Redes Industriais

1. MODÊLOS DE REDES PARA SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO

INDUSTRIAL

1.1. MODELOS DE ARQUITETURAS DE CLP’S.....................................................1.11.1.1. Configuração local.....................................................................1.11.1.2. Configuração remota.................................................................1.11.1.3. -Redes de CLP’s.........................................................................1.1

1.2. REDES DE COMUNICAÇÃO PARA SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO........1.21.2.1. Redes de campo........................................................................1.31.2.2. Redes de Controle.....................................................................1.41.2.3. Redes de Gerenciamento de Fábrica........................................1.4

1.3. REDES DE CONTROLE EM SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO..................1.61.3.1. Componentes.............................................................................1.6

1.4. NÍVEIS DAS REDES DE CONTROLE.............................................................1.71.4.1. Nível físico..................................................................................1.71.4.2. Nível de Aplicação...................................................................1.10

1.5. COMPARAÇÃO ENTRE REDES PARA SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO1.111.5.1. CARACTERÍSTICAS GERAIS......................................................1.121.5.2. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS......................................................1.131.5.3. CARACTERÍSTICAS DE TRANSPORTE.......................................1.141.5.4. PERFORMANCE.........................................................................1.15

VERSÃO 1.0 30/08/00

Senai-Santos/SP MODÊLOS DE REDES PARA SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

1.1. Modelos de arquiteturas de CLP’s

A arquitetura de um CLP, está ligada a maneira como os módulos de I/O estão ligados a CPU. A arquitetura, também chamada de configuração, representa a disposição como estão conectados os diversos módulos de I/O, podendo ser classificado como:

1.1.1. Configuração local

Entende-se como configuração local, aquela em que os módulos I/O, estão montados no mesmo rack da CPU ou a no máximo 15 metros de distância do mesmo.

1.1.2. Configuração remota

Entende-se como configuração remota, aquela em que os módulos I/O, estão montados fora do rack da CPU em distâncias acima de 15 metros. Para tal finalidade são necessários módulos especiais para interligação de racks remotos. A distância máxima para este tipo de configuração gira em torno de 200 a 3600 metros.

1.1.3. -Redes de CLP’s

Entende-se como configuração em rede, aquela em que diversas CPU’s com seus módulos de I/O local ou remoto, estão interligados à distância e em comunicação trocando dados entre si; com um sistema supervisório; ou com uma interface homem-máquina (I.H.M.). Para tal finalidade são necessários portas ou módulos de comunicação especiais ligados à CPU de cada C.L.P.

1

MODÊLOS DE REDES PARA SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Senai-Santos/SP

1.2. REDES DE COMUNICAÇÃO PARA SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO

O controle da produção industrial, ainda hoje, é realizado manualmente, especialmente no que tange à aquisição de dados. As informações que podem ser analisadas referem-se muitas vezes a dados passados, além de estarem sujeitas a erros de operadores, e outros.

Nas fábricas atuais, é importantes saber o quê se produz, quanto se produz e a disponibilidade dos recursos de produção. A velocidade de trânsito destas informções pode significar um elevado retorno proporcional.

A incrível evolução da informática em todas as áreas do conhecimento humano tem permitido a implementação do conceito de inteligência distribuída em ambientes industriais. A utilização de equipamentos inteligentess em máquinas ou processos para controle ou na aquisição pura e simples da informação é o primeiro passo para a automação industrial completa. Interligar estes equipamentos é o passo seguinte; a construção de um sistema de aquisição de informações apto ao acompanhamento em tempo real da produção do maquinário envolvido ou do estado do processo em funcionamento é consequencia quase

obrigatória.

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NÍVEL DENÍVEL DE CAMPOCAMPO

NÍVEL DENÍVEL DE CONTROLECONTROLE

NÍVEL DENÍVEL DE PLANTAPLANTA

A outros níveisA outros níveis

Rede de ControleRede de Controle

SupervisãoSupervisãoBanco deBanco de DadosDados

Rede de PlantaRede de Planta

Rede deRede deCampoCampo


Uma rede de comunicação para sistemas de automação industrial é um conjunto de sistemas independentes, autônomos e linterconectados de forma a permitir a troca de informações entre si. Uma rede oferece os meios físicos e lógicos que permitam a integração do sistema através da troca de informações.

As redes para sistemas de automação, podem ser classificadas, conforme sua finalidade em: Redes de Campo; de Controle e de Gerenciamento de fábrica.

1.2.1. Redes de campo

Estas redes tem como características :

Redução do custo da fiação e instalação do projeto Comunicação bidirecional, permitindo configuração e calibração dos dispositivos Distribuição de inteligência Integração com diversos fabricantes Normalmente possível conexão com até 1 centena de dispositivos. Velocidade normalmente na faixa de dezenas de Kbps, podendo atingir até 1 Mbps. Integração do controlador ao sistema de atuação do equipamento

Rede de Campo

24vdc

509 -BOD

T

Estas redes podem ser sub-classificadas quanto a categoria dos dispositivos conectados, como sendo para: Processo; Manufatura; Sensores

A ilustração à seguir, resume algumas considerações para cada tipo de aplicação.

Processo Manufatura Sensores

Tamanho Mensagem alguns bytes alguns bytes alguns bits

Tempo de Resposta 5 a 50 ms 5 a 50 ms < 5ms

Tipo de Cabo Instrumentação Qualquer Baixo custo

Distância Max 2 Km 2 Km 100m

Áreas Classificadas Sim Não Não

Podemos citar, como exemplo destas redes, os seguintes padrões:

FIELDBUS FOUNDATION PROFIBUS

3


DEVICENET ASI - ACTUATOR SENSOR INTERFACE

4


1.2.2. Redes de Controle

Estas redes tem como características:

Interface Homem-máquina; Desempenho em tempo real; Intertravamento entre controladores; Velocidade normalmente na faixa de Mbps, podendo chegar a dezenas de Mbps Determinismo e repetibilidade Normalmente são proprietátias

Rede de Controle


CONTROLNET MODICOM DH+

1.2.3. Redes de Gerenciamento de Fábrica

Estas redes tem como características:

Conectividade a computadores de múltiplos fabricantes Alta capacidade para transferência de arquivos Responsabilidade por efetuar otimização de processos (controle avançado) Velocidade normalmente de 10 ou mais Mbps Ligação entre as redes de chão de fábrica e o gerenciamento da produção (MES)

5


Redes de Gerenciamento de Fábrica


INDUSTRIAL ETHERNET

6


1.3. REDES DE CONTROLE EM SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO

As redes de controle em sistemas de automação ganharam muito espaço em aplicações industriais, devido a crescente sofisticação nos dispositivos de comunicação digital, tais como: tamanho; velocidade e custo.

Uma rede de controle, interligando CLP’s, encontra excelente justificativa devido sua capacidade em descentralizar o controle das tarefas complexas, distribuindo o controle em cada unidade do processo, permitindo que cada CLP, tenha acesso a qualquer informação de outro através da rede. Isto viabiliza que cada máquina ou processo, funcione independentemente sob controle de seu próprio CLP (células de controle), permitindo ao mesmo tempo a coordenação geral do sistema, sempre que necessário.

1.3.1. Componentes

Os itens básicos que compõem uma rede de controle, podem ser vistos na ilustração abaixo:

1. CLP Controlador Lógico Programável com interface para rede de comunicação.

7

07

08

01

02 0304

05

06


2. Derivador para rede de comunicação faz a interligação do cabo de comunicação do CLP com o barramento de comunicação.

3. Terminador Faz a terminação elétrica do barramento de comunicação, podendo em alguns casos conectar o último dispositivo da rede.

4. Barramento de comunicação Cabo que interliga as várias estações ou nós da rede, transmitindo dados serialmente entre os dispositivos conectados à rede.

5. Módulo Interface Rede/PC Interliga um equipamento tipo IBM/PC ou equipamentos com interface serial RS-232C à rede de comunicação, tornado este equipamento um dispositivo ou nó da rede.

6. Estação de Monitoração/Controle/Supervisão É o equipamento responsável pela interface homem-máquina, tendo como funções: monitorar, comandar e supervisionar o processo, podendo existir uma ou mais estações em forma redundante ou não, distribuídas na rede.

7. Gateway para equipamentos com comunicação serialÉ um equipamento que permite a escrita ou leitura de dados em/de equipamentos com um padrão de comunicação e protocolo específico

8. Equipamento para comunicação de dadosEquipamentos tipo: balanças; leitores de código de barras, etc. que podem ser conectados à rede via gateways.

1.4. Níveis das redes de controle

Baseando-se no modêlo ISO/OSI, podemos concluir que as redes de controle em

sistemas de automação, normalmente utilizam-se somente 3 dos 7 níveis propostos no modêlo: nível 1:Físico; nível 2: Enlace; nível 3: Aplicação.

1.4.1. Nível físico

No nível físico, as redes de controle basicamente definem:

TOPOLOGIA A topologia mais usada nestas redes é a de barramento.

8

FísicoFísicoEnlaceEnlaceRede Rede

TransporteTransporteSessãoSessão

ApresentaçãoApresentaçãoAplicaçãoAplicação

11223344556677


MEIO FÍSICO O meio físico mais aplicado é o par trançado, porém pode ser encontrado em algumas situações a fibra-optica.

INTERFACE ELÉTRICA Normalmente, é utilizado o padrão EIA RS-485

NÚMERO DE DISPOSITIVOS NA REDE de 30 dispositivos à aproximadamente 127.

VELOCIDADE DE COMUNICAÇÃO de 9,6 à 1.500 Kbauds

No nível de enlace, as redes de controle basicamente definem:

CONTROLE DE ACESSO AO MEIO FÍSICO O controle de acesso ao meio, também chamado de “MAC” Media Acess Control, tem como função controlar, átraves de regras, o processo de como um dispositivo irá acessar (solicitar) a rede, no caso das redes de controle podem utilizar os principais modelos existentes, tais como:

Mestre-escravo “Master-slave”: Caracteriza-se por, somente um dispositivo da rede ser capaz de iniciar uma comunicação, além de todos os outros dispositivos possuirem capacidade somente para responder dados daquilo que lhe foi requisitado pelo mestre.

...Slave Slave

Master

Slave

Contenção: Neste processo, também chamado de “CSMA” (Carrier Sense, Multiple Acess), o dispositivo que desejar comunicar-se na rede, sente se o barramento está desocupado, e caso esteja, inicia o processo de comunicação. Caso 2 ou mais dispositivos tentem entrar na rede simultaneamente, acontecerá uma colisão, sendo que esta colisão pode ser detectada e após tal, ser estabelecido um procedimento (normalmente aleatório) para a reinicialização da transmissão, isto chama-se, “CSMA/CD”.

Este sistema caracteriza-se por não ser DETERMINÍSTICO, o que quer dizer, não ser possível determinar qual o atraso na comunicação a ser realizada.

Token-passing: Neste processo, o direito de um dispositivo entrar na rede a fim de comunicar-se é rotativo entre todos os dispositivos (como se fosse um bastão), portanto este dispositivo que deseja iniciar uma transmissão, deve esperar o seu direito “bastão” e terá um tempo determinado para transmitir na rede. Caso este tempo não seja suficiente, o dispositivo precisará esperar novamente o direito a transmissão.

Este sistema, caracteriza-se por ser DETERMINÍSTICO, eliminar colisões e por necessitar recursos de software mais complicados para tal controle.

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Híbrido: Neste processo, é combinado o método Token-passing com o método Mestre-escravo. Neste método, é possivel implementar uma rede com dispositivos ativos denominados Mestres e dispositivos passivos denominados Escravos, conforme ilustração à seguir

(1)

(2)

Passagem do token entre as estações ativas (1)

Comunicação entre estação ativa/passiva tipo Mestre/escravo (2)

Na ilustração anterior, observa-se que uma estação ativa,somente poderá exercitar suas funções de mestre no barramento da rede, após receber o Token de uma ourta estação ativa.

É importante, frisar alguns conceitos:

DETERMINISMO no qual independentemente do número de mensagens a serem transmitidas, garante-se a realização das mesmas dentro de um tempo máximo.

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ENDEREÇAMENTOTodo dispositivo de uma rede de controle possui um endereço que é definido em função do método de controle de acesso ao meio físico. Em redes de controle para sistemas de automação industrial, é importante definir conceitos de Multicasting e BroadcastingMulticast É um modelo de troca de informações entre dispsitivos, no qual uma mensagem enviada por uma estação da rede, é endereçada a um grupo de outros dispositivos (grupo de multicast) onde todos recebem a mesma mensagem.Broadcast Modelo de comunicação onde uma estação ativa, envia uma mensagem sem confirmação para todas estações (mestres ou escravos)

1.4.2. Nível de Aplicação

No nível de aplicação, as redes de controle basicamente definem:

SERVIÇOS DE COMUNICAÇÃO DISPONÍVEIS Os serviços de comunicação disponíveis mais comuns de serem encontrados nas redes são leitura de dados; escrita de dados; carga de programa; comandos de parada/execucão; forçamentos; etc.

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1.5. COMPARAÇÃO ENTRE REDES PARA SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO

As redes de controle em sistemas de automação, podem ser classificadas de acordo com sua aplicação, nas seguintes opções: sensor; campo (ou dispositivos); controle; gerenciamento de fábrica (ou informação). É importante, neste momento, especificar as características das principais redes, utilizadas em sistemas de automação.

O ano de introdução no mercado de uma nova técnologia nos dá a real idéia de quão sedimentado é desenvolvido está o padrão. Vale lembrar que a grande caracteristica de uma rede “field-bus” é poder interconectar equipamentos de diversos fabricantes (“Multi-vendor”), portanto quanto mais empresas já desenvolvam produtos para dado padrão, maior o potencial de conectividade do mesmo.

Em função do ambiente pelo qual a rede de comunicação estará disposta, poderá existir a probabilidade de interferencias de diversas naturezas, como por exemplo eletromagneticas, ou o citado ambiente poderá apresentar caracteristicas extremamente adequadas, temos ainda o fator extensão da rede, função da distancia percorrida pela mesma. Dado ao exposto, dispor de diversas possibilidades de meio fisico ajuda a eliminar potenciais problemas, ou a reduzir o custo da implantação da rede.

Um ponto a ser abordado na configuração do sistema de controle é o volume de dados que será transmitido e a velocidade na qual isto pode ser executado. Quando o trafego de dados na rede é elevado, provavelmente este item deverá ser abordado com maior rigor.

Por fim, após selecionarmos alguns padrões que possam atender as necessidades de nossa aplicação, podemos elaborar uma comparação entre a performance destes, para então exercermos nossa escolha. Devemos no entanto, comparar a performance utilizando a coluna que mais se assemelha as caracteristicas de trafego de comunicação de dados de nossa aplicação.

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1.5.1. CARACTERÍSTICAS GERAIS

FIELDBUS TIPO DE REDE

DETENTOR DA TECNOLOGIA

PADRÃO(NORMA)

ANO DE INTRODUÇÃO

ABERTURA

A.S.I.REDE DE CAMPO

(SENSOR/ATUADOR)CONSÓRCIO AS-I I.E.C. 1993 Item de

mercado do consórcio AS-i

DEVICENET REDE DE CAMPO (DISPOSITIVO)

ALLEN-BRADLEYODVA

ISO 11898 &11519

1994 17 fabricantes de chip´s; mais

de 300 fabricantes de

produtos

PROFIBUSL2-DP

REDE DE CAMPO P.T.O.PROFIBUS TRADE

ORGANIZATION

DIN 19245PARTE 1 e 3

1994 Chips fornecidos pela

Siemens e PROFICHIP, mais de 300 fabricantes

PROFIBUS L2-FMS REDE DECONTROLE

P.T.O.PROFIBUS TRADE

ORGANIZATION

DIN 19245PARTE 1 e 2

1994

PROFIBUSPA

REDE DE DISPOSITIVO /

CONTROLE

P.T.O.PROFIBUS TRADE

ORGANIZATION

DIN 19245 PARTE 1 e 4

IEC 1158-2

1995

FIELDBUSFOUN-DATION

REDE DE DISPOSITIVO /

CONTROLE

FIELDBUS FOUNDATION

ISA SP50 / IEC 61158

1995 Chips, softwares e produtos de

vários fabricantes

CONTROLL-NET REDE DE CONTROLE ALLEN-BRADLEYCONTROLNET

INTERNATIONAL1996

Especificação aberta e dois fabricantes de

chip

INDUSTRIAL ETHERNET REDE DE GERENCIAMENTO

DEC / INTEL / XEROX

IEEE 802.3 DIX v.2.0

1976 Vários fabricantes de

chips e produtos

MODBUS RTU/ASCII REDE DE CONTROLE MODICON EN 1434-3 (LAYER7)IEC870-5 (LAYER2)

Especificação aberta e não

requer hardware especial

DATA HIGHWAY PLUS (DH+)

REDE DE CONTROLE ALLEN-BRADLEY Proprietário

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1.5.2. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS

FIELDBUS MEIO FÍSICO TOPOLOGIA MÁXIMO NÚMERO DE DISPOSITIVOS

MÁXIMA DISTÂNCIA

A.S.I.CABO PARALELO

COM DOIS CONDUTORES

BARRAMENTO OU ESTRELA

31 ESCRAVOS 100m OU 300 m C/ REPETIDORES

DEVICENET PAR TRANÇADO OU PARALELO

PARA SINAL E ALIMENTAÇÃO (4

CONDUTORES

TRUNKLINE / DROPLINE COM

BRANCHING

64 NÓS 500m (para menor velocidade)

PROFIBUSL2-DP

PAR TRANÇADOFIBRA ÓPTICA

BARRAMENTO LINEAR C/

TERMINAÇÃO

32 S/ REPETIDOR 127 C/ REPETIDOR

24Km C/ FIBRA200m @ 1.5 Mbps

1200m @ 93.75 Mbps

PROFIBUS L2-FMS PAR TRANÇADOFIBRA ÓPTICA

BARRAMENTO LINEAR C/

TERMINAÇÃO


24Km C/ FIBRA200m @ 1.5 Mbps

1200m @ 93.75 Mbps

PROFIBUSPA

PAR TRANÇADOBARRAMENTO

LINEAR C/ TERMINAÇÃO + ALIMENTAÇÃO


1900m @ 31.25Kbps500m @ 2.5 Kbps

FIELDBUSFOUN-DATION

PAR TRANÇADO BARRAMENTO MULTIDROP C/ ALIMENTAÇÃO

12 C/ ALIMENTAÇÃO32 S/ ALIMENTAÇÃO

1900m @ 31.25Kbps500m @ 2.5 Kbps

CONTROLL-NET CABO COAXIAL OU FIBRA ÓTICA

BARRAMENTO OU ESTRELA

99 NÓS 1km @ 2 nós coaxial250m@ 48 nòs coax.3Km c/ fibra; 30Km c/

fibra+repet.

INDUSTRIAL ETHERNET CABO COAXIAL; PAR TRANÇADO OU

FIBRA

BARRAMENTO; ESTRELA OU

“DAISY-CHAIM”

1024 NÓS EXPANSÍVEL VIA

ROUTERS

MODBUS RTU/ASCII PAR TRANÇADO BARRAMENTO OU ESTRELA

250 NÓS POR SEGMENTO

350m


PAR TRANÇADO COM BLINDAGEM

(TWINAXIAL)

BARRAMENTO LINEAR

64 NÓS POR SEGMENTO

3Km

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1.5.3. CARACTERÍSTICAS DE TRANSPORTE

FIELBUS MÉTODO DE COMUNICAÇÃO

MÉTODO DE ACESSO AO MEIO FÍSICO(ARBITRATION)

VELOCIDADE CHECK DE ERROS TAMANHO DA TRANSFERÊNCIA

DE DADOS

A.S.I.MESTRE-ESCRAVO

COM POLLING CÍCLICO

MESTRE-ESCRAVO COM POLLING

CÍCLICO

********* CÓDIGO MANCHESTER

31 ESCRAVOS COM 4 INPUT E 4

OUTPUT

DEVICENET MESTRE/ESCRAVOMULTI-CAST

CSMA 125K; 250K E 500Kbps

CRC 8 BYTES(MENSAGEM DE

VARIÁVEIS)

PROFIBUSL2-DP

HÍBRIDO:MESTRE-ESCRAVO

PEER TO PEER

TOKEN PASSING ATÉ 12 Mbps CRC-HD4 244 BYTES

PROFIBUS L2-FMS


PEER TO PEER

TOKEN PASSING ATÉ 12 Mbps CRC-HD4 244 BYTES

PROFIBUSPA


PEER TO PEER

TOKEN PASSING 31,25 Kbits/s CRC-HD4 *********

FIELDBUSFOUN-DATION

CLIENTE/SERVIDOREMISSOR/RECEP.

“DETERMINISTIC CENTRALIZE SCHEDULER”

31.25kbps CRC-16 BITS 16.6M OBJETOS / DISPOSITIVOS

CONTROLL-NET PRODUTOR / CONSUMIDOR

CTDMA TIME SLICE MULTIPLE ACESS

5 Mbps CCITT MODIFICADO 0 A 510 BYTES VARIÁVEL

INDUSTRIAL ETHERNET

PONTO A PONTO CSMA/CD 10; 100 Mbps CRC-32 46-1500 BYTES

MODBUS RTU/ASCII

MESTRE ESCRAVO 300 – 38,4 Kbps 0 – 254 BYTES


MULTI-MESTRE; PONTO A PONTO

57,6 Kbps 128 BYTES

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1.5.4. PERFORMANCE

FIELDBUS TEMPO DE SCAN:256 DISCRETOS

EM 16 NÓS C/ 16 I/O

TEMPO DE SCAN:128 ANALOG

EM 16 NÓS C/ 8 I/O

TRANSFER. DE BLOCO DE 128 BYTES EM 1 NÓ

A.S.I.4.7 ms Impossível Impossível

DEVICENET2 ms em polling mestre/escravo

10 ms em polling mestre/escravo

4.2 ms

PROFIBUSL2-DP

6ms @ 1.5 Mbps2ms @12 Mbps

(P/ 512 DISCRETOS EM 32 DISPOSITIVOS)

********* *********

PROFIBUS L2-FMS

********* ********* *********

PROFIBUSPA

********* ********* *********

FIELDBUSFOUN-DATION

100 ms @ 31.25 Kbps<1ms @ 2.5 Mbps

600 ms @ 31.25 Kbps<8 ms @ 2.5 Mbps

36 ms @ 31.25 Kbps0.45 ms @ 2.5 Mbps

CONTROLL-NET < 0,5 ms < 0,5 ms < 0,5 ms

INDUSTRIAL ETHERNET

Depende do nível de aplicação (application

layer)


layer)


layer)

MODBUS RTU/ASCII

********* ********* *********


********* ********* *********

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