monografia - redes industriais fieldbus
TRANSCRIPT
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LEONARDO SILVA COSTA
VINICIUS MARQUES DE LIMA
REDES INDUSTRIAIS FIELDBUS
UNIVERSIDADE CATLICA DE SANTOS
SANTOS 2010
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LEONARDO SILVA COSTA
VINICIUS MARQUES DE LIMA
REDES INDUSTRIAIS FIELDBUS
Trabalho de Concluso de Curso
apresentado Universidade Catlica
de Santos como parte dos requisitos
para obteno do ttulo de Bacharel
em Engenharia Eltrica Modalidades
Computao e Telecomunicaes.
Orientador: Prof. Eng. Alexandre
Manioba de Oliveira
SANTOS 2010
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LEONARDO SILVA COSTA
VINICIUS MARQUES DE LIMA
REDES INDUSTRIAIS FIELDBUS
Trabalho de Concluso de Curso
apresentado Universidade Catlica
de Santos como parte dos requisitos
para obteno do ttulo de Bacharel
em Engenharia Eltrica Modalidades
Computao e Telecomunicaes.
Santos, 22 de novembro de 2010.
Banca Examinadora: _ . - Presidente da Banca Prof. Eng. Alexandre M. de Oliveira Professor Titular UNISANTOS-SP
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Dedicamos este trabalho aos nossos
pais, por todo o amor e por dar-nos a
oportunidade de cursarmos um
Ensino Superior. Aos nossos
familiares, namorada (Leonardo) e
amigos, por todo o apoio,
companheirismo e compreenso.
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AGRADECIMENTOS
Deus, por nos abenoar a cada dia dando sade e fora para
continuar nas batalhas de todos os dias.
s nossas famlias e amigos, por toda fora, incentivo e compreenso.
Ao nosso orientador Prof. Eng. Alexandre Manioba de Oliveira, por
toda pacincia, empenho, companheirismo e, acima de tudo, generosidade em
compartilhar seus conhecimentos conosco.
Ao Prof. Me. Jos Fontebasso Neto e Prof. Dra. Maria Aparecida dos
Santos Accioly, pela disponibilidade e solicitude para serem membros de nossa
banca de avaliao.
Universidade Catlica de Santos, em especial todo corpo docente
do Centro de Cincias Exatas e Tecnolgicas do Campus Dom Idlio Jos
Soares, ao coordenador do Curso de Engenharia Eltrica, Prof. Luis Fernando
Bueno Mau, a todos nosso muito obrigado.
Ao Sr. Nilson Magalhes Bueno, ao Sr. Rogrio da Costa Gio e ao Sr.
Sidney Pereira Martins, funcionrios da indstria Usinas Siderrgicas de Minas
Gerais S.A - USIMINAS, e ao suporte tcnico da empresa Altus Sistemas de
Informtica S.A., pelo apoio prestado durante a realizao do teste prtico.
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Ningum pode descobrir novas terras
se no aceitar perder durante muito
tempo a viso da costa.
Andr Gide.
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RESUMO
SILVA, Leonardo e MARQUES, Vinicius. Redes Industriais Fieldbus;
Prof. Orientador: Eng. Alexandre Manioba de Oliveira; Santos: UNISANTOS,
2010, 161 fl., Trabalho de Graduao em Engenharia.
O presente trabalho apresenta a necessidade de se realizar o controle
das atividades fabris atravs de um sistema computacional, para tanto
abordado de forma conceitual o estudo da tecnologia Fieldbus. Temos como
objetivos realizar um estudo sobre as caractersticas, arquiteturas e estrutura
das redes industriais Fieldbus, alm dos principais protocolos e sistemas
digitais de controle distribudo (SDCD) atuais. Tal estudo apresentado
baseado em um teste prtico realizado em bancada utilizando equipamentos
de controle industrial que se comunicam utilizando o protocolo Profibus.
PALAVRAS-CHAVES:
Fieldbus, redes industriais, sistema computacional, protocolo.
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ABSTRACT
SILVA, Leonardo e MARQUES, Vinicius. Industrial Fieldbus Networks;
Advisor: Engineer Alexandre Manioba de Oliveira; Santos: UNISANTOS,
2010, 161 pages, Undergraduation Monography in Engineering.
This paper presents the need to make the control of manufacturing
activities through a computer system, for this is addressed in the conceptual
study of Fieldbus technology. We aim to conduct a study on the characteristics,
architecture and structure of industrial Fieldbus networks, beyond the major
protocols and digital distributed control systems (DCS) today. This study is
presented based on a practical test carried out on a bench using industrial
control equipment that communicate using the Profibus protocol.
KEYWORDS:
Fieldbus, industrial networks, computer system, protocol.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Sistema tradicional com Controlador Lgico Programvel (LUGLI e
SANTOS, 2009). ............................................................................................... 29
Figura 2 - Sistema com barramento de campo (LUGLI e SANTOS, 2009). ...... 30
Figura 3 - Pirmide da Automao (GOEKING, 2010)...................................... 38
Figura 4 - Ilustrao das formas de energia de um sensor (THOMAZINI e
ALBUQUERQUE, 2009). .................................................................................. 41
Figura 5 - Ilustrao da variao de uma grandeza fsica de um sensor de
temperatura analgico (THOMAZINI, et. al., 2009). .......................................... 41
Figura 6 - Ilustrao da leitura da posio de um objeto por um encoder
incremental (THOMAZINI e ALBUQUERQUE, 2009). ...................................... 43
Figura 7 - Estrutura Bsica de um CLP (PRODENGE UERJ, 2007).............. 45
Figura 8 - Ciclo de processamento dos CLPs (PRODENGE UERJ, 2007). ... 46
Figura 9 - Diagrama das partes constantes em um CLP (ANTONELLI, 1998). 47
Figura 10 - CLP da marca Rockwell (INTERENG, 2010). ................................. 47
Figura 11 - Camadas do Modelo OSI (SMAR, 2010). ....................................... 50
Figura 12 - Hierarquia da planta da rede de trabalho (SMAR, 2006). ............... 53
Figura 13 - Barramento de campo (BURIAN e YAMAGUSHI, 2005). ............... 54
Figura 14 - Controle centralizado (BURIAN e YAMAGUSHI, 2005). ................. 56
Figura 15 - Sistema de controle distribudo (BURIAN e YAMAGUSHI, 2005). . 58
Figura 16 - Controle em malha aberta (BUENO, [199-]). .................................. 63
Figura 17 - Controle em malha fechada (BUENO, [199-])................................. 64
Figura 18 - Diagrama do ciclo de varredura (BURIAN e YAMAGUCHI, 2005). 65
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Figura 19 - Conectores padro RS-232: DB-25 e DB-9 (ALBUQUERQUE e
ALEXANDRIA, 2009). ....................................................................................... 67
Figura 20 - Comunicao Multi-Mestre (PROFINEWS: Verses do Profibus-DP,
2006). ................................................................................................................ 73
Figura 21 - Comunicao Mestre-Escravo (PROFINEWS: Verses do Profibus-
DP, 2006). ......................................................................................................... 74
Figura 22 - Verses do Profibus-DP (PROFINEWS: Verses do Profibus-DP,
2006). ................................................................................................................ 75
Figura 23 - Comunicao Publisher-Subscriber (PROFINEWS: Verses do
Profibus-DP, 2006). .......................................................................................... 77
Figura 24 - Nveis do protocolo Foundation Fieldbus (ALBUQUERQUE e
ALEXANDRIA, 2009). ....................................................................................... 81
Figura 25 - Conexes H1 e HSE (COELHO, 2008). ......................................... 83
Figura 26 - Blocos funcionais da aplicao do usurio (SMAR: Tutorial
Foundation Fieldbus, 2006). ............................................................................. 86
Figura 27 - Exemplo de malha de controle usando blocos funcionais (SMAR:
Tutorial Foundation Fieldbus, 2006). ................................................................ 88
Figura 28 Comunicaes implcita e explcita (LUGLI e SANTOS, 2009). ..... 93
Figura 29 - Diagrama fsico. ............................................................................ 101
Figura 30 - Diagrama Lgico. .......................................................................... 101
Figura 31 - Dimenses fsicas do mdulo AL-3632 em mm (ALTUS - Cd. Doc.:
6102-332.9 Reviso: J, 200-) .......................................................................... 103
Figura 32 - Dimenses fsicas do mdulo AL-3512 em mm (ALTUS - Cd. Doc.:
CT6102-213.6 Reviso: N, 200-). ................................................................... 104
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Figura 33 - Vista frontal do AL-2004 (adaptado de ALTUS - Cd. Doc.: 6207-
011.8 Reviso: G, 2006). ................................................................................ 105
Figura 34 - Vista frontal do AL-3406 (adaptado de ALTUS - Cd. Doc.:
CT102610 Reviso: C, 200-). ......................................................................... 107
Figura 35- Mdulo PO5063 e base PO6500 (ALTUS - Cd. Doc.: CT109503
Reviso: E, 200-). ........................................................................................... 109
Figura 36 - Dimenses fsicas do mdulo PO5063 na base PO6500 em mm
(ALTUS - Cd. Doc.: CT109503 Reviso: E, 200-). ........................................ 110
Figura 37 - Chaves de configurao e fusvel (ALTUS - Cd. Doc.: 6209-508.0
Reviso: A, 2005). .......................................................................................... 111
Figura 38 - Dimenses Fsicas do mdulo PO1112 na base PO6001 em mm
(ALTUS - Cd. Doc.: CT109312 Reviso: G, 200-). ....................................... 112
Figura 39 - Bastidor e mdulos. ...................................................................... 120
Figura 40 - Dimenses fsicas do trilho em mm (ALTUS - Cd. Doc.: MU299014
Reviso: D, 2003). .......................................................................................... 120
Figura 41 - Disposio das bases da Serie Ponto. ......................................... 121
Figura 42 - Posicionamento dos mdulos escravos na rede........................... 122
Figura 43 - Conector AL-2602 e cabo AL-2303. ............................................. 123
Figura 44 - Descrio de componentes, conexo dos cabos de alimentao e
de transmisso de dados para os mdulos Profibus PO5063 escravos
(adaptado de ALTUS - Cd. Doc.: 6209-508.0 Reviso: A, 2005). ................. 124
Figura 45 - Utilizao do conector Profibus e da interface AL-3406 mestre. .. 125
Figura 46 - Instalao do instrumento termopar tipo K no mdulo PO1112
(adaptado de ALTUS - Cd. Doc.: CT109312 Reviso: G, 200-).................... 126
Figura 47 - Automao do circuito discreto. .................................................... 127
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Figura 48 - Instalao do LED/Resistor no mdulo PO2022 (adaptado de
ALTUS - Cd. Doc.: CT109412 Reviso: F, 200-). ......................................... 128
Figura 49 - Instalao dos atuadores no mdulo PO1001 (adaptado de ALTUS
- Cd. Doc.: CT109301 Reviso: D, 200-). ..................................................... 130
Figura 50 - Insero de interface mestre na rede. .......................................... 132
Figura 51 - Insero de interface escrava na rede. ......................................... 133
Figura 52 - Parmetros da interface mestre.................................................... 133
Figura 53 - Configurao da interface escrava de posio 1. ......................... 134
Figura 54 - Configurao do mdulo de entrada analgica. ........................... 135
Figura 55 - Parmetros do barramento Taxa de transmisso. ..................... 135
Figura 56 - Status da rede Profibus em funcionamento. ................................. 136
Figura 57 - Interface do mdulo de partida C-TESTE.000. ............................. 137
Figura 58 - Posicionamento lgico da interface mestre. ................................. 138
Figura 59 - Configuraes da instruo CHF (ALTUS - Cd. Doc.: MU202610
Reviso: H, 2009). .......................................................................................... 138
Figura 60 - Parmetros de entrada do OPER3. .............................................. 139
Figura 61 - Primeira lgica com instruo CHF. ............................................. 140
Figura 62 - Importando a configurao do ProfiTool. ...................................... 141
Figura 63 - Configurao dos Ns da rede. .................................................... 141
Figura 64 - Enviando os mdulos para o dispositivo. ...................................... 143
Figura 65 - Alterando o estado da UCP. ......................................................... 143
Figura 66 - Monitoramento da Lgica: 000 do Mdulo Principal. .................... 145
Figura 67 - Taxas de transmisso do barramento. ......................................... 146
Figura 68 - Monitoramento da Lgica: 001 do Mdulo Principal ao pressionar
BL. .................................................................................................................. 146
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Figura 69 - Monitoramento da Lgica: 001 do Mdulo Principal indicando LED
aceso. ............................................................................................................. 147
Figura 70 - Monitoramento da Lgica: 001 do Mdulo Principal ao pressionar
BD. .................................................................................................................. 147
Figura 71 - Monitoramento da Lgica: 001 do Mdulo Principal indicando LED
apagado .......................................................................................................... 147
Figura 72 - Monitoramento do endereo %M0400. ......................................... 149
Figura 73 - Equipamentos interligados em funcionamento. ............................ 150
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LISTA DE GRFICOS
Grfico 1 - Estudo sobre redes industriais (Control Engeneering Research
Group, 2003). .................................................................................................... 25
Grfico 2 - Tempratura mxima do ferro de soldar de 30W medida pelo
temropar.......................................................................................................... 148
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Principais caractersticas dos termopares, onde so apresentados os
campos: (a) Modelo; (b) Range de temperaturas; (c) Contagem e (d) Resoluo
(adaptado de ALTUS - Cd. Doc.: CT109316 Reviso: C). .............................. 42
Tabela 2- Sinais padro RS-232 onde so apresentados os seguintes campos:
(a) Nome do pino; (b) Descrio. ...................................................................... 68
Tabela 3- Nmeros de equipamentos em H1, onde so apresentados os
seguintes campos: (a) Qtd. Equipamentos; (b) Configurao da rede. ............ 83
Tabela 4 - Blocos funcionais especificados pela Fieldbus Foundation onde so
apresentados os seguintes campos: (a) Funo do bloco; (b) Smbolo ........... 87
Tabela 5 - Lista de mdulos utilizados no teste onde so apresentados os
seguintes campos: (a) Mdulos; (b) Descrio dos componentes. ................. 102
Tabela 6 - Caractersticas do mdulo AL-3512, onde so apresentados os
seguintes campos: (a) Caractersticas tcnicas; (b) Descrio (adaptado de
ALTUS - Cd. Doc.: CT6102-213.6 Reviso: N, 200-). ................................... 104
Tabela 7- Caractersticas principais do mdulo AL-2004, onde so
apresentados os campos: (a) Caractersticas tcnicas; (b) Descrio (adaptado
de ALTUS - Cd. Doc.: 6207-011.8 Reviso: G, 2006)................................... 106
Tabela 8- Caractersticas principais do mdulo AL-3406, onde so
apresentados os campos: (a) Caractersticas tcnicas; (b) Descrio (adaptado
de ALTUS - Cd. Doc.: CT102610 Reviso: C, 200-). .................................... 108
Tabela 9 - Caractersticas principais do mdulo PO5063, onde so
apresentados os campos: (a) Caractersticas tcnicas; (b) Descrio (adaptado
de ALTUS - Cd. Doc.: CT109503 Reviso: E, 200-). .................................... 109
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Tabela 10- Caractersticas principais do mdulo PO1112, onde so
apresentados os campos: (a) Caractersticas tcnicas; (b) Descrio (adaptado
de ALTUS - Cd. Doc.: CT109312 Reviso: G, 200-). .................................... 112
Tabela 11 - Caractersticas principais do mdulo PO1001, onde so
apresentados os campos: (a) Caractersticas tcnicas; (b) Descrio (adaptado
de ALTUS - Cd. Doc.: CT109301 Reviso: D, 200-). .................................... 114
Tabela 12 - Configuraes principais do mdulo PO2022, onde so
apresentados os campos: (a) Caractersticas tcnicas; (b) Descrio (adaptado
de ALTUS - Cd. Doc.: CT109402 Reviso: G, 200-). .................................... 115
Tabela 13 - Caractersticas dos softwares, onde so apresentados os campos:
(a) Caractersticas tcnicas; (b) Descrio (adaptado de ALTUS (Cd. Doc.:
6103-028.7 Reviso:I e Cd. Doc.: CT103026 Reviso: C, 200-)). ................ 116
Tabela 14 - Lista de equipamentos e ferramentas adicionais, onde so
apresentados os campos: (a) Equipamentos; (b) Descrio tcnica; (c)
Ferramentas; (d) Descrio tcnica. ............................................................... 117
Tabela 15 - Configurao das chaves A e B das bases, onde so apresentados
os seguintes campos: (a) Bases; (b) Posio da Chave A; (c) Posio da
Chave B. (adaptado de (ALTUS - Cd. Doc.: CT109503 Reviso: E, Cd.
Doc.: CT109312 Reviso: G, Cd. Doc.: CT109301 Reviso: D, Cd. Doc.:
CT109402 Reviso: F, 200-)) ......................................................................... 121
Tabela 16 - Configurao das chaves SW2 e SW3 das bases PO6500, onde
so apresentados os seguintes campos: (a) Bases PO6500; (b) Chave SW2;
(c) Chave SW3 (adaptado de ALTUS - Cd. Doc.: 6209-508.0 Reviso: A,
2005). .............................................................................................................. 123
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
A/D - Conversor Analgico-Digital
ANSI - American National Standards Institute
BD - Boto Desliga
BL - Boto Liga
Bps - Bits por Segundo
CCITT - Consultative Committee for International Telegraph and
Telephone
CD - Compact Disc
CENELEC - Comit Europeu de Normalizao Eletrotcnica
CI - ControlNet International
CIP - Common Industrial Protocol
CLP - Controlador Lgico Programvel
UCP - Central Processing Unit
CRC - Cyclic Redundancy Check
D/A - Conversor Digital-Analgico
DCOM - Distributed Component Object Model
DCS - Distributed Control System
DDE - Dynamic Data Exchange
DPV0 - Protocolo Profibus-DP verso 0
DPV1 - Protocolo Profibus-DP verso 1
DPV2 - Protocolo Profibus-DP verso 2
ECL - Estao de Controle Local
ED - Ethernet Device
-
EEPROM - Electrically- Erasable Programmable Read-Only Memory
EIA - Electronic Industries Alliance
EPROM - Erasable Programmable Read-Only Memory
ERP - Enterprise Resource Planning
FDL - Fieldbus Data Link
GD - Gateway Device
GM - General Motors
GPIB - General Purpose Interface Bus
GSD - Arquivo de configurao dos equipamentos Profibus
HD - Host Device
HSE - High Speed Ethernet
I/O - Inputs and Outputs
IEA - Industrial Ethernet Association
IEC - International Electrotechnical Commission
IEEE - Institute of Electrical and Electronis Engineers
IHM - Interfaces Homem-Mquina
IP - Internet Protocol
IRT - Isochronous Real Time
ISO - International Standards Organization
ISO - International Organization for Standardization
ISP - InterOperable Systems Project
LAN - Local Area Network
LAS - Link Active Scheduler
LD - Link Device
LED - Light Emitting Diode
-
MAC - Media Access Control
MES - Manufacturing Execution Systems
NEMA - National Electrical Manufacturers Associoation
ODVA - Open DeviceNet Vendor Association
ohm - Unidade de medida da resistncia eltrica
OLE - Object Linking and Embedding
OPC - OLE for Process Control
OSI - Open Systems Interconnection
PID - Controle Proporcional-Integrativo-Derivativo
PROM - Programmable Read-Only Memory
RAM - Random Access Memory
RTU - Remote Terminal Unit
Rxd - Received Data
SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition
SDCD - Sistema Digital de Controle Distribudo
SG - Signal Ground
SRT - Soft Real Time
TCP - Transmission Control Protocol
TIA - Telecommunications Industry Association
Txd - Transmitted Data
UDP - User Datagram Protocol
-
LISTA DE SMBOLOS
C - Grau Celsius: Unidade de temperatura
A - Ampre: Unidade de fluxo de cargas eltricas
Baud - Medida de velocidade de sinalizao
G(s) - Funo transferncia do controlador
H(s) - Funo transferncia do processo
Hz - Hertz: unidade de freqncia
m - Metros: unidade de comprimento
s - Segundos: unidade de tempo
T(s) - Funo transferncia total do sistema
V - Volts: Unidade de diferena de potencial eltrico
W - Watts: unidade de medida de potncia
- Ohm: Unidade de medida de resistncia eltrica
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LISTA DE EQUAES
1 - Equao de funo transferncia.................................................................64
-
SUMRIO
CAPTULO 1 - INTRODUO GERAL ..................................................................... 24
1.1 Motivao ............................................................................................ 25
1.2 Problemtica ........................................................................................ 28
1.3 Caracterizao do problema no teste prtico ...................................... 31
1.4 Objetivos .............................................................................................. 32
1.5 Estrutura do trabalho ........................................................................... 33
CAPTULO 2 - FUNDAMENTAO TERICA ........................................................... 34
2.1 Conceito Geral das Redes de Automao Industrial ........................... 35
2.1.1 Histrico das Redes de Computadores ......................................... 35
2.1.2 Evoluo da automao industrial ................................................. 36
2.1.2.1 Sensores, atuadores e transdutores ....................................... 39
2.1.2.1.1 Atuadores .......................................................................... 39
2.1.2.1.2 Sensores ........................................................................... 40
2.1.2.1.3 Transdutores ..................................................................... 43
2.1.2.2 CLP Controlador Lgico Programvel ................................. 44
2.1.2.2.1 Princpio de funcionamento do CLP .................................. 45
2.1.2.2.2 Estrutura interna do CLP ................................................... 46
2.1.3 Modelo Padro e Topologias de Redes de Automao Industrial . 50
2.1.3.1 Modelo em Camadas: OSI...................................................... 50
2.1.3.2 Topologia de redes tipo barramento ....................................... 51
2.2 Redes de barramento de campo.......................................................... 53
2.3 Sistemas centralizados e distribudos .................................................. 55
2.3.1 Sistemas centralizados ................................................................. 55
2.3.2 Sistemas distribudos .................................................................... 57
2.3.2.1 SDCD Sistema Digital de Controle Distribudo .................... 58
2.3.2.1.1 Princpio de funcionamento e aplicaes do SDCD .......... 59
2.4 Comparao entre mestre e escravo ................................................... 60
2.5 Sistemas Proprietrios e Sistemas Abertos ......................................... 61
2.6 Controles de Processos Industriais ...................................................... 62
2.6.1 Controle em malha aberta ............................................................. 62
2.6.2 Controle em malha fechada .......................................................... 63
-
2.6.3 Aplicao das redes Fieldbus em controles de processos
industriais ................................................................................................... 64
2.7 Caractersticas e meios de transmisso de redes industriais .............. 66
2.7.1 Principais padres de interface de comunicao serial ................. 66
2.7.1.1 Padro RS-232 ....................................................................... 66
2.7.1.2 Padro RS-485 ....................................................................... 68
2.8 Principais protocolos de comunicao Fieldbus .................................. 71
2.8.1 Protocolo Profibus ......................................................................... 71
2.8.1.1 A origem ................................................................................. 71
2.8.1.2 Caractersticas bsicas ........................................................... 71
2.8.1.3 Caractersticas do Profibus-DP ............................................... 75
2.8.1.4 Profisafe: segurana das redes Profibus ................................ 78
2.8.2 Protocolo Foundation Fieldbus ...................................................... 80
2.8.2.1 A origem ................................................................................. 80
2.8.2.2 Caractersticas bsicas da tecnologia Foundation Fieldbus ... 80
2.8.2.2.1 Nvel fsico ......................................................................... 82
2.8.2.2.2 Nvel de enlace (DLL Data Link Layer) ........................... 84
2.8.2.2.3 Nvel de aplicao ............................................................. 85
2.8.2.2.4 Nvel de usurio ................................................................. 86
2.8.3 Protocolos Ethernet Industriais...................................................... 89
2.8.3.1 A origem ................................................................................. 89
2.8.3.2 Caractersticas bsicas dos protocolos Ethernet Industriais ... 90
2.8.3.2.1 Profinet .............................................................................. 91
2.8.3.2.2 Ethernet/IP......................................................................... 92
2.8.3.2.3 HSE High Speed Ethernet .............................................. 94
2.8.4 Protocolo OPC OLE for Process Control .................................... 96
CAPTULO 3 - DESENVOLVIMENTO DO ESTUDO PRTICO ....................................... 97
3.1 Identificao da necessidade ............................................................... 98
3.1.1 Oportunidade identificada ............................................................. 98
3.1.2 Expectativa com relao ao projeto .............................................. 99
3.2 Concepo da experincia ................................................................ 100
3.2.1 Objetivos e definies principais ................................................. 100
3.2.2 Ferramentas e equipamentos...................................................... 102
3.2.3 Fases e etapas ............................................................................ 117
-
3.2.4 Resultados esperados ................................................................. 118
3.3 Desenvolvimento do projeto .............................................................. 119
3.3.1 Configuraes de hardware ........................................................ 119
3.3.2 Configuraes de software .......................................................... 131
3.4 Resultados Obtidos ............................................................................ 145
3.4.1 Monitoramento da Lgica: 000 .................................................... 145
3.4.2 Monitoramento da Lgica: 001 .................................................... 145
3.4.3 Monitoramento do sensor termopar ............................................ 148
3.5 Finalizao do teste ........................................................................... 150
CAPTULO 4 - CONCLUSES E PROPOSTAS FUTURAS ......................................... 151
CAPTULO 5 - REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................... 153
CAPTULO 6 - GLOSSRIO ................................................................................ 159
-
24
CAPTULO 1
- INTRODUO GERAL
Neste captulo ser apresentada a motivao em realizar este trabalho,
bem como toda a problemtica, objetivos e organizao do documento.
-
25
1.1 Motivao
A comunicao uma das maiores necessidades do homem desde o
seu surgimento (ALBUQUERQUE, et al., 2009).
A necessidade de medir e conhecer grandezas fsicas foi surgindo ao
longo do processo de industrializao, ao qual a sociedade foi e est
submetida. Os processos industriais se tornam cada vez mais complexos e
rigorosos medida que mais tecnologias so desenvolvidas e mais
competitivas se tornam as economias (ALBUQUERQUE E THOMAZINI, 2009).
Podemos ver no grfico 1 um panorama do cenrio comercial:
A criao de novos dispositivos autnomos inteligentes depende da
fabricao de componentes a um custo suficientemente baixo e com alto
desempenho, tais como: microprocessadores, microcontroladores, memrias e
sensores; e o desenvolvimento de sistemas operacionais, tcnicas de
Grfico 1 - Estudo sobre redes industriais (Control Engeneering Research Group, 2003).
-
26
programao orientada a objetos, assim como de ferramentas de modelagem e
simulao, contribuem para a evoluo dos sistemas de automao industrial
(LUGLI e SANTOS, et al., 2009).
Atravs dessas ferramentas e mtodos possvel desenvolver
sistemas de automao compostos por diversos equipamentos, tais como
sensores, atuadores, controladores, e outros dispositivos conectados entre si
por um barramento industrial, formando assim uma rede de equipamentos
que cooperam entre si na realizao de tarefas, trazendo uma srie de
vantagens quanto confiabilidade, facilidade de compreenso dos dados e ao
custo (LUGLI e SANTOS, 2009).
As reas como as de eletrnica de consumo e automotiva jamais
conseguiriam fornecer os produtos que fornecem hoje se os mesmos no
fossem produzidos de forma automtica. Esta nova fase da Revoluo
Industrial trouxe uma grande evoluo na produo e na qualidade de produtos
(ALBUQUERQUE E ALEXANDRIA, 2009).
fato que as redes industriais j realizaram uma revoluo comparvel
feita pela Internet na comunicao. Hoje, redes complexas so formadas nas
indstrias por controladores lgicos programveis, interfaces homem-mquina,
sistemas SCADA e outros equipamentos que possuem interfaces, permitindo
que a informao seja transmitida de forma instantnea e precisa ao longo das
etapas entre planejamento e produo. imprescindvel que os profissionais
das reas de automao industrial e tecnologia de informao tenham slidos
conhecimentos de redes industriais para que possam aproveitar ao mximo as
ferramentas necessrias para o desenvolvimento de aplicaes que atendam
s necessidades das indstrias (ALBUQUERQUE E ALEXANDRIA, 2009).
-
27
Este trabalho motivado pela inteno de apresentar as caractersticas
dos principais protocolos de redes industriais assim como a sua aplicabilidade
no meio industrial, levando em considerao a quantidade insuficiente e pouca
acessibilidade de informaes sobre este tema atravs de meios acadmicos
(OLIVEIRA, 2010).
-
28
1.2 Problemtica
Os custos com cabeamento na instalao e manuteno dos sistemas
de controle tradicionais so considerados altos com relao aos novos
sistemas de redes industriais que possibilitam maior facilidade na expanso de
uma rede industrial (SMAR, 1998).
importante definir uma soluo coerente e aplicvel para redes
industriais quando se deseja estabelecer comunicao em uma empresa. de
grande responsabilidade dos profissionais desta rea, manter a integridade e
funcionalidade dos sistemas, aperfeioando sempre que possvel o
desempenho das redes industriais as tornando mais confiveis e seguras
(LUGLI e SANTOS, 2009).
comum que fornecedores apresentem solues de redes de campo
proprietrias, assim o cliente depende de produtos, servios e manuteno de
um nico fabricante de sistemas de integrao industrial, estes tendem a lanar
produtos compatveis com a sua arquitetura prpria, gerando graves problemas
de compatibilidade entre os equipamentos de hardware e softwares presentes
nos diversos nveis (SILVA, et al., 2006).
As arquiteturas de sistemas abertos possuem a vantagem de seguir
padres, fazendo com que o usurio encontre diferentes solues para um
nico problema (SILVA, et al., 2006).
A diversidade de padres das arquiteturas de sistemas abertos implica
em um estudo para se determinar qual o tipo de rede que possui as maiores
vantagens de implementao ao cliente final que deve procurar uma plataforma
que seja compatvel com o maior nmero de interfaces possveis a fim de
encontrar solues adequadas as suas necessidades (SILVA, et al., 2006).
-
29
As novas tecnologias disponveis hoje no mercado deram continuidade
evoluo de sensores integrados produzidos nos anos de 1980, e
viabilizaram o desenvolvimento de sensores inteligentes com programao
enderevel independente para trabalhar em redes de comunicao do tipo
barramento (ALBUQUERQUE E THOMAZINI, 2009).
Pode-se concluir que alm da diminuio de custos com materiais h
tambm a preocupao com a compatibilidade de produtos de outras verses
ou fabricantes que possam operar em um mesmo sistema de rede industrial.
Muitas indstrias ainda utilizam sistemas com Controlador Lgico
Programvel (CLP) com topologia ponto a ponto. Neste caso, cada ponto de
I/O (entrada e Sada) deve ser conectado ao CLP, conforme a figura 1.
O alto custo de implementao e a dificuldade para se encontrar
possveis defeitos no projeto so de fato problemas neste tipo de sistema
devido grande quantidade de cabos. Assim, as redes industriais propem
solucionar esses dois grandes problemas (LUGLI e SANTOS, 2009). Podemos
ver na figura 2 alguns instrumentos conectados a um nico barramento.
Figura 1 - Sistema tradicional com Controlador Lgico Programvel (LUGLI e SANTOS, 2009).
-
30
Uma rede bem dimensionada para um ambiente industrial, geralmente
hostil, deve possuir ns espalhados fisicamente para no trabalharem em
sobrecarga, a fim de se obter um desempenho aceitvel, desempenho este que
medido principalmente em tempo de resposta (ALBUQUERQUE e
ALEXANDRIA, 2009). As redes para estes ambientes devem ter capacidade
para transmisso de dados em tempo real, ou seja, tempo de resposta
determinstico e uma violao das restries de tempo pode ser considerado
uma falha na rede (ALBUQUERQUE e ALEXANDRIA, 2009).
Figura 2 - Sistema com barramento de campo (LUGLI e SANTOS, 2009).
-
31
1.3 Caracterizao do problema no teste prtico
No teste prtico apresentaremos uma soluo para a problemtica de
compatibilidade na comunicao entre equipamentos de diferentes verses
(SILVA, et al., 2006), conforme veremos posteriormente, a incompatibilidade
um problema que surgiu com o aumento da comunicao de dados, uma vez
que os usurios se tornaram obrigados a depender de um nico fornecedor
(BURIAN e YAMAGUCHI, 2005).
Apresentaremos tambm caractersticas do funcionamento real de uma
rede Profibus. Exemplificando com estudos prticos a confiabilidade ao se
escolher o protocolo Profibus-DP de comunicao entre estes equipamentos
(ALTUS e PROFIBUS, 2010).
-
32
1.4 Objetivos
Este trabalho tem o objetivo de realizar um estudo sobre a tecnologia
Fieldbus, descrevendo suas caractersticas tcnicas, histrico, evoluo,
normatizao, compatibilidades com outras tecnologias, tendncia de mercado,
vantagens e desvantagens de sua utilizao em vista de contribuir, ainda que
seja de forma singela, com a comunidade acadmica sobre este tema.
Especificamente, os seguintes objetivos podem ser listados:
Estudar a evoluo das redes industriais.
Apresentar a padronizao do modelo Fieldbus.
Definir arquitetura de sistema aberto estudando o protocolo
Profibus-DP.
Aplicar os conceitos estudados ao realizar o teste prtico.
O teste prtico deve atender a norma que especifica os padres de
Nvel Fsico necessrios formao de uma rede Profibus EN 50170.
-
33
1.5 Estrutura do trabalho
Este trabalho est organizado em quatro captulos. Inicialmente o
Captulo 1 contendo a introduo ao trabalho. No Captulo 2 feita uma reviso
da literatura sobre conceitos, normas e teorias dos protocolos de redes
industriais assim como do protocolo vinculado ao estudo prtico. O Captulo 3
descreve a metodologia de desenvolvimento do estudo prtico proposto em
detalhes. No Captulo 4 apresentado o resumo dos resultados obtidos, a
concluso e as propostas futuras. Em anexo segue as referncias bibliogrficas
e glossrio.
-
34
CAPTULO 2
- FUNDAMENTAO TERICA
Neste captulo apresentaremos os conceitos, caractersticas tcnicas e
normatizao, compatibilidades com outras tecnologias, as vantagens e
desvantagens da tecnologia de redes Fieldbus, bem como dos principais
protocolos utilizados no mercado, com nfase no Profibus, que ser o utilizado
nos Captulos 3 e 4.
-
35
2.1 Conceito Geral das Redes de Automao Industrial
2.1.1 Histrico das Redes de Computadores
Na dcada de 1950, os computadores eram mquinas extensas e de
grande complexidade, e s podiam ser operadas por profissionais altamente
qualificados. Diante dessa dificuldade e, por no terem acesso essas
mquinas to complexas, as pessoas interessadas em utilizar os
processadores eram obrigadas a deixar suas fitas magnticas e leitoras de
carto com os operrios, que as processava em lote. Deste cenrio surgiram
as primeiras idias sobre a conexo entre computadores (BURIAN e
YAMAGUCHI, 2005).
Apenas na dcada de 1960 surgiram as primeiras estaes interativas,
as quais permitiam o acesso ao computador central atravs de linhas de
comunicao. Tais avanos tecnolgicos proveram um forte aumento no
desenvolvimento de sistemas de pequeno porte, e, tambm, o surgimento de
uma nova necessidade: a de interconectar cada vez mais equipamentos a fim
de compartilhar recursos caros e trocar dados entre os diversos sistemas
(BURIAN, et. al., 2005).
Outro fator determinante para o desenvolvimento de tcnicas de
interconexo foi a capacidade de troca de informaes. Os usurios sentiam a
necessidade de trocar mensagens entre si e acessar os dados de programas
de vrias fontes externas diferentes (ALBUQUERQUE e ALEXANDRIA, 2009).
Deste cenrio nasceram as redes de computadores (primeiramente
apenas nos ambientes de trabalho), onde foi introduzido um sistema de
comunicao para interligar os equipamentos de processamentos de dados
-
36
(chamados de estaes de trabalho), os quais operavam isoladamente, com o
objetivo de permitir o compartilhamento de recursos.
No entanto, surgiu um problema com o crescimento da comunicao
de dados: a incompatibilidade, uma vez que os usurios, genericamente
falando, se tornaram dependentes de um nico fornecedor dos equipamentos,
sendo que quase sempre seus produtos eram desenvolvidos sob um modelo
de arquitetura proprietrio.
No sentido de acabar com esse monoplio por parte dos fornecedores,
algumas instituies efetuaram esforos no sentido de padronizar os
componentes envolvidos num sistema de comunicao de dados, caminhando
para a conectividade universal. Dentro dessas instituies destacam-se a ISO
(Organizao Internacional para Padronizao), IEEE (Instituto de Engenharia
Eltrica e Eletrnica) e CCITT (Comit Consultivo Internacional de Telefonia e
Telegrafia) (BURIAN e YAMAGUSHI, 2005).
2.1.2 Evoluo da automao industrial
O conceito de automao surgiu no sculo X, onde a utilizao do
moinho hidrulico substitua a fora humana, a qual foi uma das primeiras
formas de automatizar o trabalho braal (GOEKING, 2010).
Com o passar do tempo e a valorizao do trabalhador, algumas
alteraes nas mquinas e equipamentos foram necessrias de forma a
proteger a mo-de-obra de algumas funes inadequadas a estrutura fsica do
homem. A mquina, ento, passou a fazer o trabalho mais pesado e o homem,
a supervision-la (PRODENGE UERJ, 2007).
-
37
A partir desse conceito, atualmente, automao consiste em substituir
o trabalho humano utilizando sistemas computacionais com o intuito de
aumentar a velocidade e a qualidade dos processos produtivos, bem como a
segurana dos funcionrios, alm de obter maior controle, planejamento e
flexibilidade da produo (GOEKING, 2010).
A fim de garantir esse controle do sistema de produo nas indstrias,
sensores foram inseridos nas mquinas para monitorar e indicar as condies
do processo. A partir do processamento dessas informaes coletadas pelos
sensores, os atuadores eram ento acionados para garantir o controle dos
equipamentos e processos fabris (GOEKING, et al., 2010).
Diante de todo esse avano e, com a necessidade de se classificar os
diferentes nveis de automao das plantas industriais, foi criada, na dcada de
1980, a chamada pirmide da automao. Essa pirmide divide os nveis dos
equipamentos envolvidos em cada processo da indstria e mostra como as
informaes so filtradas do nvel 1 at chegar ao topo. De outro lado, as
tarefas a serem executadas, originadas pelos nveis 4 e 5, passam pelo nvel 3,
que garante que as mesmas sejam executadas pelos nveis operacionais
(BURIAN, et al., 2005).
-
38
Na figura 3 representada a pirmide da automao. Nela, esto os
diferentes nveis de automao, bem como os componentes mais importantes
de cada um e exemplos de redes que fazem a comunicao entre nveis:
Analisando a pirmide podemos concluir que as plantas devem possuir
seus nveis funcionais bem interconectados, buscando um fluxo de dados tanto
entre as camadas de mesmo nvel (fluxo horizontal) quanto de nveis diferentes
(fluxo vertical). Esse trfego de dados entre as camadas torna-se possvel
atravs de um meio fsico, ou seja, uma rede de comunicao dedicada
conexo dos elementos sensores e transdutores dispostos ao longo da planta,
no nvel operacional.
Figura 3 - Pirmide da Automao (GOEKING, 2010).
-
39
Alm da estrutura fsica, requerido tambm um padro de
comunicao, o qual ser responsvel pelo gerenciamento da troca de
pacotes de informaes entre as camadas (BURIAN e YAMAGUSHI, 2005).
2.1.2.1 Sensores, atuadores e transdutores
Como visto anteriormente, na maioria dos processos automatizados,
necessria uma realimentao do processo para que o dispositivo de controle
conhea a sada do sistema e possa tomar as providncias necessrias.
As informaes quanto ao andamento do processo devem estar
sempre disponveis para serem controladas de forma que o sistema possa
trabalhar de acordo com o preestabelecido. Essas informaes so coletadas
por intermdio das mais diversas variedades de sensores (THOMAZINI e
ALBUQUERQUE, 2009).
No estudo da automao industrial faz-se necessrio determinar as
condies (ou variveis) do sistema. necessrio obter os valores das
variveis fsicas do ambiente a ser monitorado. Os sensores, atuadores e
dispositivos transdutores so os principais elementos que atuam na automao
industrial, pois eles verificam e interferem no ambiente.
2.1.2.1.1 Atuadores
Atuadores so dispositivos capazes de modificar uma varivel
(grandeza) controlada dentro de uma malha de controle. Agem no sistema a
partir do recebimento de um sinal proveniente do controlador. Geralmente
trabalham com potncia elevada (THOMAZINI, et. al., 2009). So exemplos de
alguns atuadores:
-
40
Vlvulas (pneumticas, hidrulicas);
Rels (estticos, eletromecnicos);
Cilindros (pneumticos, hidrulicos);
Motores (step-motor, syncro, servomotor);
Solenides.
2.1.2.1.2 Sensores
Sensores so dispositivos sensveis a alguma forma de energia do
ambiente que pode ser luminosa, trmica, cintica, relacionando informaes
sobre uma grandeza que precisa ser medida, como temperatura, presso,
velocidade, corrente, acelerao, posio, etc. (THOMAZINI e
ALBUQUERQUE, 2009).
Na automao, sensores de diversos tipos esto espalhados pela rea
de produo das indstrias coletando dados importantes para a manuteno e
controle das operaes. Porm, normalmente o sinal de sada de um sensor
deve ser manipulado antes da sua leitura no sistema de controle. Atravs de
um circuito de interface (um amplificador, por exemplo) esse sinal modificado
para que o mesmo possa ser lido e interpretado pelo controlador.
A figura 4 demonstra algumas das formas de energia detectveis por
um sensor:
-
41
Efeitos
fsicos
Luz
Calor
Som
Efeitos
mecnicos
Posio
Fora
Velocidade
Sensor
Sinal
de
sada
Sensores analgicos tm como caracterstica a modificao dos
valores no seu sinal de sada ao longo do tempo, respeitando o seu range de
operao. Alguns exemplos das grandezas medidas por este tipo de sensores
so: presso, temperatura, velocidade, vazo, umidade, fora, entre outras
(THOMAZINI, et. al., 2009). A figura 5 ilustra a variao de uma grandeza fsica
(temperatura) de forma analgica:
Um exemplo de sensor analgico so os sensores de temperatura
conhecidos como termopar (utilizado no estudo prtico do captulo 3).
Figura 4 - Ilustrao das formas de energia de um sensor (THOMAZINI e ALBUQUERQUE, 2009).
Figura 5 - Ilustrao da variao de uma grandeza fsica de um sensor de temperatura analgico (THOMAZINI, et. al.,
2009).
-
42
Os termopares so os sensores de temperatura mais utilizados na
indstria, devido sua simplicidade e confiabilidade. So dispositivos
considerados baratos, capazes de medir uma vasta gama de temperaturas e
podem ser substitudos sem provocar erros relevantes no sistema de
diagnstico (THOMAZINI, et al., 2009).
Basicamente, o funcionamento dos termopares baseado no
fenmeno de Seebeck. Em 1821, T. J. Seebeck descobriu que em um circuito
fechado, feito com dois fios de dois metais heterogneos, a corrente eltrica flui
de acordo com a diferena de potencial entre a juno de medio (junta
quente) e a juno de referncia (junta fria).
Existem diversos tipos de termopares disponveis no mercado. A
escolha do termopar adequado est relacionada com a aplicao na qual o
termopar ser utilizado e suas caractersticas, tais como o range de
temperaturas suportadas, a exatido e a confiabilidade das leituras, entre
outras. A tabela 1 a seguir mostra as caractersticas tcnicas dos diferentes
tipos de termopares, destacando o termopar tipo K, utilizado em nosso estudo
prtico do prximo captulo.
Tabela 1 - Principais caractersticas dos termopares, onde so apresentados os campos: (a) Modelo; (b) Range de temperaturas; (c) Contagem e (d) Resoluo (adaptado de ALTUS - Cd.
Doc.: CT109316 Reviso: C).
Modelo (a) Range de Temperaturas (b) Contagem (c) Resoluo (d)
J 0 1140 C 0 11400 0,1 C K -200 1250 C -2000 12500 0,1 C B 485 1700 C 4850 17000 0,1 C E -200 900 C -2000 9000 0,1 C T -200 350 C -2000 3500 0,1 C R 0 1450 C 0 14500 0,1 C S 0 1450 C 0 14500 0,1 C N -200 1235 C -2000 - 12350 0,1 C
-
43
Sensores digitais podem assumir apenas dois valores como sinal de
sada independente do tempo, os quais so interpretados como zero ou um.
No existem naturalmente grandezas fsicas que assumam esses valores, mas
eles so assim mostrados ao sistema de controle aps serem convertidos pelo
circuito eletrnico do transdutor. utilizado, por exemplo, em deteco de
passagem de objetos, encoders na determinao de distncia ou velocidade,
etc.. (MELO, et. al., 2007). A figura 6 Ilustrao da leitura da posio de um
objeto por um encoder incremental (THOMAZINI e ALBUQUERQUE, 2009)
ilustra a variao da posio de um objeto lida por um encoder incremental:
2.1.2.1.3 Transdutores
Transdutor um dispositivo capaz de transportar e transformar uma
grandeza qualquer em outra para permitir que a mesma seja utilizada no
controle de processos fsicos (THOMAZINI, et al., 2009).
Os transdutores, com a utilizao de um elemento sensor acoplado,
transformam uma grandeza fsica (presso, velocidade, temperatura, etc.) em
Figura 6 - Ilustrao da leitura da posio de um objeto por um encoder incremental (THOMAZINI e ALBUQUERQUE, 2009).
-
44
um sinal de tenso ou corrente para ento ser interpretado por um sistema de
controle.
2.1.2.2 CLP Controlador Lgico Programvel
A General Motors, em 1968, tendo dificuldades em alterar a lgica dos
painis de comando a cada mudana na linha de montagem, fez uma
solicitao empresa Allen-Bradley para que fosse confeccionado um
equipamento capaz de substituir os antigos rels e que aumentasse a agilidade
s modificaes nos processos produtivos. Partindo desta solicitao, a
empresa, que j produzia equipamentos eltricos, desenvolveu o Controlador
Lgico Programvel (CLP) (GOEKING, 2010).
Segundo a NEMA (National Electrical Manufacturers Association), o
CLP um aparelho eletrnico digital que utiliza uma memria programvel para
armazenar internamente instrues e para implementar funes especficas,
tais como lgica, seqenciamento, temporizao, contagem e aritmtica,
controlando, por meio de mdulos de entradas e sadas, vrios tipos de
mquinas ou processos (PRODENGE UERJ, 2007). A figura 7 apresenta a
estrutura de um CLP dividida em trs partes: entradas, processamento e
sadas:
-
45
2.1.2.2.1 Princpio de funcionamento do CLP
Os sinais de E/S dos controladores lgicos programveis podem ser
analgicos ou digitais. H diferentes tipos de mdulos de E/S de dados que se
adquam a cada tipo de operao a ser processada.
Os mdulos de E/S so formados por grupos de bits, associados em
conjuntos de 8 bits (1 byte) ou 16 bits, variando de acordo com o tipo da UCP.
Os mdulos de entradas analgicas so compostos por conversores A/D, que
fazem a converso do sinal de entrada para um valor digital, normalmente de
12 bits (4096 combinaes). As sadas analgicas so mdulos conversores
D/A, ou seja, um valor binrio convertido em um sinal analgico (PRODENGE
UERJ, 2007).
Os sinais oriundos dos sensores so aplicados s entradas do
controlador. A cada ciclo (varredura) estes sinais so lidos e enviados para a
unidade de memria interna denominada memria imagem de entrada. Aps
isso, so associados entre si e aos sinais internos. Ao final do ciclo de
varredura, os sinais so transferidos memria imagem de sada e ento
Figura 7 - Estrutura Bsica de um CLP (PRODENGE UERJ, 2007).
-
46
aplicados aos terminais de sada (PRODENGE UERJ, et al., 2007). A figura 8
mostra este ciclo operacional dos CLPs:
2.1.2.2.2 Estrutura interna do CLP
O CLP um sistema microprocessado, ou seja, constitui-se de um
microprocessador (ou microcontrolador), um Programa Monitor, uma Memria
de Programa, uma Memria de Dados, uma ou mais interfaces de Entrada e
Sada e Circuitos Auxiliares (ANTONELLI, 1998).
As figuras 9 e 10 demonstram todas as partes constantes de um CLP:
Figura 8 - Ciclo de processamento dos CLPs (PRODENGE UERJ, 2007).
-
47
A seguir so descritas as principais funes de cada bloco ilustrado no
diagrama apresentado na figura 9:
Fonte de Alimentao: converte e estabiliza a tenso da rede
eltrica para a tenso de alimentao dos circuitos eletrnicos;
mantm a carga da bateria nos sistemas que utilizam relgio em
tempo real e memria do tipo RAM; e prov a alimentao das
entradas e sadas (ANTONELLI, 1998).
Figura 9 - Diagrama das partes constantes em um CLP (ANTONELLI, 1998).
Figura 10 - CLP da marca Rockwell (INTERENG, 2010).
-
48
Unidade de Processamento: tambm conhecida como UCP,
responsvel pelo funcionamento lgico e aritmtico de todos os
circuitos. Nos CLPs modulares, a UCP est em um slot separado
dos demais, podendo-se encontrar combinaes de UCP e fonte
de alimentao. Nos CLPs de menor porte, a UCP e os demais
circuitos esto todos em um nico mdulo. Possuem
microprocessadores ou microcontroladores de 8 ou 16 bits,
endereamento de memria de at 1MB, velocidades de Clock
variando de 4 a 30MHz, e manipulao de dados decimais, octais
e hexadecimais (ANTONELLI, 1998).
Bateria: usadas para manter o circuito do Relgio em Tempo
Real, reter parmetros ou programas (em memrias do tipo RAM),
mesmo em caso de corte de energia, guardar configuraes de
equipamentos, dentre outras. Normalmente so utilizadas baterias
de Ltio recarregveis ou no-recarregveis. Nestes casos,
incorporam-se circuitos carregadores (ANTONELLI, 1998).
Memria do Programa Monitor: responsvel pelo
funcionamento e gerenciamento de todas as atividades do CLP.
No pode ser alterado pelo usurio e fica armazenado em
memrias do tipo PROM, EPROM ou EEPROM. responsvel
em permitir a transferncia de programas entre um computador ou
Terminal de Programao e o CLP, gerenciar o estado da bateria
do sistema, controlar os diversos OPCionais, e outros
(ANTONELLI, 1998).
-
49
Memria do Usurio: local onde armazenado o programa da
aplicao desenvolvido pelo usurio. Pode ser alterada pelo
usurio, j que uma das vantagens do uso dos CLPs a
flexibilidade de programao. Inicialmente era constituda de
memrias do tipo EPROM, sendo hoje utilizadas memrias do tipo
RAM (cujo programa mantido pelo uso de baterias), EPROM e
FLASH-EPROM, sendo tambm comum o uso de cartuchos de
memria, o que permite a troca do programa com a troca do
cartucho de memria (ANTONELLI, 1998).
Memria de Dados: local da memria RAM do CLP destinado
a armazenar os dados do programa do usurio. Estes dados so
normalmente valores de temporizadores, valores de contadores,
cdigos de erro, senhas de acesso, dentre outros. Dados estes
que sero consultados e/ou alterados durante a execuo do
programa do usurio (ANTONELLI, 1998).
Memria Imagem das Entradas/Sadas: local da memria
onde so armazenados os estados de cada uma das entradas ou
sadas aps cada ciclo de leitura das entradas ou modificaes
nas sadas executados pela UCP. Essa regio da memria
funciona como uma espcie de tabela, onde a UCP ir consultar
sempre para obter informaes das entradas ou sadas para
tomar as decises durante o processamento do programa do
usurio (ANTONELLI, 1998).
-
50
2.1.3 Modelo Padro e Topologias de Redes de Automao Industrial
2.1.3.1 Modelo em Camadas: OSI
Resumidamente, os sistemas de comunicao so formados por uma
topologia, que interliga os vrios mdulos processadores (estaes) atravs de
enlaces fsicos (meios de transmisso) e de um conjunto de regras com a
finalidade de organizar a comunicao (protocolos) (FOROUZAN, 2006).
Em 1977, com o objetivo de uniformizar e universalizar os padres e
modelos adotados pelos protocolos de rede, a International Organization for
Standardization (ISO) criou o modelo OSI (Open Systems Interconnection),
referncia para as interconexes de sistemas abertos (BURIAN e
YAMAGUSHI, 2005).
A figura 11 representa as sete camadas do modelo OSI:
Um modelo nada mais que um padro que organiza os conceitos
gerais ou fornece caminhos, como se fosse uma manual, com uma descrio
facilmente compreendida. No caso das redes de computadores, o modelo
Figura 11 - Camadas do Modelo OSI (SMAR, 2010).
-
51
descreve os servios necessrios para o trfego dos dados de um lugar para
outro.
Devido ao fato do modelo OSI ser apenas um padro, as camadas no
realizam tarefa alguma. So as implementaes de protocolos que executam
funes especficas associadas a uma camada desse modelo (BURIAN e
YAMAGUSHI, 2005).
2.1.3.2 Topologia de redes tipo barramento
O termo topologia significa a forma como os elementos constantes em
uma rede esto dispostos fisicamente. Dois ou mais dispositivos formam um
link; dois ou mais links geram uma topologia de rede. Sendo assim, a topologia
diz respeito ao esquema fsico e lgico da interconexo de todos os links e
dispositivos conectados na rede (FOROUZAN, 2006).
Existem quatro topologias bsicas: malha, estrela, barramento e anel.
Acertaremos nosso foco na topologia tipo barramento por se tratar da mais
utilizada em redes de automao industriais.
Diferente das demais topologias, a barramento prov conexes
multiponto. Nela, as estaes esto conectadas a um mesmo barramento que
funciona como um backbone (espinha dorsal). Todos os dados enviados so
recebidos por todas as estaes simultaneamente.
A maior vantagem dessa topologia se d no sentido da economia no
cabeamento da rede. Ao contrrio das topologias tipo malha e estrela, onde
vrios segmentos de cabo so necessrios para conectar todas as estaes,
na topologia barramento apenas um nico cabo backbone lanado no ambiente
da rede se torna todo o recurso necessrio interligao dos dispositivos. Para
-
52
se conectarem ao barramento, as estaes necessitam apenas do mnimo
comprimento de cabo necessrio para atingir o ponto mais prximo do
barramento (FOROUZAN, 2006).
Suas demais vantagens:
Fcil manuteno;
Fcil construo ao nvel de hardware;
Nmero ilimitado de dispositivos que podem ser conectados ao
barramento;
Baixo custo;
Facilidade de deteco e resoluo de problemas na rede devido ao
fato das conexes entre um dispositivo e a rede serem independentes, ou seja,
problemas em uma conexo no afeta as demais.
-
53
2.2 Redes de barramento de campo
Simultaneamente ao crescimento do uso das redes locais (LAN Local
rea Network) em escritrios e ambientes administrativos, foram desenvolvidas
redes industriais em ambientes fabris, denominadas barramentos de campo, ou
simplesmente Fieldbuses. Pode-se dizer que o Fieldbus uma LAN para
ambientes industriais (BURIAN e YAMAGUSHI, 2005).
A figura 12 a seguir d a idia de uma hierarquia da planta industrial.
Uma rede Fieldbus, tipicamente, uma rede digital, serial, half-duplex,
multiponto, instalada num barramento srie, que conecta dispositivos de campo
como CLPs, transdutores, atuadores e sensores. digital pelo fato das
informaes serem transmitidas em formas de mensagens de acordo com as
Figura 12 - Hierarquia da planta da rede de trabalho (SMAR, 2006).
-
54
camadas de comunicao definidas pelo protocolo escolhido; serial, pois as
informaes so transmitidas e recebidas bit a bit; half-duplex, pois a
comunicao bidirecional, porm em uma nica direo a cada instante; e
multiponto, pois permite a comunicao entre vrios equipamentos conectados
a rede. A interligao desses equipamentos em rede permite o
compartilhamento de recursos e base de dados, conferindo mais segurana
aos usurios da informao, alm da execuo de funes simples de
diagnstico, controle ou manuteno, e a comunicao bidirecional entre si
atravs do barramento (ALBUQUERQUE, et al., 2009).
A figura 13 apresenta, atravs de blocos, um barramento de campo
interligando uma UCP aos dispositivos de E/S:
F
Dentre suas vantagens, a mais destacada a reduo nos custos com
cabeamento. Com sua configurao em srie, necessita-se apenas de um cabo
para a conexo dos equipamentos ao barramento de comunicao. Em
contrapartida, os sistemas de cabeamento com fio paralelo convencional
apresentam um custo elevado, dificuldades para mudanas e adequaes da
rede, alm de maior demanda de tempo para as fases de projeto, instalao e
manuteno.
Figura 13 - Barramento de campo (BURIAN e YAMAGUSHI, 2005).
-
55
2.3 Sistemas centralizados e distribudos
2.3.1 Sistemas centralizados
Sistemas centralizados, basicamente, so sistemas de comunicao
paralela mantidos numa nica sala ou regio da indstria. Neste sistema,
vrios computadores compartilham um barramento em comum. Alguns dos
sistemas mais comuns comercialmente so: UME, FUTUREBUS, S100 e
MULTIBUS II. O barramento S100, muito utilizado na dcada de 1980, acabou
sendo substitudo pelo General Purpose Interface Bus GPIB 488 da IEEE.
(ALBUQUERQUE e ALEXANDRIA, 2009).
As principais caractersticas desse sistema centralizado so:
Cabeamento paralelo utilizando par tranado e topologia
estrela.
Transmisso de dados entre dispositivos (sensores e
atuadores) e a Unidade de Controle na forma de sinais analgicos
(4 a 20 mA) e digitais.
A figura 14 apresenta, atravs de blocos, o esquema de um sistema
centralizado:
-
56
Nos tipos de soluo a multicomputador, onde um computador de
controle principal (mestre) toma conta do sistema global de controle e,
computadores de controles secundrios (escravos) operam em nvel de
atuador, h tarefas como comunicao com os nveis de controle superior,
interpretao de comandos, operaes de sincronizao, coordenao de
movimentos e clculos. J no nvel de atuador, suas tarefas so controle,
processamento de sinais, medies e para manipular as tarefas conforme pr-
determinado (ALBUQUERQUE, et al., 2009).
Algumas de suas desvantagens so os altos custos de instalao e
manuteno, devido grande quantidade de dispositivos de entrada e sada e
as longas distncias usuais nas indstrias, e falta de flexibilidade do sistema
para extenses ou modificaes da rede (BURIAN e YAMAGUSHI, 2005).
Figura 14 - Controle centralizado (BURIAN e YAMAGUSHI, 2005).
-
57
2.3.2 Sistemas distribudos
Nos sistemas distribudos, desenvolvidos justamente para superar as
desvantagens dos sistemas centralizados, os dispositivos de entrada e sada
esto espacialmente distribudos por toda a planta industrial, e se comunicam
com a estao de controle atravs de um barramento de campo.
Esse barramento serial minimiza a complexidade de instalao e
manuteno dos cabeamentos ponto-a-ponto paralelos, especialmente em
grandes instalaes. Desse tipo de rede vem o nome Fieldbus (barramento de
campo) (ALBUQUERQUE e ALEXANDRIA, 2009).
As principais caractersticas deste sistema so:
Controle das tarefas centralizado.
Transmisso digital de dados em uma topologia de barramento.
Padres RS-232, RS-422 ou RS-485 para transmisso.
Inteligncia distribuda, utilizando microcontroladores ao longo
do barramento.
Reduo de cabeamento e custos de instalao.
Unidades de conexo (gateways, bridges, repeaters).
A figura 15 apresenta, atravs de blocos, o esquema de um sistema de
controle distribudo:
-
58
2.3.2.1 SDCD Sistema Digital de Controle Distribudo
O Sistema Digital de Controle Distribudo composto por um conjunto
integrado de dispositivos que se completam na realizao das tarefas
destinadas ao controle e supervisionamento de um processo produtivo.
considerado uma pea-chave da automao industrial, controlando processos
com o intuito de otimizar a produtividade industrial, minimizar os custos de
produo, aumentar a qualidade dos produtos, garantir maior preciso e
segurana nas operaes, entre outros (THOMAZINI, et al., 2009).
Atravs de processadores, redes redundantes e unidades remotas ao
longo da planta (ECLs), o sistema SDCD permite uma descentralizao do
processamento de dados e tomadas de decises. Alm disso, oferece uma
interface homem-mquina (IHM) que permite a interao com controladores
lgicos programveis (CLP), controladores PID, equipamentos de comunicao
digital e sistemas de rede fieldbus.
Figura 15 - Sistema de controle distribudo (BURIAN e YAMAGUSHI, 2005).
-
59
2.3.2.1.1 Princpio de funcionamento e aplicaes do SDCD
Os SDCDs so conectados a sensores e atuadores e usam controle
por setpoint para controlar o fluxo de material atravs da planta. Um exemplo
comum consiste em um sensor de presso, um controlador e uma vlvula de
controle. A medio da presso enviada ao controlador e, quando este valor
alcana um determinado ponto mximo (pr-estabelecido no sistema), o
controlador induz a vlvula ou atuador a abrir ou fechar at que a presso
atinja o valor do setpoint.
Os dispositivos de E/S podem estar inclusos no controlador ou
remotos, espalhados pela rede fieldbus. Essa rede pode ser tanto de par
tranado, coaxial ou de fibra ptica. Um servidor ou processador de aplicaes
pode ser incluso no sistema com o intuito de adicionar capacidade
computacional extra, assim como de coleta de dados e gerao de relatrios.
Os controladores digitais distribudos por funo ou localizao
geogrfica, so capazes de executar de 1 a 256 funes de controle em uma
caixa de controle.
-
60
2.4 Comparao entre mestre e escravo
As estaes mestre (master) e escravo (slave) possuem funes
distintas dentro de uma rede. O mestre tem como principal funo controlar a
rede de comunicao e concentrar os dados do sistema. O mestre funciona
ainda como interface de operao remota e interface com sistemas de controle
supervisrios. Alm disso, ele permite a comunicao com outros nveis da
rede; realiza a interpretao dos comandos de rede e realiza a sincronizao
do sistema, bem como, a coordenao da rede e clculos matemticos
complexos (FOROUZAN, 2006).
O escravo tem por funo receber as informaes do mestre e
execut-las da melhor forma possvel, atuando em tarefas localizadas. Alm
disso, pode realizar processamento dos sinais, efetuar medidas e manipular
eventos de forma pr-determinada (ALBUQUERQUE e ALEXANDRIA, 2009).
Na prtica, os escravos podem ter as caractersticas tcnicas do
mestre, mas no podem se comunicar com os outros escravos, nem com nveis
mais altos da rede. Outros escravos no possuem processamento local
(escravos burros), muitas vezes chamados de RTU (Remote Terminal Unit)
(FOROUZAN, 2006).
-
61
2.5 Sistemas Proprietrios e Sistemas Abertos
As primeiras solues para redes de campo, nos anos 80, eram
proprietrias e mantinham o cliente amarrado a um nico fornecedor (BURIAN
e YAMAGUSHI, 2005).
Com o passar do tempo, os clientes passaram a exigir a
interoperabilidade entre equipamentos de diversos fabricantes, ou seja, a
utilizao de redes abertas padronizadas, com o intuito de proteger seus
investimentos. Da comeou a surgir organizaes mistas (governo, usurios e
fabricantes) que tinham por objetivo definir as normas para as redes de campo
ou tecnologias Fieldbus (ALBUQUERQUE, et al., 2009).
A criao dessas redes de campo abertas e padronizadas h pouco
mais de uma dcada, significou uma evoluo considervel, possibilitando a
migrao de sistemas centralizados para distribudos, com diversas vantagens
associadas (ALBUQUERQUE, et. al., 2009), tais como:
Distribuio da inteligncia pelos dispositivos de campo,
reduzindo a carga de processamento da UCP (Unidade Central de
Processamento).
Interoperabilidade entre equipamentos produzidos por
fabricantes diferentes, evitando que o cliente se prenda a um
nico fornecedor (proteo do investimento).
Disponibilidade de diagnsticos avanados fornecidos pelos
dispositivos de campo inteligentes.
-
62
2.6 Controles de Processos Industriais
Achar uma definio curta e exata para o termo Controle de Processo
trata-se de uma tarefa difcil, at mesmo para os especialistas no assunto,
devido ao fato do controle de processos depender de muitos aspectos de
projeto e de operao da planta industrial (BUENO, [199-]). Por isso, dentre as
vrias definies, podemos considerar que controle de processos significa:
Manter os processos industriais ativos e estveis, dentro de
seus pontos operacionais mais eficientes.
Prevenir condies instveis do sistema, as quais poderiam
colocar em perigo pessoas e/ou equipamentos.
Visualizar e analisar dados dos processos da planta para que
os operadores possam manter os mesmos em ritmo seguro e
eficiente.
O processo de automao utiliza, basicamente, dois tipos de controle:
controle em malha aberta e controle em malha fechada.
2.6.1 Controle em malha aberta
Neste tipo de sistema de controle, um sinal de controle pr-
determinado aplicado, esperando-se que ao final de um determinado tempo a
varivel controlada atinja um determinado valor ou apresente um determinado
comportamento (THOMAZINI, et. al., 2009).
No h realimentao do sinal de entrada atravs da sada do
processo, ou seja, no h informaes sobre a evoluo do processo para
-
63
determinar o sinal de controle a ser aplicado em um determinado instante
conforme apresenta a figura 16:
Resumindo, as caractersticas bsicas de um sistema de controle que
opera em malha aberta so: impreciso, inexistncia de adaptao a variaes
externas (perturbaes), dependncia do julgamento e da estimativa do
operador. Entretanto, estes sistemas so, em geral, simples e baratos, pois no
compreendem equipamentos sofisticados para a medio e/ou determinao
do sinal de controle (BUENO, [199-]).
2.6.2 Controle em malha fechada
No controle em malha fechada ocorre a realimentao da sada para a
entrada, o que possibilita a utilizao das informaes sobre a evoluo da
sada de controle para a determinao do sinal de controle que deve ser
aplicado ao processo, em um instante especfico (BUENO, et. al., [199-]). Ou
seja, o sinal de sada comparado a um sinal de referncia (mais conhecido
como set point), e o desvio (erro) entre esses dois sinais utilizado para
determinar o sinal de controle que deve efetivamente ser aplicado ao processo.
Dessa forma, o sinal de controle determinado com o intuito de corrigir esse
desvio entre a sada e o sinal de referncia. O dispositivo que utiliza o sinal de
erro para determinar ou calcular o sinal de controle a ser aplicado planta
Figura 16 - Controle em malha aberta (BUENO, [199-]).
-
64
chamado de controlador ou compensador. A figura 17 apresenta o diagrama
bsico de um sistema de controle em malha fechada:
A equao 1 apresenta a funo transferncia do sistema da figura 17:
=
=
+
(Equao de funo transferncia 1)
De fato, um sistema de realimentao, ou seja, um controle em malha
fechada possibilita:
Aumento da preciso do sistema.
Proteo contra o efeito de perturbaes externas ao sistema.
Maior dinamismo ao sistema e, eventualmente, estabilizao
de um sistema naturalmente instvel em malha aberta.
2.6.3 Aplicao das redes Fieldbus em controles de processos
industriais
A informao sobre o estado do processo adquirida pelos sensores
na entrada do controlador; o mesmo a processa e gera os sinais de sada, que
so enviados para os atuadores.
O tempo de resposta de um controlador depende do tempo de
transporte da informao e do tempo de processamento. Este tempo de
resposta chamado de ciclo de varredura (BURIAN e YAMAGUCHI, 2005).
Figura 17 - Controle em malha fechada (BUENO, [199-]).
-
65
Um sistema Fieldbus deve manipular os dados de entrada e sada
simultaneamente, de modo a reduzir este ciclo de varredura do sistema. O
diagrama deste ciclo de varredura demonstrado na figura 18:
Figura 18 - Diagrama do ciclo de varredura (BURIAN e YAMAGUCHI, 2005).
-
66
2.7 Caractersticas e meios de transmisso de redes industriais
2.7.1 Principais padres de interface de comunicao serial
Os padres para interface serial especificam as caractersticas
eltricas, mecnicas e funcionais dos circuitos entre dois equipamentos e
determinam nomes, nmeros e fios necessrios para se estabelecer a
comunicao. Estes padres so estabelecidos pela TIA (Telecomunications
Industry Association) e pela EIA (Eletronic Industries Alliance)
(ALBUQUERQUE e ALEXANDRIA, 2009).
2.7.1.1 Padro RS-232
Sem dvidas, trata-se do padro mais conhecido e utilizado em
comunicaes seriais. Originado em 1969, foi desenvolvido para especificar as
conexes entre terminais e modems. Emprega a transmisso de sinais
desbalanceada e os fios bsicos para a transmisso so o Txd (Transmitted
Data), o Rxd (Received Data) e o SG (Signal Ground) (ALBUQUERQUE, et al.,
2009).
Este padro limita-se a definir a camada fsica (modelo OSI), incluindo:
Tipos de conectores: dois tipos de conectores so definidos,
um com nove pinos (denominado DB-9) e outro com 25 pinos
(denominado DB-25).
Nveis de tenso: o padro define que as linhas devem
possuir nveis de tenso referenciados ao pino Terra (Ground
pino 7 no DB-25 ou pino 9 no DB-9), sendo considerado nvel
lgico 0 (zero) quando a tenso positiva estiver entre o intervalo
-
67
de +5 V e +15 V para sada e entre +3 V e +15 V para a entrada,
e nvel lgico 1 (um) quando a tenso negativa estiver entre -5 V e
-15 V para a sada e -3 V e -15 V para a entrada.
A figura 19 enumera e descreve a funo dos pinos dos conectores
DB-25 e DB-9:
A tabela 2 mostra os sinais tpicos em um conector RS-232. Muitos
desses sinais so empregados apenas em comunicaes com dispositivos
mais complexos, como no caso de modems externos. Nos processos mais
simples de comunicao, apenas os pinos Txd e Rxd so utilizados.
Figura 19 - Conectores padro RS-232: DB-25 e DB-9 (ALBUQUERQUE e ALEXANDRIA, 2009).
-
68
Tabela 2- Sinais padro RS-232 onde so apresentados os seguintes campos: (a) Nome do pino; (b) Descrio.
Nome do pino (a) Descrio (b)
TXD (Transmitted Data) Dados transmitidos pelo terminal RXD (Received Data) Dados recebidos pelo terminal RTS (Request to Send) Requisio de envio CTS (Clear to Send) Permisso de envio DSR (Data Set Ready) Dados prontos DCD (Data Carrier Detect) Detector de portadora DTR (Data Terminal Ready) Terminal de dados prontos
Os dados so transmitidos pelo pino Txd e recebidos pelo pino Rxd.
Mesmo a comunicao sendo assncrona, em geral, os pinos RTS, CTS, DTR
e DSR so utilizados para garantir a sincronizao no incio da transmisso.
As taxas de transmisso padronizadas para uma interface RS-232 so
inferiores a 20 Kbps (4.8, 9.6 e 19.2 Kbps) e so limitadas a distncias
menores que 15 metros. Entretanto, atualmente j existem verses comerciais
capazes de transmitir a maiores taxas em cabos que permitem alcanar
distncias maiores do que as originalmente padronizadas (BURIAN e
YAMAGUCHI, 2005).
2.7.1.2 Padro RS-485
O padro RS-485 baseado na transmisso diferencial de dados, ideal
para transmisso em altas velocidades, longas distncias e em ambientes
propcios a interferncias eletromagnticas (MELO, 2007).
H apenas um par de fios para transmisso e recepo que deve ser
compartilhado. A grande vantagem, sem dvida, a possibilidade de se
interligar vrios equipamentos que podem se comunicar entre si atravs do
mesmo cabo, ao contrrio dos outros padres, nos quais s permitido haver
um dispositivo em cada uma das extremidades do cabo (ALBUQUERQUE e
ALEXANDRIA, 2009).
-
69
Suas caractersticas bsicas so: transmisso diferencial balanceada;
caracterstica multiponto; existncia de apenas uma fonte simples de +5 V para
alimentar os circuitos de transmisso e recepo; transmisso de dados em
modo comum com tenses de -7 V a +12 V; capacidade para at 32
participantes (cargas); transmisso de dados em at 10 Mbps em uma
distncia mxima de 12 metros; distncia mxima de 1200 metros em 100
Kbps.
Quanto topologia, o RS-485 definido como um barramento
multiponto (BURIAN e YAMAGUCHI, 2005).
Mas isso no uma regra. As estruturas em anel e em estrela tambm
podem ser utilizadas, mesmo no sendo aconselhveis. A estrutura em anel
porque precisaramos de dois circuitos RS-485 para cada n (comunicao
ponto a ponto entre os equipamentos vizinhos), o que a torna uma estrutura
cara e trabalhosa de ser montada. A estrutura em estrela porque todos os ns
esto nas extremidades da rede, o que faz com os stubs tenham uma distncia
muito grande, causando problemas de reflexo dos sinais de dados
(ALBUQUERQUE, et al., 2009).
Um stub a distncia entre o n e o bus de dados, ou entre o n e o
resistor de terminao. A norma RS-485 requisita um menor comprimento
possvel para os stubs. A regra geral que o stub deve ser menor que 1/3 do
tempo de transmisso. Por isso que transmisses mais lentas permitem stubs
maiores e transmisses mais rpidas stubs menores (BURIAN e YAMAGUCHI,
2005).
-
70
Quanto terminao, o padro estipula um resistor de 120 ohms em
paralelo com os ns da extremidade do barramento. Isso d ao cabo uma
impedncia que varia de 100 a 120 ohms.
Alm disso, o RS-485 foi projetado para ser imune a vrios tipos de
falhas associadas ao ambiente no qual o cabo de comunicao est situado.
Falhas como rudos eltricos (provenientes de induo eletromagntica) ou at
mesmo diferena de potencial entre os pontos de aterramento dos ns
(ALBUQUERQUE, et al., 2009).
Na prtica, o RS-485 um padro de comunicao utilizado em redes
robustas, sendo um dos mais utilizados na indstria nos dias de hoje.
-
71
2.8 Principais protocolos de comunicao Fieldbus
2.8.1 Protocolo Profibus
2.8.1.1 A origem
Criado por um consrcio formado por quatro empresas e sete
universidades, o Profibus teve sua primeira verso, o Profibus FMS (Fieldbus
Message Specification), finalizado em 1989, baseado na European Fieldbus
Standard EN 50170 e EN 50254 e pelo padro IEC 61158. Em 1993 foi
desenvolvida uma verso mais simples e rpida, o Profibus-DP. A partir de
ento, o Profibus tornou-se o principal sistema aberto para Fieldbus na Europa
possuindo aceitao universal, com milhares de plantas em operaes, com
mais de 6,5 milhes de ns instalados e com uma ampla oferta de
fornecedores (ALBUQUERQUE, et al., 2009).
O Profibus um protocolo que prov uma gama de solues para
manufatura, com tarefas de comunicao mestre-escravos e perfis de
aplicaes para a automao de processos, sistemas de segurana e
aplicaes em controle de movimento (BURIAN e YAMAGUCHI, 2005). Dentre
as reas de aplicao, incluem-se tambm o controle de processos industriais
e a automao predial.
2.8.1.2 Caractersticas bsicas
Existem trs perfis Profibus:
Profibus-DP (Decentralized Periphery): verso otimizada (de
alta velocidade) do Profibus, desenvolvida especialmente para
-
72
comunicaes entre os sistemas de automao e equipamentos
descentralizados (sensores e atuadores) conectados a
processadores (CLPs) ou terminais.
Profibus-PA (Process Automation): soluo Profibus para
processos de automao. Conecta sistemas de automao e
sistemas de controle de processo com os dispositivos de controle,
tais como: controladores de presso, temperatura e transmissores
nivelados.
Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification): soluo de
padro de comunicao universal geralmente utilizada em nvel
de controle, resolvendo tarefas complexas entre CLPs e DCSs.
Recentemente, vem sendo substituda por aplicaes Ethernet.
Todas as trs verses do Profibus (DP, FMS e PA) usam um protocolo
padro de acesso ao barramento. Este protocolo implementado pelo modelo
de referncia da 2 camada OSI, no Profibus chamada de Fieldbus Data Link
(FDL). Dentro dela, o procedimento que permite a uma estao transmitir
dados especificado pelo Media Access Control (MAC).
O Profibus foi projetado com duas exigncias preliminares para o MAC
(controle de acesso ao meio): durante uma comunicao entre sistemas
complexos de automao (mestre) deve-se assegurar que cada uma dessas
estaes tenha tempo suficiente para executar suas tarefas de comunicaes
antes do tempo mximo definido. Por outro lado, a transmisso cclica de
dados em tempo real deve ser realizada com rapidez e simplicidade, em uma
-
73
comunicao entre um CLP e seus dispositivos de E/S (escravos) (Burian, et
al., 2005).
Portanto, o protocolo de acesso ao barramento do Profibus inclui os
procedimentos de passagem de ficha (token passing), usados por estaes
ativas da rede (mestres) para se comunicar uns com os outros (figura 20), e o
procedimento mestre-escravo (master-slave), usado por estaes ativas para
se comunicarem com as estaes passivas, escravas (figura 21).
F
O token passing procedure ou procedimento de passagem de ficha
garante o direito de acesso ao barramento atribudo a cada mestre dentro de
um intervalo predefinido. Este direito chamado token ou ficha. A mensagem
da ficha, um telegrama especial que passa direitos de acesso de um mestre
para o seguinte, deve ser passada em token ring, uma vez que todos os
mestres possuem um tempo mximo com o token (ALEXANDRIA, et al., 2009).
O token ring a corrente de estaes ativas (mestres) que forma um
anel lgico baseado em seus endereos de estao. O token passado de um
Figura 20 - Comunicao Multi-Mestre (PROFINEWS: Verses do Profibus-DP, 2006).
-
74
mestre ao prximo numa ordem especificada (endereos crescentes) (BURIAN,
et al., 2005).
F
O procedimento mestre-escravo permite ao mestre (estao ativa), o
qual possui atualmente o token de acesso aos escravos (estaes passivas),
emitir mensagens aos escravos ou ler as respostas dos mesmos. Com este
mtodo de acesso possvel executar as seguintes configuraes de sistema:
Sistema puramente mestre-escravo;
Sistema puramente mestre-mestre (com token passing);
Uma combinao de ambos.
A partir deste momento, acertaremos nosso foco na verso Profibus-
DP por se tratar da utilizada em nosso estudo prtico, demonstrado no prximo
captulo.
Figura 21 - Comunicao Mestre-Escravo (PROFINEWS: Verses do Profibus-DP, 2006).
-
75
2.8.1.3 Caractersticas do Profibus-DP
O Profibus-DP foi projetado para a transmisso de dados em alta
velocidade no nvel de dispositivo de campo. Assim, a comunicao entre as
unidades centrais de processamento (CLPs, PCs) e seus dispositivos de
controle distribudos (E/S, drivers, vlvulas, etc.) se d atravs de uma conexo
de elevada velocidade de comunicao. Como um exemplo, o Profibus-DP
requer somente 1 ms (microssegundo) para transmitir 512 bits de entrada e
512 bits de sada, distribudos entre 32 estaes, em 12 Mbps (SMAR,
Profibus).
Est disponvel em trs verses: DP-V0 (1993), DP-V1 (1997) e DP-V2
(2002). A origem de cada verso se deu de acordo com o avano tecnolgico e
a demanda das aplicaes. A figura 22 a seguir descreve algumas das
funcionalidades de cada verso.
Figura 22 - Verses do Profibus-DP (PROFINEWS: Verses do Profibus-DP, 2006).
-
76
A verso DPV0 define uma comunicao cclica entre um mestre e
seus escravos para transferncia de dados de E/S (escrita de sadas e leitura
das entradas), e mtodos acclicos para os servios de configurao,
parametrizao e diagnsticos. Alm disso, introduziu em todos os elementos
um arquivo de configurao, com extenso GSD. Nele, esto contidas as
caractersticas tcnicas de cada equipamento, e utilizado pela ferramenta de
configurao do mestre da rede Profibus-DP.
A verso DPV1 permitiu o uso de servios acclicos nas funes de
parametrizao, calibrao, operao, visualizao e superviso dos
equipamentos de campo em conjunto com a comunicao cclica em qualquer
momento.
A verso DPV2 permitiu a comunicao publisher-subscriber (figura 23)
entre os escravos, isto , o que determinado escravo publica em broadcast
pode ser captado por outros escravos, permitindo comunicao direta entre os
escravos sem intermediao do mestre. Essa tcnica deliberou grandes
ganhos em tempos de resposta e possibilidade de intertravamento direto