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UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR CURSO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO

REDES DE TRANSDUTORES INTELIGENTES

Área de Automação Industrial

por

Almir Gercino Alexandre

Alejandro Rafael Garcia Ramirez, Dr. Orientador

São José (SC), junho de 2010

UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR

CURSO DE ENGEHARIA DE COMPUTAÇÃO

REDES DE TRANSDUTORES INTELIGENTES

Área de Automação Industrial

por

Almir Gercino Alexandre Relatório apresentado à Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia de Computação para análise e aprovação. Orientador: Alejandro Rafael Garcia Ramirez, Dr.

São José (SC), junho de 2010

Agradecimentos

Agradeço aos meus pais que me incentivam a estuda e que forneceram meios de me formar

em Engenheiro de Computação e nunca deixaram me desvirtuar do meu caminho.

Aos mestres que compartilharam comigo os seus conhecimentos que me engrandeceram ao

longo da minha jornada, o meu reconhecimento.

Aos colegas que aprenderam e ensinaram continuamente durante todas as fases vivenciadas

durante a vida acadêmica, agradeço pelo companheirismo.

Ao meu orientador que no final da jornada acadêmica, contribui muito para meu

aprendizado, compartilhando seus conhecimentos, reconheço amigo.

Ao coordenador do curso, que sempre se fez presente buscando melhores condições de

ensino e aprendizado para todos os acadêmicos sem nenhuma distinção, credito meus votos a sua

dedicação.

A todo o corpo discente e funcionários da Univali que me ofertaram condições de estudo,

meu reconhecimento.

.

SUMÁRIO

LISTA DE ABREVIATURAS...................................................................v

LISTA DE FIGURAS................................................................................vi

LISTA DE TABELAS.............................................................................viii

RESUMO.................................................................................................... ix

ABSTRACT.................................................................................................x

1 INTRODUÇÃO....................................................................................11 1.1 PROBLEMATIZAÇÃO ................................................................................... 13 1.1.1 Formulação do Problema............................................................................... 13 1.1.2 Solução Proposta............................................................................................. 13 1.2 OBJETIVOS ...................................................................................................... 14 1.2.1 Objetivo Geral ................................................................................................. 14 1.2.2 Objetivos Específicos ...................................................................................... 14 1.3 METODOLOGIA.............................................................................................. 14 1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO ..................................................................... 15

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA......................................................16 2.1 REDES INDUSTRIAIS.....................................................................................16 2.1.1 Barramento de Campo ou Fieldbus .............................................................. 19 2.2 TOPOLOGIAS DE REDES INDUSTRIAIS.................................................. 24 2.2.1 Ponto a Ponto................................................................................................... 24 2.2.2 Multiponto ....................................................................................................... 25 2.2.3 Estrela............................................................................................................... 25 2.2.4 Barramento...................................................................................................... 26 2.2.5 Anel................................................................................................................... 26 2.2.6 Distribuída ....................................................................................................... 27 2.3 MEIOS DE TRANSMISSÃO........................................................................... 28 2.3.1 Padrões Seriais ................................................................................................ 28 2.3.2 RS-232 .............................................................................................................. 28 2.3.3 RS-485 .............................................................................................................. 29 2.4 TECNOLOGIAS DE CHÃO DE FÁBRICA.................................................. 31 2.4.1 CLP................................................................................................................... 31 2.4.2 Sistema SCADA............................................................................................... 33 2.5 PROTOCOLOS INDUSTRIAIS...................................................................... 35 2.5.1 Protocolos Abertos x Protocolos Proprietários............................................ 35 2.5.2 Protocolo MODBUS........................................................................................ 36 2.5.3 Modelo Mestre Escravo.................................................................................. 37 2.5.4 Modo ASCII..................................................................................................... 38 2.5.5 Modo RTU ....................................................................................................... 39

2.6 SENSORES E ATUADORES .......................................................................... 41 2.6.1 Sensores/Atuadores analógicos...................................................................... 43 2.6.2 Sensores/Atuadores digitais ...........................................................................43 2.7 MICROCONTROLADOR............................................................................... 47 2.7.1 Microcontrolador AVR ..................................................................................48

3 DESENVOLVIMENTO ......................................................................54 3.1 DISPOSITIVOS UTILIZADOS NO PROJETO ........................................... 55 3.1.1 Sensor e Atuador............................................................................................. 56 3.2 AMBIENTE DE PROGRAMAÇÃO............................................................... 58 3.3 COMUNICAÇÃO MESTRE/ESCRAVO....................................................... 61 3.4 MODELAGEM DO FIRMWARE .................................................................. 64 3.4.1 Checagem do Frame – CRC........................................................................... 65 3.5 MESTRE DO BARRAMENTO....................................................................... 66 3.5.1 Configuração do drive MODBUS ................................................................. 67 3.5.2 Aplicação IHM ................................................................................................ 69 3.6 MONTAGEM DA REDE ................................................................................. 71

4 CONCLUSÕES ....................................................................................76 4.1 TRABALHOS FUTUROS................................................................................ 76

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................78 A.1.1. Programa principal......................................................................................... 81 A.1.2. Função para configurar todo sistema ........................................................... 82 A.1.3. MODBUS ......................................................................................................... 83 A.1.4. Configuração do PWM...................................................................................86 A.1.5. Configuração do ADC .................................................................................... 87 A.1.6. Configuração do USART ............................................................................... 88 A.1.7. Configuração do TIMER ............................................................................... 89 A.1.8. Diagrama de Classe......................................................................................... 90 A.1.9. Diagrama de Estado Mestre........................................................................... 91 A.1.10.Diagrama de Estado Escravo ....................................................................... 92 A.1.11.Diagrama de Estado Comando MODBUS 0x06......................................... 93 A.1.12.Diagrama de Estado Comando MODBUS 0x03......................................... 94

LISTA DE ABREVIATURAS

ASCII American Code for Information Interchange CISC Complex Instructions set Computer CLP Controlador Lógico Programável CPU Central Processing Unit CRC Campo de checagem de erro DCE Data Circuit terminating Equipment DTE Data Terminal Equipment EIA Electronic Industries Association ERP Enterprise Resource Planning FMS Fildbus Message Specification IHM Interface Homem Máquina IP Internet Protocol ISA The Intociety for Measurement and Control ISO International Organization for Standardization LLI Lower Layer Interface LRC Longitudinal Redundancy Check MES Manufacturing Execution Systems NTC Negative Temperature Coefficient OSI Open Systems Interconnection PC Personal Computer PTC Positive Temperature Coefficient PWM Pulse Width Modulation RISC Reduced Instruction Set Computer RS Recommended Standard RTD Resistence Temperature Coefficient RTU Remote Terminal Unit SCADA Supervisory Control and Data Acquisition SO Sistema Operacional TCP Transmission Control Protocol UNIVALI Universidade do Vale do Itajaí

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Diversidade de tecnologia utilizadas para integração industrial.........................................17 Figura 2. Níveis hierárquicos das redes industriais................ ...........................................................17 Figura 3. Operação conjunta: Software Supervisórios, Fieldbus e Instrumentos ..............................20 Figura 4. Comparação do modelo OSI com o modelo Fieldbus ........................................................22 Figura 5. Esquema de rede ponto a ponto ..........................................................................................24 Figura 6. Esquema de rede multiponto...............................................................................................25 Figura 7. Esquema de rede estrela......................................................................................................26 Figura 8. Esquema de rede em barra ..................................................................................................26 Figura 9. Esquema de rede em anel....................................................................................................27 Figura 10. Esquema de rede distribuída .............................................................................................27 Figura 11. Esquema de conexão RS-232 ...........................................................................................29 Figura 12. Estrutura básica de um CLP..............................................................................................32 Figura 13. Ciclo de processamento dos CLP .....................................................................................33 Figura 14. Exemplo de aplicação Elipse Scada..................................................................................34 Figura 15. Protocolo Modbus e o Modelo de Referência OSI ...........................................................37 Figura 16. Modelo Mestre/Escravo....................................................................................................38 Figura 17. Formato de mensagem do modo ASCII ...........................................................................39 Figura 18. Formato de mensagem do modo RTU..............................................................................39 Figura 19. Fenômenos físicos que podem ser convertidos em sinais analógicos ou digital ..............42 Figura 20. Sinal Analógico.................................................................................................................43 Figura 21. Sinal Digital ......................................................................................................................43 Figura 22. Arquitetura interna do conversor de aproximação sucessiva...........................................44 Figura 23. Sensores de temperatura ...................................................................................................45 Figura 24. Microcontroladores AVR ................................................................................................48 Figura 25. Pinos de um chip do microcontrolador AVR....................................................................49 Figura 26. Diagrama de bloco de um microcontrolador AVR ATMEGA 16....................................50 Figura 27. Componentes da arquitetura - Topologia..........................................................................54 Figura 28. Kit de desenvolvimento Atmel STK500...........................................................................55 Figura 29. Debug e gravador (JTAG) ................................................................................................56 Figura 30. Sensor de temperatura LM35............................................................................................57 Figura 31. Motor PWM......................................................................................................................57 Figura 32. Tela inicial do AVR Studio ..............................................................................................58 Figura 33. Tela para escolha da plataforma e do dispositivo.............................................................59 Figura 34. Tela do ambiente de desenvolvimento..............................................................................60 Figura 35. Simply MODBUS.............................................................................................................61 Figura 36. Simply MODBUS Slave...................................................................................................62 Figura 37. Frame MODBUS RTU.....................................................................................................63 Figura 38. Fluxograma transmissão e recepcão .................................................................................65 Figura 39. Tela de abertura do Elipse SCADA versão demo.............................................................66 Figura 40. Tela principal Elipse SCADA...........................................................................................67 Figura 41. Tela de configuração do drive MODBUS ........................................................................68 Figura 42. Tela de configuração dos comandos MODBUS...............................................................69 Figura 43. Aplicação IHM .................................................................................................................70 Figura 44. Script de controle de acionamento do servo motor...........................................................71 Figura 45. Conversor RS-232/RS-485 ...............................................................................................72 Figura 46. Transceiver........................................................................................................................72

Figura 47. Transdutor temperatura.....................................................................................................73 Figura 48. Transdutor servo ...............................................................................................................74 Figura 49. Rede RS-485 com os transdutores conectados a rede.......................................................75 Figura 50. Programa principal............................................................................................................81 Figura 51. Configuração do sistema...................................................................................................82 Figura 52. MODBUS .........................................................................................................................83 Figura 53. Tabela CRC.......................................................................................................................84 Figura 54. Comandos MODBUS .......................................................................................................85 Figura 55. PWM.................................................................................................................................86 Figura 56. ADC..................................................................................................................................87 Figura 57. USART .............................................................................................................................88 Figura 58. TIMER..............................................................................................................................89 Figura 59. Diagrama de Classe ..........................................................................................................90 Figura 60. Diagrama de Estado de um mestre MODBUS .................................................................91 Figura 61. Diagrama de Estado de um escravo MODBUS................................................................92 Figura 62. Diagrama de Estado comando write Single register ........................................................93 Figura 63. Diagrama de Estado comando Read Holding register ......................................................94

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Algumas redes industriais e respectivo tipo de Fieldbus ...................................................18 Tabela 2. Características de sensores resistivos .................................................................................47 Tabela 3. Descrição dos pinos do microcontrolador AVR.................................................................49 Tabela 4. Registradores do ATMEGA 16..........................................................................................52 Tabela 5. Alguns tipos de instruções do microcontrolador ATMEGA 16.........................................53 Tabela 6. Código de exceção do MODBUS ......................................................................................64 Tabela 7. Valores de Temperatura .....................................................................................................74

RESUMO

ALEXANDRE, Almir Gercino. Redes de Transdutores Inteligentes. São José, 2010. 92 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Computação)–Centro de Ciências Tecnológicas da Terra e do Mar, Universidade do Vale do Itajaí, São José, 2010. Este trabalho apresenta o projeto e desenvolvimento de uma rede de transdutores inteligentes. Essa é uma nova tecnologia, que está substituindo os sensores e atuadores padrões, ajudando na prevenção de erros que possam ocorrer com os equipamentos industriais e, com isso, aumentando a confiabilidade e a produção nas indústrias. Com essa finalidade, são apresentadas as tecnologias envolvidas, tal como o sistema de supervisão SCADA, os controladores lógicos programáveis ou CLP, as redes digitais e os transdutores inteligentes, destacando como cada uma destas tecnologias é aplicada na indústria. De modo a estudar e testar o funcionamento da rede foi projetado e desenvolvido um protótipo onde os transdutores são formados pela junção de um microcontrolador com um sensor/atuador. A rede de transdutores tem como função a coleta de dados de um processo (temperatura) os quais são transmitidos, usando um meio de comunicação serial, embarcados em um protocolo que segue um padrão industrial. A finalidade da rede é controlar um atuador (motor) em função da temperatura lida. O usuário, a partir de um computador, pode monitorar o processo e também controlar o funcionamento da rede projetada. Neste contexto, é apresentado um estudo sobre as tecnologias de redes industriais, os protocolos de comunicação mais utilizados, os padrões elétricos RS-232C e RS-485, as aplicações que envolvem a Interface Homem Máquina IHM, o CLP, assim como conceitos básicos de microcontroladores. Palavras-chave: Transdutores Inteligentes. Protocolos de comunicação. Sistema de Supervisão SCADA.

x

ABSTRACT

This paper presents the design and development of a network of smart transducers. This is a new technology that is replacing the sensors and actuators standards, helping to prevent errors that may occur with industrial equipment and thereby increasing reliability and production industries. For this purpose, we present the technologies involved, such as SCADA monitoring system, the PLC or programmable logic controllers, digital networks and intelligent transducers, highlighting how each of these technologies are applied in industry. In order to study and test the operation of the network was designed and developed a prototype where the transducers are formed by the junction of a microcontroller with a sensor / actuator. The network has the function of transducers to collect data from one process (temperature) which will be transmitted using a serial communications medium, embedded in a protocol that follows an industry standard. The Network's purpose is to control an actuator (motor) according to the temperature reading. The user, from a computer, can monitor the process and also monitor the functioning of the network designed. In this context, we present a study on the technologies of industrial networks, the communications protocols used, the electrical standards RS-232C and RS-485 applications involving the Human Machine Interface HMI, PLC, as well as basic concepts of microcontrollers. Keywords: Smart sensors. Communication protocol. Supervision System.

1 INTRODUÇÃO

O advento do circuito integrado (1960), do microprocessador (1970), do CLP (Controlador

Lógico Programável) década de 60 e a competitividade no mercado mundial imposta pela

globalização, vêm obrigando as empresas a uma constante busca pela qualidade e produtividade.

Isto leva estas empresas à procura por soluções tecnológicas com o objetivo de melhorar a

produção. Neste contexto, a automação surge como uma das principais soluções (PRUDENTE,

2007).

Devido à grande concorrência, o uso de informações imprecisas e dados incorretos em uma

empresa podem prejudicá-la em muito no processo de tomada de decisão, em sua produtividade,

eficiência, economia e, inclusive, na sua própria permanência no mercado (REBELATO; LIDAK,

2006).

Nesse panorama, a automação é fundamental para o ganho de competitividade em todo setor

industrial e para que as empresas consigam permanecer no mercado, precisam se automatizar. Uma

das grandes mudanças iniciou-se na década de 60, quando a única opção possível para automação

era a utilização de relés eletromecânicos. Assim, com o advento dos dispositivos microprocessados,

os painéis de relês foram substituídos pelo CLP. Em relação aos relés, o CLP, ocupa menos espaço,

tem alta confiabilidade, facilidade de manutenção e programação, entre outras características, e são

muitos superiores aos painéis de relés. A introdução do CLP permitiu que as empresas pudessem

aumentar sua produtividade e qualidade, e com isso, permanecer no mercado (SILVEIRA;

WINDERSON, 2006).

Outro aspecto relevante da evolução tecnológica industrial foi que em pouco tempo migrou-

se de uma tecnologia fortemente centralizada para uma abordagem essencialmente distribuída ou

como é designada: Sistemas de Controle Hierárquico Distribuído (LEÃO; GUEDES; VASQUES,

2007). Nessa migração os sensores tradicionais analógicos, baseados nos padrões 4-20 mA, 0-20

mA e 0-10 V, que há décadas vêm sendo utilizados para monitoramento, estão sendo substituídos

por sensores inteligentes, providos de processadores digitais, memória e interfaces de comunicação.

Essa mudança dos sensores/atuadores analógicos para transdutores digitais caracteriza os chamados

transdutores inteligentes (LEÃO; GUEDES; VASQUES, 2007).

12

As arquiteturas modernas de rede de automação industrial são caracterizadas por usarem um

conjunto de transdutores1 inteligentes interligados atendendo a uma determinada topologia,

usualmente conectados através de um barramento serial de comunicação (TANEMBAUN, 2003).

Os dados transmitidos/recebidos pelos transdutores atendem a protocolos conhecidos como

protocolos de chão de fábrica, integrando-se à rede Fieldbus (ROSÁRIO, 2005).

Os dados que circulam no chão de fábrica podem ser tratados e convertidos em informações

para o usuário ou operador através de sistemas de supervisão, conhecidos como SCADA

(Supervisory Control and Data Acquisition) (MORAES; CASTRUCCI, 2001). A utilização desse

sistema se dá na sua maior parte, em indústrias de processos contínuos (SOUZA, 2005).

O principal objetivo do SCADA é o monitoramento do chão de fábrica, através de uma base

de dados em tempo real, fornecida pela rede de transdutores inteligentes e CLPs, espalhados pela

linha de produção.

Considerando a relevância e atualidade desses assuntos, este trabalho apresenta o

desenvolvimento de uma arquitetura de rede de sensores e atuadores inteligentes, conectados

através de um barramento de comunicação e implementou-se um protocolo conhecido no meio

industrial. Os dados do processo poderão ser controlados por um CLP e monitorados através de um

sistema de supervisão SCADA de modo a transformar esses dados em informações visuais, para

consulta instantânea das atividades que estão ocorrendo no processo (chão de fábrica).

Através do sistema de supervisão SCADA, o supervisor terá um maior controle do que está

ocorrendo no chão de fábrica, por exemplo, como está a temperatura no ambiente. Também poderá

monitorar as máquinas e prevenir qualquer problema que possa ocorrer com esta máquina, trazendo

grandes benefícios para estas empresas.

Existem outras tecnologias como sistemas o MES (Manufacturing Execution Systems), que

possui funcionalidade na tomada de decisões, e o ERP (Enterprise Resource Planning) que possui

funcionalidade para a integração entre todos os departamentos da empresa. A integração desses dois

sistemas com o sistema SCADA pode melhorar a gestão da demanda e facilitar o planejamento e

uso de recursos da empresa que possui esses sistemas integrados.

1 Transdutor é um dispositivo que captura um fenômeno físico (sinal de entrada) específico, e transformar esse sinal de entrada, em um sinal elétrico.

13

Cabe salientar que este projeto teve como meta entender melhor como se comporta um

sistema de controle distribuído industrial, com base na rede de transdutores que foi desenvolvida,

aplicando os conhecimentos adquiridos na faculdade. Com isso, o projeto foi realizado em ambiente

de laboratório, não sendo aplicado em nenhuma aplicação industrial especifica.

Para realização deste projeto foram aplicados conhecimentos que foram adquiridos durante

todo o curso de Engenharia de Computação, em especial nas disciplinas de Controle e Automação,

Microcontroladores, Eletrônica e Redes de Computadores.

1.1 PROBLEMATIZAÇÃO

1.1.1 Formulação do Problema

O enfoque deste trabalho é entender as tecnologias das redes industriais, através do projeto

de um protótipo de rede de transdutores inteligentes, que foi desenvolvido com essa finalidade.

1.1.2 Solução Proposta

A solução proposta consistiu em desenvolver um protótipo de rede de transdutores

inteligentes para ser aplicado na área de automação. No projeto foi desenvolvida uma rede com

apenas dois transdutores (um sensor e um atuador) e um mestre. Um desses transdutores é composto

por um microcontrolador e um sensor de temperatura e o outro é composto por um atuador (motor)

e um microcontrolador. O mestre da rede é um computador pessoal, que controla todos os

elementos do sistema, além de servir de interface com o usuário, através de um aplicativo que foi

desenvolvido com o auxílio do Elipse SCADA. A conexão dos componentes da rede (mestre e

escravos) foi realizada através do protocolo elétrico RS485, usando a topologia em barramento,

muito utilizada no ambiente industrial. O protocolo de comunicação escolhido foi o MODBUS, pois

além de ser representativo neste tipo de aplicação é um protocolo aberto. Cabe salientar que a rede

tem como função reproduzir, a coleta de dados de um processo de temperatura, sendo que essa

informação controla, remotamente, o acionamento de um servo motor, em função da temperatura

lida, a nível de laboratório.

14

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Objetivo Geral

Projetar e desenvolver um protótipo de uma rede de transdutores inteligentes, com o intuito

de contribuir no melhor entendimento do seu funcionamento.

1.2.2 Objetivos Específicos

Os objetivos específicos deste projeto de pesquisa são:

• Descrever as redes industriais e suas topologias e escolher uma topologia para ser

utilizada no projeto;

• Analisar os protocolos de barramento de campo e implementar um protocolo industrial;

• Projetar e desenvolver os transdutores inteligentes;

• Projetar a interface elétrica de comunicação.

• Desenvolver uma interface homem máquina (IHM), para a rede projetada, usando o

ELIPSE SCADA; e

• Testar o funcionamento da rede de transdutores projetada.

1.3 METODOLOGIA

Foram necessárias sete etapas a fim de executar este projeto de pesquisa e cumprir os

objetivos específicos apresentados anteriormente. São elas: (1) analisar as redes industriais (2)

estudar os protocolos de barramento de campo, (3) projetar os transdutores inteligentes, (4) criar a

interface homem máquina (5) testar funcionamento da rede e (6) elaborar a documentação do

trabalho. As etapas de (1) e (2) foram efetivadas no (TCC I), sendo que as etapas restantes foram

efetivadas no (TCC II).

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1. Analisar as redes industriais. Esta etapa consistiu em estudar as topologias de redes

que são utilizadas nas indústrias, e escolher a que melhor que se adapta a este projeto,

neste caso, optou-se pela topologia em barramento.

2. Estudar os protocolos de barramento de campo. Esta etapa consistiu em estudar os

protocolos mais utilizados nas redes industriais, e escolher um protocolo que não seja

proprietário, para fins de implementação. Nesta etapa foi selecionado o protocolo

MODBUS.

3. Projetar os transdutores inteligentes. Esta etapa consistiu em desenvolver o firmware

para os dois transdutores escravos (temperatura e servo) e a montagem destes usando

dois kits de desenvolvimento da Atmel (AVR).

4. Projetar a interface homem máquina. Nesta etapa foi desenvolvida uma aplicação no

Elipse SCADA, sendo a interface com o operador e também o mestre do barramento, a

qual controla os dois transdutores escravos.

5. Testes da rede. Nesta etapa foi implementada a interface elétrica RS-485 interligando as

componentes da rede, e também foram realizados testes do sistema projetado.

6. Etapa de documentação. Nesta etapa foi registrado todo o processo da pesquisa

científica. Está documentação é formada pela escrita do TCC I e TCC II. E também pelo

artigo cientifico.

1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO

Este documento foi estruturado em quatro capítulos. O Capítulo 1, Introdução, apresenta

uma visão geral do problema abordado, a solução proposta, o objetivo que foi alcançado, e os

objetivos específicos que foram desenvolvidos para alcançar a solução proposta.

No Capítulo 2 é apresentada a Fundamentação Teórica, onde são descritas as redes

industriais e as topologias que podem ser utilizadas nestas redes. Também é feita uma introdução às

componentes físicas e lógicas de um sistema de automação, tal como os sensores/atuadores, o CLP,

microcontroladores, assim como os sistemas de supervisão.

O Capítulo 3, Desenvolvimento, apresenta uma descrição de como o protótipo da rede foi

desenvolvido, as etapas que foram atendidas para o desenvolvimento do protótipo da rede e os

resultados alcançados. No Capítulo 4, é apresentada a conclusão deste trabalho.

16

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Neste capitulo são abordadas as redes industriais e sua importância. Destacasse os

problemas e a dificuldade de gerenciar uma rede industrial, devido à vasta gama de tecnologias e

diferentes fabricantes. Também é apresentado o padrão de barramento de campo Fieldbus e as

topologias de redes que podem ser aplicadas neste tipo de barramento. São citados os tipos de meio

físicos de comunicação mais utilizados, assim como também os tipos de protocolos que podem

trafegar nestes meios de comunicação.

2.1 REDES INDUSTRIAIS

Com o avanço da tecnologia e a necessidade de integração entre máquinas e sistemas de

controle, as redes industriais são de fundamental importância para conseguir eficiência e

confiabilidade no sistema produtivo. Redes industriais são sistemas distribuídos com diversos

elementos autônomos que trabalham de forma simultânea com o objetivo de supervisionar e

controlar um determinado processo, tudo sendo realizado automaticamente pelos sistemas

(MORAES; CASTRUCCI, 2001). Esses elementos autônomos, como sensores, atuadores,

computadores, CLPs, entre outros, necessitam estar interligados e trocando informações de forma

rápida e precisa. Um ambiente industrial é geralmente hostil, de maneira que os dispositivos e

equipamentos pertencentes a uma rede industrial devem ser confiáveis, rápidos e robustos

(BORDIM, 2006).

Um grande problema encontrado nessas redes é a incompatibilidade de diversos produtos,

devido os fabricantes de sistema de controle distribuído, produzir estes sistemas compatíveis

somente com sua própria arquitetura. A incompatibilidade pode ser encontrada em todos os níveis

das redes industriais. A Figura 1 mostra uma diversidade de tecnologias utilizadas para integração

industrial.

Segundo Bordim (2006), atualmente estão sendo desenvolvidos diversos sistemas abertos,

que tendem a seguir padrões, com isso, é possível encontrar diversas soluções para o mesmo

problema.

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Figura 1. Diversidade de tecnologias utilizadas para integração industrial.

Fonte: Bordim (2006).

As redes industriais são distribuídas em três níveis hierárquicos, esses níveis são separados

de acordo com, cada função e os diferentes tipos de equipamentos que são utilizados (Figura 2).

Figura 2. Níveis hierárquicos das redes industriais.


No topo da Figura 2 está situada à empresa, tendo todas as ações da rede de comunicação

dirigidas para o controle gerencial da produção. Este nível é o que interliga os equipamentos

responsáveis pelo planejamento da produção, controle de estoque, previsões de venda entre outros.

Os controladores presentes neste nível são basicamente, computadores na arquitetura padrão

Cliente-Servidor, distribuído em topologias das mais diversas. Também neste nível se encontra o

protocolo TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) com padrão Ethernet que é o

mais utilizado neste nível (MORAES; CASTRUCCI, 2001; BORDIM, 2006).

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No nível médio da Figura 2 estão localizados os controladores, que gerenciam processos,

linhas de montagens ou mesmo máquinas automáticas. É onde se encontram os CLPs responsáveis

pelo controle e informações a respeito de robôs, máquinas e transportadores. Estes se comunicam

entre si através de um protocolo padrão definido no projeto da rede. E a comunicação com o nível

superior é feita com um equipamento PC (Personal Computer). Esse PC faz a coleta das

informações necessárias a ser transmitidas ao nível superior (MORAES; CASTRUCCI, 2001;

BORDIM, 2006).

No nível mais baixo da Figura 2 desta hierarquia se encontra o barramento de campo, que é

responsável pela comunicação entre dispositivos mais simples, utilizados no chão de fábrica. Este

nível refere à parte física onde se localizam sensores, atuadores e contadores e seus respectivos

controladores. A comunicação neste nível é feita da seguinte forma: um dos controladores possui

um mestre de rede. Este mestre possui escravos aos quais são conectados os sensores e atuadores

inteligentes ou convencionais, presentes no sistema. A forma física de conexão ou a topologia

empregada depende de cada tipo de barramento (MORAES; CASTRUCCI, 2001; BORDIM, 2006).

Atualmente no mercado existem diversos tipos de redes industriais e tecnologias Fieldbus, que

caracterizam o meio físico e o protocolo utilizados.

Conforme Bordim (2006), na Tabela 1 estão apresentadas algumas dessas redes o respectivo

tipo de Fieldbus. Em seguida são descritos os tipos de Fieldbus2 e suas características.

Tabela 1. Algumas redes industriais e respectivo tipo de Fieldbus.

Redes Industriais Tipo de Fieldbus ASI Sensorbus WordFIP Fieldbus CANOpen Devicebus DeviceNet Devicebus Interbus – S Sensorbus LonWorks Devicebus PROFIBUS – DP Devicebus PROFIBUS – PA Fieldbus


2 Barramento de Campo – Fieldbus: São redes de campo que interligam equipamentos usados nos sistemas de automação.

19

• Rede Sensorbus – dados são transmitidos no formato de bits. A rede Sensorbus conecta

equipamentos simples e pequenos diretamente à rede. Os equipamentos deste tipo de

rede necessitam de comunicação rápida em níveis discretos e são tipicamente sensores e

atuadores de baixo custo. Estas redes não alcançam grandes distâncias, sendo sua

principal preocupação manterem os custos de conexão tão baixos quanto for possível.

• Rede Divecebus – dados são transmitidos no formato de bytes. Essa rede preenche o

espaço entre Sensorbus e Fieldbus e pode cobrir distâncias de até 500 m. Os

equipamentos conectados a esta rede terão mais pontos discretos, alguns dados

analógicos ou digitais. Além disso, algumas destas redes permitem a transferência de

blocos com uma menor prioridade, comparando aos dados no formato de bytes. Esta

rede tem os mesmos requisitos de transferência rápida de dados da rede de sensorbus,

mais consegue gerenciar, uma maior quantidade de equipamentos e dados.

• Rede Fieldbus – os dados são transmitidos no formato de pacotes de mensagens. A rede

Fieldbus interliga os equipamentos de entrada e saída mais inteligentes e pode cobrir

distâncias maiores. Os equipamentos acoplados à rede possuem inteligência para

desempenhar funções especificas de controle tais como controle de fluxo de informações

e processos. Os tempos de transferência podem ser longos, mas a rede deve ser capaz de

comunicar-se por vários tipos de dados, como discretos, analógicos, parâmetros,

programas e informações do usuário.

2.1.1 Barramento de Campo ou Fieldbus

Nos anos 70, com o início dos computadores nas indústrias, surge à necessidade de

padronização dos equipamentos. Na década seguinte os sensores inteligentes começaram a ser

desenvolvidos e utilizados em sistemas microcontrolados, que aliavam confiabilidade e rapidez, ao

baixo custo. Com isso, surgiu o chamado barramento de campo ou Fieldbus, que padroniza o meio

de comunicação e o protocolo criado para a automação industrial. Foi elaborada pela Fieldbus

Foundation e normalizada pela ISA (The International Society for Measurement and Control). Esse

padrão foi projetado para conectar instrumentos e equipamentos, favorecendo um controle e

monitoração dos processos, ao ser padronizado. Ele é usado em conjunto com softwares de

supervisão, como o SCADA (ALVES, 2005).

20

Segundo Mata (2009), Fieldbus Foundation vai muito além de um protocolo de

comunicação digital ou uma rede local para instrumentos de campo. Ela engloba diversas

tecnologias tais como processamento distribuído, diagnóstico avançado e redundância. A Figura 3

mostra algumas tecnologias que englobam a Fieldbus Foundation.

Segundo Coelho (2008),

Fieldbus é um sistema de comunicação digital bidirecional que permite a interligação em rede de múltiplos instrumentos diretamente no campo realizando funções de controle e monitoração de processo e estações de operação (IHM) através de softwares supervisórios.

Figura 3. Operação conjunta: Softwares Supervisórios, Fieldbus e Instrumentos.


O barramento de campo ou Fieldbus, também denominado de rede de barramento de entrada

e saída, é um sistema de comunicação de dados bidirecional e serial que conecta dispositivos de

campo e de controle. O padrão Fieldbus é um barramento aberto o qual permite que dispositivos de

diferentes fabricantes sejam integrados em um só sistema, substituindo todo cabeamento por um

único cabo, formando uma rede de dispositivos, que podem ser acessados individualmente,

utilizando mensagens de um protocolo padronizado (BORDIM, 2006; COELHO, 2008).

O padrão Fieldbus é internacionalmente aceito, e está revolucionando o setor de

instrumentação. Esta tecnologia permite a distribuição dos equipamentos pelo campo industrial,

favorecendo o surgimento de dispositivos com capacidades locais de processamento cada vez mais

21

sofisticados. A integração desses equipamentos permite alterações nos procedimentos de operação

das plantas industriais. O Fieldbus deverá também propiciar a intercambialidade em nível de

sensores, atuadores, transmissores e controladores, trazendo ao usuário uma maior flexibilidade na

compra de produtos e abrindo espaço para novos fabricantes (BORDIM, 2006).

Segundo Alves (2005),

O padrão Fieldbus foi criado para substituir a comunicação de dados analógicos que utilizam os sinais padrões, 0 a 20mA, 4-20 mA e 0 a 10 V. Assim, essa rede foi projetada para desenvolver um padrão de comunicação digital, bidirecional (comunicação nos dois sentidos), multiponto, serial, sendo usada para interligar vários dispositivos de campo, como os controladores, transdutores, atuadores e sensores.

Camadas do Modelo OSI que servem de referencia para a Rede Fieldbus

A rede Fieldbus foi baseada no padrão ISO (International Organization for Standardization),

mas não contém todos os setes níveis do modelo OSI (Open Systems Interconnection), (SILVEIRA;

WINDERSON, 2006). A rede Fieldbus possui as camadas 1, 2 e 7 do modelo OSI, que são as

camadas Física, de Enlace e Aplicação, que estão representadas na Figura 4. A camada de rede não

é necessária, devido à rede Fieldbus utilizar a topologia em barramento, que possui um

endereçamento simples em nível de roteamento. Assim como as camadas de nível de transporte (4),

de sessão (5), e de apresentação (6) também são dispensáveis (ALVES, 2005).

22

Figura 4. Comparação do modelo OSI com o modelo Fieldbus.


A camada Física constitui-se dos padrões de ligações, fios, características elétricas,

necessários à formação de uma rede Fieldbus. A junção de um protocolo de comunicação, serviços

acíclicos estendidos e uma norma que já foi aprovada a IEC 61158, são representados pela camada

Física. Também conhecida como H1, que permite uma integração uniforme e completa entre todos

os níveis de automação e as plantas das áreas de controle de processo (ALVES, 2005; SILVEIRA;

WINDERSON, 2006).

A norma IEC 61158 define as seguintes especificações para a camada física (ALVES,

2005):

• Meios: fios, fibra ótica, par trançado;

• Taxas de comunicação:

� Rede tipo H1 – baixa velocidade, própria para controle de processos contínuos. Taxa

de transmissão de 31,25 Kbps.

� Rede tipo H2 – para aplicações que requerem menor tempo de resposta, própria para

processos com variáveis discretas. Velocidades de transmissão 1, 2, e 5 Mbps.

23

• Número de equipamentos na rede H1: 2 a 32 equipamentos, sem alimentação e sem

segurança intrínseca. De 2 a 6 com alimentação e intrinsecamente seguros;

• Topologia: Barramento; e

• Distância máxima: 1700 m em 31,25 Kbps e 500 m em 5 Mbps;

A camada de enlace tem a função de garantir a transmissão da mensagem, de forma íntegra,

ao destinatário correto. Neste nível é feito um controle de utilização da rede e roteamento de

mensagens, definindo quem pode transmitir e quando. Nesta camada é promovida a comunicação

multiponto do tipo unicast ou broadcast (ALVES, 2005; SILVEIRA; WINDERSON, 2006;

BORDIM, 2006).

• Unicast – o mestre endereça somente um escravo à mensagem. Depois de receber e

processar a requisição, o escravo retorna uma mensagem de resposta para o mestre.

Neste modo, uma transação consiste de 2 mensagens: uma requisição do mestre e uma

resposta do escravo. Cada escravo tem um endereço único para poder ser referenciado

pelo mestre (SILVEIRA; WINDERSON, 2006).

• Broadcast – o nó mestre pode enviar uma mensagem para todos os escravos. Nenhuma

resposta deve ser retornada para requisições enviadas pelo mestre. As requisições que

foram enviadas pelo mestre são mensagens de escrita. Todos os dispositivos devem

aceitar mensagens broadcast para escrita. O endereço zero é reservado para identificar

uma mensagem broadcast (SILVEIRA; WINDERSON, 2006).

O nível 7 de aplicação define a sintaxe das mensagens e o modo de transmissão de cada

mensagem. Outra função é o monitoramento contínuo do barramento, de maneira a detectar falhas e

adição de novos equipamentos. Esta camada é composta de mensagens FMS (Fieldbus Message

Specification) e da camada inferior LLI (Lower Layer Interface). O FMS define um amplo número

de serviços de comunicação entre mestre e mestres escravos. O LLI define a representação de

serviços do FMS no protocolo de transmissão do nível enlace (ALVES, 2005; SILVEIRA;

WINDERSON, 2006).

Vantagens do padrão Fieldbus (BORDIM, 2006; COELHO, 2008):

• O Fieldbus requer apenas um par-traçado de fios para toda rede, em relação ao padrão 4-

20 mA, que requer um par de fios para cada dispositivo;

24

• Menos trabalho para instalação e economiza custo no projeto devido à redução de

material;

• Maior segurança e uma menor necessidade de manutenção; e

• Um aumento de flexibilidade, pois alguns algoritmos e procedimentos de controle

podem ficar no próprio dispositivo de campo e não mais no programa de controle. Isto

reduz o custo total do sistema e toma as expansões futuras muito mais fáceis.

2.2 TOPOLOGIAS DE REDES INDUSTRIAIS

A topologia de rede descreve como é o layout de uma rede de computadores através da qual

há o tráfego de informações, e também como os dispositivos estão conectados a ela. Há várias

formas de organizar a interligação entre um dos nós da rede. Topologias podem ser descritas

fisicamente e logicamente. A topologia física é a verdadeira aparência ou layout da rede, enquanto

que a lógica descreve o fluxo dos dados através da rede.

2.2.1 Ponto a Ponto

Ponto a ponto é o tipo mais simples de rede que pode ser montada, (Figura 5). Ligações

ponto a ponto caracterizam-se pela presença de apenas dois pontos de comunicação, um em cada

extremidade do enlace (A e B). Nesta modalidade de ligação, o hardware conectado ao mestre é

simples e o software de atendimento não precisa ser muito sofisticado. Nesse tipo de topologia o

sensor necessita de uma conexão separada e todo o processamento é feito pelo host. São mais

confiáveis, pois só tem um ponto de falha na topologia o próprio host. Nessa topologia fica difícil

adicionar novos hosts para aumentar a confiabilidade (MORAES; CASTRUCCI, 2001; SOUZA,

2000; TITTEL, 2003).

Figura 5. Esquema de rede ponto a ponto

25

2.2.2 Multiponto

Nas ligações multipontos observa-se a presença de três ou mais dispositivos de comunicação

com possibilidade de utilização do mesmo enlace, conforme mostra a Figura 6. Neste tipo de

ligação sempre haverá uma estação chefe que controlará o tráfego da rede (A) e as demais estações

subordinadas (B, C, D). Este tipo de rede permite que as estações subordinadas se comuniquem

entre si diretamente ou através da estação mestre. Nesse tipo de topologia é utilizado um único meio

físico. A vantagem utilizando um único meio físico é a redução de conexões, no entanto, diminui a

confiabilidade, pois apresenta apenas uma conexão (MORAES; CASTRUCCI, 2001; SOUZA,

2000; TITTEL, 2003).

Figura 6. Esquema de rede multiponto

2.2.3 Estrela

Esse tipo de topologia é caracterizado pela ligação de cada nó (escravo) a um nó central

(mestre), que possui o controle supervisor do sistema, onde são tomadas todas as decisões de

roteamento, (Figura 7). É pelo nó mestre (A) que passa todo o controle de fluxo de mensagens. Essa

configuração facilita o controle da rede e está presente na maioria dos sistemas de computação com

capacidade de comunicação de dados (MORAES; CASTRUCCI, 2001; SOUZA, 2000; TITTEL,

2003).

26

Figura 7. Esquema de rede estrela.

2.2.4 Barramento

Nesta topologia todos os nós são conectados diretamente no mesmo meio de transmissão.

Este tipo de topologia é mostrado na Figura 8. Quando um nó transmite, o sinal gerado é propagado

ao longo de todo o barramento e em todas as direções. Uma das características desse tipo de

topologia é que todos os nós escutam o meio de transmissão ao mesmo tempo, ou seja, todos os nós

recebem a mensagem que um nó enviou. O funcionamento é bem simples, se um nó deseja

transmitir, este verifica se o meio está ocupado. Se não estiver ocupado, a transmissão é iniciada.

Ainda, se dois ou mais pedidos se confrontam, cada nó aguarda um intervalo de tempo aleatório e

tenta transmitir novamente (MORAES; CASTRUCCI, 2001; SOUZA, 2000; TITTEL, 2003;

TANEMBAUN, 2003).

Figura 8. Esquema de rede em barramento.

2.2.5 Anel

Neste tipo de topologia os dispositivos são conectados em série, formando um circuito

fechado (anel), eliminando a necessidade de um nó de comunicação central, como mostra a Figura

9. Os dados podem ser transmitidos e recebidos em qualquer direção, mas a configuração mais

27

utilizada é unidirecional, onde os dados são passados de nó em nó até atingir o seu destino. Não

existe a necessidade de tomada de decisões de roteamento, pois as decisões acontecem em cada nó

(MORAES; CASTRUCCI, 2001; SOUZA, 2000; TITTEL, 2003; TANEMBAUN, 2003).

Figura 9. Esquema de rede em anel.

2.2.6 Distribuída

Nesta topologia há vários pontos de concentração, cada um com seu próprio conjunto de

terminais, (Figura 10). As ligações só são estabelecidas entre estes pontos de concentração, o que

diminui consideravelmente o custo da linha. Só estes enlaces (A, B, C, D) precisarão ter uma

capacidade muito maior de transmissão para poder atender às requisições de comunicação exigidas

pelos seus terminais (MORAES; CASTRUCCI, 2001; SOUZA, 2000; TITTEL, 2003).

Figura 10. Esquema de rede distribuída.

Segundo Silveira e Winderson (2006),

Com a intenção de oferecer soluções técnico-operacionais de desempenho, confiabilidade e de aplicações específicas, desenvolveram-se topologias híbridas do tipo mistas, ou seja, configurações reunindo diversas características e exemplos de estruturas de interconexões, a saber: anel-estrela, multianel, barramento-estrela entre outras.

28

2.3 MEIOS DE TRANSMISSÃO

Os meios físicos que interligam os equipamentos utilizados em uma rede podem ser:

elétricos, fibras ópticas ou transmissão por radiação eletromagnética (SOUZA, 2002). Para

desenvolvimento deste projeto foi utilizado somente o meio elétrico, não necessitando um estudo

dos últimos dois meios.

2.3.1 Padrões Seriais

RS (Recommended Standard) é uma padronização de uma interface comum para

comunicação de dados entre equipamentos, criada no início dos anos 60, por um comitê conhecido

atualmente como EIA (Electronic Industries Association). Esse padrão possui dois modos distintos

de transmissão: o Single-Ended Data Transmission e o Differential Data Transmission (MATIAS,

2002).

2.3.2 RS-232

O padrão EIA RS-232C também conhecido por RS-232 é um padrão bastante antigo, mas

que continua sendo utilizado por sua simplicidade e confiabilidade. Este padrão foi projetado para

ser utilizado com dispositivos como modem e terminais (COMER, 2007). Os terminas são

conhecidos como DTE (Data Terminal Equipment), usualmente um computador, que pode trabalhar

com um conector DB25 ou DB9. Os modems são conhecidos como DCE (Data Circuit-terminating

Equipment), este possui um conector DB25 fêmea. A diferença entre os dois na prática está nos

pinos do conector da porta serial no qual se tem Txd (transmissão de dados) e Rxd (recepção de

dados). Por padrão para o DTE o pino 2 é Txd e o pino 3 é Rxd e para o DCE o pino 2 é Rxd e o

pino 3 é o Txd. Para que tenha comunicação entre estes dois aparelhos é necessário que alinha de

transmissão de um seja a linha de recepção do outro. A Figura 11 ilustra a conexão entre esses dois

tipos de equipamentos.

O protocolo RS-232 define uma comunicação serial assíncrona. A comunicação é chamada

de serial porque os bits são transferidos um após outro. A transmissão de caracteres é assíncrona

devido o receptor e o remetente não se sincronizarem antes da transmissão.

29

Figura 11. Esquema de conexão RS-232.

Fonte: Comer (2007).

2.3.3 RS-485

O protocolo elétrico RS-485 normalmente chamados assim, entretanto seu nome oficial é

EIA-485, que reflete o nome do comitê que o padronizou.

Esse padrão pode ser definido como uma rede ponto-multiponto, half-duplex e é baseado na

transmissão diferencial de dados (Differential Data Transmission), que é ideal para transmissões em

altas velocidades, longas distâncias e em ambientes propícios a interferência eletromagnética. Com

isso, pode conectar vários dispositivos ao mesmo barramento e ainda conseguir uma boa taxa de

transmissão, a uma distância aproximada de 1200 m com uma taxa de transmissão de 10 Mbps.

Neste protocolo há apenas um par de fios para transmissão e recepção que deve ser compartilhado,

sendo considerado half-duplex. O mecanismo de controle de acesso ao meio físico não é definido no

padrão e faz parte do protocolo utilizado. É possível utilizar o padrão RS-485 para comunicação

full-duplex, ou seja, transmissão e recepção em ambos sentidos, simultaneamente. Nesse caso, são

utilizados dois pares de cabos para a rede (MATIAS, 2002; ALBURQUERQUE; ALEXANDRIA,

2009).

30

Suas características básicas são:

• Transmissão diferencial balanceada;

• Características multipontos;

• Apenas uma fonte simples de +5V para alimentar os circuitos de transmissão e

recepção;

• Transmissão de dados em modo comum com tensões de -7V até + 12V;

• Até 32 participantes (nós na rede);e

• Transmissão de dados em até 10 Mbps em uma distância máxima de 1200 metros;

A topologia RS-485 também é definida como um barramento multiponto. Isso significa que

vários nós podem ser ligados à rede ao mesmo tempo. Normalmente, um equipamento em RS-485

possui recursos de transmitir e receber dados, pois tem dois circuitos integrados no equipamento,

mas isso não é uma regra, porque existem equipamentos que só transmitem ou só recebem

informações. Estes tipos de equipamentos prejudicar o desempenho da rede, pois uma comunicação

bem estruturada deve ser bidirecional (MATIAS, 2002; ALBURQUERQUE; ALEXANDRIA,

2009).

Esse padrão pode ser utilizado em várias topologias, como em anel e estrela, só que não é

recomendado na topologia em anel, porque para cada nó é necessário, ter dois circuitos RS-485. Por

precisar desses dois circuitos RS-485 a topologia em anel, se torna trabalhosa e cara. Já na topologia

em estrela todos os nós estão nas extremidades da rede, causando problemas de reflexão dos sinais

de dados, caso os nós estejam a uma distância muito grande (MATIAS, 2002; ALBURQUERQUE;

ALEXANDRIA, 2009).

Esse padrão foi projetado para ser imune a vários tipos de ruídos, como os associados ao

ambiente em que está imerso o meio de comunicação, (ruídos elétricos por exemplo), magnéticos

ou até mesmo a diferença de potencial entre o terra e os nós da rede. Na prática, é uma rede robusta

tanto que é umas das mais utilizadas na indústria nos dias de hoje, devido a suas características

mencionadas anteriormente (MATIAS, 2002; ALBURQUERQUE; ALEXANDRIA, 2009).

31

2.4 TECNOLOGIAS DE CHÃO DE FÁBRICA

Uma das tecnologias que surgiu nas fábricas foi o CLP (Controlador Lógico Programável), a

partir das indústrias automotivas. E com o avanço desse equipamento e o aprimoramento na área de

automação industrial, novas tecnologias surgiram. Como os sistemas de supervisão, que têm como

objetivo mostrar o que está ocorrendo no chão de fábrica.

2.4.1 CLP

O CLP surgiu a partir das indústrias automotivas, que tinham um grande problema para

resolver e que a cada lançamento de um automóvel tinham que modificar sua linha de montagem.

Por causa dessas mudanças na linha de montagem, todas as lógicas dos painéis de relés

eletromecânicos tinham que ser modificadas. Isto requeria muito tempo na manutenção, e, às vezes,

levavam na substituição do painel, de grandes dimensões físicas, tendo um alto custo na troca deste

equipamento. Os CLPs contribuíram a solucionar esse problema eliminando o alto custo referente à

fiação e manutenção, ocasionadas pela lógica baseada em relés, e possuído uma dimensão física

bem menor, não necessitando de um grande espaço físico (ALVES, 2005).

Em primeiro instante, o CLP surgiu basicamente para substituir os painéis a relés. Com a

evolução tecnológica foram introduzidas outras funções, a este dispositivo, tais como funções

aritméticas, terminais de programação e subsistemas remotos de entrada e saída. A capacidade

aritmética permitiu a interface com instrumentos, os terminais de programação tornaram mais fáceis

à introdução de programas. Os subsistemas diminuíram ainda mais os custos em relação às fiações,

sendo que as entradas e saídas podem estar localizadas a centenas de metros de distância de um

computador, comunicando através de um par de fios. Permitindo uma grande variedade de

aplicações a estes dispositivos, envolvendo controle de processo, automação da manufatura,

integração de sistemas de automatização, onde necessitem de funções de controle (ALVES, 2005;

SILVEIRA; WINDERSON, 2006).

O CLP é na verdade, um computador, que possui algumas características que diferem de um

computador pessoal. Este possui módulos, instalados através de encaixe (plug-in) em um bastidor

com barramento passivo, uma placa de circuito impresso que interliga todos os cartões. E seus

periféricos de entrada e saída, não são os teclados, terminais de vídeo como num computador, mas

sim módulos de aquisição de dados de entrada e módulos para energização de saídas, digitais ou

32

analógicas. E o CLP é utilizado em aplicações dedicadas, ao contrário de um computador pessoal

(ALVES, 2005). A Figura 12 mostra a estrutura básica de um CLP.

Figura 12. Estrutura básica de um CLP.

Fonte: Silveira e Winderson (2006).

O módulo de processamento ilustrado na Figura 12 é o responsável pela gerência do sistema,

através do SO (Sistema Operacional), armazenamento dos programas aplicativos, armazenamentos

dos estados das entradas e saídas e execução do programa aplicativo (SILVEIRA; WINDERSON,

2006).

O módulo das entradas são dispositivos, onde os sinais externos são enviados por

dispositivos como sensores, atuadores, chaves, dentre outros e que é recebido pelo CLP

(SILVEIRA; WINDERSON, 2006).

O módulo da saída refere-se a dispositivos controlados por cada ponto de saída do CLP.

Podem servir para intervenção direta no processo controlado por acionamento próprio. Estes

dispositivos podem ser contactores, válvulas, lâmpadas, displays, dentre outros (SILVEIRA;

WINDERSON, 2006).

Os sinais de entrada e saída dos CLPs podem ser digitais ou analógicas. Existem diversos

tipos de módulos de entrada e saída que se adéquam as necessidades do sistema a ser controlado.

Esses módulos podem ser associados em conjuntos de 8 bits (1 byte) ou conjunto de 16 bits, de

acordo com o tipo de CPU (Central Processing Unit). As entradas analógicas são módulos

conversores (A/D), que convertem um sinal de entrada em um valor digital, normalmente de 12 bits.

As saídas analógicas são módulos conversores (D/A), ou seja, um sinal digital é convertido em um

sinal analógico (ALVES, 2005).

33

Os sinais dos sensores são aplicados às entradas do controlador e a cada ciclo todos os sinais

são lidos e transferidos para a unidade de memória interna, que é conhecida como memória imagem

de entrada. Estes sinais são associados entre si e aos sinais internos. Ao término do ciclo, os

resultados são transferidos à memória imagem de saída e então são aplicados aos terminais de saída.

Este ciclo esta representado na Figura 13 (SILVEIRA; WINDERSON, 2006).

Figura 13. Ciclo de processamento dos CLPs.

Fonte: Silveira e Winderson (2006).

2.4.2 Sistema SCADA

Outra evolução tecnológica, além do CLP são os sistemas de supervisão. Em sistemas

industriais, existe a necessidade de supervisionar o que está acontecendo no chão de fábrica, devido

ao grande número de equipamentos espalhados. Com isso surge a necessidade de se criar uma

interface amigável para facilitar o trabalho do operador. Estes programas de supervisão são

conhecidos como IHM (Interface Homem Máquina), ou programas para controle supervisórios

(MORAES; CASTRUCCI, 2001; SILVEIRA; WINDERSON, 2006). A Figura 14 mostra um

exemplo de interface criada no Elipse.

34

Figura 14. Exemplo de aplicação Elipse Scada

Fonte: Elipse (2009).

As IHMs são disponíveis em duas opções básicas:

• Hardware específico do fabricante do CLP; e

• Softwares supervisórios executado em computador.

A primeira opção possui a vantagem de a IHM ser integrada ao CLP adotado, tendo como

desvantagem o problema de ser apenas utilizado com o CLP do fabricante.

Já no segundo item, existem muitas opções de comunicação dos softwares com os mais

diversos tipos de marcas e modelos de equipamentos disponíveis no mercado.

Essas IHMs são compostas pelos seguintes módulos (ALVES, 2005):

• Gerencia do Sistema;

• Configuração (Building) e

• Visualização (Run Time);

35

O primeiro módulo tem a função básica de organizar as aplicações que serão configuradas

no programa. É onde são definidos os diretórios das aplicações, localização de outros programas

que se comunicam durante a execução e também podem estar contidas as informações de segurança

de acesso ao sistema.

O segundo módulo é composto de objetos gráficos, assim podem ser adicionados diversos

atributos para aquele objeto. Então pode se definir se um objeto que será afetado em sua cor ou

forma pela variação de algum valor alterado. Este módulo é composto por outros três submódulos.

• Editor Gráfico – permite a construção de telas que compõem uma aplicação.

• Definição de Variáveis – organiza o banco de dados do sistema, onde serão atribuídos os

nomes e são definidas as variáveis do sistema.

• Alarmes – neste são definidos os alarmes associados a uma determinada variável.

No terceiro módulo, visualização, o operador poderá monitorar todos os processos que estão

ocorrendo no chão de fábrica. Inclusive alterar valores e comandar os dispositivos físicos

conectados (ALVES, 2005).

2.5 PROTOCOLOS INDUSTRIAIS

Os protocolos industriais é um meio de comunicação. Onde os dispositivos podem

comunicar-se um com o outro, dependendo se sua arquitetura e aberta ou proprietária. E de uma

maneira cooperativa realizar tarefas ao atendimento dos requisitos impostos.

2.5.1 Protocolos Abertos x Protocolos Proprietários

Na área de automação industrial, pode-se diferenciar entre dois tipos de protocolos:

protocolos proprietários e protocolos abertos. Os primeiros são definidos por uma empresa e que

não são disponibilizados aos usuários e outros fabricantes de dispositivos. Neste caso, apenas

dispositivos da própria empresa podem comunicar entre si. Já os protocolos abertos, são aqueles

cujas regras e convenções são amplamente divulgados, geralmente na forma de uma norma técnica

internacional. Com os protocolos abertos, os fabricantes podem desenvolver sistemas

computacionais que permitem que seus dispositivos se comuniquem com outros dispositivos de

outro fabricante.

36

Uma das vantagens dos protocolos abertos é a independência de fabricantes, devido a se

comunicarem com vários dispositivos de diversos fabricantes. Isso leva à redução dos custos sobre

os dispositivos em função da concorrência que existe no mercado.

Atualmente no mercado encontrar diversos protocolos tanto abertos quanto proprietários.

Entre esses podem ser citados: Hart, As-Interface, Profibus, Ethernet, ASI, IterBus, LonWorks e o

MODBUS, que é um dos protocolos aberto, muito difundido atualmente nas industriais. Devido o

MODBUS ser um protocolo aberto e muito utilizado nas indústrias, este foi o protocolo que foi

detalhando é utilizado neste trabalho.

2.5.2 Protocolo MODBUS

MODBUS é um protocolo de comunicação de dados muito utilizado em sistemas de

automação industrial. Foi desenvolvido pela Modicon Inc. para ser utilizado como meio de

comunicação, entre dispositivo mestre-escravo. Este protocolo basicamente define uma estrutura de

mensagens composta por bytes, que os mais diversos tipos de dispositivos são capazes de

reconhecer. Durante a comunicação o protocolo determina como cada dispositivo (MODICON,

1996; EBERLE, 2005; COELHO, 2008):

• Identifica seu endereço na rede;

• Reconhece uma mensagem endereçada a ele;

• Determina o tipo de ação a ser executada;

• Obtém toda a ação necessária para executar a ação; e

• Quando há necessidade de devolver uma resposta ao comando recebido, o dispositivo

monta uma mensagem e a envia, mesmo que esta indique um erro de comunicação.

Este protocolo de mensagens está localizado na camada de aplicação, no 7º nível do modelo

de referência OSI, que provê a comunicação entre os dispositivos conectados a diferentes tipos de

barramento ou topologia de rede, usando o modelo mestre-escravo/cliente-servidor. A Figura 15

mostra uma representação geral do protocolo MODBUS frete às sete camadas do modelo OSI.

37

Figura 15. Protocolo MODBUS e o Modelo de Referência OSI.

Fonte: Modicon (1996)

2.5.3 Modelo Mestre Escravo

Os dispositivos MODBUS utilizam o RS-232 ou RS-485 como meio físico. Comunicam-se

utilizando a técnica mestre-escravo na qual permite que somente um dispositivo, nesse caso o

mestre, possa iniciar as transações. Os outros dispositivos, os escravos, respondem de acordo com o

pedido do mestre, ou com a tarefa em questão (MODICON, 1996; EBERLE, 2005). No máximo

podem estar conectados ao mesmo barramento 247 escravos (nós).

Uma comunicação MODBUS sempre é iniciada pelo mestre. O nó escravo nunca irá

transmitir dados sem receber uma requisição do mestre. Os escravos nunca se comunicam entre si.

Os dois modos para que o mestre possa enviar uma requisição para um nó escravo é o unicast e

broadcast conforme a Figura 16. Apenas o escravo que recebeu a solicitação pode retorna uma

resposta para o mestre. O MODBUS estabelece o formato da mensagem definindo (EBERLE,

2005):

• O endereço do escravo;

• O código da função que indica qual ação deve ser tomada pelo escravo;

• Parâmetros ou dados, mas relevantes à função; e

• Campo de checksum para que se verifique a integridade da mensagem enviada;

38

A resposta do escravo e gerada com os mesmos campos da mensagem do mestre. Os

formatos de mensagens podem ser visualizados na Figura 17 e 18.

Figura 16. Modelo Mestre/Escravo

Fonte: Modicon (1996).

• Unicast – o mestre endereça somente um escravo à mensagem.

• Broadcast – o nó mestre pode enviar uma mensagem para todos os escravos.

O protocolo MODBUS possui dois modos de transmissão serial: Modo RTU (Remote

Terminal Unit) e o modo ASCII (American Code for Information Interchange). Esses modos

definem o conteúdo, em bits, dos campos das mensagens transmitidas serialmente no barramento.

Eles determinam como a informação é empacotada nos campos das mensagens e, posteriormente,

como são codificadas (MODICON, 1996; EBERLE, 2005; COELHO, 2008).

2.5.4 Modo ASCII

No modo ASCII, os dados são transmitidos em caracteres ASCII de sete bits. Apesar de

gerar mensagens legíveis, este modo consome mais recursos da rede. Este modo funciona enviado

para cada byte de mensagem dois caracteres ASCII. Durante a transmissão, intervalos de até um

segundo entre caracteres são permitidos, sem que a mensagem seja truncada. Esta é a principal

característica do modo ASCII. Algumas implementações fazem uso de tais intervalos de silêncio

como delimitadores de fim de mensagem. A Figura 17 mostra o formato de mensagem do modo

ASCII (MODICON, 1996; EBERLE, 2005).

39

Figura 17. Formato de mensagem do modo ASCII

Fonte: Coelho (2008).

A quantidade de bits por cada palavra de dados sempre será igual a 10, independente dos

parâmetros de comunicação, que são os seguintes (EBERLE, 2005):

• 1 start bit, 7 data bit, sem bit de paridade e 2 stop bit.

• 1 start bit, 7 data bit, 1 bit de paridade (par) e 1 stop bit.

• 1 start bit, 7 data bit, 1bit de paridade (ímpar) e 1 stop bit.

O campo checksum, que é responsável pela verificação da integridade das palavras, é gerado

pelo método LRC (Longitudinal Redundancy Check) que verifica se o pacote contém erros.

2.5.5 Modo RTU

No modo RTU, cada byte na mensagem contêm 2 caracteres hexadecimais de 4 bits. A

mensagem deve ser transmitida de maneira contínua, já que pausas maiores que 1,5 caracteres

provocam truncamento da mesma. A Figura 18 mostra o formato de mensagem do modo RTU. A

vantagem em relação ao ASCII é que os dados são transmitidos em formato de oito bits, permitindo

uma maior compactação dos caracteres que é enviada numa mensagem, aumentando o desempenho

da comunicação (MODICON, 1996; EBERLE, 2005).

Figura 18. Formato de mensagem do modo RTU

Fonte: Coelho (2008).

40

A quantidade de bits por cada palavra de dados sempre será igual a 11, independente dos

parâmetros de comunicação, que são os seguintes. (EBERLE, 2005; COELHO, 2008):

• 1 start bit, 8 data bit, sem bit de paridade e 2 stop bit.

• 1 start bit, 8 data bit, 1 bit de paridade (par) e 1 stop bit.

• 1 start bit, 8 data bit, 1bit de paridade (ímpar) e 1 stop bit.

O campo de checksum é gerado pelo método CRC.

As mensagens são formadas pelos seguintes campos:

• Endereço: a faixa de endereços válidos vai de 0 a 247 em hexadecimal. O endereço zero

é reservado para broadcast. Quando o mestre envia uma mensagem para os escravos,

este campo contém o endereço do escravo. Quando o escravo responde, coloca seu

próprio endereço neste campo.

• Código de função: varia de 1 a 255, mas apenas a faixa de 1 a 127 é utilizada, já que o

bit mais significativo é reservado para indicar respostas de exceção.

• Dados: o tamanho e conteúdo do campo de dados variam com a função e o papel da

mensagem, requisição ou resposta, podendo até ser um campo vazio.

• CRC: Este campo contém um valor de oito ou dezesseis bits, dependendo do modo de

transmissão serial que é utilizado para detecção de erros na mensagem.

Na mensagem também há identificadores de início e fim para cada um dos modos de

transmissão. E através deste recurso que os dispositivos reconhecem o início e o fim de uma

mensagem (EBERLE, 2005).

Os únicos identificadores que o dispositivo mestre pode reconhecer são os endereços do

dispositivo escravo e a função solicitada. Assim, o envio de múltiplas requisições, em que tais

parâmetros coincidam, deve ser feito ordenadamente, isto é, cada mensagem só será enviada depois

que a resposta para a mensagem anterior for recebida.

41

Principais comandos do MODBUS

• Comando 01h: o comando Read Coil Status, é usado para leitura de marcadores tipo bit

e saída digital. Pode ser feita à leitura de múltiplos coils de uma vez, desde que seus

endereços sejam adjacentes.

• Comando 02h: o comando Read Input Status é usado para leitura das entradas digitais.

• Comando 03h: o comando Read Holding Register é utilizado para leitura de múltiplos

parâmetros ou marcadores tipo Word.

• Comando 05h: o comando Force Single Coil é usado para força o estado de um

marcador tipo bit, ou saída digital, individualmente.

• Comando 06h: o comando Write Single Register escreve em um dado tipo Word, ou

seja, marcadores e parâmetros.

• Comando 0Fh: o comando Force Multiple Coils força a escrita de múltiplos dados do

tipo, como marcadores de bit e saídas digitais.

• Comando 10h: o comando Present Multiple Registers faz a escrita múltipla de dados do

tipo Word, em marcadores e parâmetros adjacentes.

2.6 SENSORES E ATUADORES

Em qualquer processo existem variáveis que precisam ser medidas e monitoradas. Essas

variáveis são relacionadas a fenômenos físicos como: luz, calor, vibrações, força, posição entre

outros. Os dispositivos que podem capturar e medir essas grandezas são chamados de sensores.

Estes são sensíveis a alguma forma de energia ambiente, mudando seu comportamento sob ação de

grandezas físicas, e podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que indique esta

grandeza como mostra a Figura 19 (PATSKO, 2006).

42

Figura 19. Fenômenos físicos que podem ser convertidos em sinais analógicos ou digitais.

Fonte: Cruz (2003).

Segundo Rosário (2005),

Sensores são elementos provedores de informações para os sistemas de automação industrial. Eles podem ser utilizados no controle de processos discretos, com a medição das variáveis lógicas ou booleanas, e no controle de processos contínuos, em que normalmente se medem grandezas analógicas. Utilizados como detectores de erro, também chamados de comparadores, são dispositivos ou uma combinação de dispositivos empregados em sistemas automáticos de controle para determinar a diferença entre o valor da variável de saída e o valor desejado de entrada.

Como já foi mencionado, os sensores e atuadores estão localizados no mais baixo nível das

redes industriais. Estes são projetados para serem o mais barato possível, considerando que muitos

deles são indispensáveis nas indústrias, na medicina, na robótica entre outras áreas. É através deles

que pode ser detectado um sinal ou condição física.

Os sensores podem ser classificados, pelo tipo de sinal que enviam, em digitais ou

analógicos.

43

2.6.1 Sensores/Atuadores analógicos

Sensores e atuadores analógicos são dispositivos nos quais os sinais de entrada e saídas são

funções contínuas no tempo. A Figura 20 mostra este tipo de sinal. As amplitudes dos sinais podem

assumir quaisquer valores dentro das limitações físicas do sistema. Existem vários tipos de sensores

analógicos. Muitos destes são disponibilizados com saída digital ou analógica. A modo de exemplo,

os fotosensores e os sensores de campo podem ser encontrados com saída analógica (ROSÁRIO,

2005; PATSKO, 2006).

Figura 20. Sinal Analógico.

Fonte: Patsko (2006).

2.6.2 Sensores/Atuadores digitais

Sensores e atuadores digitais são dispositivos, onde os sinais de entrada e de saída são

discretos e as amplitudes dos mesmos são quantificáveis, ou seja, podem assumir apenas certos

valores discretos. A Figura 21 mostra este tipo de sinal. O sensor digital mais simples possui dois

estados: ligado e desligado. Esses sensores servem basicamente para monitorar a presença/ausência

de peças e procedimentos de contagem. Esses sensores são mais simples, baratos e imunes a ruídos

do que os analógicos, sendo os mais utilizados (ROSÁRIO, 2005; PATSKO, 2006).

Figura 21. Sinal Digital.


Conversão Analógica para Digital

44

Os sinais que os sensores capturam, provenientes do meio físico, são sinais analógicos, que

precisam ser convertidos em informação digital, devido a que os microcontroladores, controles

industriais, computadores e muito outros circuitos que processam dados obtidos de sensores,

operarem exclusivamente com sinais digitais. Para converter um sinal da forma analógica para a

forma digital e preciso um ADC (Conversor Analógico para Digital). Alguns tipos de conversores

são: rampa ou integração (simples e dupla), paralelo (ou Flash) e aproximação sucessiva. Neste

trabalho só foi apresentado o conversor por aproximação sucessiva, pois ser o mais usado, além de

ser o mais comum entre os conversores A/D utilizados em aplicações de controle de processos. Esse

conversor permite uma conversão mais rápida, proporcionando uma gama de 100.000 ou mais

conversões por segundo (SICA, 1996; BRAGA, 2008).

O conversor por aproximação sucessiva possui um registrador, que o torna muito mais

rápido, não só reduzindo o tempo de conversão, comparado ao tipo rampa, mais também

uniformizando o tempo de conversão, independente do ponto de escala em que o sinal se encontre.

A Figura 22 mostra os blocos lógicos deste conversor.

Figura 22. Arquitetura interna do conversor de aproximação sucessiva

Fonte: Braga (2008).

O funcionamento desse conversor é tal que quando se inicia a conversão, o registrador de

aproximação sucessiva coloca em 1 o bit mais significativo e zera os restantes. Aplicando esse valor

digital no conversor D/A gera-se uma tensão correspondente, a qual é comparada à tensão do sinal

analógico aplicado na entrada do conversor. Se a tensão gerada pelo conversor D/A à entrada de

referência do comparador for maior que a tensão da entrada, isso significa que o valor que este bit

representa é maior que aquele que se deseja converter. Com isso, o registro de aproximação zera o

referido bit e coloca o próximo bit à direita em 1. Uma nova comparação e feita. Se nessa

comparação, por exemplo, o valor de tensão gerada pelo conversor D/A for menor que a tensão de

entrada, este bit será mantido em 1, e testa-se a influenza do próximo bit à direita colocando-o em 1,

45

caso contrário o bit sendo analisado é zerado, e assim sucessivamente até todos os bits serem

testados. Depois de verificadas as tensões geradas, analisando o peso de cada bit, a saída do

registrador terá um valor binário correspondente ao valor analógico presente na entrada do

conversor. (BRAGA, 2008).

Medição de temperatura

Atualmente no mercado pode-se encontrar uma grande diversidade de sensores, que servem

para capturar diversos fenômenos físicos. Os mais utilizados são: sensor capacitivo, indutivo,

óptico, magnético é o sensor resistivo. Para este projeto foi utilizado um sensor resistivo, mais

especificamente, um que captura variações de temperatura (ROSÁRIO, 2005; PATSKO, 2006). A

Figura 23 mostra alguns modelos de sensor resistivo que monitoram temperatura. Eles são de

pequenas dimensões, comparáveis a diodos e transistores bipolares de baixa potência.

Figura 23. Sensores de temperatura


A temperatura exerce uma função vital em muitos processos industriais e, por isso, uma

medição precisa é necessária. Temperaturas imprecisas podem causar grandes conseqüências, como

reduzir a vida útil do equipamento, por causa do superaquecimento de apenas alguns graus.

Também pode prejudicar a realização de experimentos ou a fabricação de diversos tipos de

produtos, por isso, o seu monitoramento é essencial (ROSÁRIO, 2005; PATSKO, 2006).

Um sensor resistivo pode capturar várias características físicas, tais como: deslocamento,

pressão, temperatura ou radiação eletromagnética. Existem diversas tecnologias para várias

aplicações que usam sensores resistivos. As mais comuns são denominadas RTD (Resistive

Temperature Device), o par termoelétrico ou termopar e o termistor (ROSÁRIO, 2005; PATSKO,

2006).

46

Um modelo de sensor resistivo é o termistor, um componente que captura variações de

temperatura, e que cuja sua resistência muda de acordo com estas variações de temperatura.

Existem dois tipos de termistores, classificados de acordo com sua resposta em função da

temperatura:

• Os termistores PTC (Positive Temperature Coefficient) são constituídos de elementos,

mas complexos, por isso, são mas difíceis de serem encontrados e, portanto, mais caros.

Este tipo de termistor tem um comportamento que faz com que quando a temperatura

aumente sua resistência também aumente. Os termistores PTC são aplicados em circuito

eletrônicos para proteger de excesso de corrente, substituído os fusíveis tradicionais

(RIBEIRO, 1999; PATSKO, 2006).

• Os termistores NTC (Negative Temperature Coefficient) são os modelos mais comuns e

são feitos de material semicondutor simples. Nestes, ao contrário dos PTC, a resistência

diminui quando a temperatura aumenta, ou seja, eles possuem um coeficiente de

temperatura negativo (RIBEIRO, 1999; PATSKO, 2006).

O termopar é um componente que gera uma tensão elétrica que tem relação com a diferença

de temperatura entre junções de metais diferentes. Os termopares geram sua própria tensão, não

requerem corrente de excitação. Isto significa que não há erros por auto-aquecimento, que podem

ocorrer com os termistores. São simples, robustos, imunes a vibrações, fáceis de construir e operam

em ampla faixa de valores. Por essas características, são amplamente usados em equipamentos

industriais (ROSÁRIO, 2005).

O RTD é constituído por fios enrolados e uma película fina, que trabalham pelo princípio

físico do coeficiente de temperatura da resistência dos metais. Portanto têm sua resistência

aumentada com o aumento da temperatura. Estes podem ser pequenos o bastante para terem tempos

de reposta de uma fração de segundo. São quase lineares sobre uma larga escala de temperatura.

Estes dispositivos são apropriados para aplicações que requerem sensores de pequenas dimensões,

precisão e saída lineares (RIBEIRO, 1999; PATSKO, 2006).

47

A Tabela 2 apresenta algumas características dos tipos de sensores resistivos.

Tabela 2. Características de sensores resistivos.

Faixa Temperatura

Precisão Sinal de Saída Tempo de Resposta

Termopar -270° a 180° C +/- 0,5° C Tensão Menos de 1 seg. Termistor -100° a 450° C +/- 0,1° C Consiste numa

resistência Na faixa de 1 a 5 seg.

RTD -250° C a 900° C +/- 0,01° C Consiste numa resistência

Na faixa de 1 a 10 seg.

Fonte: Ribeiro, (1999); Rosário, (2005) Patsko, (2006).

2.7 MICROCONTROLADOR

Durante toda a história da eletrônica, até os dias atuais os dispositivos eletrônicos estão

evoluindo cada vez mais. Assim, a cada dia são criados componentes mais versáteis e poderosos. Os

microcontroladores são uns desses dispositivos que têm alcançado grande desenvolvimento. Devido

sua facilidade de uso, eles são utilizados em uma ampla faixa de aplicações, tornando o projeto

rápido e facilitando o desenvolvimento de novos equipamentos.

O microcontrolador é um dispositivo conhecido como “computador de um só chip”

(SCHUNK, LUPPI, 2001). Este é o agrupamento de vários componentes, que é constituído de um

único encapsulamento, uma CPU, memória de programa, memórias auxiliares, sistema de

entrada/saída e vários periféricos que variam entre os vários modelos disponíveis no mercado, como

conversores A/D, comparadores analógicos, e outros. Segundo Lima (2009) basicamente o

microcontrolador é um microprocessador com memória (RAM) e memória de programa,

temporizadores e circuito de clock embutidos.

Segundo Nicolosi (2000),

Um microprocessador é um elemento eletrônico, desenvolvido para executar tarefas específicas, com linguagem de comando específica. Ele se utiliza de uma memória de programa (Code Memory - ROM) para “ler” as instruções que deve executar e se utilizar de uma memória de dados (Data Memory - RAM) para armazenar temporariamente informações de uso próprio das instruções, enquanto essas informações devem ser armazenadas.

48

Atualmente a maioria dos dispositivos eletrônicos possui um microcontrolador embarcado,

desde um relógio até um automóvel que envolve diversos microcontroladores embarcados. Estes

microcontroladores estão embutidos nestes dispositivos eletrônicos, realizando tarefas que circuitos

integrados comuns jamais realizariam (SCHUNK, LUPPI, 2001).

2.7.1 Microcontrolador AVR

Existem duas arquiteturas clássicas das quais os microcontroladores podem ser compostos: a

arquitetura Von-Neumann, onde existe apenas um barramento interno por onde circulam instruções

e dados e a arquitetura Harvard, que é caracterizada por dois barramentos interno, sendo um de

instruções e outra de dados. Pode-se dizer que a primeira é uma arquitetura serial e a segunda

paralela. A arquitetura Von-Neumann produz um conjunto complexo de código de instruções para o

processador CISC (Complex Instructions Set Computer). Já a arquitetura Havard produz um

conjunto simples de códigos de instruções, e devido ao paralelismo de sua estrutura, é capaz de

executar uma instrução por ciclo de clock (LIMA, 2009).

Os microcontroladores AVR da fabricante ATMEL são microcontroladores, desenvolvidos

sob a tecnologia RISC estendida (Reduced Instruction Set Computer). Com essa estrutura

apresentam mais de uma centena de instruções, utilizam à arquitetura HAWARD e apresentam

ótima eficiência de processamento e núcleo compacto (poucos milhares de portas lógicas). A Figura

24 mostra alguns modelos de microcontroladores AVR (SCHUNK, LUPPI, 2001; LIMA, 2009).

Figura 24. Microcontroladores AVR

Fonte: Lima (2009)

Em particular, a disposição dos pinos do microcontrolador ATMEGA16 é apresentada na

Figura 25, e na Tabela 3 a descrição dos mesmos.

49

Figura 25. Pinos de um Chip do microcontrolador AVR

Fonte: Atmel (2009)

Tabela 3. Descrição dos pinos do microcontrolador

Pino Descrição VCC Tensão de entrada GND Terra ou comum Port A Porta de 8 bits bidirecional. Port B Porta de 8 bits bidirecional. Port C Porta de 8 bits bidirecional. Port D Porta de 8 bits bidirecional. RESET Entrada do sinal de reset XTAL1 Entrada para o oscilador interno e para o circuito gerador de temporização

interno XTAL2 Saída do oscilador amplificador interno AVCC Tensão para alimentação da Porta A (circuito analógico) AREF Pino de referência para o conversor A/D

Fonte: Atmel (2009)

A Figura 26 mostra o diagrama de blocos de um microcontrolador ATMEGA16 com suas

inúmeras funcionalidades, tais como: CPU (Unidade Central de Processamento), memória de dados

(SRAM e EEPROM) e memória de programa (FLASH), portas de entrada e saída entre outros

periféricos, tais como temporizadores, contadores, módulos de comunicação serial (SPI, I2C e

USART), unidades de conversão analógica para digital ou ADC, dentre outros.

50

Figura 26. Diagrama de Bloco de um Microcontrolador AVR ATMEGA16

Fonte: Atmel (2009)

A função da CPU é garantir a correta execução dos programas, sendo capaz de acessar as

memórias, executar cálculos, controlar os periféricos e tratar interrupções. Da arquitetura Havard

percebe-se a existência de barramentos de programa e dados separados. O paralelismo permite que

uma instrução seja executada enquanto a próxima é buscada na memória de programa, o que produz

a execução de uma instrução por ciclo de clock.

51

Esse microcontrolador ATMEGA16 é de 8 bits, sendo construído com tecnologia (CMOS)

de baixo consumo de energia. A maioria de suas instruções são executadas em um único ciclo de

clock (relógio do sistema) e, por causa disso, o AVR é capaz de executar até 1 milhão de instruções

por segundo, o que permite otimizar o consumo de energia em relação à velocidade de

processamento. Algumas das características do microcontrolador AVR (ATMEL, 2009; SCHUNK,

LUPPI, 2001) são:

• Utiliza a arquitetura AVR RISC de alto desempenho e baixo consumo;

• 131 instruções, sendo a maioria executada num único ciclo de clock;

• 32 x 8 registradores de uso geral;

• Opera a 16 MIPS usando um clock com freqüência de16 MHz;

• 16 Kbytes de memória Flash programável In-System (duração de aproximadamente

10.000 ciclos de escrita/apagamento);

• 512 Bytes de memória EEPROM programável In-System (duração de aproximadamente

100.000 ciclos de leitura/apagamento);

• Proteção dos dados das memórias Flash e EEPROM;

• Watchdog programável com oscilador interno;

• Interface serial SPI para programação; e

• Diversos modos de baixo consumo.

52

Registradores do microcontrolador AVR

Registradores são como “bancos de memória” exclusivos para funções especificas. Os

microcontroladores da AVR possuem 32 registradores de uso geral, que são uma espécie de

“memória RAM”. Eles guardam variáveis temporárias, as quais são apagadas quando o

microcontrolador e desligado. Alguns dos registradores mais utilizados estão apresentados na

Tabela 4 (ATMEL, 2009).

Tabela 4. Registradores do ATMEGA 16.

Registradores Descrição R0.. R31 Registrador de uso geral MCUCR Registrador de controle do microcontrolador GIMSK Registrador geral de máscara de interrupção TCCR0 Registrador de controle do temporizador EECR Registrador de controle da EEPROM WDTCR Registrador de controle do watchdog SREG Registrador de status PORTB Registrador de dados do PortB DDRB Registrador de direção de dados do PortB ACSR Registrador de controle e estado do comparador

Fonte: Atmel (2009)

A Tabela 5 apresenta alguns mnemônicos do microcontrolador AVR, utilizados para

programação na linguagem Assembly e uma descrição de cada um deles (SCHUNK, LUPPI, 2001).

53

Tabela 5. Alguns tipos de instruções do microcontrolador ATMEGA16

Mnemônicos Operados Descrição Operação Flags #Clk ADD Rd, Rr Add two registers Rd = Rd+Rr Z,C,N,V,H 1 ADC Rd, Rr Add with Carry two Registers Rd = Rd + Rr + C Z,C,N,V,H 1 ADW Rdl, K Add Immediate to Word Rdh :Rdl = Rdh:Rdl +K Z,C,N,V,S 2 SUB Rd, Rr Subtract two Registers Rd = Rd - Rr Z, C, N, V, H 1 SUBI Rd, K Subtract Constant from Registers Rd = Rd - K Z, C, N, V, H 1 SBC Rd, Rr Subtract with Carry two Registers Rd = Rd - Rr - C Z, C, N, V, H 1 SBCI Rd, K Subtract with Carry Constant from

Reg Rd = Rd - K - C Z, C, N, V, H 1

SBW Rdl, K Subtract Immediate from Word Rdh: Rdh = Rdh:Rdl - K Z, C, N, V, S 2 AND Rd, Rr Logical AND Registers Rd = Rd · Rr Z, N, V 1 ANDI Rd, K Logical AND Register and Constant Rd = Rd · Rr Z, N, V 1 OR Rd, Rr Logical OR Registers Rd = Rd v Rr Z, N, V 1 ORI Rd, K Logical OR Registers and Constant Rd = Rd v K Z, N, V 1 EOR Rd, Rr Exclusive OR Registers Rd = Rd Θ Rr Z, N, V 1 COM Rd One’s Complement Rd = $FF – Rd Z, C, N, V 1 NEG Rd Two’s Complement Rd = $00 – Rd Z, C, N, V, H 1 SBR Rd, k Set Bit’s in Register Rd = Rd v K Z, N, V 1 CBR Rd, K Clear Bit’s in Register Rd = Rd · ($FF – K) Z, N, V 1 INC Rd Increment Rd = Rd + 1 Z, N, V 1 DEC Rd Decrement Rd = Rd – 1 Z, N, V 1 TST Rd Test for Zero or Minus Rd = Rd · Rd Z, N, V 1 CLR Rd Clear Registers Rd = Rd Θ Rd Z, N, V 1 SER Rd Set Registers Rd = $FF None 1 MUL Rd, Rr Multiply unsigned R1:R0 = Rd x Rr Z, C 2 MULS Rd, Rr Multiply Signed R1:R0 = Rd x Rr Z, C 2 MULSU Rd, Rr Multiply Signed with unsigned R1:R0 = Rd x Rr Z, C 2 FMUL Rd, Rr Fractional Multiply Unsigne R1:R0 = (Rd x Rr) << 1 Z, C 2

Fonte: Atmel (2009)

Neste projeto o firmware do microcontrolador foi desenvolvido na linguagem C, devido à

portabilidade do código e considerando a disponibilidade de uma ferramenta gratuita para a

programação em C dos microcontroladores da família AVR. Essa ferramenta é o WinAVR, o qual

pode ser executado dentro do ambiente AVR Studio, da Atmel.

54

3 DESENVOLVIMENTO

Este capítulo descreve o desenvolvimento do sistema. Para realização deste projeto foi

utilizado à topologia de barramento, onde os transdutores estão conectados e a topologia ponto a

ponto que liga o mestre da rede ao barramento RS-485. O protocolo de comunicação utilizado para

implementação do firmware dos dois transdutores é o protocolo MODBUS RTU, muito utilizado

em redes industriais. No protótipo desenvolvido, foram projetados dois transdutores inteligentes:

um que corresponde ao transdutor de temperatura, que para montagem deste foi utilizado um sensor

de temperatura LM35 e um kit STK 500, baseado no microcontrolador ATMEGA16. No outro

transdutor, foi utilizado um servo motor como atuador (motor controlado por PWM), que está

conectado a outro kit STK 500, baseado também no microcontrolador ATMEGA16. Cada

microcontrolador ATMEGA16, o qual foi programado através do gravador JTAGICE MKII,

transferindo o firmware desenvolvido usando o software AVR Studio. Estes dois transdutores estão

conectados através de um barramento RS-485, que se comunica com o computador pessoal, que é o

mestre do barramento, onde se encontra o aplicativo desenvolvido no software Elipse SCADA. A

Figura 27 ilustra o sistema projetado.

Figura 27. Componentes da arquitetura - Topologia

Fonte: Própria (2010)

55

3.1 DISPOSITIVOS UTILIZADOS NO PROJETO

Como foi mencionado, foi utilizado o Kit de desenvolvimento da Atmel STK 500, sendo

que este Kit se comunica com o computador através da porta USB. Para depuração do código fonte

e para gravar o código no microcontrolador, foi utilizado outro equipamento da AVR, o JTAGICE

MKII. O kit Atmel STK 500 foi escolhido, devido ter todas as funcionalidades necessárias para o

desenvolvimento dos transdutores, como PWM, conversor ADC e ter socket para o

microcontrolador Atmega 16. Com essas características o Kit facilitou o desenvolvimento do

projeto. As Figuras 28 e 29 mostram o kit de desenvolvimento e o JTAG respectivamente.

Figura 28. Kit de desenvolvimento Atmel STK500

Fonte: Atmel

56

Figura 29. Debug e gravador (JTAG)


3.1.1 Sensor e Atuador

Para este projeto foi utilizado o sensor de temperatura LM35. Este sensor é muito simples,

em relação aos citados na seção de sensores, que são os NTC´s e os PTC´s. O sensor LM35 é um

sensor de precisão, que tem em sua saída um sinal de 10mv para cada grau Celsius de temperatura,

sendo uma vantagem em relação aos outros que são calibrados em Kelvin. Sua faixa de temperatura

é de -55 °C a 150 °C. É alimentado por uma tensão de 4-20Vdc e GND, drena apenas 60 µA para

esta alimentação, e seu auto-aquecimento é de aproximadamente 0,1 °C ao ar livre. A Figura 30

mostra o sensor de temperatura LM35.

57

Figura 30. Sensor de Temperatura LM35

Fonte: Datasheet National (2010)

O atuador que foi utilizado neste projeto é um servo motor controlado por PWM (Pulse

Width Modulation), Figura 31. O eixo do motor gira automaticamente, quando o sensor de

temperatura alcançar determinada temperatura.

Figura 31. Motor PWM

Fonte: Datasheet (2010).

58

3.2 AMBIENTE DE PROGRAMAÇÃO

Para programar o microcontrolador AVR foi necessário utilizar o programa AVR Studio, o

qual é obtido gratuitamente do sítio da ATMEL. Para programação em C no AVR Studio, pode-se

utilizar o programa WinAVR, também gratuito. A Figura 32 mostra a tela inicial do AVR Studio,

onde podem ser escolhidos os dois tipos de linguagem que podem ser utilizadas para aplicações

com os microcontroladores AVR: Assembly (Atmel AVR Assembly) ou C (AVR GCC).

Figura 32. Tela inicial do AVR Studio

Fonte: AVR Studio (2009)

Na Figura 33 seleciona-se a plataforma para analisar os programas (Debug) e o modelo do

microcontrolador escolhido, que são respectivamente, nesse caso, o AVR Simulator é o ATmega16.

59

Figura 33. Tela para escolha da plataforma e do dispositivo


Na Figura 34 ilustra-se o ambiente onde foi desenvolvido o código do projeto. Observa-se,

na parte superior esquerda da figura, os arquivos utilizados no projeto. À direita observa-se a área

de texto do projeto e na parte inferior destaca-se a área das mensagens do compilador.

60

Figura 34. Tela do ambiente de desenvolvimento


61

3.3 COMUNICAÇÃO MESTRE/ESCRAVO

Para testar a comunicação e os comandos do protocolo MODBUS foram utilizados dos

softwares, o Simply Modbus, que representa o mestre do barramento e o Simply Modbus Slave que

é o escravo. Estes foram instalados em computadores diferentes, e a comunicação entre esses dois

computadores foi realizada através da porta serial. As Figuras 35 e 36 ilustram o Simply Modbus e

o Simply Modbus Slave, respectivamente.

Figura 35 Simply Modbus.

Fonte: Software (2010).

62

Figura 36. Simply Modbus Slave.

Fonte: Software (2010).

Através dos dois softwares das Figuras 35 e 36, foi possível interpretar, entender e validar os

comandos MODBUS RTU. Foram feitos testes com as funções principais do MODBUS, que são

representadas no formato hexadecimal, 01H, 02H, 03H, 04H, 05H e 06H, respectivamente:

• Read Coil Status;

• Read Input Status;

• Read Hodding Registers;

• Read Input Registers;

• Force Single Coil;

• Write Single Register;

63

Figura 37. Frame MODBUS RTU.

Fonte: Simply Modbus (2010).

A Figura 37 mostra dois Frames com a pergunta do mestre e a resposta do escravo. No

primeiro pacote, que ilustra o comando do mestre, o byte inicial 01H representa o endereço do

escravo, o segundo o comando Read Coil Status, que faz a leitura de múltiplos operando do tipo

coil, o terceiro e quarto campo são os endereços dos registradores parte alta e baixa

respectivamente, o quinto e o sexto campo do pacote representam a quantidade de registradores que

serão lindos ou escritos, neste caso que serão lidos (por que a função que esta sendo utilizada é de

leitura), e também pode retirar a informação de que serão lidos 10 registradores, porque 0AH

representa 10 em decimal. Os dois últimos dois campos é o CRC (para verificação de erros).

O segundo pacote representa a resposta do escravo, da qual extrair as seguintes informações:

o primeiro byte representa seu próprio endereço, o segundo, é o comando MODBUS, que na

resposta do escravo representa se a ação foi executada com sucesso ou se ocorreu alguma exceção.

Se na resposta este comando não for o mesmo que foi no Frame da pergunta do mestre, é porque

houve uma exceção, e neste caso o bit mais significativo deste comando e devolvido em nível 1. Por

exemplo, se tivesse ocorrido um erro nesta resposta, neste campo retornaria o valor 81H que e

representado em binário é 1000 0001, indicando a mudança do bit, mas significativo do comando

01H (que corresponde em binário a 0000 0001). O próximo byte é o campo de dados, que caso não

ocorra erro, retornará as informações pertinentes ao comando solicitado. Quando ocorre um erro

este campo contém o código de exceção. A Tabela 6 mostra os códigos de exceção que podem

ocorrer. Os dois próximos campos são os dados dos registradores e os dois últimos são os bytes do

CRC.

64

Tabela 6. Códigos de exceção do MODBUS

Código Identificação Significado 1 Função inválida A função MODBUS solicitada pelo mestre não esta implementa

pelo escravo. 2 Sensor ou registrador inválido O escravo não possui o(s) sensor(es) ou registrador(es)

especificado(s) no comando enviado pelo mestre. 3 Valor de dado inválido O valor de algum dado(s) contido no Campo de Dados é inválido. 4 Falha no dispositivo Ocorrência de erro por parte do escravo durante a execução do

comando solicitado pelo mestre. 5 Estado de espera O escravo reconheceu o comando enviando pelo mestre mas o

notifica de que o mesmo será processado num período de tempo maior que o normal. Este tipo de código é enviado para enviar a ocorrência de time-out por parte do mestre. Nestas condições, o mestre pode ficar monitorando as atividades do escravo até realização do comando

6 Dispositivo ocupado O escravo está ocupado atendendo a outro comando. O mestre pode retransmitir a mensagem mais tarde quando o escravo já tiver completado o comando em execução.

7 Não reconhecimento O escravo não conseguiu executar o comando. È gerado quando o mestre envia um comando através das funções 13 ou 14.

8 Erro de paridade de memória O escravo detectou erro de paridade na leitura da sua memória estendida.

Fonte: Modcon (2010)

3.4 MODELAGEM DO FIRMWARE

No desenvolvimento do firmware, foram implementadas apenas duas funções do protocolo

de comunicação MODBUS RTU: a função Read Holding Register (código 3), que foi utilizada para

ler a temperatura do sensor LM35 e a função Write Single Register (código 6), que foi utilizada

para acionar o servo motor. O fluxograma da Figura 38 mostra o processo de transmissão e

recepção, entre o mestre (computador) e os escravos. Na Figura 54 do Apêndice A pode ser

visualizado o código das duas funções implementadas.

65

Figura 38. Fluxograma transmissão e recepção.

Fonte: Própria (2010).

3.4.1 Checagem do Frame – CRC

No modo RTU, o cálculo de checksum adotado é o CRC, que calcula o conteúdo de toda a

mensagem. Neste método, é gerado um valor de 16 bits, sendo que, na composição final deste

campo, os 8 bits menos significativos são enviados primeiro. Este é o ultimo campo da mensagem

sendo que os 8 bits mais significativos representam o ultimo byte da mensagem. O dispositivo

transmissor calcula o valor do CRC e o integra à mensagem, transmitindo-o em seguida ao

dispositivo receptor, que por sua vez, recalcula o CRC de toda a mensagem, após a sua total

recepção, e compara o resultado com o campo CRC da mensagem enviada, sinalizando erro caso

não sejam iguais. Este método, apesar de levar mais tempo para ser executado em relação ao

66

método LRC, é muito mais confiável, pois analisa o real conteúdo dos dados, bit a bit, que estão

sendo transmitidos na linha de comunicação. Para diminuir o tempo de processamento no cálculo

do CRC, fui utilizada uma solução que consiste na criação de duas tabelas de 256 bytes, cada uma,

onde cada tabela contém todas as combinações tanto para o byte mais significativo como para o

menos significativo do CRC. O código das duas tabelas pode ser visualizado na Figura 53 do

Apêndice A.

3.5 MESTRE DO BARRAMENTO

Para o desenvolvimento do mestre, foi utilizado o software supervisor Elipse SCADA, na

versão demo. A Figura 39 ilustra a tela de abertura do SCADA e a Figura 40 a tela de

desenvolvimento.

Figura 39. Tela de Abertura do Elipse SCADA versão demo.

Fonte: Software SCADA (2010).

67

Figura 40. Tela Principal Elipse SCADA.


3.5.1 Configuração do drive MODBUS

Para utilizar o protocolo MODBUS, no software Elipse SCADA, é preciso configurar o

drive Modicon MODBUS. Esse driver implementa o protocolo MODBUS Mestre/Escravo,

permitindo uma aplicação Elipse atuar como Mestre em uma rede MODBUS, comunicando-se com

qualquer equipamento escravo que implemente os protocolos MODBUS nos modos ASCII ou

RTU, ou TCP. A Figura 41 mostra os parâmetros a serem configurados.

68

Figura 41. Tela de configuração do drive MODBUS.


O mestre do barramento foi configurado para se comunicar pela porta COM1 e neste projeto

foi usado um Baudrate de 9600 bps, sem paridade. Os Databits e Stopbits, foram configurados para

8 bits de dados, e um bit de parada. Cabe destacar que neste projeto foi utilizado o MODBUS RTU.

A mesma configuração foi feita no firmware, para que mestre e escravo se comuniquem. Outra

configuração necessária foi a inclusão dos comandos MODBUS, que foram utilizados na aplicação

desenvolvida. A Figura 42 mostra como configurar estes comandos. Observa-se a função criada

(01), a qual permite implementar a leitura (03) e escrita (06) para se comunicar com os dispositivos

da rede implementada.

69

Figura 42. Tela de configuração dos comandos MODBUS.


3.5.2 Aplicação IHM

A Figura 43 ilustra a aplicação mestre desenvolvida no software Elipse SCADA. Esta

aplicação controla os dois escravos da rede. Nessa Figura podemos observar qual é a temperatura,

que o transdutor escravo está lendo. E o transdutor escravo servo, vai ser acionado quando a

temperatura do escravo temperatura ultrapassar o valor de referência. O valor de referência pode ser

alterado. Para isso, foi feito, na aplicação mestre, um comando (Figura 44) que permite controlar o

acionamento do servo de forma remota.

70

Figura 43. Aplicação IHM.


A Figura 44 mostra o script feito no mestre. O script possui um IF que compara a

temperatura atual do LM35 com a temperatura de referência. Caso a temperatura do LM35 for

maior que a temperatura de referência, o servo é acionado, e se a temperatura for inferior à

referência, o servo é desligado. A linha comentada passa o valor da temperatura para o servo, com

isso, à medida que a temperatura vai variando o servo gira determinado ângulo. Observar na Figura

43, que com uma temperatura de 131°C o servo vai gira um ângulo de 28°, que esta destacada na

componente ângulo. Também foi inserido um gráfico para visualizar a temperatura. O valor do

ângulo, pode ser conferido através da Equação 1 usada no projeto do atuador.

Ângulo = Temperatura/6 + 6 = 131/6 + 6 = 27.83 (28);

71

Figura 44. Script de controle de acionamento do servo motor.


3.6 MONTAGEM DA REDE

Para conectar os escravos e o mestre, foi utilizada a topologia em barramento, baseado no

protocolo elétrico RS-485, comum nas indústrias. Porém, o mestre do barramento é um programa

implementado num computador, que possui uma interface elétrica RS-232. Por isso, para montagem

da rede foi utilizado um conversor RS-232 para RS-485. A Figura 45 mostra o circuito deste

conversor RS-232/RS-485. Para conectar os transdutores escravos ao barramento RS-485, foi

necessário utilizar dois transceiver (75LBC176), sendo um para cada transdutor. A Figura 46

mostra o circuito desse transceiver. Para controlar o fluxo de mensagem, foi colocado um nível

lógico 0 nos pinos 2 e 3, desse circuito, de modo a receber dados do microcontrolador. Um nível

lógico 1 nesses pinos permite o microcontrolador transmitir dados. O circuito 74LS123 permite

temporizar adequadamente a transmissão e a recepção dos dados. O 74123 é um monoestável que

mantém o pulso de saída em nível lógico alto enquanto houver um estímulo na entrada. O tempo foi

calculado considerando a duração do tempo de um bit de cada byte enviado e implementado a

través de uma rede RC acoplada ao 74LS123.

72

Figura 45. Conversor RS-232/RS-485.

Fonte: Elektor (2010).

Figura 46. Transceiver


A Figura 47 exemplifica a montagem do transdutor LM35. Para realizar a leitura de

temperatura através da aplicação mestre desenvolvida do Elipse SCADA, foi utilizado o canal 0 do

73

conversor AD. O resultado é um valor inteiro, que fica guardado no Holding Register “0“, do

MODBUS. Para fazer a leitura, foi utilizado o comando MODBUS 0x03, que permite visualizar os

valores de temperatura do LM35 e comandar o acionamento do servo motor.

Figura 47. Transdutor temperatura.


A Figura 48 exemplifica a montagem do transdutor servo motor. Foi utilizado o pino PA5

(pino 35) para gerar o pulso PWM. O valor do Holding Register “0” é o responsável por informar o

valor da largura do pulso desejada. Foi utilizada a função 0x06 do MODBUS, para realizar a escrita

nesse registro. Assim, o controle de sua posição (seu ângulo de parada), depende de uma seqüência

de pulsos com largura variável (PWM). Este controle do giro pode ser programado através da

aplicação mestre.

74

Figura 48. Transdutor servo.


Para testar o funcionamento do sistema, foi variada a leitura de temperatura (inicialmente foi

usado um potenciômetro no lugar do sensor). A Tabela 7 mostra determinadas faixas de

temperatura e determinado ângulo que o servo gira nessa faixa de temperatura. Essas faixas de

temperatura foram obtidas através do potenciômetro não representando temperaturas reais, mas que

podem ser alcançadas através do sensor de temperatura LM35.

Tabela 7. Valores de Temperatura

Temperatura C Ângulo (Giro do Servo motor)

0 °C à 21 ° C 6° à 10° 22 °C à 84° C 11° à 20° 85 °C à 131 21° à 28°


Cabe destacar que os testes realizados, embora não representem um processo real,

permitiram mostrar o funcionamento da rede implementada e melhorar a compreensão do

funcionamento e comunicação dos dispositivos físicos e lógicos comumente encontrados no chão de

fábrica.

75

A Figura 49 mostra a Rede RS-485 com os dois transdutores escravos. Na figura estão

destacados os principais componentes da rede, como o cabo serial que conecta o computador onde

esta aplicação Elipse rodando que é o mestre do barramento ao conversor RS-232/RS-485 (a Figura

43 mostra a aplicação mestre). O barramento RS-485, representado por um único cabo de par

trançado caracterizando uma rede half-duplex. Os dois Transceiver fazem o controle de fluxo das

mensagens, e permitem o microcontrolador receber e enviar mensagens. E os dois transdutores,

cada um com um microcontrolador Atmega 16, com seus respectivos firmware desenvolvidos. Na

Figura 43 esta ilustrado o mestre do barramento que uma aplicação feita no Elipse SCADA, este

esta conectado a rede através do cabo serial. O mestre sempre vai esta requisitando a temperatura

para o transdutor temperatura e requisitando para o transdutor servo que gire determinado ângulo

com base na temperatura lida, o valor de temperatura e o valor do ângulo pode ser visualizado na

figura da aplicação mestre.

Figura 49. Rede RS-485 com os transdutores conectados a rede.


No Apêndice A são mostrado os códigos fontes do firmware desenvolvido.

76

4 CONCLUSÕES

Uns dos grandes problemas que ocorre nas indústrias é a manutenção nos equipamentos.

Uma solução para este problema consistiria em conectar esses equipamentos em uma rede, onde

através de uma aplicação IHM, o operador pode monitorar o funcionamento e detectar possíveis

erros, aumentando a confiabilidade e a produção.

Neste trabalho foi desenvolvida uma rede com dois transdutores, de modo a simular um

processo em um ambiente industrial moderno. Foi definido um transdutor, que está monitorando a

temperatura de um ambiente ou de algum equipamento, que não possa superaquecer, o outro

transdutor que aciona um motor PWM, que, por sua vez, poderia acionar um sistema de

resfriamento. Esta é uma das aplicações para os transdutores inteligentes, mas salienta-se em um

ambiente industrial existem inúmeras aplicações, como posição de uma peça, monitoramento de

pressão, acionamento de válvulas, dentre outras. Nessa concepção, as informações que os

transdutores vão coletando, podem ser transmitidas através de uma rede, onde um mestre da rede

controlaria o tráfego dos dados. Através de uma aplicação de alto nível, esses dados são

transformados em informações visuais para o operador, que poderá prevenir qualquer problema que

possa ocorrer.

Também pode ser ressaltado que a maioria dos sistemas de controle distribuído, que se

encontram nas indústrias, são sistemas proprietários. No entanto, neste projeto foram utilizadas

ferramentas gratuitas e aberta, em particular o protocolo de comunicação MODBUS que é muito

utilizado no ambiente industrial. Já no projeto do meio físico de transferência, foi utilizado o padrão

RS-485, que é amplamente usado no chão de fábrica por ser multiponto resistente a ruídos e de

longo alcance. Dessa forma, o sistema que foi projetado e desenvolvido poderá ser considerado

também um sistema aberto.

Uma das dificuldades encontradas neste projeto, foi à implementação dos firmwares dos

dois transdutores, onde foi preciso um estudo detalhado do protocolo MODBUS RTU. Com a ajuda

de uma biblioteca MODBUS, foi possível desenvolver os firmwares dos transdutores

(BIBLIOTECA MODBUS, 2010). Desta forma e para facilitar o projeto, foram implementadas

apenas duas funções do protocolo: Read Holding Regs (03) e Write Single Reg (06). A primeira,

utilizada para ler a temperatura e a segunda para o controle da rotação do servo. Já no caso da rede

RS-485, foi utilizado um conversor RS-232/RS-485, o qual soluciona o problema da comunicação

77

do mestre com os escravos, devido ao microcomputador apenas possuir uma interface elétrica RS-

232 com essa finalidade. A rede implementada é uma rede half-duplex, devido o mestre e os

escravos não poderem transmitir e receber ao mesmo tempo. Um problema encontrado foi o delay

observado no acionamento do servo em relação à variação da temperatura. Isto é, quando a

temperatura variava o servo motor não acionava diretamente, apresentando um atraso grande, na

ordem de cinco segundos, que em um ambiente industrial não seria admissível, dependendo do

processo. Esse problema ficou fora do escopo do trabalho, mas foi constatado que o delay foi

ocasionado devido ao processamento do mestre da rede, que um computador pessoal. Uma solução

a considerar poderia ser, incluir um controlador diretamente no barramento RS485, como mestre da

rede, ao invés de delegar esta função no Elipse. Poderia ser utilizado mais um kit STK 500 para essa

função.

4.1 TRABALHOS FUTUROS

Um foco importante para outras pesquisas ou trabalhos futuros, seria a integração deste

projeto com uma rede Ethernet, utilizando o protocolo MODBUS TCP. Outro desdobramento do

projeto seria a implementação de outros comandos do protocolo MODBUS RTU, aumentando as

possibilidades da rede. Também o problema do atraso observado deveria ser tratado em um projeto

futuro.

78

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ALBURQUERQUE, Pedro Urbano Braga; ALEXANDRIA, Auzuir Ripardo. Redes Industriais, Aplicações em Sistema Digitais de Controle Distribuído. 2ª ed. Ensino Profissional, 2009.

ALVES, Luiz Loureiro. Instrumentação, Controle e Automação de Processos. Rio de Janeiro: LTC, 2005.

ATMEL. 8 Bit Microcontroller with 16k Bytes In-System Programmable Flash. Disponível em > : www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2466.pdf > : Acessado em 06 de outubro de 2009.

BIBLIOTECA MODBUS. Disponível em:< http://www.freemodbus.org/index.php?idx=5; http://sourceforge.net/projects/libmodbus/ > Acessado em 01 de janeiro de 2010.

BORDIM, Jarcir Luiz. Redes Industriais – FIELDBUS. Universidade de Brasília – UNB, 2006.

BRAGA, Newton C. Como Funcionam os Conversores A/D.2008. Disponível em: < http://www.sabereletronica.com.br/secoes/leitura/566 > Acessando em 30 de outubro de 2009.

COELHO, Marcelo S. Redes de Comunicação Industrial Padrões Industriais. CEFET-SP, 2008.

COMER, Douglas. Redes de Computadores e internet. 4ª ed. Bookman, 2007. Disponível em: < http://books.google.com.br/books?id=KDR4teVK0JAC&printsec=frontcover&source=gbs_navlinks_s#v=onepage&q=&f=false > :Acessado em 12 de setembro de 2009.

EBERLE, Michael Redes industriais de Comunicação. Jaraguá do Sul, 2005. Disponível em: < http://www.scribd.com/doc/16246586/RedesIndustriaisIII >: Acessado em 06 de outubro de 2009.

ELIPSE SOFTWARE LTDA. Tutorial Elipse Scada. Versão 2.26, 2004. Disponível em: < http://www.elipse.com.br/get/Elipse%20SCADA%5Cv2.29%5CBuild092%5Cscadatutorial_br.pdf. > Acessado em 01 de agosto de 2009.

LEÃO, Erico Meneses; GUEDES, Luiz Affonso; VASQUES, Francisco. Uma Arquitetura de Sensores Inteligentes Disparada por Eventos: Uma solução baseada no padrão IEEE 802.15.4. SBAI 2007. Natal-RN, 2007.

LIMA, Charles Borges. Os poderosos µControladores AVR. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina. Junho, 2009.

MARDEGAN, Ronaldo; AZEVEDO, Rodrigo Cambiaghi. Os Benefícios da coleta automática de dados do chão de fábrica para o processo de negócio gestão da demanda. São Paulo, 2004.

MATA, Rogério Souza da. Descobrindo a tecnologia Foundation Fieldbus. Mecatrônica Atual, 2009. Disponível em: < http://www.mecatronicaatual.com.br/secoes/leitura/522 > Acessado em 24 de outubro de 2009.

79

MATIAS, Juliano. Entenda o protocolo elétrico RS-485. Mecatrônica Atual, São Paulo, n. 4, p. 7-13. Junho 2002.

MORAES, Cícero Couto de, CASTRUCCI, Plínio de Lauro. Engenharia de Automação Industrial. Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2001.

MODICON, Modbus Protocol Reference Guide. Junho, 1996.

NICOLOSI, Denys E. C. Microcontrolador 8051 detalhado. 6° ed. Editora Érica. São Paulo, 2000.

PATSKO, Luís Fernando. Tutorial Aplicações, funcionamento e utilização de sensores. Maxwell Bohr, 2006.

PRUDENTE, Francesco. Automação Industrial. Editora LTC, 2007.

REBELATO, Marcelo Giroto; LIDAK, Gerson. A transmissão de dados sem fio aplicado à coleta de dados no chão de fábrica. XXVI ENEGEP - Fortaleza-CE, Outubro, 2006.

ROSÁRIO, J. M. Princípios de mecatrônica. São Paulo: Prentice-Hall, 2005.

SCHUNK, Leonardo Marcilio; LUPPI, Aldo. Microcontroladores AVR. 1ª ed. Érica, 2001.

SICA, Carlos. Conversores A/D D/A. Centro de Tecnologia Departamento de Informática. Maringá, 1996. Disponível em: < http://www.din.uem.br/sica/material/adda/adda.html#cap23 > Acessado em 30 de outubro de 2009.

SIVEIRA, Paulo Rogério dos Santos; WINDERSON, Eugenio dos. Automação e controle discreto. 7ª. ed. São Paulo: Érica, 2006.

SOUZA, Lindeberg Ba. Redes de computadores dados, voz e imagem. 3ª ed.Érica, 2000.

SOUZA, Rodrigo Barbosa. Uma Arquitetura para Sistemas Supervisórios Industriais e sua Aplicação em Processos de Elevação Artificial de Petróleo. Dissertação de Mestrado da UFRN, Natal-RN Fevereiro, 2005.

TANENBAUM, Andrew S. Redes de computadores. 4º Ed. Rio de Janeiro: Campus, 2003.

TITTEL, Ed. Teoria e Problemas de rede de computadores. Bookman, 2003. Disponível em: < http://books.google.com.br/books?id=21I3aa7MAQC&pg=PA5&dq=redes+automa%C3%A7ao&lr=&as_brr=3&source=gbs_selected_pages&cad=3#v=onepage&q=&f=false > Acessado em 13 de Setembro de 2009.

APÊNDICE A

81

A IMPLEMENTAÇÃO CÓDIGO MODBUS RTU

A.1.1. Programa principal

No programa principal, e onde e chamada a função ConfigSystem que faz toda a

configuração do sistema, como PWM, ADC, USART, TIMER. O código da função ConfigSystem

pode ser visto na Figura 51. Também no código do programa principal e chamada a função

Maquina_MODBUS, que é a função que faz toda a verificação do frame. O programa principal e a

função Maquina_MODBUS pode ser vista nas Figuras 50 e 52 respectivamente.

Figura 50. Programa principal.


82

A.1.2. Função para configurar todo sistema

Figura 51. Configuração do sistema.


83

A.1.3. MODBUS

Neste código ocorre todo processo de verificação do frame, como a verificação do CRC, e o

comando que vai ser executado. Este código e utilizado tanto para o transdutor escravo temperatura

quanto para o transdutor servo. Com uma simples mudança nas duas últimas linhas que e necessário

comentar ou retirar o comentário.

Figura 52. MODBUS.


84

Nesta parte do código foi implementada duas tabelas para facilitar a verificação do CRC, são

duas tabelas que contém todas as combinações tanto para o byte mais significativo como para o

menos significativo do CRC.

Figura 53. Tabela CRC.


85

Nesta parte esta implementada os dos comandos do protocolo de comunicação MODBUS

RTU. O comando Read Holding register que é utilizado para ler a temperatura, e o comando Write

Single Register que é utilizado para acionar o servo motor.

Figura 54. Comandos MODBUS.


86

A.1.4. Configuração do PWM

No código da Figura 55, esta destacada a fórmula feita, para controla o giro do servo motor

através da temperatura, dependendo da temperatura o servo gira certo ângulo.

Figura 55. PWM.


87

A.1.5. Configuração do ADC

Figura 56. ADC.


88

A.1.6. Configuração do USART

Figura 57. USART.


89

A.1.7. Configuração do TIMER

Figura 58. TIMER.


90

A.1.8. Diagrama de Classe

Figura 59. Diagrama de Classe.


91

A.1.9. Diagrama de Estado Mestre

Figura 60. Diagrama de Estado de um Mestre MODBUS.


92

A.1.10. Diagrama de Estado Escravo

Figura 61. Diagrama de Estado de um escravo.


93

A.1.11. Diagrama de Estado Comando MODBUS 0x06

Figura 62. Diagrama de Estado Comando Write Single Register.

Fonte: Biblioteca MODBUS (2010).

94

A.1.12. Diagrama de Estado Comando MODBUS 0x03

Figura 63. Diagrama de Estado Comando Read Holding Register.

Fonte: Biblioteca MODBUS (2010).

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