ELT 314 – Instrumentação Eletrônica

Aula 05 – Protocolos de Comunicação

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV 1

ELT 314 – Instrumentação EletrônicaIntrodução

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV 2

ELT 314 – Instrumentação EletrônicaTecnologias

1. O aumento do grau de automatização das máquinas e sistemas

aumentou a quantidade de cabos a utilizar nas ligações paralelas.

2. Devido ao aumento do número de Entradas/Saídas as

especificações dos cabos são muitas vezes elevadas, por exemplo

para a transmissão de valores analógicos.

3. Assim, a ligação em série dos componentes utilizando um bus de

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV 3

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.

ELT 314 – Instrumentação EletrônicaTecnologias

1. Um bus de campo aberto, permite a interligação de vários PLC’s,

mesmo de fornecedores distintos, e também de outros

componentes de campo.

2. Todos ligados ao mesmo bus, permitem a comunicação dos

dados, com maior fiabilidade e disponibilidade do sistema,

minimizando os tempos de paragem e de manutenção.

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV 4

3. Os sistemas de bus de campo abertos, normalizam a transmissão

dos dados e a ligação de equipamentos de diversos fabricantes.

4. O utilizador fica assim livre de escolher o fabricante, e com a

flexibilidade de expandir ou modificar facilmente o sistema.

ELT 314 – Instrumentação EletrônicaIntrodução

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV 5

ELT 314 – Instrumentação EletrônicaFieldBus

Atualmente há uma vasta variedade de padrões fieldbus.Alguns dos mais

amplamentes usados incluem:

1. AS-Interface

2. CAN

3. DeviceNet

4. FOUNDATION fieldbus

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV 6

5. HART Protocol

6. Industrial Ethernet

7. Interbus

8. LonWorks

9. Modbus

10. Profibus

11. SERCOS

ELT 314 – Instrumentação EletrônicaAS Interface

1. Com o seu característico cabo amarelo, o AS-Interface® é uma

das mais inovadoras soluções de rede ao nível de

sensores/atuadores.

2. Foi desenvolvido como uma alternativa de baixo custo de estrutura

de cabeamento e provou ser extremamente confiável, após vários

anos de utilização em diversos sectores industriais.

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV 7

3. O objetivo é ligar entre si, sensores e atuadores de diversos

fabricantes, utilizando um cabo único, capaz de transmitir dados e

alimentação simultaneamente.

.

ELT 314 – Instrumentação EletrônicaAS Interface

1. O sistema AS-Interface utiliza o princípio de um cabo comum,

onde podem ligar todos os elementos periféricos. O elemento

básico do AS-Interface é um “chip” escravo, através do qual os

sensores e atuadores se ligam ao cabo AS-Interface.

2. Em cada ciclo, 4 bits de informação são transferidos em série do

mestre para todos os escravos. Outros 4 bits são devolvidos dos

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV 8

escravos para o mestre com entradas ou saídas.

3. O “chip” e outros componentes associados podem estar num

módulo de interface onde sensores ou atuadores tradicionais

podem ser ligados ou estarem integrados nos próprios sensores

ou atuadores.

4. Assim o utilizador pode usar tanto equipamento já existente como

equipamento específico AS-Interface..

ELT 314 – Instrumentação EletrônicaAS InterfaceResumo

1. Topologia : Estrutura em árvore.

2. Meio : Cabo de 2 condutores para dados e alimentação (24VDC nominal,

2 A tipicamente)

3. Comprimento do bus : 100m por cada mestre AS-Interface (300m com

repetidores)

4. Numero de escravos : máximo de 31

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV 9

5. Número de E/S : Até 4 sensores e 4 actuadores por escravo (máximo 248

E/S digitais)

6. Endereçamento : Cada escravo tem um endereço, definido pelo mestre

ou equip. especifico

7. Mensagens : Do mestre para o escravo com resposta imediata.

8. Formato mensagem : 4 bits por escravo e mensagem

ELT 314 – Instrumentação EletrônicaAS InterfaceResumo

9. Tempo de ciclo : Com 31 escravos: 5 ms. Com menos escravos o tempo

diminui.

10. Detecção de erros : Mensagens incorrectas detectadas, gerando

repetição da mensagem.

11. Módulo Interface : 4 portas configuráveis (entradas, saídas ou

bidireccional) e 4 parâmetros

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV 10

ELT 314 – Instrumentação EletrônicaAS Interface

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV 11

ELT 314 – Instrumentação EletrônicaProtocolo ModBus

1. MODBUS é um protocolo aberto, normalmente utilizado em

comunicação série.

2. Trata-se de um bus extremamente divulgado e com grande

utilização (variadores de velocidade, robots, máquinas especiais,

automatos programáveis industriais,…).

3. Existem dois standards para MODBUS:

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV 12

- 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

ELT 314 – Instrumentação EletrônicaProtocolo ModBus Plus

1. 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.

2. Esta rede permite a troca de dados entre

Modelo de Referência ISO/OSI

Aplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV 13

todos os equipamentos sobre o bus. O

protocolo é baseado no princípio de um bus

de passagem de testemunho (Logical Token

Passing).

3. Cada estação de uma mesma rede é

identificada por um endereço compreendido

entre 1 e 64.

Transporte

Rede

Enlace

Física

LLCMAC

ELT 314 – Instrumentação EletrônicaProtocolo Hart

1. O protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer) é um

protocolo utilizado para comunicação entre sistemas de tempo real,

principalmente em aplicações de automação industrial.

2. O protocolo HART permite a sobreposição do sinal de comunicação

digital aos sinais analógicos de 4-20mA, sem interferência, na mesma

fiação. O HART proporciona alguns dos benefícios apontados pelo

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV 14

fieldbus, mantendo ainda a compatibilidade com a instrumentação

analógica e aproveitando o conhecimento já dominado sobre os

sistemas 4-20mA existentes. Para Transmitir o sinal digital juntamente

com o analógico, utiliza-se a técnica de FSK (frequency shift key) no

qual um sinal senoidal de corrente pico-a-pico de 1mA na frequência

de 1200KHz significa "1" e 2400KHz significa "0".

ELT 314 – Instrumentação EletrônicaProtocolo Hart

1. Há algumas limitações na utilização desse padrão de

comunicação. Por exemplo, pode-se ter uma configuração mestre-

escravo utilizando sinal analógico e digital no mesmo par de fios.

Essa configuração só é possível para um escravo no par de fios.

Para a utilização de mais de um dispositivo, o sinal analógico é

desprezado.

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV 15

2. A corrente que era usada na comunicação analógica fica definida

em 4ma todo o tempo (apenas para a alimentação dos

dispositivos), e os sinais de controle são trasmitidos nas

freqüências conhecidas 1200KHz-2400KHz. Pode-se configurar

até 15 dispositivos nesse modo.

ELT 314 – Instrumentação Eletrônica

1. HART (Highway Addressable Remote Transducer): protocolo de transição

entre tecnologia analógica e digital.

2. Camada física:

1. Meio físico: par trançado com até 3.000 m;

2. Taxa de transmissão: 1.200 bps;

3. Transmissão assíncrona com caracteres UART (1 start bit, 8 bits de dados, 1 bit

de paridade e 1 stop bit);

Protocolo Hart

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV

de paridade e 1 stop bit);

4. Topologia: barramento ou árvore;

5. Modulação: FSK (padrão Bell 202, lógico 1 => sinal de 1.200 Hz, lógico 0 =>

2.200 Hz).

ELT 314 – Instrumentação Eletrônica

1. Camada de enlace:

1. mestre-escravos e token-passing;

2. Tempo médio de resposta: 378.5 ms;

2. Camada de aplicação:

1. comandos, respostas, definição de tipos de dados e emissão de relatórios de

status.

Protocolo Hart

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV

status.

2. Possível transmitir sinais de 4 a 20 mA (analógicos) e quadros digitais

simultaneamente.

3. Os chips HT2012 (Smar Research) e SYM20C15 (Symbios Logic) servem como

modems de baixa potência para uso em equipamentos de campo.

4. O chip requer a adição de filtros e comparadores para a operação do protocolo.

ELT 314 – Instrumentação Eletrônica

I

4..20 mA

Bell 202

Protocolo Hart

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV

t

4..20 mA

ELT 314 – Instrumentação Eletrônica

1. Interbus-S desenvolvido na Alemanha pela empresa Phoenix Contact.

2. Obteve ampla aceitação industrial (mais de 5.000 aplicações).

3. Interbus-S concebido para integração de sensores a atuadores a um

elemento de tomada de decisão (CLP, CNC, RC, etc.).

4. Elemento de tomada de decisão opera como estação mestre.

5. Sensores e atuadores são estações escravas que executam operações de

INTERBUS-S

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV

entrada/saída.

6. Interbus-S adotou uma topologia em anel

7. Método de varredura denominado "Quadro Concatenado" ou "Quadro

Somado" (do alemão "Summenrahmen-Verfahren").

ELT 314 – Instrumentação Eletrônica

1. Mestre monta um quadro único contendo campos reservados para cada

um dos escravos.

2. Mestre preenche o campo reservado àquele escravo com os dados de

processo ou parâmetros a enviar.

3. O quadro então é enviado ao primeiro escravo no anel.

4. O primeiro escravo reconhece no quadro o início de sua janela de dados e

INTERBUS-S

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV

verifica o conteúdo somente do campo reservado a ele.

5. Escravo lê a informação contida no seu campo reservado e substitui o

conteúdo do campo pelos dados de resposta.

6. Em seguida, o primeiro escravo envia o quadro completo para o próximo

escravo no anel.

7. O processo se repete até que o quadro tenha percorrido todos os escravos

do anel e retornado ao mestre.

ELT 314 – Instrumentação Eletrônica

1. Analogia com um trem (quadro somado) que pára em

diversas estações (escravos), deixando alguns passageiros e

pegando outros.

MasterSlave 1

Slave 2

Slave Slave

INTERBUS-S

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV

Lê M1

At.M1

Lê M2

At.M2

Lê M3

At.M3

Lê M4

At.M4

C FCS

M4 M3 M2 M1 H

1 2Slave 3

Slave 4

Frame

ELT 314 – Instrumentação Eletrônica

1. O tempo que o quadro somado leva para percorrer o anel (ciclo de

varredura) depende do número de escravos e é determinista.

2. O número máximo de entradas e saídas suportadas pelo Interbus-S é de

2048, que podem ser varridas em 7.2 ms.

3. Distância entre estações consecutivas no anel: até 400 metros.

4. Número máximo de estações: 256 (anel pode ocupar 13 Km sem

INTERBUS-S

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV

repetidores).

5. Taxa de transmissão: 500 Kbps.

6. As informações que o mestre envia para os escravos podem ser:

* Dados de processo: comandos a executar ou valores a colocar em uma

saída (sujeitos à restrições de tempo real);

* Parâmetros de configuração do escravo (sem restrições de tempo):

enviados em time slots reservados no quadro somado.

ELT 314 – Instrumentação EletrônicaCanOpen

1. É um protocolo muito utilizado na indústria em geral,

principalmente pela sua abertura e baixo custo. CAN é um bus de

comunicação multi-mestre. Permite uma topologia livre, em bus ou

com derivações. Identifica as mensagens e não os equipamentos.

2. Cada equipamento pode enviar mensagens sempre que o bus

estiver livre.

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV 23

3. Este apenas define os níveis 1 e 2 do modelo ISO.

4. A comunicação é por eventos, o que reduz o tráfego na rede.

5. Possíveis conflitos são evitados através de uma definição de

níveis de prioridade.

6. Todos os participantes têm os mesmos direitos, por isso é possível

configurar uma rede sem mestre.

ELT 314 – Instrumentação EletrônicaCanOpen

Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Enge nharia Elétrica – UFV 24