pré-estabelecido para satisfazer os requisitos dos sistemas distribuídos,

cabe distinguir duas arquiteturas básicas: a rede local e a rede de longa distância.

12.1 Rede local

A rede local é conhecida como LAN (Local Area Network). Sua característica básica é que os

equipamentos interligados estão confinados a uma área geometricamente limitada, com taxas de

transmissão de moderada a alta. Normalmente, o sistema completo pertence a uma única organização

e seu raio de ação está limitado a alguns quilômetros, no máximo. Resumidamente, as características

gerais desta estrutura são:

• dimensões moderadas;

• alta capacidade de transmissão de informação;

• alta confiabilidade na comunicação; e

• conectividade total entre as estações de trabalho.

12.2 Rede de longa distância

A rede de longa distância é conhecida como rede WAN (Wide Area Network). Esse tipo

de rede estende as características das redes locais no que se refere, principalmente, à área

de abrangência. Por meio de recursos de telecomunicações, uma rede deste tipo pode ter

dimensões globais, com um número indeterminado e muito grande de estações interligadas.

VOCÊ

SABIA?

Podemos fazer uma rápida associação de LAN e WAN com as nossas

casas, pois a grande maioria possui acesso à internet, que é a WAN, e

se possuímos mais do que um computador em nossa casa (o que não é

muito difícil) também podemos ter uma LAN.


84 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL FIQUE

1

MÁQUINAS

São os dispositivos do tipo

PC, Controladores Lógicos

Programáveis, Interface

Homem Máquina, Inversores

de Frequência ou qualquer

dispositivo que possa ser

integrado em uma rede de

comunicação.

ALERTA

Toda vez que projetamos e montamos uma rede de

automação, devemos tentar mantê-la em rede local (LAN)

distante do acesso à rede externa (WAN), pois atualmente

há vírus que podem causar descontroles em sistemas de

supervisão do tipo Scada.

12.3 Topologias

Uma rede de comunicação é uma rede de trabalho na qual temos a interconexão

de máquinas 1 ligadas a uma transmissão comum, de modo que qualquer uma

pode transmitir dados para a outra que se encontre interligada à rede. Existem

três principais topologias de comunicação de redes:

• barramento (BUS);

• estrela (STAR); e

• anel (RING).

Essas são as topologias mais comuns, pois com elas trabalhamos no “chão de

fábrica”, já que atendem às necessidades da aplicação. Cada uma das topologias

tem suas características que devem ser observadas no momento de projeto, para

que o resultado seja a melhor escolha possível em termos de custo e desempenho.

Nas figuras 54 a 56, temos a representação das topologias apresentadas:

Figura 54 - Topologia Barramento (BUS)

Fonte: Autor

Figura 55 - Topologia Estrela (STAR)

Fonte: Autor


12 Arquiteturas Básicas e Topologias

85

Figura 56 - Topologia Anel (RING)

Fonte: Autor

12.3.1 Barramento (bus)

Na topologia de barramento, como o ponto de início e de fim da rede

não estão relacionados, podemos minimizar o comprimento dos cabos de

conexão entre os equipamentos. Basicamente, se tivermos apenas duas

máquinas interligadas, poderemos observar que qualquer dano ao cabo

causará falhas na comunicação da rede. O fato de os cabos serem reduzidos

em comprimento facilita a manutenção e a montagem do meio físico da rede.

Se esses equipamentos estiverem bem configurados na rede, poderemos

adicioná-los ou removê-los sem causar distúrbios no funcionamento da rede.

Exemplos deste tipo de comunicação são os Fieldbus (Modbus, Profibus,

Devicenet, CAN etc), que foram desenvolvidos para substituir a comunicação do

tipo ponto-a-ponto. A Ethernet é um dos exemplos mais modernos desse tipo de

topologia e, apesar de não ser desenvolvida para a indústria, ela se tornou um

padrão devido a sua larga escala de aplicações.

SAIBA

MAIS

Para conhecer um pouco mais sobre protocolos abertos,

acesse os sites das organizações do Modbus www.modbus.

org e do Profibus www.profibus.org.br

Os barramentos industriais de campo (Fieldbus) utilizados na atualidade

são baseados em grande parte no meio físico da RS-485, e algumas já

migrando para o meio físico TCP/IP. A RS-485 possui algumas desvantagens

em relação ao TCP/IP, pois para a montagem do barramento as duas

extremidades devem possuir resistências de terminação para a correta

impedância da rede.


86 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Temos também um ponto importante em qualquer uma das topologias,

que é a correta escolha do cabo de comunicação. O cabo deve ser específico

para a necessidade. Como a maioria das instalações não possui esse cuidado, o

desempenho do cabo é reduzido.

CASOS E RELATOS

Aumentando a velocidade de tráfegos

Podemos citar o seguinte caso ocorrido no atendimento a um cliente.

Verificamos que o cliente possuía uma rede Profibus-DP montada com cabo

“manga” e conector DB-9 simples. A rede funcionava, porém precariamente.

Como a rede Profibus-DP é uma rede de alta velocidade de tráfego de dados,

suporta velocidades de até 12Mbps em 100 metros. O comprimento de cabo

no local não passava de 30 metros, porém a velocidade máxima utilizada era de

9600bps. A partir dessa situação, tomamos as seguintes ações:

1. Troca do cabo manga por cabo Profibus modelo UNITRONIC BUS PB do

fabricante LAPP CABLE, como verificamos na figura 57.

LAPP KABEL STU I I GART UNITRONIC BUS PB FC

Figura 57 - Cabo para comunicação Profibus-DP

Fonte: LAPP GROUP, 2012

2. Troca dos conectores DB-9 por conectores Profibus SUBCON-PLUS-PROFIB/

SC2 do fabricante Phoenix Contact, como podemos ver na figura 58.

Figura 58 - Conector para rede Profibus-DP

Fonte: PHOENIX CONTACT, 2012

O resultado imediato obtido com essas duas ações foi o aumento da

velocidade de tráfego de dados, que passou de 9600bps para 12Mbps,

aumentando o tempo de resposta do sistema de 3s para 0,03s.


12 Arquiteturas Básicas e Topologias

87

12.3.2 Estrela (star)

Essa topologia consiste em um equipamento central que gerencia as informações

de todos os equipamentos do sistema, recebendo os dados, tratando e transmitindo,

conforme a necessidade. É a mais utilizada em médias e grandes corporações pela

redução do custo, pois todas as estações de trabalho são conectadas a uma central. Esse

tipo de topologia pode apresentar problemas quando a estação central de comunicação

estiver desligada, podendo comprometer o funcionamento do sistema se ele depender

de informações que venham de uma estação para a outra, passando pela central.

FIQUE

ALERTA

A estação central nesse tipo de comunicação é o maior ponto

de falhas. Uma estação central muito bem configurada nesse

tipo de rede tem a capacidade de suportar muita demanda

de informações ao mesmo tempo. Assim, pares de máquinas

podem comunicar-se ao mesmo tempo utilizando cabos de

comunicação ponto-a-ponto. Este tipo de topologia está

ficando cada vez mais comum em ambientes industriais que

possuam uma linha de produção de alta velocidade.

Atualmente, um dos principais recursos para minimizar o tempo da estação central

parada é a utilização de servidores de dados do tipo “Hot-StandBy” ou “Redundantes”.

Esse tipo de equipamento consiste em uma dupla de máquinas idênticas, que têm

ligação física por meio de barramentos ou até mesmo sem fio, e utiliza um software que

as gerencia, escolhendo uma das duas para ser a principal e a outra, a reserva.

As máquinas redundantes possuem um espelhamento dos dados e ficam

100% do tempo trocando os dados para manter esse espelho atualizado. Em caso

de falha na principal (queima do equipamento, desligamento acidental ou outro

fator), a reserva passa a assumir todo o gerenciamento de dados, evitando, assim,

que a estação central fique indisponível.

Como exemplo dessa topologia temos situações de rede sem fio em que há um

equipamento que gerencia a troca de dados, mais conhecido como “Access Point”. Outro

exemplo pode ser visto na grande maioria dos sistemas de automação de processo do

saneamento, que possui um sistema de supervisão central e utiliza rádios UHF para a

troca de dados entre a central e as estações de bombeamento, recebendo dados lidos

dos sensores e comandando o acionamento das bombas e válvulas.

12.3.3 Anel (ring)

Essa topologia é semelhante ao barramento, porém consiste em interligar as

duas extremidades da rede no mesmo ponto, formando um tipo de anel, daí o nome

da topologia. O anel pode ser simples ou redundante. Nesse caso, as mensagens

são enviadas em uma direção em torno do anel. É obrigatório que nesse tipo de

topologia a mensagem enviada seja removida pelo receptor (em caso de sucesso)

ou pelo transmissor (em caso de falha), para evitar que entre em loop no anel e

ocupe a rede, reduzindo seu desempenho.


88 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Se tivermos um rompimento nos canais de comunicação do anel, esse se torna

uma rede idêntica à topologia do tipo barramento. Algumas normas especificam

que dois anéis sejam utilizados, um em direção contrária ao outro, como pode ser

visto na figura 59.

Figura 59 - Topologia anel redundante

Fonte: Autor

Quando acontece uma interrupção em algum dos anéis, automaticamente o

outro anel passa a fazer toda a comunicação. Veja a figura 60.

Figura 60 - Topologia anel redundante com interrupção em um dos anéis

Fonte: Autor

No caso de acontecer uma falha nos dois anéis de comunicação, as extremidades

automaticamente unem seus inícios e suas terminações para formar um único anel,

conforme apresenta a figura 61, exatamente igual a uma topologia de anel simples.

Figura 61 - Topologia anel redundante com interrupção nos dois anéis

Fonte: Autor


12 Arquiteturas Básicas e Topologias

89

Recapitulando

Neste capítulo vimos que existem dois tipos de redes de dados, a rede

local (LAN) e a rede de longa distância (WAN). Aprendemos que na indústria

encontraremos, na maioria das vezes, aplicações utilizando redes locais.

Quanto às topologias, estudamos que as redes podem ser construídas em

cinco principais formatos: barramento (BUS), estrela (STAR), anel (RING). Essas

topologias são as mais utilizadas no chão de fábrica e atendem a todas as

necessidades das aplicações. Cada uma delas possui características diferenciadas

que devem ser observadas durante o projeto.


Modelo OSI aplicado a CLP e a

barramentos de campo

13

De acordo com a definição do IEC/ISA-SP50, os barramentos de campo possuem três das

sete camadas definidas pelo modelo OSI, da ISO:

1. camada física,

2. camada de enlace, e

3. camada aplicativa.

Possuem também uma quarta camada, ainda sem previsão de normalização pelo IEC, que é

denominada camada do usuário (“a oitava camada”).

A divisão em camadas permite a livre implementação do sistema de comunicação, desde

que obedecidas as interfaces entre as camadas e o protocolo (regras/linguagem) de cada

camada. Vamos conhecer resumidamente cada camada.

13.1 Camada física

Define o meio físico que transporta o sinal entre os equipamentos e também os circuitos

e regras para a modulação do sinal no meio físico. Possui as seguintes características técnicas:

• meio físico: foram definidos três meios físicos – par de fios (RS-232, RS-485), fibra ótica

e rádio. A normalização para par de fios já foi aprovada pela ISA-SP5O e está disponível

como publicação da ISA, sob o título “ISA-S50.02 part 2: physical layer specification and

service definition”;

• taxa de comunicação: estão previstas taxas de comunicação de 31.25 kbit/s até 100

megabits;

• número de equipamentos no barramento (31.25 kbit/s): para sistema sem alimentação

via barramento e sem segurança intrínseca de 1 a 32 equipamentos. Com segurança

intrínseca e alimentação, de 2 a 6 equipamentos. Sem segurança e com alimentação, de 1

a 12 equipamentos.


92 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL • máxima distância: até 1.900 metros para 31.25 kbit/s, sem repetidores

(máximo número de repetidores igual a 4). Até 750 metros para 1 megabits.

Até 500 metros para 2.5 megabits. Até 100 metros para 12 megabits;

• topologias: tipo de barramento em que os equipamentos estão conectados

por braços que saem de diferentes pontos do barramento principal ou tipo

árvore em que os braços saem do mesmo ponto do barramento;

• alimentação: 9 a 32 VDC;

• isolação galvânica obrigatória;

• redundância: duplicação da fiação e dos circuitos de transmissão e recepção.

VOCÊ

SABIA?

Quando ouvimos falar em velocidade de comunicação,

acreditamos que se refere à transferência de bytes de dados.

Mas, às vezes, a quantidade de informações transferidas é muito

maior do que simplesmente dados, podendo chegar até 70%

de informações de mensagem e 30% apenas de dados. Por isso,

é muito importante conhecer bem o protocolo a ser utilizado e

escolher corretamente a velocidade de comunicação.

A maioria das comunicações de campo oferece uma topologia de comunicação

em que os segmentos devem ser conectados utilizando repetidores. Para

conectar equipamentos em um segmento de comunicação, podemos utilizar

uma pequena distância de cabos. A faixa de alcance de uma comunicação é de

aproximadamente 2.000 metros. Os periféricos de porte médio utilizam um par

de cabos blindados e trançados. Lembramos, também, que tanto a fibra ótica

quanto a rádio frequência se encontram disponíveis para esse fim. Atualmente, já

encontramos uma mistura de comunicação com cabos e sem fio.

FIQUE

ALERTA

A instalação de fibra ótica não é simples, pois necessita de

equipamentos adequados para a realização de sua fusão.

Dependendo da distância que deverá ser coberta pela fibra

ótica, os custos ficam muito elevados e podem ultrapassar

os orçamentos previstos para o projeto.

13.2 Camada de enlace

Esta camada define a forma de acesso dos equipamentos na rede para evitar

colisões de dados e ainda garante a integridade das mensagens que possuem

código acrescentado na mensagem para ser verificado em terminais, mais

conhecido como CRC. Possui as seguintes características técnicas:

• acesso à rede: existem três meios para acessar o barramento. O primeiro modo é

aquele em que recebemos do gerenciador ativo do barramento o token (ou seja,

uma ficha), o segundo modo é por meio da requisição de um token com um código

nas mensagens de resposta, e o terceiro modo é por meio de uma resposta imediata

requerida por um equipamento mestre (aquele que inicia a passagem da ficha);


13 Modelo OSI aplicado a CLP e a barramentos de campo

93

• modelo produtor/consumidor: os produtores de variáveis colocam-nas num

buffer que pode ser acessado pelo consumidor sem envolvimento com o produtor;

• atualização cíclica: é possível programar o gerenciador ativo para

ciclicamente assumir o token e, por meio do sistema de resposta imediata,

fazer a atualização das variáveis;

• referência de tempo: existem recursos para manter uma referência de

tempo única na rede, de forma a permitir o sincronismo das atividades no

barramento que influenciam os processos;

• endereçamento: os barramentos podem ser interconectados, e mais de

100.000 variáveis ou os equipamentos podem ser unicamente endereçados.

13.3 Camada de aplicação

A camada de aplicação define a notação das mensagens e a forma como

elas devem ser transmitidas (ciclicamente, imediatamente, apenas uma vez,

ou quando solicitado pelo consumidor). O gerenciamento das mensagens é

também de responsabilidade do grupo que está definindo esta camada. Ele é o

responsável pela inicialização do sistema, levantamento estatístico e relato de

falhas para o usuário.

13.4 Camada do usuário

A camada do usuário foi criada para garantir uma utilização das atuais

aplicações do usuário, tendo muitas vezes como padrão o 4-20 mA para o

sistema fieldbus. Essa camada define os vários blocos funcionais utilizados

hoje no setor de controle de processo industrial (algoritmos, parâmetros de

entrada e saída, alarmes).

Recapitulando

Aprendemos que os barramentos de campo utilizam apenas três das sete

camadas definidas pelo modelo OSI. Essas camadas são a camada física, que

é responsável por definir o tipo do meio físico (RS-232, RS-485), número de

equipamentos, velocidade de transmissão, e outros; a camada de enlace,

responsável por definir a forma de acesso dos equipamentos na rede em relação

as suas mensagens; e a camada aplicativa, que é responsável por definir a forma

de transmissão das mensagens.


Redundância

14

Após estudarmos os tipos de topologia (anel, estrela e barramento), veremos agora que esses

três tipos também podem ser implementados utilizando a redundância. Redundância pode

ser definida como “Repetição”. Nas figuras 62 a 65 temos os esquemas das três topologias que

utilizam redundância em cada uma delas.

SAIBA

MAIS

Para conhecer um pouco mais sobre redundância em redes de

comunicação, veja esses documentos:

http://www.altus.com.br/site_ptbr/index.php?option=com_content&v

iew=article&id=285&Itemid=176.

www.smar.com/PDFs/Misc/Redundancy_Smar_Port.pdf

Figura 62 - Topologia redundante em anel

Fonte: INSTRUMENT SOCIETY OF AMERICA, 1992


96 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Computadores

com 2 placas

de rede

Switch

primário

HSE

Switch

secundário

Linking Device

redundante com

1 porta ETH cada

H1

Linking

Device Sem

redundância

com 2 portas

ETHERNET

H1

Linking Device

redundante com

2 portas ETH cada

(redundância de

supervisão)

Figura 63 - Topologia redundante em estrela

Fonte: INSTRUMENT SOCIETY OF AMERICA, 1992

Figura 64 - Topologia redundante em barramento

Fonte: INSTRUMENT SOCIETY OF AMERICA, 1992

Figura 65 - Topologia redundante em duplo anel

Fonte: INSTRUMENT SOCIETY OF AMERICA, 1992


14 Redundância

97

FIQUE

ALERTA

Ao projetar um sistema redundante, devemos saber quais

são as reais necessidades do cliente, pois a implementação

de uma rede com essas características possui um custo muito

elevado e pode não trazer o retorno esperado pelo cliente.

Abaixo segue a descrição de dois tipos distintos de redundância.

14.1 Sistema de controle redundante

Utilizamos a redundância no sistema de controle quando queremos aumentar

a disponibilidade dos barramentos que possuem apenas um mestre. Este tipo de

redundância pode prevenir a falha do sistema de controle em caso de falta de

alimentação do campo. Na figura 66 temos o esquema básico de um sistema de

controle redundante.

Control Station 1

(Central Processing)

Direct

Coupling

Control Station 2

(Central Processing)

Master Station 1

Master Station 2

Bus a

(Bus b)

Figura 66 - Sistema de controle redundante

Fonte: PROFIBUS INTERNATIONAL, 1997

No esquema apresentado na figura 66, apenas um dos mestres está ativo,

sendo eleito na inicialização do sistema. O outro passa a ser reserva e recebe os

dados através do acoplamento direto para ter sua memória atualizada em caso

de falha no mestre principal, passando a assumir todo o controle, sem reações

indesejáveis no sistema.

VOCÊ

SABIA?

A redundância na indústria petroquímica aplica-se tanto para

o sistema de controle como para o meio físico, principalmente

para sistemas de segurança, garantindo a disponibilidade em

100% do tempo, pois é um sistema crítico.

14.2 Redundância de meio físico

Utilizamos a redundância quando queremos aumentar a confiabilidade do

barramento de campo. Quando implementada, a redundância consiste em

dois barramentos físicos distintos (barramento A e barramento B) com dois

transceptores não interconectados de forma alguma, gerando total independência

das informações que trafegam por eles. A seguir, veja o diagrama de ligação de

uma rede redundante.


98 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Bus a

LSS !

Comunications

Microprocessor

+ - / - + UART Controller

RxD-a RxD -b TxD

Transcceiver

a

Transcceiver

b

Bus b

Figura 67 - Redundância por meio do Profibus-PA

Fonte: PROFIBUS INTERNATIONAL, 1997

O princípio básico da redundância do meio físico é o envio simultâneo de uma

mensagem para dois transceptores, e eles enviam as mensagens recebidas para seus

respectivos barramentos “A” e “B”. As mensagens enviadas pelos escravos do campo

são tratadas pelo mestre em um dos barramentos escolhidos na inicialização, e caso

esse falhe, o mestre assume o próximo barramento como principal.

Recapitulando

Neste capítulo vimos que as topologias apresentadas anteriormente

também podem ser implementadas utilizando-se o recurso conhecido como

redundância, que é uma “repetição” da topologia. Aprendemos que o objetivo é

garantir disponibilidade total do sistema durante a operação, e que a redundância

pode ser realizada no sistema de controle (controlador programável, ou sistema

de supervisão) ou no meio físico (remota de I/O ou escravo da rede).


14 Redundância

99

Anotações:


Sistemas Distribuídos

15

Os sistemas distribuídos consistem em equipamentos geograficamente dispersos e em vários

pedaços, porém interconectados, e que trabalham de forma cooperativa. Em vez de possuir

apenas um dispositivo central controlando todo o processo/máquina, cada setor ou área tem

seu computador de controle. Por exemplo, em uma fábrica de alimentos podemos ter um setor

controlando a parte de líquidos e outro setor que controla a parte seca. O sistema distribuído

também é utilizado com um protocolo que controla apenas as entradas e saídas de controle.

Em outras palavras, a filosofia de sistemas distribuídos consiste em colocar a capacidade

de processamento e armazenamento junto ao usuário final, e a intercomunicação entre os

elementos do sistema permite ao usuário o acesso a dados e recursos localizados remotamente.

É preciso ter muita atenção, pois essas definições citam o “Sistema de Controle Distribuído” (SDCD)

e também os Sistemas Distribuídos. Apesar de serem bem parecidos, como o nome diz, um realiza o

controle em locais diferentes, e o outro, não.

VOCÊ

SABIA?

O precursor de sistemas distribuídos foi o SDCD, apesar de ter o

controle também distribuído. Esse sistema levou os controladores

programáveis a evoluir, tanto que hoje os SDCDs estão sendo

substituídos por controladores programáveis com os I/O distribuídos.

SAIBA

MAIS

Conheça a última geração de SDCDs, que são ainda muito utilizados,

acessando este site:

http://www2.emersonprocess.com/en-US/brands/deltav/Pages/index.aspx

Os protocolos dos barramentos industriais são canais de comunicação gerenciados

pelo processador do controlador lógico programável e trazem informações de dispositivos

de entradas e saídas (I/O) discretas e analógicas, podendo ser desde uma remota até um

sensor/atuador inteligente. Quando falamos em sensor/atuador inteligente, devemos

lembrar que ele não precisa do controlador lógico programável para funcionar e realizar o

controle, e que apenas o utiliza para levar as informações, na maioria das vezes, ao sistema

de supervisão e controle.


102 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL FIQUE

ALERTA

O sistema de supervisão não deve ter lógicas de controle

implementadas na aplicação, pois geralmente, está

instalado em um computador que não é industrial. Desse

modo, se houver um problema no computador, o processo/

máquina irá parar e comprometer toda a produção,

Podemos também dizer que uma comunicação de campo pode ser utilizada

para interligar uma célula de produção a outra, mas devemos observar que esta

não é uma aplicação da comunicação dos barramentos de campo. Na figura 68 é

ilustrada a utilização da comunicação de campo.

Controlador

Lógico

Programável

Estação de

Supervisão

e Controle

Interface Fieldbus

Interface Fieldbus

fieldbus

&

Interface

de I / O

fieldbus

&

Interface

de I / O

FIELDBUS

fieldbus

&

Interface

de I / O

SENSORES

ATUADORES

PROCESSO

Figura 68 - Sistema com entradas e saídas distribuídas

Fonte: Autor

São algumas vantagens desse tipos de sistemas:

• maior controle do usuário final: o usuário final utiliza seu próprio sistema;

assim, o acessa quando for necessário, não precisando competir pelo uso do

sistema central com os outros usuários;

• maior eficiência: o usuário final utiliza máquinas de pequeno porte, com

aplicações dedicadas, obtendo, assim, melhor tempo de resposta;

• maior disponibilidade: como o sistema é constituído independentemente,

se um equipamento falhar os outros ficarão funcionando sem nenhum

problema, impedindo que o sistema pare por completo;

• modularidade: o sistema pode ser desenvolvido gradualmente, começando

com um pequeno número de máquinas que processam poucas aplicações,

podendo posteriormente aumentar o sistema;

• flexibilidade: sendo necessário, um equipamento pode ser substituído,

expandido, alterado ou retirado sem afetar os demais.


15 Sistemas Distribuídos 103

Sistema de Controle Distríbuído

Controller

Controller

Data High Way

Central Control Room

Controller

Controller

Sistema Centralizado

Central Control Room

Computer

Figura 69 - Comparativo entre sistema distribuído e sistema centralizado.

Fonte: SENAI/MG, [s/d]

Recapitulando

Aprendemos, neste capítulo, que o Controlador Programável para foram menos

utilizados do que os sistemas mais complexos de controle, principalmente, para os

sistemas da indústria petroquímica conhecidos como SDCDs – Sistemas Digitais de

Controle Distribuído. Vimos, também, que o Controlador Programável foi a base para

o grande desenvolvimento das redes, até conseguirmos um sistema com pontos de

I/O distribuídos pelo campo. Estudamos que esse sistema pode ser chamado de

sistema distribuído, pois possui o controle centralizado e as informações de estado

distribuídas pelo campo. Concluindo, aprendemos que as vantagens do sistema

distribuído são o maior controle por parte do usuário final, a maior eficiência do

sistema, a maior disponibilidade de operação, a modularidade e a flexibilidade.


Meios Físicos

16

Conforme visto no capítulo que abordou o modelo OSI aplicado a controladores lógicos

programáveis e a barramentos de campo, verificamos que o modelo OSI define os meios físicos

para a utilização. Vamos agora detalhar cada um deles.

VOCÊ

SABIA?

Cada cabo fabricado possui uma característica técnica e, também, uma

construção especial para realizar tarefas específicas. Um dos grandes

problemas encontrados na área técnica, no Brasil, é que misturamos

os cabos e suas funções, ou seja, generalizamos a utilização de

cabeamento. Por exemplo: em muitas instalações encontramos um cabo

sendo utilizado para rede de comunicação, que também está sendo

empregado para transmissão de sinal analógico de sensores (4-20mA).

16.1 Par trançado

Este meio físico é o mais difundido por ter seu custo de implementação reduzido. O mais

comum é o RS-485 e o RS-232. O RS-232 é pouco utilizado, mas ganha força com a utilização de

um conversor (hardware) de meio físico de RS-232 para RS-485. Podemos dizer que o RS-232 é

utilizado para conectar um equipamento ponto-a-ponto, como, por exemplo, a programação

de um dispositivo ou a comunicação com modem. O RS-485 tem sua constituição mais robusta

e imune aos ruídos e interferências com a utilização da malha de blindagem; por este motivo,

é o mais utilizado na indústria.

LAPP KABEL STU I I GART UNITRONIC BUS LD

Figura 70 - Cabo para comunicação de dados RS-485, com malha

Fonte: LAPP GROUP, 2012

SAIBA

MAIS

Para conhecer uma vasta gama de cabos e suas aplicações específicas,

visite o site da Lapp Kable: www.lappgroup.com

Para conhecer as normas EIA/TIA-568-B visite o site: http://www.tiaonline.org/

O par trançado, como o próprio nome diz, são dois fios enrolados em espiral, de forma a

reduzir o ruído e manter constantes as propriedades elétricas do meio físico ao longo de todo o

seu comprimento. Também permite a transmissão analógica ou digital. Esse cabo é classificado

em seis categorias, por isso apresentamos as características de três categorias, de acordo com

sua capacidade de utilização e aplicação. A seguir:


106 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Categoria Descrição

Categoria 3

Transmite tanto voz como dados. Pode chegar à uma velocidade

de até 10 Mbps. Pode ser usada em redes Ethernet, Fast

Categoria 4

Categoria 5

Ethernet e Token Ring.

Tem a mesma utilidade dos cabos da categoria 3, mas sua

velocidade chega a 20 Mbps.

Pode ser usado em redes Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet,

Token Ring e ATM. Sua velociade chega a 155 Mbps.

Quadro 4 - Categorias dos cabos segundo a norma EIA/TIA-568-B

Fonte: Energy information administration, [s/d].

Podemos encontrar vários tipos de conexão, como, por exemplo, os conectores

DB-9, os bornes de conexão e os conectores circulares.

CASOS E RELATOS

A causa escondida do problema

O grande problema que encontramos na utilização dos cabos é sua má

utilização, pois os técnicos pensam que qualquer cabo pode fazer o trabalho

de um cabo de rede. Certa vez, fomos contratados para realizar a automação de

uma estação de bombeamento de água bruta que havia sida inaugurada há uns

três anos, porém nunca tinha operado automaticamente.

Ao chegar na estação de bombeamento, nos deparamos com uma instalação

que possuía em seu controle principal um Controlador Lógico Programável

e dois inversores (um para cada bomba) interligados através de uma rede de

comunicação com protocolo Modbus-RTU. Como todos os equipamentos

estavam próximos, pensamos que a automação daquela estação seria simples.

Após desenvolvermos o software para o Controlador Programável, fomos realizar

alguns testes de comunicação para nos certificarmos de que as informações

que seriam trazidas dos inversores estavam corretas.

Para nossa surpresa, o resultado foi desastroso, pois os equipamentos

simplesmente não comunicavam. Ao realizar o teste individual com cada um

dos equipamentos e obter um resultado satisfatório, sobrou-nas apenas uma

causa para o problema: a montagem incorreta da rede.

Como resultado da péssima instalação realizada pela empresa anterior,

foi necessário colocar um cabo para rede RS-485 de uso interno, retirando

os cabos de energia que estavam sendo utilizados para a montagem da

rede. Outra medida realizada em conjunto foi a passagem de eletrodutos

galvanizados somente para a rede de comunicação, isolando os cabos de

alimentação dos inversores e dos motores que estavam gerando interferência.


16 Meios Físicos 107

16.2 Cabo coaxial

Outro meio físico é o cabo coaxial, no qual o condutor consiste em um núcleo

interno de cobre circundado por condutor externo, tendo um dielétrico separando

condutores. O condutor externo é ainda circundado por outra camada isolante,

conforme verificamos na figura 71.

LAPP KABEL STU I I GART RG - 213 / U

Figura 71 - Cabo coaxial

Fonte: LAPP GROUP, 2012

Este tipo de cabo possui uma grande variedade de construções, sendo

alguns melhores para altas frequências, outros mais imunes a ruídos etc. Os

cabos possuem alta qualidade e, por causa disso, tendem a não ser maleáveis,

o que torna a instalação um pouco difícil. Em sua forma construtiva, mantêm

uma capacitância constante e baixa, permitindo que trabalhemos com taxas

mais altas de transmissão. Por causa desta característica, esse tipo de cabo

sempre foi muito utilizado para a transmissão de áudio e vídeo, e é muito

encontrado em instalações de antenas de televisão em nossas casas.

Existem cinco tipos de conectores para serem utilizados com cabos

coaxiais em redes de computadores, são eles conector BNC padrão macho,

conector BNC tipo”T”, conector BNC tipo “i”, conector transceiver, conector

BNC de terminação.

16.3 Fibra ótica

Um dos meios físicos mais interessantes é a fibra ótica. Seu núcleo pode ser

construído em vidro ou em plástico. A transmissão é realizada pelo envio de um

sinal de luz codificado, dentro do domínio de frequência do infravermelho na

grandeza de 10^12 até 10^14 Hz. Devido a essa característica, caso seja instalada

corretamente, a fibra ótica é totalmente imune a ruídos elétricos. Por não terem

contato elétrico entre as partes, o isolamento entre o transmissor e o receptor não

precisa ser no mesmo ponto podemos utilizar aterramentos distintos.

Os únicos problemas apresentados são o alto custo de implantação e a

necessidade de junção de fibras em longas distâncias.

Figura 72 - Fibra ótica

Fonte: LAPP GROUP, 2012


108 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL FIQUE

ALERTA

Não utilize cabos multifunção, pois eles não são

específicos, apresentam falhas durante a operação e

podem comprometer o desempenho final. Muitas vezes,

um sistema pode ficar inoperante durante um bom

tempo, até que se descubra que o cabo é o causador dos

problemas. Por isso, utilize sempre o cabo adequado.

SAIBA

MAIS

Resumo das normas.

EIA/TIA 568 Especificação geral sobre cabeamento

estruturado em instalações comerciais.

EIA/TIA 569 Especificações gerais para encaminhamento

de cabos (infraestrutura, canaletas, bandejas, eletrodutos,

calhas).

EIA/TIA 570 Especificação geral sobre cabeamento

estruturado em instalações residenciais.

EIA/TIA 607 Especificação de aterramento

Recapitulando

Neste capítulo apresentamos o meio físico mais utilizado atualmente

na indústria, que é o par trançado. Ele pode ser encontrado nas redes que

utilizam os padrões RS-232 e RS-485, e também a Ethernet. Aprendemos

que o cabo coaxial é um dos mais antigos, devido a suas características

construtivas, e continua sendo utilizado em larga escala para a transmissão

de áudio e vídeo. Concluído este capítulo, vimos que a fibra ótica é o meio

físico mais moderno e, por isso, tem sido amplamente utilizada devido,

principalmente, à sua imunidade e às altas taxas de transmissão.


Anotações:

16 Meios Físicos 109


Tipos de Comunicação de Dados

17

Os tipos de comunicação dos dados entre Controladores Lógicos Programáveis, ou entre

Sistema de Supervisão e Controladores Lógicos Programáveis, devem ser definidos. Existem

Controladores Lógicos Programáveis que se comunicam em redes com protocolos abertos

(tipo de rede utilizada por diferentes fabricantes) ou em redes com protocolos proprietários

(tipo de rede utilizada apenas pelo fabricante). Definiremos dois modelos de rede descritos

como Origem/Destino e Produtor/Consumidor. Vamos ver cada um deles.

17.1 Rede do tipo origem/destino

Nesse tipo de configuração, os dados são transmitidos/recebidos do nó fonte para um

destino específico. A ação sincronizada entre os nós é muito difícil, uma vez que os dados

chegam aos nodos em momentos diferentes. Nesse tipo de rede existe o desperdício de

recursos em função da repetição dos mesmos dados quando apenas o destino é diferente.

17.2 Rede do tipo produtor/consumidor

Em relação à rede do tipo produtor/consumidor, os dados são transmitidos/recebidos do nó

fonte para todos os nós da rede simultaneamente. Em uma mesma rede podem trafegar dados

de controle, de Entradas e Saídas Digitais e Analógicas, e também dados de configuração,

podendo dar prioridade para os dados de Entradas e Saídas.

Os sistemas do tipo Produtor/Consumidor possuem várias divisões e podemos citar o

Mestre/Escravo, Multimestre ou Ponto-a-Ponto. A troca de dados pode ser do tipo cíclico, ou

seja, os dispositivos produzem os dados a uma taxa configurada pelo programador. Lembre-se

de que esta taxa deve sempre estar dentro do intervalo de atualização aceito no projeto.

Em uma rede do tipo Produtor/Consumidor, os dados são identificados pelo conteúdo e

não pela origem e/ou destino. No cabeçalho da mensagem encontra-se apenas a informação

do número da mensagem e, assim, os dispositivos que precisam deste dado a “consomem”. Esta

tecnologia de redes permite que os dados síncronos de Entradas e Saídas sejam adquiridos em

intervalos específicos e que dados não síncronos como uploads, downloads, configuração e

programação sejam transferidos em intervalos não programados. Esses dois tipos de tráfego são

suportados pela rede sem que um tipo venha interferir no outro.


112 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Figura 73 - Tipo de rede Produtor/Consumidor

Fonte: ALLEN BRADLEY, [s/d]

17.2.1 Comunicação mestre/escravo

Nesse tipo de comunicação, a estação Mestre é fixa e somente ela é capaz de

iniciar as mensagens. Os dispositivos do tipo Escravo trocam dados apenas com

o Mestre, informando somente os dados solicitados. Esse tipo de rede suporta

apenas um Mestre e múltiplos Escravos.

VOCÊ

SABIA?

A comunicação do tipo Mestre/Escravo é a mais utilizada na

indústria, principalmente quando queremos comunicar um

Controlador Programável com um sistema de supervisão,

podendo ser um computador PC, industrial ou até mesmo

uma IHM. Esta situação é bem comum em pequenas

plantas e, também, em máquinas.

Figura 74 - Tipo de rede Mestre/Escravo

Fonte: ALLEN BRADLEY, [s/d]


17 Tipos de Comunicação de Dados 113

17.2.2 Comunicação multimestre

Esse tipo de comunicação é exatamente idêntico ao Mestre/Escravo, porém

com a diferença que a comunicação MultiMestre suporta mais do que um Mestre.

Figura 75 - Tipo de rede MultiMestre

Fonte: ALLEN BRADLEY, [s/d]

17.2.3 Comunicação ponto-a-ponto

Um par de estações toma o controle da rede por vez para trocar informações

entre elas. Não é realizado o polling para verificar se a estação receptora está ativa

e possui mensagens para enviar. Os dispositivos podem trocar dados com mais de

um dispositivo, ou múltiplas trocas com o mesmo dispositivo.

*** ***

Figura 76 - Tipo de rede Ponto-a-Ponto

Fonte: ALLEN BRADLEY, [s/d]

17.2.4 Multitransmissão

Nessa situação, os dados são transmitidos simultaneamente para todos os

equipamentos da rede.


114 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 17.2.5 Passagem de ficha

Nesse tipo de rede não existe Mestre nem Escravo, e a cada instante uma

estação está no controle da rede, quando envia e recebe seus dados. Após receber

seus dados, passa a vez para a próxima estação, que também deverá enviar e

receber seus dados, e assim por diante.

FIQUE

ALERTA

Alguns tipos de comunicação são bem parecidos. Por

esse motivo, devemos ter muita atenção no momento

do projeto para não haver confusão. Antes de projetar a

rede, devemos verificar com o fabricante a capacidade de

cada um dos equipamentos a serem instalados e garantir

que podem ser interligados; caso contrário, a rede não irá

funcionar.

Recapitulando

Aprendemos a identificar de que forma os dados podem ser trocados entre

os equipamentos de uma rede. Vimos, também, que podemos definir dois

modelos que se adequam ao Controlador Programável e podem ser descritos

como origem/destino e produtor/consumidor. Neste capítulo soubemos que

no modelo produtor/consumidor se encontram quase todos os tipos de troca

de dados, dos quais podemos citar os protocolos do tipo Mestre/Escravo,

Multimestre, ponto-a-ponto, passagem de ficha e multitransmissão.


Anotações:

17 Tipos de Comunicação de Dados 115


Métodos de Troca de Dados

18

Existem três tipos de métodos para troca de dados, entre eles o Cíclico, o Não Solicitado e o

Polling. Vamos detalhar um pouco mais cada um dos três métodos.

18.1 Cíclico

Neste método, os dispositivos produzem dados a uma certa taxa configurada pelo

programador. Novamente, o intervalo máximo de atualização deve estar no valor definido em

projeto, e o valor da taxa de atualização também.

A transferência de dados cíclica é eficiente devido ao fato de os dados serem

transferidos numa taxa adequada ao dispositivo/aplicação. Desse modo, os recursos

podem ser preservados pelos dispositivos com alta variação e maior determinismo.

Esse método é compatível com a utilização dos tipos de comunicação Mestre/Escravo,

Multimestre, ponto-a-ponto e multitransmissão.

a cada 100ms

a cada 5ms

a cada 2000ms

Analógica

l / O

Figura 77 - Método cíclico

Fonte: ALLEN BRADLEY, [s/d]

FIQUE

ALERTA

Para não haver confusão entre os métodos de comunicação cíclico e

polling nas diferenças das redes de comunicação, utilize corretamente

os recursos da rede.


118 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 18.2 Não solicitada (unsolicited)

Neste tipo de troca de dados os dispositivos produzem mensagens quando existe

alguma alteração no valor (estado) de certa memória, otimizando, assim, a transferência

dos dados trocados entre dois equipamentos. Uma mensagem é enviada ciclicamente

para ver se os equipamentos estão ativos ou com falha. Um sinal é uma mensagem

em segundo plano e é transmitido ciclicamente para confirmar que o dispositivo está

ok. A mudança de estado é eficiente porque se reduz significativamente o tráfego da

rede e recursos não são desperdiçados processando-se dados antigos.

Digital

l / O

Figura 78 - Método Não Solicitado

Fonte: ALLEN BRADLEY, [s/d]

CASOS E RELATOS

O método correto para determinado evento

Vamos analisar o caso de um sistema que roda executando ciclos de atualização do

método de mensagem não solicitada (unsolicited). Uma das grandes áreas de atuação

da automação é o setor de energia elétrica. Toda vez que uma nova subestação de

energia elétrica é construída, uma norma da ANEEL solicita as concessionárias a

instalarem um sistema de supervisão em plataforma Unix, conhecida como SAGE

– Sistema Aberto de Gerenciamento de Energia. Veja a resolu;áo normativa n o

338/2008 da ANEEL (www.aneel.gov.br/cedoc/ren2008333.pdf), e o Sistema Aberto

de Gerenciamento de Energia (SAGE), no site www.sage.cepel.br.

Assim, além da instalação de um sistema de supervisão para monitoração e

controle de toda a estação, também há necessidade da instalação do SAGE, que

está interligado diretamente à agência de energia, em Brasília. Toda vez que ocorrer

um evento, como a abertura de uma seccionadora, por exemplo, o controlador

programável armazena a informação em uma placa especial de eventos (por meio

do que chamamos de time-stamp), com precisão de centésimos de segundos.

Automaticamente, o SAGE é informado pelo método de mensagem não solicitada.

Dependendo do tamanho da subestação, são milhares de pontos monitorados e,

no caso de algum evento, as informações devem ser enviadas em tempo real, o que

torna os métodos de polling ou cíclico inviáveis para esse tipo de aplicação.


18 Métodos de Troca de Dados 119

18.3 Polling

O “Polling” é uma mensagem enviada pelo equipamento central à rede, sendo que

os outros equipamentos só poderão responder a esta solicitação se ela for enviada

com destino a ele. O desempenho deste tipo de rede depende principalmente do

equipamento principal, porém a falta de algum outro nó não afetará a rede.

Este método é utilizado em sistemas do tipo Mestre/Escravo e também na

MultiMestre.

Figura 79 - Método de Polling

Fonte: ALLEN BRADLEY, [s/d]

Recapitulando

Neste capítulo conseguimos identificar os métodos utilizados para

transportar os dados entre os equipamentos de uma mesma rede. Aprendemos

que esses métodos são o cíclico, o não solicitado e o polling. Estudamos

que no método cíclico os equipamentos geram os dados a uma certa taxa

configurada pelo programador. No método não solicitado, os equipamentos

geram os dados quando existe alguma alteração no estado de uma certa

memória, otimizando, assim, o canal de comunicação de dados. Já no método

de polling aprendemos que o equipamento central envia uma mensagem à

rede, sendo que os equipamentos só responderão as mensagens que forem

enviadas com destino eles.


Protocolos Industriais

19

Cada fabricante possui protocolos de comunicação de dados conhecidos como proprietários.

Em vez de analisar cada um desses protocolos, estudaremos alguns protocolos abertos.

Os protocolos de comunicação têm a função de estabelecer os parâmetros de troca de dados

entre os equipamentos, de forma ordenada, evitando erros e informando seu acontecimento.

Na figura 80 vemos a maior parte dos protocolos existentes no mercado. Basearemos o curso

nos protocolos mais utilizados e conhecidos no mercado.

Faixa de Aplicação de Redes

NÍVEL DE AUTOMAÇÃO

Sensor

Nível de Bit Dispositivo Controle Negócio

Interbus

Loop

interbua

ASI

Profibus DP

Seriplex

Can

Profibus

FMS

CCL ink

Contro LNet

DeviceNet

SDS

ATM / FDDI

Etherenet 10/100/1000 Base - T

DeviceWFIP WorldFIP

LonWorks

HART

IEC / SP50 H2

IEC / SP50H1

Profibus PA

Discreto Aplicações Processo

Figura 80 - Faixa de aplicação das redes de campo

Fonte: ALLEN BRADLEY, [s/d]

19.1 Protocolo modbus

O protocolo Modbus foi um dos primeiros protocolos abertos, desenvolvido pela Modicon,

para a comunicação entre Controladores Lógicos Programáveis. Atualmente, esse protocolo

pertence ao grupo da Schneider Electric e é utilizado em larga escala por quase todos os

fabricantes. O protocolo Modbus possui duas variações, o Modbus-RTU e o Modbus-ASCII.

Analisaremos apenas o RTU por ser o protocolo mais utilizado.


122 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Inicialmente, o protocolo só era funcional nas portas dos controladores que

utilizavam RS-232 ou RS-485. Atualmente, temos essas mesmas portas, cartões

adaptadores de rede para computadores, módulos especiais e gateways da

Modicon e de outros fabricantes.

Entre os dispositivos que utilizam esse protocolo, citamos os Controladores

Lógicos Programáveis, interfaces homem máquina, unidades terminais remotas

(RTU), drives AC/DC, sensores e atuadores inteligentes.

SAIBA

MAIS

Para conhecer um pouco mais sobre o protocolo Modbus,

acesse o site da organização:

www.modbus.org

No nível de mensagens, o protocolo do Modbus aplica o tipo de comunicação

Mestre/Escravo, mesmo que por vezes pareça que temos um tipo de rede ponto

a ponto. Assim, podemos dizer que quando um controlador gera uma mensagem

(comportamento de equipamento mestre), ele aguarda uma resposta de um

escravo. De forma similar, quando um controlador recebe uma mensagem, ele

deve responder como se fosse um escravo, retornando a mensagem para o

controlador que a originou. Vemos esse tipo de comunicação na figura 81.

Query message from Master

Device Address

Function Code

Eight - Bit

Data Bytes

Error Check

Device Address

Function Code

Eight - Bit

Data Bytes

Error Check

Response message from Slave

Figura 81 - Ciclo de pergunta-resposta do mestre/escravo

Fonte: MODICON INC, 1996

19.1.1 A pergunta

O código da função na pergunta indica ao dispositivo escravo qual o tipo de

ação que deverá ser realizada. Os bytes de dados contêm informações adicionais de

que o escravo precisa para executar a função. Por exemplo: se utilizarmos o código

de função 03 (leitura de registros), o escravo irá agrupar suas informações referentes

aos registros e responderá ao mestre com seus valores. O campo de dados deve

conter informações para o escravo, comunicando o registro inicial e a quantidade

deles que devem ser informados ao mestre. O campo de erros possibilita ao escravo

validar a integridade do conteúdo da mensagem enviada ao mestre.


19 Protocolos Industriais 123

19.1.2 A resposta

Se o escravo envia uma resposta normal, o código da função enviada ao mestre

deve ser exatamente igual à solicitada; ou seja, se a função solicitada pelo mestre

for a 16 (escrita de múltiplos registros), então a resposta deverá conter o código de

função 16. Os bytes de dados contêm os valores coletados pelo escravo, sendo eles

os valores ou o estado dos registros. Na ocorrência de um erro, o código da função

é modificado para indicar que a resposta é um erro e que os bytes de dados contêm

o código descrevendo o erro ocorrido. O campo de checagem de erro permite ao

mestre confirmar que aquela mensagem de erro é válida antes de aceitá-la.

19.1.3 Modo RTU (Remote terminal unit)

A expressão desenvolvida pela Modicon para suas remotas de entradas e saídas

(I/O), conhecidas como Remote Terminal Unit (RTU), são conhecidas, atualmente,

como remotas de I/O. Quando ajustamos um equipamento para comunicar por

meio de uma rede Modbus, utilizando o modo RTU (Unidade Terminal Remota

– Remote Terminal Unit), significa que cada byte (8 bits) em uma mensagem

contém dois caracteres hexadecimais de 4 bits cada (0-F).

A maior vantagem desse modo é que permite maior densidade de tráfego

de dados do que o modo ASCII, na mesma velocidade de transferência, ou

seja, são mais dados enviados pelo modo RTU do que pelo ASCII. Por este

motivo, principalmente, o RTU é mais utilizado. Cada mensagem pode ser

transmitida em sequência.

O formato de cada byte no modo RTU esta descrito na quadro 4:

Formato de bytes no modo RTU

Sistema de Codificação Binário de 8 bits / Hexadecimal 0-F;

Dois caracteres Hexadecimal contendo em cada um o campo

Bits por Byte

de mensagem com 8 bits.

1 start bit;

8 bits de dados, menos significante enviado antes;

1 bit de paridade par/impar, ou sem bit quando for sem paridade;

1 stop bit quando houver paridade e 2 quando não houver

Campo de Erro

paridade.

Checagem de Redundância Cíclica (CRC).

Quadro 5 - Formato de bytes no modo RTU

Fonte: Autor


124 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 19.1.4 Frame RTU

No modo RTU, as mensagens começam com um intervalo de silêncio

com comprimento de 3,5 caracteres. Esse comprimento é mais facilmente

implementado utilizando múltiplos para caracteres na taxa de transmissão, que é

utilizada na rede de trabalho, e pode ser representado por T1-T2-T3-T4 no frame

a seguir. Após o intervalo inicial, o primeiro campo a ser enviado é o endereço do

equipamento na rede.

Os caracteres permitidos para transmissão de todos os campos são os números

hexadecimais (0-F). Os equipamentos pendurados na rede monitoram-na

constantemente, inclusive nos intervalos de silêncio. Quando o primeiro campo

(o campo de endereçamento) é recebido, cada um dos dispositivos o decodifica

internamente para descobrir a qual escravo pertence a solicitação.

Após o último caractere transmitido, um intervalo similar ao primeiro com um

tempo de, no mínimo, 3,5 caracteres marca o final da mensagem. Uma mensagem

pode começar a transmitir logo após esse intervalo.

O frame da mensagem inteira deve ser transmitido continuamente de uma vez

só. Se ocorrer um intervalo de silêncio com duração acima de 1,5 caracteres, antes

da finalização do frame, o equipamento que a recebe deve eliminar a mensagem

incompleta e assumir que o próximo byte será o campo de endereçamento da

nova mensagem.

Do mesmo modo, se uma nova mensagem começar com um tempo menor que

os 3,5 caracteres, após a mensagem anterior, o escravo que receber a mensagem irá

considerar como uma continuação da mensagem anterior. Isso gerará um erro, pois

o CRC no final da mensagem não terá um valor correto para as mensagens.

Na figura 82 vemos um frame de mensagem do Modbus RTU:

START

ADDRESS

DATA

CRC

CHECK

END

T1 - T2 - T3 - T4

8 BITS

n x 8 BITS

16 BITS

T1 - T2 - T3 - T4

Figura 82 - Frame do Modbus RTU

Fonte: MODICON INC., 1996

19.2 Profibus (process field bus)

O Profibus é, atualmente, um dos padrões de rede mais empregados no

mundo todo. Esta rede teve início por volta de 1987, em uma iniciativa conjunta

de alguns fabricantes, usuários e também do governo alemão. Em face desse

acontecimento, a rede já nasceu como uma norma alemã chamada DIN 19245,

que está incorporada na norma europeia Cenelec EN 50170, e desde 1999 incluída

na normas IEC 61158/IEC 61784.


19 Protocolos Industriais 125

O Profibus é um padrão aberto de rede de comunicação industrial utilizado em

muitas aplicações de automação da manufatura, de processos e, também, predial.

Como o protocolo é aberto, existe uma independência dos fabricantes, podendo

cada um produzir seu equipamento. Assim, há garantia de que os equipamentos

funcionem com qualquer mestre Profibus. Com o Profibus, dispositivos de

diferentes fabricantes podem comunicar-se sem a necessidade de qualquer

adaptação na interface.

SAIBA

MAIS

Para conhecer um pouco mais sobre o protocolo Profibus,

acesse o site da organização:

www.profibus.org.br

O Profibus está dividido em três famílias, ou, como é chamado na comunidade

Profibus, está dividido em três Communication Profiles, como veremos nos

próximos tópicos.

19.2.1 Profibus-DP (Decentralized Periphery)

O Profibus-DP é primeira versão criada e especializada na comunicação

entre sistemas de automação e equipamentos periféricos distribuídos. É a rede

do Profibus mais utilizada frequentemente. Otimizado para a alta velocidade e

com conexão de baixo custo, foi projetado especialmente para a comunicação

entre sistemas de controle de automação e suas respectivas entradas e saídas

(I/O) distribuídas em nível de equipamentos. O Profibus-DP pode ser usado

para substituir a transmissão de sinais em 24 Vcc em sistemas de automação de

manufatura, assim como para a transmissão de sinais de 4-20 mA ou HART em

sistemas de automação de processo.

19.2.2 Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification)

O Profibus-FMS é uma rede de grande capacidade para comunicação de

dispositivos inteligentes tais como computadores, controladores lógicos

programáveis e outros sistemas inteligentes que impõem alta quantidade de

transmissão de dados. Podemos dizer que esse perfil é universal (aceita qualquer

equipamento) para tarefas de comunicação complexas. Esse tipo de rede perdeu

muita força desde a utilização da rede Ethernet TCP/IP, que realiza a mesma

funcionalidade do Profibus FMS.


126 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 19.2.3 Profibus-PA (Process Automation)

O Profibus-PA é uma rede para a interligação de instrumentos analógicos de campo

e para transmissores de pressão, vazão, temperatura etc. Esta rede possui uma grande

fatia do mercado de barramentos de campo, geralmente chamados de Fieldbus.

19.2.4 Tipos de Comunicação

O Profibus é uma rede que suporte multimestre. A especificação deste

barramento de campo distingue dois tipos de dispositivos:

• Dispositivo mestre – O mestre é capaz de enviar mensagens independentes

de solicitações externas quando tiver a posse do token. São também

chamados de estações ativas. Os dispositivos mestres determinam a

comunicação de dados no barramento. Um mestre pode enviar mensagens,

sem uma requisição externa, sempre que possuir o direito de acesso ao

barramento (o token). Os mestres também são chamados de estações ativas

no protocolo Profibus.

• Dispositivo escravo – Os escravos não possuem direito de acesso ao

barramento e podem, apenas, confirmar o recebimento de mensagens ou

responder a uma mensagem enviada por um mestre. Os dispositivos escravos

são dispositivos remotos (de periferia), tais como módulos de entradas e

saídas (I/O), válvulas, acionamentos de velocidade variável e transdutores.

Eles não têm direito de acesso ao barramento. Os escravos também são

chamados de estações passivas, já que, para executar essas funções de

comunicação, somente uma pequena parte do protocolo se faz necessária.

Sua implementação é particularmente econômica.

19.2.5 Meio de Transmissão

Existem três tipos de meio físico de comunicação que podem ser utilizados

pelo Protocolo Profibus:

RS-485

O padrão RS-485 é a tecnologia de transmissão mais frequentemente

encontrada no Profibus. Sua aplicação inclui todas as áreas nas quais é necessária

uma alta taxa de transmissão aliada a uma instalação simples e barata. Um par

trançado de cobre blindado com um único par condutor é o suficiente nesse caso.


19 Protocolos Industriais 127

A tecnologia de transmissão RS-485 é muito fácil de manusear. O uso de par

trançado não requer conhecimento ou habilidade especial. A topologia, por sua

vez, permite a adição e a remoção de estações e uma colocação em funcionamento

do tipo passo a passo, sem afetar outras estações.

Expansões futuras, portanto, podem ser implementadas sem afetar as estações

já em operação. Taxas de transmissão entre 9.6 kbit/sec e 12 Mbit/sec podem ser

selecionadas, porém uma única taxa de transmissão é selecionada para todos os

dispositivos no barramento, quando o sistema é inicializado.

Instruções de instalação para o RS-485

Todos os dispositivos são ligados a uma estrutura de tipo barramento linear. Até

32 estações (mestres ou escravos) podem ser conectadas a um único segmento.

O barramento é terminado por um terminador ativo do barramento, no início

e fim de cada segmento. Para assegurar uma operação livre de erros, ambas as

terminações do barramento devem estar sempre ativas.

Normalmente, esses terminadores se encontram nos próprios conectores de

barramento ou nos dispositivos de campo, acessíveis por meio de uma dip-switch.

No caso de mais de 32 estações necessitarem ser conectadas, ou no caso de a

distância total entre as estações ultrapasse um determinado limite, devem ser

utilizados repetidores para interconectar diferentes segmentos do barramento.

Baud rate (kbit/s)

Distância / segmento (m)

9.6

1200

19.2 93.75 187.5 500 1500 12000

1200 1200 1000 400 200 100

Figura 83 - Tabela de velocidades suportadas pelos cabos Profibus

Fonte: PROFIBUS, 1999

Durante a instalação, devemos observar atentamente a polaridade dos sinais

de dados (A e B). O uso da blindagem é absolutamente essencial para obtermos

alta imunidade contra interferências eletromagnéticas. A blindagem, por sua vez,

deve ser conectada ao sistema de aterramento em ambos os lados com bornes

de aterramento adequados. Adicionalmente, é recomendado que os cabos de

comunicação sejam mantidos separados dos cabos de alta voltagem. O uso de

cabos de derivação deve ser evitado para taxas de transmissão acima de 1,5

Mbits/s. Os conectores disponíveis atualmente no mercado permitem que o cabo

do barramento entre/saia diretamente no conector, permitindo, assim, que um

dispositivo seja conectado/desconectado da rede sem interromper a comunicação.

VOCÊ

SABIA?

Nota-se que quando ocorrem problemas em uma rede

Profibus, cerca de 90% dos casos são provocados por

incorreta ligação e/ou instalação. Esses problemas podem

ser facilmente solucionados com o uso de equipamentos

de teste, os quais detectam falhas nas conexões.


128 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Fibra óptica

É o meio físico mais recomendado para locais onde há grande possibilidade

de interferências eletromagnéticas (EMI). Existem equipamentos disponíveis

no mercado para efetuar a conversão de RS-485 para fibra óptica e vice-versa,

específica para rede Profibus DP.

19.2.6 Protocolo de acesso ao meio profibus

O protocolo Profibus de acesso ao barramento inclui o procedimento de

passagem do token, que é utilizado pelas estações ativas da rede (mestres) para

comunicar-se uns com os outros, e o procedimento de Mestre-Escravo, que é usado

por estações ativas para se comunicarem com as estações passivas (escravos).

O procedimento de passagem do token garante que o direito de acesso ao

barramento seja designado a cada mestre dentro de um intervalo preciso de

tempo. A mensagem de token, um telegrama especial para passar direitos de

acesso de um mestre ao próximo mestre, deve ser distribuída no anel lógico

de token pelo menos uma vez a todos os mestres, dentro de um intervalo

de tempo máximo, denominado tempo de rotação do token. No Profibus, o

procedimento de passagem de token somente é utilizado na comunicação

entre estações ativas (mestres).

O procedimento mestre-escravo permite ao mestre, no momento em que

possui o token, acessar seus próprios escravos. O mestre pode enviar mensagens

aos escravos ou ler mensagens deles. Este método de acesso permite as seguintes

configurações de sistema:

• sistema puro Mestre-Escravo;

• sistema puro Mestre-Mestre (com passagem de token);

• uma combinação dos dois.

19.2.7 Perfil de comunicação - DP

O Profibus-DP foi projetado para a comunicação de dados em alta velocidade no

nível de equipamentos. Os controladores centrais (por exemplo, os controladores

lógicos programáveis e computadores pessoais) comunicam-se, via um link serial

de alta velocidade, com seus dispositivos de campo distribuídos, sendo eles as

placas de entradas e saídas (I/O’s), acionamentos (drivers), válvulas etc.


19 Protocolos Industriais 129

A maior parte da comunicação de dados com os dispositivos distribuídos

é feita de maneira cíclica. As funções necessárias para estas comunicações são

especificadas pelas funções básicas do Profibus-DP, conforme o EN 50170. Além

da execução dessas funções cíclicas, funções de comunicação não cíclicas estão

disponíveis especialmente para dispositivos de campo inteligentes, permitindo,

assim, configuração, diagnóstico e manipulação de alarmes.

19.3 Canopen

Desenvolvido pela empresa Bosch em 1983, o padrão CANOpen

consiste em um planejamento de endereçamento e alguns protocolos de

comunicação. Os protocolos de comunicação têm suporte ao gerenciamento

de rede, monitoração de dispositivo e comunicação entre nós, incluindo o

envio de mensagens segmentadas ou não. O nível de link e a camada física

são desenvolvidos exatamente igual ao CAN (Controller Area Network),

apesar de os dispositivos poderem utilizar outros meios de comunicação,

assim como, a Ethernet, o Powerlink, EtherCAT, porém implementando o

CANOpen. O dispositivo básico do CANOpen e as configurações são definidas

pelos padrões, e as configurações mais avançadas são construídas com base

em configurações básicas.

SAIBA

MAIS

Para conhecer um pouco mais sobre o CANOpen, acesse o

site:

www.can-cia.de

19.3.1 Objeto identificador de comunicaçáo (COB-ID)

O CANbus é a camada física do CANOpen e pode apenas transmitir pequenos

pacotes que consistem de uma identificação (ID) de 11bits, um bit de requisição

remota de transmissão (RTR) e de 0 até 8 bytes de dados. O padrão do CANOpen

divide o frame de identificação da CAN composto por 11 bits em um código de

função de 4 bits e uma identificação de 7 bits para o nó. Este fato limita a quantidade

de equipamentos da rede em 127. Esta quantidade de equipamentos pode ser

expandida utilizando-se as normas da CAN 2.0, porém, no momento, é uma

quantidade de equipamentos que não se utiliza muito. Os 11 bits de identificação

do frame são conhecidos como o Objeto Identificador de Comunicação (COB-ID –

Communication OBject IDentifier).


130 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL No caso de colisões entre as comunicações na rede do CANOpen, o barramento

escolhe a menor mensagem e a encaminha primeiro e, posteriormente, a outra.

Ainda, em caso de colisões, e como os frames possuem os 4 primeiros bits como

código da função de identificação, podemos usar esse mesmo código para garantir

prioridade no envio de mensagem reduzindo, assim, o tempo de comunicação.

O conteúdo padrão do frame CANOpen está apresentado na figura 84:

Length

Function code Node ID RTR

4 bis 7 bit 1 bit

Data length

4 bits

Data

0 - 8 bytes

Figura 84 - Frame CANOpen

Fonte: MOELLER, 2007

O padrão possui alguns objetos de comunicação (COB-IDs) para gerenciar

a rede e transferir os Objetos de Serviço de Dados (SDO - Service Data Object).

Alguns códigos de funções e objetos de comunicação (COB-IDs) podem ser

mapeados para realizarem algumas tarefas de inicialização e, posteriormente,

para outras finalidades durante o funcionamento do sistema.

19.3.2 Modelos de comunicação

Diferentes tipos de comunicação podem ser utilizados para transferir as

mensagens entre os equipamentos da rede CANOpen. No modo Mestre/Escravo, um

equipamento é designado como mestre que envia ou requisita os dados dos escravos.

No modo Cliente/Servidor utiliza-se o protocolo do serviço de dados (SDO), em que

o cliente os envia para um servidor e ele replica os dados para um ou mais clientes.

No modo Produtor/Consumidor é utilizado o recurso de batimentos (heartbeat)

e de guarda de nó (node guarding). O produtor pode enviar ao consumidor, sem

requisição específica, e também o consumidor pode requisitar os dados ao produtor.

19.3.3 Protocolo de gerenciamento de rede (NMT)

O protocolo de Gerenciamento de Rede (NMT – Network ManagemenT)

é utilizado para monitorar e comandar as mudanças de máquina como, por

exemplo, os dispositivos de partida e parada. O protocolo de controle de módulo

pode ser utilizado para ordenar a mudança de estado dos equipamentos da rede.

Nesse protocolo, o COB-ID do frame do CAN é sempre 0, significando que o código

da função também é 0, e a identificação do nodo é 0, o que representa que todos

os nodos da rede processarão essa mensagem.


19 Protocolos Industriais 131

Os batimentos (heartbeat) são utilizados para monitorar os nodos na rede

e verificar se estão ativos. O produtor do batimento, geralmente um escravo,

envia uma mensagem periodicamente com uma função binária de 1110 e o

número do escravo (COB-ID = 0x700 + ID do endereço). O consumidor faz

a leitura dessa mensagem, e se ela não chegar em certo, limite de tempo

(definido em programação do dispositivo), o consumidor poderá tomar uma

ação como, por exemplo, reiniciar o dispositivo e indicar erro de comunicação

com o escravo.

19.3.4 Objeto de serviço de dados (SDO)

Esse protocolo é utilizado para ajustar e ler valores dos equipamentos

remotos. Os dispositivos são acessados por meio do SDO cliente. A

comunicação é sempre iniciada pelo cliente. Na terminologia CANOpen, a

comunicação é vista do servidor SDO. Como a quantidade de bytes enviados

pelo frame pode ser maior do que 8 bytes, o SDO tem a capacidade de

implementar ou não a segmentação de grandes mensagens.

O COB-ID das respectivas mensagens enviadas do cliente para o servidor, e

do servidor para o cliente, pode ser ajustado. Podemos ter até 127 endereços

para servidores (0x1200 – 0x127F); já os clientes podem utilizar até 127

endereços (0x1280-0x12FF).

19.3.5 Objeto de processamento de dados (PDO)

O protocolo do Objeto de Processamento de Dados (PDO – Process Data

Object) é utilizado para processar, em tempo real, os dados vindos de vários

nodos. Um PDO pode conter múltiplos objetos. Existem dois tipos de PDOs

de Transmissão (TPDOs) e dois PDOs de Recepção (RPDOs). Podem-se utilizar

os PDOs síncronos ou assíncronos.

19.3.6 Objeto de sincronização (SYNC)

Nesse tipo de protocolo, o produtor envia um sinal de sincronização para o

consumidor. Quando o consumidor do sincronismo recebe o sinal, ele inicia as

tarefas de sincronização. Em geral, o tempo de transmissão síncrona do PDO é

parecido com o tempo de sincronismo.


132 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 19.3.7 Time stamp (TIME)

É o protocolo utilizado para registrar o tempo absoluto em unidade de ms, após

a meia-noite, nos dias a partir de 1º de janeiro de 1984. Em algumas aplicações

críticas, principalmente para as concessionárias de energia, o registro de horário é

necessário para os eventos ocorridos.

19.3.8 Protocolo de emergência

No protocolo de emergência, as mensagens de emergência são enviadas na

ocorrência de erro do dispositivo.

19.4 Smartwire

Descreveremos um pouco mais esse novo protocolo, pois ele é muito “inteligente”.

O smartwire tem o propósito de integrar todos os equipamentos ao Controlador

Lógico Programável sem a necessidade de utilização de placas de entradas e saídas

remotas, começando por um botão até interfaces homem máquina e inversores de

frequência. Esse protocolo é conhecido como smartwire-darwin ou pela abreviação

SWD. Na figura 85, temos os elementos do sistema smartwire-darwin.

Figura 85 - Elementos do Sistema SmartWire Darwin

Fonte: EATON CORPORATION, 2010

O smartwire é um sistema de conexão de equipamentos e elementos

eletromecânicos e de controle. A estrutura principal deste protocolo é a rede

autoconfigurável, na qual os dados são trocados com os escravos por meio de um

condutor flat de 8 vias. Os escravos do smartwire são alimentados por meio do mesmo

cabo, podendo ser conectados até 99 escravos em um mesmo gateway, que pode

comunicar utilizando os protocolos Profibus, CANOpen e DeviceNet, entre outros.

Como os escravos do smartwire são localizados, em sua maioria, dentro do

próprio painel de comando e controle, este sistema reduz consideravelmente

os custos com cabeamento. A topologia é criada com um software que verifica

falhas de configuração antes mesmo de enviar ao equipamento.


19 Protocolos Industriais 133

A cabeça de rede sempre é um gateway, que disponibiliza a alteração do meio

físico de cabo RS-485 (par trançado) para cabo chato. Esse gateway smartwire

controla a troca de dados utilizando uma rede do tipo Mestre/Escravo, em que

ele é o mestre e, ao mesmo tempo, executa as funções de escravo no barramento

superior com o controlador programável.

19.4.1 Elementos do smartwire

1

4

5

5

11

9

8

7

3

6

4

3

7

3

12 6

3

10

Figura 86 - Painel montado com Sistema SmartWire Darwin

Fonte: EATON CORPORATION, 2010

1. SWD gateway

2. M22-SWD - botoeira em porta de painel

3. Interruptor de conexão SWD

4. SWD módulo de entradas e saídas

5. SWD módulo de contactoras

6. Resistor de terminação

7. Cabo circular

8. M22-SWD – botoeira em porta de painel

9. Cabo chato

10. Terminal de acoplamento

11. Módulo de potência.


134 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Alguns elementos ainda estão em desenvolvimento, porém já existem

disponíveis os módulos para contactoras, botoeiras, sinaleiros, módulos de

entradas e saídas (I/O) para a conexão de sensores e atuadores, módulos para softstart,

interfaces homem máquina (IHM), inversores de frequência AC. É necessária

a confecção de um barramento, utilizando resistores de terminação nas duas

extremidades dos cabos. Para realizar a utilização do cabo chato e converter para

o circular, ou vice-versa, um dispositivo está disponível.

19.4.2 Características técnicas

Uma das grandes características que podemos citar na rede smartwire é

que o endereçamento dos escravos é realizado automaticamente, conforme

o programado no Controlador Lógico Programável; ou seja, se trocarmos um

equipamento da rede por outro igual não será necessário realizar nenhuma

programação no escravo e nem no elemento a ser colocado na rede. Sempre que

um novo escravo for colocado na rede, será necessário apenas pressionar o botão

de reconfiguração da rede.

Após a inicialização do controlador programável e da energização do gateway

do smartwire, ele determina quem está presente na rede. A comunicação se inicia

com a sincronização da velocidade dos escravos na rede. Após essa configuração,

o led de rede ok deve acender para informar que tudo está correto; caso contrário,

ele piscará indicando falha em algum dos elementos.

A área de memória reservada para cada gateway smartwire é de 1000 bytes.

Esta área reservada é completamente transferida da rede, e cada escravo realiza

a leitura dos dados destinados para as entradas e escreve os dados nas saídas

reservadas para esta função.

Durante a transferência de dados é realizada uma validação dos dados enviados

ao fim da transmissão e, se não houver erros, o escravo continua enviando dados

para o mestre. No quadro 5 temos as características do SmartWire.

Cabo de dados

físicos

Comprimento

máximo do cabo

Número máximo de

escravos

Taxa de

transferência

(Kbits/s)

Bytes de dados

por mensagem

Tempo de ciclo

para 1 polling

RS-485

Até 100 metros

99 (endereçamento automático)

125 Kbits/s (com detecção automática)

Até 1000 bytes

2 + (número de bytes de dados x 0.1)

(continua)


19 Protocolos Industriais 135

(conclusão)

Tipo de acesso

Protocolo de

transferência de

dados

Backup de dados

Aquisição de

alarmes

Dependência do

sistema smartwire

Escopo da

aplicação

Coordenação centralizada (polling)

Smartwire, frame fixo e quantidade de dados variáveis

Polinômio de verificação CRC32

Transferência de dados acíclica

Tolerante a erro, troca de escravo

Conexão por meio de barramento de campo utilizando controladores

lógicos programáveis, controladores de processo e

gerenciamento de energia

Quadro 6 - Características do SmartWire

Fonte: Autor

Recapitulando

Vimos a importância da utilização dos protocolos abertos e as facilidades

que eles oferecem. Além disso, neste capítulo aprendemos que cada fabricantes

possui seu protocolo proprietário. Compreendemos que este protocolo é

desenvolvido com tecnologia própria e feito para utilização dentro de uma rede

que possua equipamentos de apenas um fabricante.

Também estudamos os protocolos abertos, especificando em detalhes

os mais comuns. Conhecemos o Modbus (e algumas de suas variações), o

Profibus (DP e PA) e o CANOpen. Concluíndo este capítulo, conhecemos uma

nova tecnologia que está sendo muito utilizada, principalmente em CCMs ditos

“inteligentes”. Esta nova tecnologia é a smartwire.

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