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Redes de Comunicação

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Redes de Comunicação Industrial

De todas as tecnologias associadas ao controle industrial, as redes de comunicação são as que sofreram maioresevoluções na última década, seguindo a tendência global de evolução das comunicações , praticamente em todos os ramos de atividade, desde as telecomunicações móveis, àInternet, à comunicação sem fios (wireless), etc.A utilização das redes permite a comunicação rápida e fiel entre equipamentos e o uso de mecanismospadronizados, que são hoje em dia, fatores indispensáveis no conceito de produtividade industrial.

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História

Tecnologias de Bus de Campo

• O aumento do grau de automatização das máquinas e sistemas aumentou a quantidade de cabos a utilizar nas ligações paralelas. Devido ao aumento do número de Entradas/Saídas as especificações dos cabos são muitas vezes elevadas, por exemplo para a transmissão de valores analógicos. Assim, a ligação em série dos componentes utilizando um bus de campo é cada vez mais utilizada, devido ao menor custo de material e mão de obra, redução significativa da quantidade de cabos, maiores velocidades nos tempos de comando e respostas dos sistemas, entre outros benefícios. Um bus de campo aberto, permite a interligação de vários PLC’s, mesmo de fornecedores distintos, e também de outros componentes de campo. Todos ligados ao mesmo bus, permitem a comunicação dos dados, com maior confiabilidade e disponibilidade do sistema, minimizando os tempos de parada e de manutenção.

• Os sistemas de bus de campo abertos, normalizam a transmissão dos dados e a ligação de equipamentos de diversos fabricantes.

• O utilizador fica assim livre de escolher o fabricante, e com a flexibilidade de expandir ou modificar facilmente o sistema.

ODVA

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Fundada em 2006 a Open DeviceNet Vendors Association (ODVA) é uma organização internacional de empresas fabricantes de redes industriais baseados nos protocolos comuns . Incluem na lista da ODVA DeviceNet, EtherNet/IP, CIP Safety and CIP Sync..Os membros da ODVA fazem parte das empresas de Automação, atualmente existem 274 membros .

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Evolução das Redes Industriais

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ModBus

• MODBUS é um protocolo aberto, normalmente utilizado em comunicação série.Trata-se de uma rede extremamente divulgada e com grande utilização (variadores de velocidade, robôs, máquinas especiais, automações industriais,…).

Existem dois modos para MODBUS:- RTU (o mais utilizado com o melhor desempenho):Caracteres codificados com 8 bits + 1 bit de paridade

- ASCll :Caracteres codificados em 7 bits + 1 bit de paridade

• HistóricoTeve a sua origem em 1971, desenvolvido pela Modicon Inc., tornando-se num standard de mercado em 1980.É um protocolo com mais de 30 anos, o que aliado à sua simplicidade, leva a que existam hoje uma enorme quantidade de fabricantes de material em todo o mundo, que dotaram os seus equipamentos com a capacidade de comunicar em Modbus.

• Aplicações típicasQualquer tipo de aplicação pode ser alvo (E/S remotas, comunicação entre autómatos, etc).

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MODBUS RTU

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FORMATO DO PACOTE MODBUS

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ModBus Plus

- Modbus Plus é uma rede local industrial que utiliza as camadas 1, 2 e 7 do modelo OSI. É utilizada para aplicações de controle industrial, multimestre, e com uma velocidade de comunicação de 1 MB/s.Esta rede permite a troca de dados entre todos os equipamentos sobre a rede. O protocolo é baseado no princípio de um bus de passagem (Logical Token Passing). Cada estação de uma mesma rede é identificada por um endereço compreendido entre 1 e 64.

- Foi desenvolvido pela Modicon em 1987, com o intuito de ser uma versão de alta velocidade do Modbus.Aplicações típicas

• Automação de produção• Automação de edifícios• Automação de processos• Produção e distribuição de energia• Indústria alimentar e de bebidas• Indústria petrolífera

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CLP com Cartão ModBus Plus

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TOPOLOGIA DE REDE INDUSTRIAL

Informação

Controle

Dispositivos

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Evolução

1990’s

Flex I/O

Drive

PBPanel

2000

Multi-disciplinedController

Axis Controller

PB Panel

Prox

Flex I/O

O.I.

PackagedController

1980’s

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FIPIO

FIP ou WorldFIP é um conjunto de normas definidas para comunicação em tempo real, necessária àimplementação de sistemas de automação.O WorldFIP oferece dois tipos de serviços de aplicação: Bus FIPIO e rede Fipway.O bus FIPIO e a rede FIPWAY são completamente normalizados segundo a norma FIP.O bus FIPIO é um protocolo com origem na Telemecanique.Bus FIPIO• Base de dados distribuída (variáveis cíclicas) que é trocada periodicamente entre os equipamentosligados à rede e não requer programação.A informação está disponível em todos os “consumidores” ao mesmo tempo, proporcionando dadosconsistentes e facilitando a sincronização entre equipamentos.

Aplicações típicasO FIPIO é utilizado para aplicações de controle de sensores e atuadores.Com este bus, parte do sistema de controle pode estar localizado junto à produção (módulos E/S,variadores de velocidade, sistemas de identificação, terminais de operação e estações de controlo). A gestão da rede é efetuada por um gestor.

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FIPIO x OSI

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Fipway

A rede Fipway é um sistema de gestão de mensagens, que envia mensagens sob pedido em modoponto-a-ponto ou em difusão. Isto é muito útil para configuração, ajuste, diagnóstico e manutenção de sensores e atuadores inteligentes, assim como para as funções de supervisão e Interface Homem/Máquina.É também um protocolo criado pela Telemecanique e está de acordo com o modelo FIP/WorldFip. Utiliza as camadas 1,2,3 e 7 do modelo OSI, e integra-se na arquitetura X-WAY.É um protocolo mais restrito aos equipamentos Telemecanique. Caracteriza-se por possuir diferentes tipos de serviços: a transmissão ponto-a-ponto, tabela de dados partilhadas e telegramas.Transparência X-WAY: Possibilidade de comunicação entre equipamentos de redes diferentes, apenas por endereçamento.Modelo de comunicaçãoTipo: FIP- rede industrial normalizada e aberta.Topologia: Ligação de equipamentos em rede (linear) ou derivação.Método de acesso: Controlado por um árbitro de bus.Serviços: Telegramas, palavras comuns e troca de mensagens UNI-TE em tabela partilhada.Nivel físico: ligação em par trançado blindado, impedância de 150 Ohms (norma francesa NF C46 604) ou fibra ópticaVelocidade de transmissão: 1 Mb/s.

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CAN

Origem em 1983, desenvolvido pela Bosch para a indústria automóvel.Introdução oficial do CAN em 1986.Publicação das especificações CAN em 1991.Início da associação CiA (CAN in Automation) em 1992. Em 2001, apareceu o DS-304 communication profile: CANsafe.Normas aplicáveis: ISO 11898, ISO 16845

É um protocolo muito utilizado na indústria em geral, principalmente pela sua abertura e baixo custo. CAN é uma rede de comunicação multi-mestre. Permite uma topologia livre, linear ou com derivações. Identifica as mensagens e não os equipamentos. Cada equipamento pode enviar mensagens sempre que o bus estiver livre.Este apenas define os níveis 1 e 2 do modelo ISO.A comunicação é por eventos, o que reduz o tráfego na rede.Possíveis conflitos são evitados através de uma definição de níveis de prioridade.Todos os participantes têm os mesmos direitos, por isso é possível configurar uma rede sem mestre.

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TOPOLOGIA CAN

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ETHERNET

• Link entre o chão de fábrica e os sistemas de manufatura. (MES)• Troca de dados em intervalos não críticos entre PLC’s.• Conexão entre os PLC’s e os sistemas supervisórios.• Capacidade de transferir grandes pacotes de dados.• Rede com padrões definidos mundialmente pelo IEEE. • Conexão para redes de grande porte,internet e aplicações em

internet.

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ETHERNET

SupervisãoSupervisão Rede Corporativa ou exclusivade automação

Repetidor, Hubou switch

Até 100 metros

Até 100 metros

CONTROLNET

A rede ControlNet foi desenvolvida em 1995 pela empresa Allen Bradley, que hoje chama-se Rockwell Automation. No começo, a rede era dedicada somente aos produtos da AB, mas depois ela se tornou uma rede aberta, e hoje já existem vários fornecedores de equipamentos para a rede ControlNet.

A rede ControlNet é uma rede serial para transmissão de dados críticos ao processo. Esses dados são transmitidos continuamente e disponibilizados para a aplicação em intervalos de tempo configuráveis (NUI, Network Update Interval). Entretanto, a rede ControlNet também suporta a transmissão para dados não críticos como aqueles para configuração e parametrização de devices em formato de telegramas não cíclicos de mensagem, esse tipo de comunicação porém não é determinística.

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CONTROLNET - Protocolo

src dst data crc

Origem/Destino

identifier data crc

Produtor/Consumidor(dados são identificados)

CONTROLNET

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Drive1 Drive3Drive2

CTLR1 IHM

Sensor

CTLR2

#1

#2

CONTROLNET

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Distancia500 meters - típico

30 km com repetidores

ControlNetALLEN-BRADLEY

7 8 9

4 5 6

1 2 3

. 0 -

<-----------------'<--

F1

F6

F2

F7

F3

F8

F4

F9

F5

F10

PanelView 550

< >^

v

No. Máx. Nós99 Nós por Rede

Meio FísicoRG-6 Coax

Fibra Óptica

Taxa de Com.5 M bits/seg

Serviços de Mens.• Controle de E/S

• Peer-to-Peer• Programação• ConfiguraçãoDisp. de Conexão

Tap & 1 metro de cabo

Terminais75Ω Resistores nas duas

terminações da rede

DEVICENET

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O padrão de comunicação DeviceNet, baseia-se na camada física 2 do modelo OSI e na técnica de transporte CAN. As soluções apresentam como vantagens a possibilidade de remover e substituir equipamentos em redes sob tensão e sem um aparelho de programação, ou ainda a possibilidade de fornecer a alimentação aos equipamentos através do próprio cabo de rede.

HistóricoO DeviceNet surgiu em 1994, baseado na tecnologia CAN. A ODVA (Open DeviceNet Vendor Association), criou todas as especificações para a rede e equipamentos

Características Físicas

Utiliza um cabo de duplo par torçado blindado, em que um dos pares se destina à alimentação dossensores.

Número máximo de equipamentos: 64 máximoDistância máxima: 1000 m por segmentoVelocidade de transmissão: 20 Kbits/s (1000 m) , 1 Mbits/s (40 m)

DEVICENET

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Atual: Blocos de E/Sdistribuídos ao longo

da fabrica.Menor custo de instalação

Tendência: Sensoresinteligentes.

Ganho funcionalBaixo custo de

instalação

Atual: Blocos de E/Sdistribuídos ao longo

da fabrica.Menor custo de instalação

Tendência: Sensoresinteligentes.

Ganho funcionalBaixo custo de

instalação

Tradicional: Cada dispositivo individualmente

ligado ao CLPAlto custo de instalação

FLUXO DE DADOS – REDE DEVICENET

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DeviceNet

DeviceNet

Configuração,Monitoração eDiagnósticos

DEVICENET-ESPECIFICAÇÕES

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Taxa de Com.125Kb/s250Kb/s500Kb/s

No. Máx. Nós64 Nós por Rede

Meio FísicoThick CableThin Cable

Flat Cable-KwikLinkDistâncias

500 metros – 125Kb/s250 metros – 250Kb/s100 metros – 500Kb/s

TerminaçãoResistores de 121Ω nas

duas extremidades da rede

PROFIBUS

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Profibus é um dos protocolos mais difundidos na Europa e também na América.As suas capacidades em termos de velocidade, distância e gestão de dados são adequadas ao controlo de processos e outras aplicações. A norma Profibus foi introduzida no fim dos anos 80 e evolui para 3 implementações no início dos anos 90. PROFIBUS é acrónimo de PROcess FIeld BUS. Os 3 tipos de Profibus podem coexistir numa mesma rede.• Profibus FMS (Sistema de Mensagens de Campo)• Profibus DP (Periféricos Descentralizados)• Profibus PA (Automação de Processo)

HistóricoOrigem em 1987, pelos fabricantes de automação e o governo Alemão.Definição do Profibus DP em 1993.Aceite como norma europeia, EN50170, em 1996.Incluída na norma IEC 61158 em 2000.

Aplicações típicasÉ normalmente utilizado em controlo de processo, linhas de montagem, e manuseamento de materiais.Os tempos de resposta são bons, podendo chegar aos 5 ms para uma rede a 12 Mbps.

PROFIBUS - ESTRUTURA

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PROFIBUS DP

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O PROFIBUS DP é a solução de alta velocidade (high-speed) do PROFIBUS. Seu desenvolvimento foi otimizado especialmente para comunicações entres os sistemas de automações e equipamentos descentralizados. Voltada para sistemas de controle, onde se destaca o acesso aos dispositivos de I/O distribuídos. É utilizada em substituição aos sistemas convencionais 4 a 20 mA, HART ou em transmissão com 24 Volts. Utiliza-se do meio físico RS-485 ou fibra ótica. Requer menos de 2 ms para a transmissão de 1 kbyte de entrada e saída e é amplamente utilizada em controles com tempo crítico.

PROFIBUS FMS

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O PROFIBUS-FMS provê ao usuário uma ampla seleção de funções quando comparado com as outras variantes. É a solução de padrão de comunicação universal que pode ser usada para resolver tarefas complexas de comunicação entre CLPs e DCSs. Essa variante suporta a comunicação entre sistemas de automação, assim como a troca de dados entre equipamentos inteligentes, e é geralmente utilizada em nível de controle. Recentemente, pelo fato de ter como função primária a comunicação mestre-mestre (peer-to-peer), vem sendo substituída por aplicações em Ethernet.

PROFIBUS PA

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O PROFIBUS PA permite a medição e controle por uma linha a dois fios simples. Também permite alimentar os equipamentos de campo em áreas intrinsecamente seguras. O PROFIBUS PA permite a manutenção e a conexão/desconexão de equipamentos até mesmo durante a operação sem interferir em outras estações em áreas potencialmente explosivas. O PROFIBUS PA foi desenvolvido em cooperação com os usuários da Indústria de Controle e Processo (NAMUR), satisfazendo as exigências especiais dessa área de aplicação: • O perfil original da aplicação para a automação do processo e interoperabilidade dos

equipamentos de campo dos diferentes fabricantes. • Adição e remoção de estações de barramentos mesmo em áreas intrinsecamente

seguras sem influência para outras estações. • Uma comunicação transparente através dos acopladores do segmento entre o

barramento de automação do processo PROFIBUS PA e do barramento de automação industrial PROFIBUS-DP.

• Alimentação e transmissão de dados sobre o mesmo par de fios baseado na tecnologia IEC 61158-2.

• Uso em áreas potencialmente explosivas com blindagem explosiva tipo “intrinsecamente segura” ou “sem segurança intrínseca”.

PROFIBUS X MODELO OSI

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Exemplo de topologia com os tipos de PROFIBUS

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AS-Interface

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Com o seu característico cabo amarelo, o AS-Interface® é uma das mais inovadoras soluções de rede ao nível de sensores/atuadores.

Foi desenvolvido como uma alternativa de baixo custo de estrutura de cablagem e provou serextremamente fiável, após vários anos de utilização em diversos sectores industriais.

O objetivo é ligar entre si, sensores e atuadores de diversos fabricantes, utilizando um cabo único, capaz de transmitir dados e alimentação simultaneamente.

Aplicações típicasO AS-Interface é uma solução de cablagem para utilização em sistemas de automação ao nível do campo,substituindo a cablagem paralela tradicional, em meios industriais. A tecnologia AS-Interface é compatívelcom qualquer outro bus de campo ou rede. Existem gateways para ligação a CANopen, Profibus, Interbus,FIP, LON, RS485 e RS232.O AS-Interface está de acordo com as normas europeias EN50295, IEC 62026-2.

AS-Interface

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