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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.

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