dissertação julio costaintranet.dei.uminho.pt/gdmi/galeria/temas/pdf/40528.pdf · 2010. 5....

iii

Resumo

O tema desta dissertação surge no âmbito do projecto de investigação e

desenvolvimento financiado pela Fundação para a Ciência e a Tecnologia, WALC (Web

Assisted Laboratory Control). O objectivo deste trabalho consiste no estudo e implementação de

uma rede de autómatos para controlo e gestão de processos, incluindo sistemas de segurança de

acesso à rede e gestão de rede por via remota.

De forma a entender o funcionamento das redes de comunicação, foi efectuado um

estudo, sobre algumas das redes utilizadas em aplicações industriais, explicando o seu princípio

de funcionamento. Como a aplicação deste trabalho visa a utilização de autómatos

programáveis, é detalhado também, o seu funcionamento, desde o ciclo interno, modos de

programação e a sua organização.

Para desenvolver uma rede de autómatos foi feito um estudo sobre possíveis formas, de

trocas de informação entre um posto de trabalho e os vários PLCs. Como tal, foi efectuado um

estudo entre dois protocolos: Host Link e o FINS, descrevendo as vantagens e limitações de

cada um destes protocolos.

Para aceder remotamente à rede, foram desenvolvidas duas aplicações (servidor e

cliente). Ambas as aplicações foram feitas em LabView. A aplicação servidor, gere as

comunicações, e a segunda identifica as acções a realizar. A comunicação entre o servidor e o

cliente é realizado através de TCP-IP. Deste modo, o acesso à rede pode ser efectuado

remotamente, visto que o servidor é responsável pela gestão das comunicações entre cliente e

rede de PLCs.

Para garantir o acesso limitado à rede de PLCs foi criado uma base de dados de acesso

ao sistema de forma a guardar a informação dos utilizadores. Como tal, o cliente deve efectuar

uma autenticação para ter permissão para aceder à rede. Este sistema é capaz de suportar

múltiplos clientes, na medida em que, o segmento de dado enviado entre o cliente e servidor,

possui uma estrutura de identificação de modo a garantir, que a resposta do servidor seja

recebido pelo cliente destino.

O sistema desenvolvido foi testado em ambiente laboratorial. Brevemente será

incorporado no projecto WALC, onde os alunos de Automação e Controlo poderão testar os

seus conhecimentos neste laboratório virtual e remoto.

v

Abstract

The theme of this thesis is in the scope of the project research and development funded

by the Foundation for Science and Technology, WALC (Web Assisted Control Laboratory).

The aim of this work is the study and implementation of a network of PLCs for control and

management processes, including security systems, network access and network management

by remote access.

In order to understand the operation of communication networks, a study was made on

some of the networks used in industrial applications, explaining their working principle. As the

application of this study is the use of programmable controllers, it is also detailed its operation

from the internal cycle, programming modes and their organization.

To develop a network of industrial controllers, a study was made regarding the

exchanging information between a workstation and various Programmable Logic Controllers

(PLCs). Therefore, two protocols, FINS and Host Link, were studied, in particular, their

advantages and.

To remotely access the network, two applications were developed (server and client).

Both applications were made in LabView. The application server manages the communications,

and the second identifies the actions. The communication between the server and the client is

done through TCP-IP protocol. Thus, the access network can be done remotely, since the server

is responsible for managing communications between client and PLC network.

To ensure limited access to the network of PLCs, it was created a database access

system to save users' information. As such, the client must perform an authentication before

being allowed to access the network. This system is capable of supporting multiple clients, in

that the data’s segment is sent between the client and server; it has a structure of identification

in order to ensure that the server response is received by the target client.

The system has been tested in the laboratory. In the near future it will be incorporated in

the project WALC, where Automation and Control students will test their knowledge in this

remote and virtual laboratory.

vii

Agradecimentos

Começo por agradecer a todas as pessoas que me apoiaram não só durante a realização

da dissertação, mas também ao longo curso.

Aos meus pais e à minha irmã pelo apoio;

À minha amiga e companheira de todas as horas, Lígia Ferreira pela enorme ajuda,

paciência e companheirismo.

Aos meus colegas que me ajudaram ao longo do curso, em especial ao Acácio Crespo

pela sua amizade, e ao Nuno Carvalho, pelas longas horas de trabalho em conjunto e pela ajuda

que me deu.

Um obrigado à professora Filomena Soares e ao Professor José Machado pela

oportunidade que me deram, em trabalhar com eles. Foi muito gratificante, pois concederam-me

oportunidades únicas neste último ano, desde ajudar estagiários, e, a oportunidade de participar

na conferência ICINCO 2009, em Julho do mesmo ano.

Gostaria de agradecer à professora Filomena Soares, por me ter dado imenso apoio, não

só durante a realização da dissertação, mas durante estes últimos dois longos anos. Para além de

me ter ajudado, nunca desistiu de mim, e sempre me ajudou e aconselhou, a ultrapassar os meus

momentos mais difíceis. Um obrigado muito especial.

Não só a estas pessoas, agradeço a todos os meus colegas e amigos que estão presentes

na minha vida.

Agradeço à universidade do Minho pela formação académica, em especial ao

departamento de Engenharia Electrónica Industrial e Computadores.

A todos, muito obrigada.

ix

Índice

Resumo ......................................................................................................................................... iii

Abstract ......................................................................................................................................... v

Agradecimentos ........................................................................................................................... vii

Índice de figuras .......................................................................................................................... xii

Índice de Tabelas ......................................................................................................................... xv

Lista de Acrónimos .................................................................................................................... xvi

1. Introdução ............................................................................................................................. 1

1.1. Enquadramento.............................................................................................................. 1

1.2. Controladores industriais ............................................................................................... 1

1.2.1. Autómatos Programáveis ...................................................................................... 3

1.2.2. Linguagens de programação normalizadas ........................................................... 5

1.2.3. Pirâmide de CIM ................................................................................................... 6

1.3. Objectivos ..................................................................................................................... 8

1.4. Estrutura da dissertação ................................................................................................. 9

2. Redes de comunicação ........................................................................................................ 11

2.1. Modelo OSI ................................................................................................................. 12

2.2. Ethernet – TCP/IP ....................................................................................................... 14

2.2.1. Camadas de Ethernet – TCP/IP ........................................................................... 15

2.2.2. Meio físico........................................................................................................... 15

2.2.3. Ligação de dados ................................................................................................. 16

2.2.4. Rede ..................................................................................................................... 18

2.2.5. Transporte............................................................................................................ 20

2.2.6. Estrutura final do segmento dados ...................................................................... 23

2.3. PROFIBUS .................................................................................................................. 23

2.3.1. Camadas do PROFIBUS ..................................................................................... 24

x

2.3.2. Meio físico........................................................................................................... 24

2.3.3. Ligação de dados ................................................................................................. 25

2.3.4. Configurações do PROFIBUS............................................................................. 26

2.4. AS-I (Actuator Sensor - Interface) .............................................................................. 29

2.4.1. Camadas do AS-Interface .................................................................................... 29

2.4.2. Meio de físico ...................................................................................................... 30

2.4.3. Ligação de dados ................................................................................................. 31

2.5. DeviceNet .................................................................................................................... 32

2.5.1. Camadas do DeviceNet ....................................................................................... 33

2.5.2. Meio físico........................................................................................................... 33

2.5.3. Ligação de dados ................................................................................................. 35

2.6. Análise comparativa .................................................................................................... 36

3. Trabalho experimental ......................................................................................................... 37

3.1. Protocolos de comunicação ......................................................................................... 38

3.2. Host Link ..................................................................................................................... 38

3.2.1. Comando Host Link ............................................................................................ 39

3.2.2. Resposta Host Link ............................................................................................. 41

3.3. FINS – (Factory Interface Network Service) .............................................................. 44

3.3.1. Comando FINS .................................................................................................... 45

3.3.2. Resposta FINS ..................................................................................................... 47

3.4. Comunicação FINS com Host Link ............................................................................ 47

3.4.1. Comando e resposta FINS com Host Link .......................................................... 47

3.4.2. Exemplo prático FINS com Host Link ................................................................ 49

3.5. Comunicação FINS com Ethernet ............................................................................... 60

3.6. Software para acesso remoto ....................................................................................... 61

3.6.1. Software para gestao de rede ............................................................................... 61

3.6.2. Base de dados ...................................................................................................... 62

3.6.2. Comunicação TCP/IP entre cliente e servidor..................................................... 66

3.6.3. Estrutura de segmento de dados .......................................................................... 69

xi

3.6.4. Comunicação servidor – rede de PLCs ............................................................... 71

3.6.5. Software cliente ................................................................................................... 71

3.6.6. Partição dos segmentos de dados ........................................................................ 77

3.6.7. Fluxo de dados .................................................................................................... 79

4. Resultados práticos .............................................................................................................. 81

5. Conclusões e trabalho futuro ............................................................................................... 89

Referências .................................................................................................................................. 91

xii

Índice de figuras

Figura 1 – Organização interna de um PLC [2] ............................................................................ 3

Figura 2 - Ciclo interno do PLC .................................................................................................... 4

Figura 3 – Pirâmide CIM .............................................................................................................. 7

Figura 4 – Topologia em anel, estrela e barramento ................................................................... 11

Figura 5 – Modelo OSI ............................................................................................................... 13

Figura 6 – Modelo OSI para TCP/IP ........................................................................................... 15

Figura 7 – Cabo coaxial grosso, fino e par trançado ................................................................... 15

Figura 8 – Tipos de transmissão .................................................................................................. 16

Figura 9 – Estrutura genérica Ethernet ........................................................................................ 18

Figura 10 – Estrutura genérica do IP [9] ..................................................................................... 18

Figura 11 – Inicio de uma conexão TCP ..................................................................................... 20

Figura 12 – Transmissão de dados TCP ...................................................................................... 21

Figura 13 – Estrutura genérica do TCP [9] ................................................................................. 23

Figura 14 – Acoplamento das estruturas de segmento dados dos níveis OSI ............................. 23

Figura 15 – Modelo OSI de PROFIBUS ..................................................................................... 24

Figura 16 – Passagem do token [10] ........................................................................................... 26

Figura 17 – Topologia PROFIBUS DP e PROFIBUS PA [21] .................................................. 27

Figura 18 – Modelo OSI do AS-Interface ................................................................................... 30

Figura 19 – Cabos para AS-Interface [22] .................................................................................. 30

Figura 20 – Modelo OSI da rede DeviceNet ............................................................................... 33

Figura 21 – Topologia de rede DeviceNet [13] ........................................................................... 34

Figura 22 - Rede WALC ............................................................................................................. 37

Figura 23 – Esquema de ligação com uso de Host Link [15] ...................................................... 39

Figura 24 - Segmento de dado Host Link ................................................................................... 40

Figura 25 - Estrutura de segmento de dados da resposta Host Link ........................................... 41

Figura 26 - Estrutura segmento de dados em caso de erro .......................................................... 42

Figura 27 - Comunicação Host Link PC-PLC ............................................................................. 42

Figura 28 - Comunicação Host Link PC-PLC ............................................................................. 43

Figura 29 - Rede PLC com PC em comum ................................................................................. 43

Figura 30 - Rede de PLCs com diferentes tipos de ligação ......................................................... 44

Figura 31 - Segmento de comando do FINS [16] ....................................................................... 45

xiii

Figura 32 - Configuração ICF ..................................................................................................... 45

Figura 33 - Resposta ao comando FINS [16] .............................................................................. 47

Figura 34 - Comando FINS com Host Link ................................................................................ 47

Figura 35 - Resposta ao comando de FINS com Host Link [16] ................................................ 48

Figura 36 - PC ligado a PLCs em paralelo .................................................................................. 48

Figura 37 - Rede de PLCs com redes interligadas ...................................................................... 49

Figura 38 - PC ligado a um PLC ................................................................................................. 50

Figura 39 - Configuração geral comando FINS com Host Link (PC-PLC) [15] ........................ 50

Figura 40 - Resposta geral ao comando FINS com Host Link (PLC-PC) [15] ........................... 51

Figura 41 - Exemplo prático com PC e um PLC ......................................................................... 52

Figura 42 - PC ligado a vários PLCs ........................................................................................... 53

Figura 43 - Configurações gerais parâmetros FINS [16] ............................................................ 53

Figura 44 - Resposta ao comando FINS com Host Link [15] ..................................................... 54

Figura 45 - Envio de comando de escrita e leitura FINS com Host Link ................................... 54

Figura 46 - Rede de PLCs com várias redes ............................................................................... 55

Figura 47 - Configuração genérica parâmetros FINS cm Host Link [16] ................................... 56

Figura 48 - Estrutura do segmento de dados da resposta ao comando FINS [16] ....................... 57

Figura 49 - Troca de dados entre comando (PC-PLC) e resposta FINS (PLC - PC) .................. 57

Figura 50 - Representação de comando nas redes de PLCs ........................................................ 58

Figura 51 - Comando FINS com acesso a rede mais distante ..................................................... 59

Figura 52 - Ethernet com FINS ................................................................................................... 60

Figura 53 - Estrutura de segmento de dados FINS-TCP/IP ........................................................ 60

Figura 54- Interligação entre os clientes e PLC .......................................................................... 62

Figura 55 - Configuração de um Microsoft Data Link ................................................................ 62

Figura 56 - Algoritmo para conexão e pesquisa na base de dados .............................................. 63

Figura 57 - Porção de código do servidor para pesquisa base de dados ...................................... 64

Figura 58 - Porção de código para conexão, pesquisa e resultado da base de dados .................. 65

Figura 59 - Comunicação entre o cliente e o servidor ................................................................. 66

Figura 60 - Algoritmo servidor para comunicação ..................................................................... 67

Figura 61 - TCP Listen ................................................................................................................ 67

Figura 62 - TCP Write ................................................................................................................. 68

Figura 63 - TCP Read ................................................................................................................. 68

Figura 64 - TCP Close Connection ............................................................................................. 68

Figura 65 - Pedido de acção para o servidor ............................................................................... 69

Figura 66 - Envio de resposta do servidor ................................................................................... 70

Figura 67 - Estrutura segmento de dados entre cliente / servidor ............................................... 70

Figura 68 - Configuração comunicação cliente - servidor .......................................................... 72

xiv

Figura 69 - Fluxograma do software cliente ............................................................................... 72

Figura 70 - Criação do segmento de dados para login ................................................................ 73

Figura 71 - Envio de dados cliente-servidor via TCP ................................................................. 73

Figura 72 - Ambiente do software cliente ................................................................................... 74

Figura 73 - Acesso ao envio de segmento de dados para PLCs .................................................. 75

Figura 74 - Configuração estrutura de dados para envio TCP/IP ................................................ 75

Figura 75 - A selecção da estrutura de dados .............................................................................. 76

Figura 76 - Opções de acção no software cliente ........................................................................ 77

Figura 77 - Detecção do tipo de acção ........................................................................................ 78

Figura 78 - Execução a partição dos parâmetros do segmento de dados .................................... 78

Figura 79 - Execução da acção do segmento no cliente .............................................................. 79

Figura 80 - Fluxo dos vários segmentos de dados na rede .......................................................... 79

Figura 81 - Resultado da configuração de pesquisa na base de dados ........................................ 84

Figura 82 - Conexão multi cliente ao servidor ............................................................................ 85

Figura 83 - Resposta do servidor a um pedido ............................................................................ 86

Figura 84 - Rede testada em laboratório ..................................................................................... 87

Figura 85 - Rede com PROFIBUS testada em laboratório ......................................................... 87

xv

Índice de Tabelas

Tabela 1 – Tabela de velocidade transmissão e comprimento .................................................... 25

Tabela 2 – Trama AS-I ................................................................................................................ 31

Tabela 3 – Velocidade de transmissão DeviceNet ...................................................................... 34

Tabela 4 – Formato da sequência de dados DeviceNet ............................................................... 35

Tabela 5 - Comparação de redes de comunicação ...................................................................... 36

Tabela 6 – Códigos de acesso a áreas de memória do PLC [14] ................................................. 40

Tabela 7 - Códigos de escrita nas áreas de memória do PLC [14] .............................................. 41

Tabela 8 - Comandos de escrita e leitura .................................................................................... 44

Tabela 9 - Configuração dos parâmetros FINS com Host Link .................................................. 52

Tabela 10 - Configuração dos parâmetros de leitura do FINS com Host Link ........................... 52

Tabela 11 - Configuração comando escrita ................................................................................. 55

Tabela 12 - Configuração comando leitura ................................................................................. 55

Tabela 13 - Parâmetros para leitura de valores na posição de memória ..................................... 58

Tabela 14 - Escrita de dados com FINS e Host Link no PLC de outra rede ............................... 59

Tabela 15 – Comando para escrever dados ................................................................................. 82

Tabela 16 – Resposta do PLC ..................................................................................................... 82

Tabela 17 - Leitura de dados do FINS e do Host Link ................................................................ 82

Tabela 18 - Resposta do pedido efectuado pelo Host Link e FINS............................................. 82

Tabela 19 - Uso de FINS para escrita de dados .......................................................................... 83

Tabela 20 - Leitura de dados através do FINS ............................................................................ 83

xvi

Lista de Acrónimos

ACK Acknowledgments

CIM Computer Integrated Manufacturing

CPU Central Processing Unit

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Acess / Collision Detection

DP Decentralized Periphery

DTM Device Type Manager

EEPROM Electrical Erasable Programmable Read Only Memory

EPROM Erasable Programmable Read Only Memory

FBD Function Block Diagram

FDT Field Device Tools

FMS Fieldbus Message Specification

GSD General Slave Data File

I/O Input / Output

IL Instruction List

IP Internet Protocol

LD Ladder Diagrams

MAC Media Acess Control

MSACn Message-Slave Acyclic, Class n

OSI Open Systems Interconection

PA Process Automation

PC Personal Computer

PLC Programmable Logic Computer

xvii

SFC Sequencial Function Charts

ST Structured Text

TCP Transmission Control Protocol

WALC Web Assisted Laboratory for Control

CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO ______________________________________________________________________________________________

1

1. Introdução

Neste capítulo, apresenta-se o enquadramento e os objectivos desta dissertação, fazendo-se,

uma introdução teórica sobre autómatos, e finalmente é indicado a estrutura da dissertação.

1.1. Enquadramento

O tema desta dissertação surge no âmbito do projecto de investigação e

desenvolvimento financiado pela Fundação para a Ciência e a Tecnologia, WALC (Web

Assisted Laboratory for Control).

Este projecto resulta de uma parceria entre vários departamentos da Escola de

Engenharia da Universidade do Minho, mais concretamente, o Departamento de Electrónica

Industrial, o Departamento de Engenharia Mecânica, o Departamento de Produção e Sistemas e

o Departamento de Sistemas de Informação.

Também, no âmbito deste projecto, realizou-se uma parceria com a OMRON, empresa

que forneceu a maior parte dos equipamentos de automação. O projecto WALC, consiste na

implementação de um laboratório virtual e remoto para estudos de automação e controlo de

processos.

A implementação de todo o equipamento que culminará na construção de um protótipo

encontra-se em fase de execução. Por isso, esta tese está orientada para uma das tarefas que

compõem esse projecto (Acesso remoto e controlo de processos de uma rede de autómatos) e

toda a apresentação teórica apresentada neste documento, bem como testes já realizados, podem

ser utilizados para esse efeito.

1.2. Controladores industriais

Dependendo do tipo de processo, existem vários tipos de controladores, desde os relés

(interface com actuadores, quadros de comando, entre outras aplicações), controladores de

temperatura (parametrizado para actuar conforme a variação de temperatura), variadores de

velocidade (aplicados em motores), entre outros. No entanto, existe outro tipo de controladores,


2

programáveis, oferecendo uma vasta área de aplicação. Estes controladores, são denominados

por PLC (Programmable Logic Computer).

No início de 1960 [2], o controlo de sistemas era feito através dos tradicionais

dispositivos electromecânicos, como por exemplo, o uso de relés, sendo o aparelho mais

utilizado para controlo discreto de sistemas (estado On – Off). Apesar de ainda ser um

dispositivo bastante utilizado nos dias de hoje, estes aparelhos associam-se a determinados

problemas, sendo susceptíveis a falhas mecânicas, necessitam de alguma energia para operar, e

geram muito ruído eléctrico para a rede, apesar da tecnologia se ter desenvolvido e diminuindo

estas características físicas [3].

Com efeito, a necessidade de criar um sistema de controlo mais fidedigno,

principalmente na indústria automóvel, surge em 1968, o PLC (Programable Logic Controller),

e um ano depois surge a sua comercialização [2]. Em 1970 apareceu o microprocessador,

fazendo com que os PLCs aumentassem a sua capacidade de acção em sistemas cada vez mais

complexos, expandido para diversas áreas, desde a robótica, controlo de máquinas, controlo de

sistemas hidráulicos, entre outros.

Na década de 1980 o PLC sofreu várias optimizações e melhoramentos. Assim, foi

aumentada a velocidades de processamento e a capacidade de comunicação, tornou-se mais

flexível, aumentou-se o número de entradas e saídas, verificou-se uma diminuição do preço.

Esta situação permitiu que nos anos 90 os PLCs se tornassem uma importante ferramenta para

controlo e recolha de dados em tempo real, alocação de informação e gestão de dados em

processos industriais [4].

Com o aparecimento do controlador digital, surgem novos métodos de controlo e gestão

de processos. Há um forte aumento na fiabilidade e no controlo de qualidade dos processos, no

mundo industrial, surgindo então certas vantagens. Desde o aumento da capacidade de

produção, melhoria do controlo de inventários, reforço da qualidade, e como tal, o aumento da

produção e competitividade empresarial.

No entanto, não existem apenas vantagens para o uso da automação. Existem algumas

limitações nestes sistemas implementados, começando pelo custo elevado de implementação e

manutenção, desactualização do sistema autónomo, aumento significativo da manutenção e

gestão do sistema [1].


3

1.2.1. Autómatos Programáveis

Para melhor compreender o funcionamento de um autómato, é representado na Figura 1

uma estrutura genérica da sua organização [2].

Figura 1 – Organização interna de um PLC [2]

Para entender o funcionamento de um autómato é apresentado de seguida uma breve

explicação [2]:

O CPU (Central Processing Unit), sendo um microprocessador comum, executa o

programa desenvolvido pelo fabricante, sendo guardado na executive memory. O programa

desenvolvido pelo fabricante é executado pelo CPU, e como tal, dá capacidade a este para

interpretar o programa desenvolvido pelo utilizador. Esse código, é guardado na user memory.

Para fazer a aquisição e leitura de sinais, o CPU não opera directamente com o sistema

de I/O (Input / Output), mas trabalha com uma imagem das I/O guardadas no bloco de I/O

image memory. Esse bloco é responsável pela escrita e leitura de dados provenientes das

entradas e saidas na I/O Image, para estabelecer a interface com o meio ambiente [2], [3].


4

O Watchdog timer, tem como função contabilizar o tempo que o CPU demora a

executar o programa feito pelo utilizador. Caso o programa demore mais que o tempo pré

determinado, significa que pode ter ocorrido uma falha ou um erro, o que vai fazer com que haja

um reset ao CPU.

Para estabelecer comunicação entre outros elementos, como enviar e receber dados,

provenientes de outros autómatos, ou de um PC (Personal Computer), existe o bloco dedicado à

comunicação (Comunication Interface). Essa comunicação pode ser estabelecida, por exemplo,

pela comunicação série, ou por outros tipos de comunicações.

Para actualizar as entradas e saídas, e o estado das memórias, é necessário entender o

ciclo interno do PLC. Na Figura 2, é apresentado um esquema do ciclo interno do PLC.

Figura 2 - Ciclo interno do PLC

O ciclo interno do PLC possui três etapas. A primeira verifica o estado das entradas,

onde é guardado na Input Image. A segunda etapa é a verificação do programa criado pelo

utilizador, actualizando deste modo os estados das variáveis, e a Output Image.

Na última étapa, os valores guardados na Output Image, são transferidos para as saídas

do PLC [3].

O tempo de execução do ciclo interno do PLC, desde a leitura das entradas até à

actualização das saídas, é denominado por scan time. Este tempo, geralmente depende de dois

factores. O primeiro é a quantidade de memória ocupada pela programação do PLC, e a

segunda, o tipo de instrução usada no programa. O scan time, necessário para executar um ciclo

varia entre alguns milissegundos até 50 milissegundos [3].

O autómato utiliza dois tipos de memórias para alocar os programas e para guardar

valores intermédios, as voláteis e as memórias não voláteis. A diferença entre estes dois tipos de

memórias, reside na salvaguarda dos valores e do código do utilizador na memória. Quando a


5

alimentação do autómato é desligada, a memória não volátil retém todo o seu conteúdo, ao

contrário das memórias voláteis.

As memórias voláteis tipicamente utilizadas são as RAM (Random Acess Memories),

em que o seu consumo é muito baixo, bastando uma pequena pilha, para reter o conteúdo da

memória durante curtos períodos de tempo, sem alimentação da fonte do PLC.

As memórias não voláteis, normalmente utilizadas são as EPROM (Erasable

Programmable Read Only Memory) e as EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read

Only Memory). Ambas podem ser escritas e apagadas mais do que uma vez, sendo diferente o

método utilizado para o efeito.

Para programar uma EPROM, é necessário usar impulsos eléctricos, e para apagar todo

o seu conteúdo é necessária a sua exposição à luz ultra violeta, denominado por UV – EPROM.

O funcionamento das EEPROM, é semelhante às anteriores, modificando apenas o método de

apagar a memória, permitindo fazé-lo através de impulsos eléctricos, não sendo necessária a

exposição à luz ultra violeta [2], [3].

1.2.2. Linguagens de programação normalizadas

Na programação de PLCs, existem várias linguagens de programação normalizadas

(IEC61131-3), ou simplesmente IEC 1131-3, nomeadamente – Ladder Diagrams (LD),

Function Block Diagram (FBD), Instruction List (IL), Structured Text (ST), e por último,

Sequencial Function Charts (SFC). De seguida é apresentado, as características de cada uma:

Ladder Diagrams (LD) – é uma linguagem gráfica, onde o principio do seu

funcionamento deriva da lógica dos relés e contactos. Graficamente, possui regras básicas: as

instruções de saída ficam colocadas no lado direito das linhas horizontais. A execução da

instrução de saída depende da afirmação lógica das instruções de entrada à sua esquerda.

Function Block Diagram (FBD) – utiliza blocos da lógica booleana, adequado para

controlo discreto, onde cada bloco pode ser interpretado como uma função. À esquerda do bloco

são indicados as variáveis de entrada, e à sua direita o resultado da função.

Instruction List (IL) – este método de programação consiste numa sequência de

comandos, onde cada um executa determinada acção. Esta linguagem assemelha-se à linguagem

Assembly, usada nos microprocessadores.


6

Structured Text (ST) – é uma linguagem de programação de alto nível, que suporta

determinadas instruções, como o while (), do while (), if () then else, entre outros.

Sequencial Function Charts (SFC) – É uma linguagem que fornece uma representação

gráfica da sequência de um programa. Basicamente, SFC é uma forma de organizar um

programa, mesmo que este seja desenvolvido noutra linguagem (LD, FBD, IL ou ST), através

de uma representação gráfica. O SFC possui 3 elementos essenciais para a sequência de um

programa e sua estrutura: Etapa (estado do programa onde as acções são executadas), Transição

(condição pela qual o pograma muda de estado), e finalmente a Acção (actividade executada

pelo programa num estado), [5].

1.2.3. Pirâmide de CIM

A evolução dos PLCs, abrange uma área de aplicação cada vez maior, sendo bastantes,

utilizados no mundo industrial. Fornecem grande robustez e fiabilidade em ambientes hostis.

Torna-se possível, a sua utilização em ambientes com vibrações, campos magnéticos, poeiras,

temperaturas elevadas, entre outras. Com o aumento dos processos automáticos controlados por

PLCs, e com o aumento da complexidade e rigor dos processos industrais, torna-se imperativo,

um fácil acesso aos estados de operação dos processos industriais. Este tem sido promovido pela

implementação de redes industriais, o que aumenta a fiabilidade, facilita o acesso e visualização

do estado de operação dos PLCs.

Dentro de uma linha de produção, com vários processos independentes, ligados em rede,

torna-se crucial que o acesso a estes, através de um posto de trabalho, seja rápido, permitindo a

sua supervisão e controlo, mesmo que estejam separados fisicamente.

Numa rede industrial, podem existir vários tipos de dispositivos, desde PLCs, sensores,

actuadores, entre outros, que se interligam de diferentes modos. A forma como este dispositivos

se distribuem numa rede industrial, pode ser descrita através do modelo da pirâmide CIM.

Com o modelo da pirâmide CIM, surge um novo conceito de organização de métodos

de produção industrial. Desde, a automatização de máquinas e processos, organização da troca

de dados entre as várias áreas de uma empresa e a gestão de fluxo de matéria-prima. Como

consequência desta prática, ocorre um melhoramento do processo, optimização e aumento da

velocidade de produção, controlo de qualidade e principalmente o controlo de custos.

A pirâmide CIM está dividida em vários níveis (Figura 3). De seguida, é explicado cada nível

[5].


7

Figura 3 – Pirâmide CIM

• Nível de gestão:

Este é o nível mais elevado na pirâmide CIM, sendo o nível responsável pela

gestão, processamento e tratamento de dados provenientes dos níveis baixos. Os dados

podem ser guardados em base de dados, guardando em histórico de modo a monitorizar

e registar todos os processos.

• Nível de controlo:

Este nível está encarregado de fazer o controlo e gestão de zonas específicas.

Neste nível costumam estar situados os autómatos com maior capacidade de acção,

dispositivos de visualização e controlo (consolas gráficas).

• Nível de processo:

Este nível está encarregue de pequenos automatismos, desde controladores,

autómatos de gama mais baixa, podendo haver topologias de master/slave, entre

autómatos.

• Nível de entradas e saídas:

É o nível onde se encontram os sensores e actuadores, encarregues de controlar e gerir

fisicamente todos os processos e tomar todas as medidas necessárias para um bom

funcionamento de todo o processo.


8

Esta não é uma estrutura obrigatória, podendo variar, por vezes o número de níveis.

Todos estes níveis, estão indirectamente relacionados com alguns meios de comunicação, visto

que os dispositivos usados nas diversas camadas da pirâmide CIM, possuem características

diferentes.

Na actualidade, existe uma grande diversidade de redes que podem ser aplicadas na

indústria, desde Ethernet-TCP/IP, PROFIBUS, DeviceNet, AS-Interface, PROFINET, entre

outras.

Não existe nenhuma regra que indique que uma determinada rede pertence a um

determinado nível da pirâmide CIM. Como tal, é necessário saber qual a finalidade da rede e

estudar as suas aplicações, características e método de comunicação para saber em que camada

da pirâmide CIM se pode utilizar.

Para tal, é efectuado no capítulo seguinte o estudo de algumas das redes, que podem ser

aplicadas nas várias camadas da pirâmide.

1.3. Objectivos

O objectivo desta dissertação consiste no estudo e implementação de uma rede de

autómatos para controlo e gestão de processos, incluindo sistemas de segurança de acesso à rede

e gestão de rede por via remota.

De forma a atingir os objectivos, definiram-se várias metas.

A primeira, consiste em fazer um estudo sobre o funcionamento de várias redes de

comunicações utilizadas para fins industriais.

Uma outra meta, é investigar formas de acesso a vários PLCs de uma rede industrial,

onde o objectivo é aceder a todos os dispositivos, a partir de um único posto de trabalho. As

tarefas executadas por esse posto, podem ser por exemplo, actualizações de estados.

Para facilitar o acesso à rede de PLCs, é importante que esse seja feito remotamente,

concedendo uma maior versatilidade ao sistema.

Um ponto importante é limitar o acesso à rede, isto é, não permitir que qualquer pessoa

seja capaz de utilizar a rede, sem autorização.


9

Como tal, havendo a disponibilidade de aceder remotamente à rede, e havendo a

possibilidade de existirem vários utilizadores, é necessário controlar o tráfego de informação.

Isto é, no caso de múltiplos clientes ligados à rede, é importante que as respostas provenientes

da rede sejam de acordo com o pedido de cada cliente, e que, exista troca de informação.

1.4. Estrutura da dissertação

Esta dissertação encontra-se estruturada em 5 capítulos, onde de seguida é apresentado a

sua organização:

No capítulo 1 é efectuado o enquadramento do trabalho, são indicados os objectivos, a

estrutura da dissertação, e uma introdução teórica dos PLCs.

O capítulo 2 encontra-se orientado de forma a explicar algumas das redes utilizadas em

ambientes industriais. Para entender os modelos utilizados para cada rede, é explicado o modelo

OSI. Posteriormente, é explicado o funcionamento de algumas redes de comunicação,

nomeadamente Ethernet – TCP/IP, PROFIBUS, AS-I (Actuator Sensor Interface) e por fim

DeviceNet. Durante a explicação de cada uma, são indicados os níveis que cada uma possui em

relação ao modelo OSI, e detalhado o funcionamento de cada camada.

O capítulo 3 apresenta a descrição do trabalho prático, onde são explicados os métodos

de comunicação com uma rede de PLCs, utilizando o protocolo Hostlink e FINS. São

detalhadas as suas configurações, estruturas, aplicações e suas limitações. Como meio de

aplicação destes protocolos, é explicado o desenvolvimento de duas aplicações feitas em

LabView (servidor / cliente).

No capítulo 4 apresentam-se os resultados práticos obtidos na comunicação com o

protocolo FINS e Host Link, e da implementação do servidor / cliente.

No capítulo 5 são indicadas as conclusões do trabalho realizado e as possibilidades de

trabalho futuro.

CAPÍTULO 2 – REDES DE COMUNICAÇÃO ______________________________________________________________________________________________

11

2. Redes de comunicação

Na conectividade entre um PC (Personal Computer) e outros dispositivos semelhantes, ou

aparelhos que suportem ligação por uma rede, independentemente qual seja, é necessário

seleccionar a conexão física, que permitirá, uma troca de sinais, electricamente compatíveis.

Após a selecção do meio físico de comunicação, é necessário escolher um método de

transmissão de dados, que se adapte adequadamente à rede seleccionada, e consequentemente ao

dispositivo utilizado.

Para interligar todos os dispositivos neste tipo de rede, existem várias topologias. Estas

topologias vão desde topologia em barramento, estrela, ou em anel. Na Figura 4, é apresentado

um esquema de ligação de cada topologia [6].

Figura 4 – Topologia em anel, estrela e barramento

Topologia em estrela – Neste tipo de rede, um dispositivo pode-se ligar a outro através

de um equipamento central (hub, switch, …), sem nenhuma ligação directa, ou através de outro

computador. A adição de dispositivos à rede é simples, mas a grande desvantagem deste tipo de

rede é a avaria do equipamento central (em caso de avaria desliga toda a rede).

Topologia em anel – Neste tipo de rede os dispositivos encontram-se ligados em série,

formando um circuito fechado. Neste caso, os dados são transmitidos, unidirecionalmente de

dispositivo a dispositivo até atingir o seu destino. A desvantagem deste tipo de rede, é em caso

de avaria de um PC, este pode afectar o funcionamento de toda a rede.

Topologia em barramento – Nesta topologia todos os dispositivos estão ligados

directamente a um barramento. Os dados são transmitidos para este, mas apenas um dispositivo

recebe os dados, porque junto com estes vai o endereço de destino [6]. Em caso de avaria no

cabo de comunicação e toda a rede desliga-se.


12

Ao seleccionar uma rede de comunicação, é necessário saber qual a aplicação e qual a

exigência que será feita à rede. Deste modo, de acordo com o modelo da pirâmide CIM,

seleccionaram-se e estudaram-se algumas redes, aplicadas em níveis diferentes da pirâmide.

Deste modo, seleccionou-se a rede Ethernet-TCP/IP, que pode ser implementada do nível de

controlo até ao nível de gestão; PROFIBUS, podendo ser aplicado do nível de actuadores e

sensores até ao nível de processo; AS-Interface, tem aplicação no nível mais baixo do modelo

CIM e por fim DeviceNet, que pode ser aplicado no nível de sensores e actuadores.

Estas redes podem inserir-se, nos vários níveis do modelo CIM, sendo possível identificar

as diferenças tecnológicas entre elas.

Ao longo deste capítulo, para cada uma das redes, são indicadas as camadas do modelo

OSI, que ela utiliza. Dentro de cada camada são apresentadas as características e funções que

cada camada possui, para cada uma das redes.

Para a organização e a estrutura das redes (meio físico, método de transmissão,

configuração de parâmetros, entre outros), é utilizado o modelo OSI, sendo importante para

estruturar e organizar uma rede, dividindo-a em vários níveis, onde cada um, é responsável pela

execução de uma tarefa específica. De seguida, é apresentado em detalhe o modelo OSI.

2.1. Modelo OSI

Durante a década de 80, um grupo chamado Open Systems Interconect, ou

simplesmente OSI, criou uma organização lógica para as diversas partes que formam uma rede.

Actualmente este modelo não é aplicado na sua íntegra, mas é um modelo para explicar como

deve ser um funcionamento de uma rede. Na Figura 5, é representado o modelo OSI (Open

Systems Interconection model), com as respectivas camadas [7], [6].


13

Figura 5 – Modelo OSI

Para uma melhor compreensão sobre o modelo OSI, apresenta-se uma explicação sobre cada

camada [7],[8]:

1. Meio físico É a camada mais baixa do modelo OSI, suportando as conexões feitas a

múltiplos dispositivos, suportando as comunicações Half-duplex e Full-

duplex. Esta camada define as condições físicas das ligações, desde ao tipo

de cabo utilizado, gestão dos sinais eléctricos gerados para a transmissão de

dados.

2. Ligação de dados A camada de ligação de dados detecta e pode corrigir erros que ocorrem

durante a transmissão feita pela camada física. Para uma comunicação onde

a transmissão é síncrona (fluxo de dados controlado por um sinal de relógio,

dentro do dispositivo), esta camada permite, a detecção e correcção de erros,

ocorridos na transmissão. Mas caso a transmissão de dados seja assíncrona

(ausência do sinal de relógio), esta camada, apenas detecta os erros, e as

camadas superiores ficam responsáveis pela sua correcção.

3. Rede A camada de rede tem como função, decidir qual o caminho físico, que

os dados devem ter, controlando as comunicações, estabelecendo ou

desactivando uma comunicação.

4. Transporte A camada de transporte é responsável pela transmissão de dados,

controlando o fluxo de dados, corrigindo o envio, caso ocorra algum tipo de

erro na comunicação, garantindo deste modo, o sucesso do envio dos dados.


14

5. Sessão Esta camada faz a gestão da comunicação, sendo dependente da camada

abaixo desta (Transporte). Quando é estabelecido a comunicação de dois

processos de dispositivos diferentes, por exemplo dois PCs, é estabelecida

uma sessão. Essa sessão é controlada por esta camada, dando o início e o fim

da comunicação.

6. Apresentação A camada de apresentação do modelo OSI, é responsável pelo formato

dos dados, podendo converter os dados para formatos diferentes do seu

estado de origem. Deste modo, pode ser estabelecida uma ligação entre dois

dispositivos que usam dados com formatos diferentes.

7. Aplicação Esta camada é a camada mais alta no modelo OSI. Contém entidades

responsáveis pela gestão e controlo de recursos, sendo responsável pela

activação da transmissão e comunicação de dados.

2.2. Ethernet – TCP/IP

A maioria das redes existentes utiliza a tecnologia Ethernet. Esta foi criada na década de

70 por Bob Metcalfe da Xerox [8], com o intuito de conectar vários postos de trabalho. O

aparecimento desta nova tecnologia na altura, permitiu comunicações com uma maior

velocidade de transmissão (3Mbps).

O custo para a implementação deste tipo de rede é relativamente baixo, sendo um

sistema flexível, pois pode ser aplicado para diversas situações, como rede local, ou rede

industrial. É uma rede bastante conhecida, concedendo grandes velocidades de comunicação,

podendo ir até 1Gbps. É também possibilitado o acesso remoto a esta, sendo possível a partilha

de dados e acesso a dispositivos.

Os PLCs começam a vir incorporados com componentes que possibilitam o acesso

através de Ethernet TCP/IP.


15

2.2.1. Camadas de Ethernet – TCP/IP

Tendo como base o modelo OSI, este tipo de rede não implementa todas as camadas aí

referenciadas. Na Figura 6, são apresentadas as camadas implementadas nesta rede [9].

Figura 6 – Modelo OSI para TCP/IP

De seguida, apresenta-se uma descrição detalhada de cada camada usada neste tipo de redes.

2.2.2. Meio físico

Para a transmissão de dados numa rede Ethernet, existem várias possibilidades, na

selecção do tipo de cabo utilizado. Na generalidade, a Ethernet funciona a uma velocidade de

10Mbps, e os seus tipos de cabos utilizados são: Cabo coaxial fino, cabo coaxial grosso e par

trançado, como é apresentado na Figura 7 [18],[19], [20].

Figura 7 – Cabo coaxial grosso, fino e par trançado


16

A evolução tecnológica dos dispositivos permitiu o aumento das velocidades de

transmissão para 100Mbps e para 1Gbps. Para velocidades de 100Mbps, os meios físicos para

transmissão são: cabo coaxial fino, par trançado e fibra óptica. Estes mesmos meios também são

usados para a velocidade de transmissão de 1Gbps [8].

2.2.3. Ligação de dados

Nesta camada é utilizado o protocolo MAC (Media Acess Control), sendo o endereço

físico do dispositivo, de 48 bits. Cada dispositivo de rede, possui um endereço, servindo de

referência para troca de dados entre várias estações.

Existem vários modos de transmissão: Simplex, Half-Duplex e o Full-Duplex. Nas

transmissões do tipo Simplex, apenas um dispositivo transmite, significando que esta é feita

unilateralmente. Nas transmissões do tipo Half-Duplex, cada posto pode transmitir ou receber

informações, não acontecendo transmissões simultâneas. Por fim existe a transmissão do tipo

Full-Duplex, onde cada dispositivo transmite e / ou recebe informações. Podendo existir

transmissões simultâneas. A Figura 8 ilustra os três exemplos dos vários tipos de transmissão de

informações [6].

Figura 8 – Tipos de transmissão

Em Half-Duplex e Full-Duplex, é utilizado o CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Acess

/ Collision Detection), que garante, que apenas um posto de trabalho está a enviar dados,

ocupando deste modo a linha de comunicação. O Carrier Sense significa que cada dispositivo

escuta antes de transmitir dados para a linha. Caso exista já uma transmissão a decorrer este

aguarda até que a linha esteja desocupada. Multiple Acess significa que mais do que um posto


17

pode escutar e transmitir dados pela linha. Collision Detection significa que, quando ocorrem

acidentalmente transmissões em simultâneo na linha, os postos de trabalho são capazes de

detectar esse erro.

Numa rede Ethernet podem ocorrer colisões. Numa rede de grandes dimensões com

vários postos de trabalho a transmitir, o número de colisões pode chegar a níveis elevados, pois

como estão muitos dispositivos na mesma rede, a probabilidade de ocorrer colisões pode ser

elevada. Para identificação dos dispositivos de uma rede Ethernet, todos eles possuem endereços

próprios, que são dados pelos construtores do equipamento, sendo o endereço físico deste

dispositivo electrónico, com um tamanho de seis bytes.

2.2.3.1. Estrutura de segmento Ethernet

A Ethernet possui uma estrutura de segmento própria com a versatilidade de serem

incluídos, outros segmentos de dados provenientes de camadas acima. Na Figura 9 encontra-se

representada a estrutura de segmento de dados da Ethernet, sendo a configuração de cada um

dos parâmetros[9] :

1. Preâmbulo

Indica o início da transmissão do segmento de dados

2. Endereço destino

Indicação do endereço físico do destino

3. Endereço origem

Indicação do endereço físico da origem

4. Tamanho

Tamanhos dos dados

5. Dados

Dados provenientes dos níveis acima

6. FCS

Verificação de erros durante a comunicação


18

Preambulo Endereço destino Endereço origem Tamanho Dados FCS

Figura 9 – Estrutura genérica Ethernet

Como forma elucidativa desta estrutura é apresentado de seguida um exemplo de configuração

da estrutura genérica da Ethernet.

2.2.4. Rede

Na camada 3 do modelo OSI, situa-se o IP (Internet Protocol). É um protocolo cuja

funcionalidade se aproxima da camada de rede nível três do modelo OSI, usado pelo nível

superior (transporte), onde a sua tarefa e funcionalidades são independentes das camadas

inferiores.

A tarefa do IP é apenas encontrar um caminho que faça com que os dados a transferir

cheguem ao receptor. Para tal é necessário saber qual o endereço final para ser enviado o

segmento de dados. A estrutura de configuração do IP está representada na Figura 10, [9].

Figura 10 – Estrutura genérica do IP [9]

De seguida, detalha-se cada parâmetro da estrutura do segmento IP, [9]:

1. Versão – Contém a versão do protocolo IP

2. Tamanho cabeçalho – É indicado o tamanho do cabeçalho


19

3. Tipo serviço – Especifica o tipo de serviço, isto é, indica qual o tipo de prioridade, e

quais os valores do tipo de serviço, minimizar atrasos, por exemplo.

4. Tamanho total – Indica o tamanho de todo o segmento com o cabeçalho e os dados

incluídos

5. Identificação – Número único enviado pelo emissor para ajudar na reestruturação do

segmento no receptor

6. Flags – Contem flags de controlo, permitindo ou não a fragmentação do

segmento de dados (DF), e o aviso de ser o último fragmento a ser

enviado ou caso ainda haja outro (MF).

7. Fragment offset – Serve para ajudar na reestruturação do segmento de dados

8. TTL – Este campo especifica o tempo, em segundos, que o segmento de dados

tem para chegar ao destino

9. Protocolo – Indicação do tipo de protocolo utilizado na camada superior

10. Checksum – Verificação de erros durante o envio de dados

11. IP fonte – Indicação do endereço IP do dispositivo que envia os dados

12. IP destino – Indicação do endereço IP do destinatário que irá receber os dados

13. IP opções – Opções das variações do tamanho do segmento dependendo do primeiro

byte

14. Dados – Dados a enviar que são passados para o protocolo da camada acima


20

2.2.5. Transporte

Na camada de transporte situa-se o protocolo TCP (Transmission Control Protocol).

Neste protocolo a conexão é estabelecida entre dois pontos, para a transferência de dados. Este

permite a recuperação de dados perdidos durante a comunicação e também a eliminação de

dados duplicados. À medida que os dados são recebidos pelo receptor é enviada uma mensagem

ao emissor de que a recepção do dado foi bem concebida.

Ao iniciar uma ligação é enviado um sinal do emissor (SYN) para o receptor, ao que

este responde com uma confirmação (SYN/ACK). Com a recepção do SYN/ACK, o emissor,

envia uma confirmação da recepção (ACK).

Deste modo, a transferência de dados pode ser iniciada pelo emissor. Na Figura 11, é

apresentada a conexão de dois dispositivos para início de uma transferência de dados, [9].

Figura 11 – Inicio de uma conexão TCP

Nos segmentos destinados a transferência de dados é indicado ao receptor que os dados

serão enviados (PSH), e que deve passá-los para a próxima camada, neste caso a aplicação.

Após o final de transmissão dos dados, o emissor indica ao receptor que esta terminou (FIN), à

qual o receptor confirma com o envio de um ACK, terminando assim a comunicação entre os

dois dispositivos. Na Figura 12 é apresentado um diagrama de como é feito o estabelecimento

de transmissão de dados e o seu término.


21

Figura 12 – Transmissão de dados TCP

Caso seja ultrapassado o limite de tempo de conexão durante a comunicação entre o

emissor e o receptor, o emissor envia uma indicação (RST) de que a conexão vai ser

reinicializada. Esta reinicialização de envio dos dados pode ser causada por várias razões, desde

a perda de acknowledgments em resposta a recepção de dados, ou um reenvio de um

acknowledgment, que foi recebido pelo emissor após o tempo de espera da resposta de receptor.

2.2.5.1. Estrutura do segmento TCP

Para entender melhor o funcionamento do TCP, é apresentado na Figura 13, a estrutura

do segmento de dados desta camada, sendo feita uma descrição detalhada de cada parâmetro,

[9].

1. Porta de origem / destino – É indicado o número da porta TCP de origem e destino

2. Número de sequência – Ordem do primeiro octeto de dados no segmento (se SYN=1,

este número é o initial sequence number, ISN)

3. Número de Ack (32 bits) – O número de ordem do octeto seguinte na sequência que a

entidade TCP espera receber


22

4. Comprimento cabeçalho (4 bits) – Número de palavras de 32 bits no cabeçalho

5. Flags – Indicações específicas

6. Janela – Número de octetos em trânsito sem confirmações (controlo de

fluxo)

7. Soma de controlo (16 bits) – Soma para a detecção de erros

8. Apontador de urgência (16 bits) – Adicionado ao número de sequência dá o número de sequência

do último octeto de dados urgentes

9. Opções – Especifica características opcionais

De seguida, é apresentado o significado das Flags utilizadas no TCP, indicando as suas

funcionalidades, [9]:

1. URG – Indicação no caso do apontador de urgência ser valido

2. ACK – Indica se o número de sequência de confirmação é valido

3. PSH – O receptor deve passar imediatamente os dados para a camada de

aplicação

4. RST – Indica que a conexão TCP foi reinicializada

5. SYN – Indica que os números de sequência devem ser sincronizados para se

iniciar uma conexão

6. FIN – Indica que o emissor terminou o envio de dados


23

Figura 13 – Estrutura genérica do TCP [9]

2.2.6. Estrutura final do segmento dados

A camada de aplicação é responsável por guardar a informação do utilizador. Os dados

gerados por esta aplicação são então transferidos para a camada inferior, e consequentemente

para as outras camadas. Cada uma delas vai colocar informação extra no início do segmento de

dados a transmitir, de modo a poder ser interpretado pela camada do sistema de destino. A

estrutura final do segmento de dados encontra-se representada na Figura 14.

Figura 14 – Acoplamento das estruturas de segmento dados dos níveis OSI

2.3. PROFIBUS

O PROFIBUS (Process FieldBus), pode ser implementado numa grande variedade de

processos automáticos, desde a utilização de sensores, actuadores, e PLCs. Sendo um sistema

aberto, é possível utilizar diversos equipamentos, provenientes de diversos fabricantes, sem

necessidade de fazer qualquer adaptação extra. O Profibus possui três tipos de versões, sendo

denominadas: PROFIBUS FMS, PROFIBUS DP, PROFIBUS PA [10].


24

O uso do PROFIBUS e seus respectivos dispositivos para controlo de processos, fez

com que a complexidade das instalações da parte de comando, diminuísse visto que, este tipo de

rede permite o uso de apenas um cabo para interligar todos os componentes. Isto fez com que

houvesse uma redução no custo da implementação deste sistema. Deste modo, a localização de

possíveis avarias ou falhas, torna-se mais fácil.

2.3.1. Camadas do PROFIBUS

O protocolo do PROFIBUS é baseado no modelo OSI (Open System Interconnection),

sistema no qual existem sete camadas. O PROFIBUS, é apenas definido por três camadas, a

camada 1 (meio físico), camada 2 (ligação de dados) e a camada 7 (aplicação). As duas

primeiras camadas são utilizadas pelo PROFIBUS DP e PA, mas a sétima camada é apenas

utilizada pelo PROFIBUS FMS. Na Figura 15 [10], são apresentadas as camadas do

PROFIBUS.

Figura 15 – Modelo OSI de PROFIBUS

2.3.2. Meio físico

Sendo esta a primeira camada, o meio de transmissão utilizado no PROFIBUS é o RS-

485, utilizando um par trançado. Este tipo de meio permite flexibilidade, onde se torna possível

adicionar ou retirar dispositivos, sem influenciar a configuração e o seu funcionamento. A

velocidade de transmissão (Baudrate) é definida pelo comprimento do cabo onde estão ligados

todos os dispositivos. A Tabela 1 apresenta as velocidades e comunicações possíveis em

PROFIBUS [11].


25

Tabela 1 – Tabela de velocidade transmissão e comprimento

Transmissão (Kbit/s) 9,6 19,2 93,75 187,5 500 1500 12000

Distância (m) 1200 1200 1200 600 200 200 100

Com a excepção das velocidades entre 9,6 a 93,75Kbit/s, quanto maior for a distância

do último dispositivo que se encontra no barramento, menor é a velocidade de transmissão entre

todo o sistema. O PROFIBUS faz a distinção entre o dispositivo master e os slaves. Os masters

são responsáveis pela gestão da comunicação entre os restantes dispositivos (slaves). Estes

podem ser PLCs, sensores ou actuadores.


Na segunda camada do PROFIBUS é implementado o Bus Access Protocol, onde está

incluído neste protocolo a segurança dos dados e o manuseamento da transmissão.

O Medium Acess Control (MAC) especifica a permissão de um determinado

dispositivo, para o envio de dados. Perante a possibilidade de existirem vários masters no

mesmo BUS, é utilizado o token (testemunho). Este, é passado entre masters, atribuindo um

determinado período de tempo para comunicação ao master que o possuir. Na Figura 16 é

representada a passagem cíclica do token e o acesso aos slaves [10].


26

Figura 16 – Passagem do token [10]

Quando o token é passado para o próximo master, este fica com os privilégios de aceder

aos slaves, por um tempo limitado. Quando esse tempo é ultrapassado, o token passa para o

próximo master. No exemplo da Figura 16, estão indicados a existência de três masters,

passando o token entre eles, tendo acesso aos slaves.

2.3.4. Configurações do PROFIBUS

A configuração da rede PROFIBUS, apresenta várias configurações possíveis,

nomeadamente [10]:

O PROFIBUS FMS: O termo FMS, significa Fieldbus Message Specification,

apresentando soluções, para extensas e complexas tarefas de comunicação entre dispositivos

mais complexos. Este tipo de rede pode ser implementado até aos níveis de gestão de dados. No

entanto, como o uso crescente do TCP/IP, cada vez mais implementado em ambiente industrial,

o PROFIBUS FMS tem vindo a ser de cada vez menos utilizado.

PROFIBUS DP: O termo DP, significa Decentralized Periphery. Este é um perfil de

comunicação optimizado para maiores velocidades de transmissão e de baixo custo de

implementação. Este perfil foi especialmente desenvolvido para comunicações entre

dispositivos de I/O (Input / Output) e sistemas de controlo em automação.

PROFIBUS PA: O termo PA, significa de Process Automation. Este tipo de perfil,

permite a ligação de sensores e actuadores a uma tecnologia de dois fios, acordando com o

standard IEC 1158-2.


27

Tanto o PROFIBUS DP e o PROFIBUS FMS, utilizam o mesmo tipo de tecnologia de

transmissão. Consequentemente, ambas as versões podem operar simultaneamente no mesmo

barramento. No entanto, os dispositivos com domínio em FMS, não podem ser controlados

pelos dispositivos do domínio DP, e o mesmo acontece em situação contrária.

No PROFIBUS é feita a distinção entre os masters e os slaves. O dispositivo activo

numa rede de PROFIBUS é o master, sendo ele a enviar pedidos para os dispositivos slaves. No

PROFIBUS DP existem vários tipos de classes de masters, o DPM1, e o DPM2 [10]:

PROFIBUS DP Class 1 Master (DPM1): Dispositivo central, que controla trocas de

informação (ex: PLC).

PROFIBUS DP class 2 Master (DPM2): Dispositivos configuráveis, podendo ter

várias aplicações, como monitorização ou operação, (ex: Consola).

Na Figura 17, é apresentada uma topologia em PROFIBUS DP e PROFIBUS PA.

Figura 17 – Topologia PROFIBUS DP e PROFIBUS PA [21]

No protocolo PROFIBUS existem várias extensões, localizadas no PROFIBUS DP,

onde a versão dessa extensão denomina-se por PROFIBUS DP-Vx.

Na extensão PROFIBUS DP-V1 é definida uma mensagem acíclica entre o master e o

slave, com esta extensão. Estas mensagens permitem a troca de configurações de parâmetros,

como diagnósticos e informações de aviso durante a aquisição de dados. Os serviços desta

extensão, são designados por MSACn services (Message – Slave Acyclic, Class n), onde o n

designa a class do master, sendo de classe um ou de classe dois (DPM1, DPM2)[10].


28

As funções de diagnóstico definidas no PROFIBUS DP permitem a indicação de erros

nos slaves. As mensagens são enviadas através do BUS para o master. Existem três tipos de

mensagens:

1. Informação do estado de todos os dispositivos

2. Indicação de erro num dispositivo específico (ex: módulo de saída de oito bits)

3. Indicação de erro numa entrada ou saída de um dispositivo (ex: curto circuito numa

saída)

O processo de configuração é normalmente efectuado por um programa específico para a

comunicação PROFIBUS. No caso da OMRON e a título de exemplo a configuração é

efectuada utilizando o programa CX – PROFIBUS. Para a configuração é necessário configurar

os ficheiros específicos, definindo todos os parâmetros para cada dispositivo da rede. Existem

dois tipos de configuração [10]:

1. Configuração baseada em FDT/DTM

2. Configuração baseada em GSD

O conceito do FDT/DTM distingue os interfaces entre os sistemas denominados Field Device

Tools (FDT), e a especificação do dispositivo chamado por Device Type Manager (DTM). O

FDT/DTM separa a funcionalidade dependente do dispositivo da aplicação. Como tal,

proporciona a separação do interface com a configuração, monitorização do dispositivo. Com

este novo conceito, a tecnologia FDT/DTM, não é limitada às aplicações PROFIBUS [10],

sendo aplicada a qualquer tipo de rede possa ser configurada, desde que haja disponibilidade

deste tipo de tecnologia.

Ora, a FDT facilita a configuração de todos os dispositivos da rede e dos seus

parâmetros. As funcionalidades dos dispositivos estão concentradas no DTM, sendo fornecidos

pelos fabricantes. O DTM pode ser comparado como um driver de uma impressora.

A tecnologia de configuração mais comum, é baseada no GSD files (General Slave

Data File). Este ficheiro é um ficheiro de texto, contendo as características e as opções de

configuração dos dispositivos. O ficheiro de cada dispositivo é carregado para o configurador e

descarregado para o master.

A linguagem utilizada nos ficheiros GSD é indicada pela última letra do nome do

ficheiro, havendo várias alternativas: Portuguese GSP; German GSG; English GSE,

entre outras. Estes ficheiros são preparados individualmente para cada dispositivo de cada

fabricante. Alguns parâmetros são obrigatórios, outros são parâmetros por defeito e outros são

opcionais. Estes ficheiros são divididos em três partes:


29

1. Especificações genéricas: Possuem as características do fabricante, o nome e a versão do dispositivo e do programa a utilizar, o tipo de dispositivo e o número de identificação. O

protocolo e o baudrate também são especificados.

2. Especificações do master: parâmetros apenas para os masters, como por exemplo, o tamanho máximo da memória.

3. Especificação do slave: contem todas as características dos slaves, desde a especificação de entradas e saídas, ou o tempo mínimo para ciclos de leitura das entradas e saídas.

2.4. AS-I (Actuator Sensor - Interface)

A associação AS-Internacional foi fundada em 1991, sendo um agregado de fabricantes

dos sistemas de AS-Interface. Com esta nova associação nasceu um compromisso de criação de

dispositivos capaz de interligar a outros dispositivos. É assim um sistema aberto para todas as

marcas utilizadoras deste sistema, sem limitações de compatibilidade [11].

Com a implementação do AS-Interface é reduzido o custo de implementação, pois é um

sistema fácil de montar, com apenas um fio de dois condutores que interliga todos os

dispositivos. Deste modo, oferece uma maior flexibilidade ao sistema, visto que, uma possível

expansão ao sistema torna-se bastante simples.

Sendo um sistema aberto, é possível interligar dispositivos de fabricantes diferentes,

fornecendo deste modo, uma vasta área de selecção de dispositivos. Este tipo de rede, é

principalmente aplicado em máquinas, como um sub-sistema de sistemas de barramentos mais

complexos (por exemplo, PROFIBUS).

2.4.1. Camadas do AS-Interface

Em relação ao modelo OSI, o AS-Interface, apenas possui três camadas. Como tal, as

camadas utilizadas neste tipo de rede, são a camada do meio físico, que especifica o meio de

ligação entre os dispositivos, a camada de ligação de dados, que especifica a estrutura de

segmento de dados e como é estabelecida a ligação, e por último, a camada de aplicação, que

especifica os serviços para o utilizador, como é indicado na Figura 18 [12].


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Figura 18 – Modelo OSI do AS-Interface

2.4.2. Meio de físico

A rede de AS-Interface tem a característica de ser uma rede de montagem e aplicação

fácil e rápida. Para tal, os dispositivos são ligados a um barramento constituído por dois

condutores, como é apresentado na Figura 19.

Figura 19 – Cabos para AS-Interface [22]

O alcance desta rede é de cerca de 100 metros, com acoplamento de 31 slaves,

utilizando a configuração padrão. A velocidade de transmissão de dados é de 167 kbps. A cada

slave podem ser acoplados quatro sensores e quatro actuadores, sendo possível colocar 124

sensores e 124 actuadores em toda a rede. A topologia utilizada por este sistema é uma

topologia em árvore, onde o master, situa-se no centro, e os slaves estão acoplados ao

barramento ligado ao dispositivo central.


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Para haver uma interligação de dados, o sistema AS-Interface possui um master, que

envia mensagens para os slaves, e estes respondem com um tempo de ciclo no máximo de 5 ms

(milisegundos).

Para além de saídas digitais, é possível adicionar à rede, sensores digitais mas vai

afectar o tempo de leituras dos sensores, pois é lido em cada ciclo 4 bits. O master que comanda

as mensagens, e os restantes dispositivos, podem ser de fabricantes diferentes, uma vez que se

trata de um padrão aberto.

O ciclo de envio de leituras pelo master até à recepção de dados é feito em quatro

etapas: Pedido do master, pausa do master, resposta do escravo e pausa do escravo. A Tabela 2

[11],[12], indica a estrutura do segmento de dados a enviar para o barramento onde estão

ligados os slaves.

Tabela 2 – Trama AS-I Pedido do Master Resposta do Slave

0 SB A4 A3 A2 A1 A0 I4 I3 I2 I1 I0 PB 1 0 I3 I2 I1 I0 PB 1

ST EB ST EB

De seguida irá ser especificado cada parâmetro do segmento de dados do comando do

sistema AS-Interface:

1. ST - Start bit para indicação do inicio do segmento de dados 2. SB - Este bit é um bit de controlo. Caso seja 0, significa que é um dado ou

parâmetro, e, caso seja 1, significa que é um comando

3. A4 a A0 - Indicação do endereço do slave 4. I4 a I0 - Informação a ser transferida 5. PB - Este bit é o bit de paridade 6. EB - Este bit é o bit de indicação do fim do segmento de dado

Para atribuir endereços aos dispositivos, é necessário utilizar duas mensagens de

comando para o slave. O primeiro comando é denominado por Delete_Operating_Address, que

apaga o endereço respectivo do dispositivo. Isto é essencial pois, para uma nova atribuição de

endereço, é necessário que as configurações estejam todas a zero. Após esse comando é enviado


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numa segunda mensagem, ou segmento de dados, o respectivo endereço para o slave,

denominado por Assign_Address.

Numa rede deste tipo de sistemas, não só é importante realizar acções ou ler o estado

dos sensores e dos actuadores, mas também é importante saber o estado de todos os

dispositivos, principalmente no caso de falhas ou erros e o tipo de dispositivo que se encontra na

rede. Como tal, o AS-Interface disponibiliza essa possibilidade tendo as funcões ReadID Code e

Read Status.

A função ReadID Code, tem como função ler o código do componente, definido durante

o fabrico deste. Esta identificação não pode ser alterada. A outra funcionalidade disponibilizada

é o Read Status, servindo para ler o estado do dispositivo. A partir desta função, torna-se

possível descobrir a acção que o slave está a realizar. São disponibilizadas 4 tipos de leituras de

estado [11]:

1. Volatile Adress (S0) – Indicação que o slave está a armazenar o endereço destinado para ele

2. Parity error detected (S1) – Indicação de erro no bit de paridade

3. End bit error detected (S2) – Indicação de erro no stop bit

4. Read error non volatile memory (S3)

– Indicação de erro de leitura da memória não volátil

2.5. DeviceNet

A rede de DeviceNet surgiu a partir de uma tecnologia da Allen-Bradley e foi

introduzida no mercado em 1994. É uma rede baseada em CAN, sendo uma rede de baixo custo

e com montagem simples e de pouca complexidade em montagem dos dispositivos. As

especificações do protocolo utilizado são abertas, significando que numa montagem deste tipo

de rede, é possível interligar dispositivos de fabricantes diferentes, fornecendo um leque de

soluções para variadas aplicações, com uma competitividade nos preços dos componentes. O

objectivo do DeviceNet é estabelecer comunicações com os dispositivos de baixo nível, isto é,

actuadores e sensores [11].

O uso do DeviceNet, tem como objectivo a redução dos gastos excessivos, na instalação

de sistemas para controlo de processos. Este tipo de rede é uma solução simples, com uma


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implementação rápida, reduzindo o tempo de montagem. Este tipo de rede permite uma ligação

de 64 nós onde cada um pode ter actuadores e módulos de entrada e saida acoplados a estes.

2.5.1. Camadas do DeviceNet

Em comparação com o modelo genérico OSI, a rede DeviceNet, não tem implementado

todas as camadas. A Figura 20 representa as camadas que são utilizadas neste tipo de rede [13],

[11].

Figura 20 – Modelo OSI da rede DeviceNet

2.5.2. Meio físico

Uma rede DeviceNet tem a característica de possuir um barramento principal de cabo

DeviceNet grosso, com as respectivas ramificações, com um cabo DeviceNet fino, como é

representado na Figura 21. Os cabos deste sistema são cabos com 2 pares, sendo um para

alimentação (24V), e outro para o estabelecimento de comunicações entre os dispositivos. Este

tipo de rede, permite acoplar 64 dispositivos, contando com o master, e com os slaves.

CAPÍTULO 2 – REDES DE COMUNICAÇÃO _____________________

dissertação julio costaintranet.dei.uminho.pt/gdmi/galeria/temas/pdf/40528.pdf · 2010. 5....

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