UNIVERSIADEDE DO OESTE DE SANTA CATARINA ÁREA DAS CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA TERRA ENGENHARIA ELÉTRICA
Redes industriais para a tecnologia de comunicação AS-I, PROFIBUS e PROFINET
Thiago Luiz Filipini Trabalho parcial de Princípios de Comunicação, apresentando as Redes industriais que utilizam o sistema de comunicação AS-I, PROFIBUS e PROFINET.
Joaçaba Maio de 2014
Lista de Figuras
Figura 1 – Exemplo representativo de uma rede de Comunicação AS-I. Figura 2 – Tipologias possíveis para rede AS-I. Figura 3 – Distancia a ser respeitada entre a ligação do Mestre até o escravo. Figura 4 – Transmissão de um sinal via comunicação ASI. Figura 5 – Fonte de alimentação para ASI- Interface. Figura 6 – Modelo de referência ISSO/OSI aplicado à rede Profibus. Figura 7 – Arquitetura TCP/IP.
Lista de Tabelas
Tabela 1 – Arquitetura TCP/IP para PROFINET
Lista de Abreviaturas e Siglas
AS-I
Actuator Sensor Interface
OSI
Open System Internacional
DDLM
Direct Data Link Mappper
IP
Internet Protocol
ICMP
Internet Control Message Protocol
ARP
Address Resolution Protocol)
RARP
Reverse Address Resolution Protocol).
SRT
Soft Real Time
IRT
Isochomorus Real Time
CLP
Controlador Lógioco Programavel
SUMÁRIO
Lista de Figuras Lista de Tabelas Lista de Abreviaturas e Siglas
1.
INTRODUÇÃO ........................................................................................................................ 6
2.
Tecnologia AS-Interface ........................................................................................................ 7
2.1.
As principais características da rede AS-I .......................................................................... 7
2.2
Benefícios e Limitações da rede ASI .................................................................................. 9
2.3
Mestre AS-Interface ........................................................................................................ 10
2.4
Capacidade da rede ......................................................................................................... 11
2.5
Processo de Modulação .................................................................................................. 12
2.6
Fonte de alimentação AS-I .............................................................................................. 13
3.
PROFIBUS ............................................................................................................................ 15
3.1
Arquitetura de Protocolo ................................................................................................ 15
3.2
Camadas .......................................................................................................................... 16
3.3
Meios Físicos Utilizados................................................................................................... 17
3.4
Tipologias ........................................................................................................................ 18
3.5
Tecnologia PROFIBUS PA ................................................................................................. 19
3.6
Tecnologia PROFIBUS DP................................................................................................. 19
4.
PROFINET............................................................................................................................. 20
4.1
Protocolo TCP/IP ............................................................................................................. 20
4.2
Rede Industrial PROFINET ............................................................................................... 21
5.
Conclusões........................................................................................................................... 23
6.
Referencias Bibliográficas ................................................................................................... 24
1. INTRODUÇÃO As redes industriais para automação industrial estão cada vez mais se tornando comum na indústria, isso deve-se a necessidade de comunicação entre deferentes tipos de equipamentos, exigindo confiabilidade e segurança nos dados transmitidos. Estes avanços devem-se a eletrônica, com a miniaturização dos componentes. Componentes de alto desempenho como microprocessador, micro controlador, memórias, sensores, sendo fabricados com preços relativamente baixos. Podemos citar ainda a utilização de software que auxiliam na modelagem e simulações de sistemas, favorecendo anda mais as redes industriais. Todas essas ferramentas e métodos desenvolvidos para os sistemas de comunicação industrial, tornam possível desenvolver sistemas de automação compostos por sensores, atuadores, controladores e outros dispositivos, tonando a comunicação entre esses dispositivos de fácil compreensão e redução de custo comparado com os sistemas centralizados CLP.
2. Tecnologia AS-Interface AS-International, formou-se em 1991 através de um consórcio de 11 empresas europeias que desenvolveram a norma. Atualmente, esta associação está aberta a qualquer fornecedor ou utilizador desta tecnologia, alcançando 100 empresas em todo o mundo e oferecendo mais de 600 produtos e serviços. 2.1. As principais características da rede AS-I
AS-Interface está de acordo com as normas europeias EN50295, IEC 62026-2. Segundo (ALEXANDRE LUGLI, MAX D. SANTOS, 2012, PG. 31), as principais características da rede AS-I são:
Alimentação e a comunicação são trafegadas no mesmo par de fios, uma sobreposta a outra, a figura 1 mostra um exemplo representativo de comunicação AS-I. Permitir derivações a qualquer momento inclusive com a rede energizada. Permitir montagem em várias topologias, como estrela, linear ou árvore. Permite, no máximo, quatro bits de informações de I/O, podendo ser bidirecionais (quatro entradas + quatro saídas) Opera com taxa de transmissão fixa, em 167,5kbps. Possui três versões distintas: versão 1 (chamada de AS-I 2.0), versão 2 (chamada de AS-I 2.1) e versão 3 (chamada de AS-I 3.0)
Figura 1 – Exemplo representativo de uma rede de Comunicação AS-I. Fonte: Elétrica Brasil – www.eletricabrasilia.com.br
A Figura 1 apresenta um exemplo simplificado da rede AS-I. Esse tipo de rede tem impedância entre 70 ohms e 140 ohms para a taxa de transmissão de 167,5kps. O tempo de resposta máximo pode chegar a 5 ms (para a versão 2.0), 10 ms (para a versão 2.1) e 20 ms (para versão 3.0), caso a rede esteja com todos os pontos de I/O sendo utilizados. O comprimento máximo da rede é de 100 metros por trecho, independente da versão em que está operando, podendo consumir em toda rede, no máximo 4 A, em função da queda de tensão, que deve ser no máximo de 4 Vdc. Contudo é possível instalar até dois repetidores para aumentar a distância e chegar até 300 metros de cabo. Atualmente essa distância está em 600 metros utilizando os repetidores. O sistema AS-Interface utiliza apenas um mestre por rede para controlar a troca de dados. O mestre chama cada escravo, sequencialmente e aguarda pela sua resposta. Utilizando uma transmissão de formato fixo, o AS-Interface elimina a necessidade de processos complicados de controle de transmissão. Assim, o mestre consegue interrogar os 31 escravos e atualizar as entradas e saídas em menos de 5ms. O mestre verifica também a tensão na rede e os dados transmitidos. Reconhece erros de transmissão e falhas dos escravos e reporta estes eventos ao controlador (PLC). É possível trocar ou adicionar escravos durante a operação normal, sem interferir com a comunicação com os outros nós. O comprimento máximo de cabo para cada mestre é de 100 m, sem repetidores. A Figura 2 mostra as possíveis tipologias para a rede ASI.
Podem existir 2 tipos de escravos: o primeiro é um módulo que permite a ligação de atuadores e sensores standard 24 Vdc. Podem ser módulos IP 67 ou IP 20 (4 entradas e 4 saídas), para um total de 248 E/S num sistema. O segundo tipo é o atuador ou sensor dedicado AS-Interface. Cada uma destas unidades gere 4 bits de entrada e 4 bits de saída. Cada um destes equipamentos tem um endereço único na rede. Figura 2 – Tipologias possíveis para rede AS-I. Fonte: Elétrica Brasil – www.eletricabrasilia.com.br
2.2 Benefícios e Limitações da rede ASI Benefícios:
Economia de hardware (somente um cabo na rede). Um mestre em lugar de vários cartões de I/O. Instalação simples e segura com menos conexões (a alimentação trafega junto a comunicação). Baixo custo por escravos de rede instalado. Baixo tempo de manutenção. Fácil operação e monitoramento.
Menor custo na instalação. Único cabo na rede. Padrão internacional aberto (associação: www.as-interface.net – norma europeia EM 50295 ou internacional IEC 62026-2).
Suas limitações são: 1. As informações trafegadas na rede ASI são limitadas a quatro bits de entrada e/ou quatro bits de saída, por escravo, que podem ser trafegados a cada ciclo de varredura. 2. É estreitamente uma rede mestre-escravo, como Polling cíclico por escravo (impede transmissão assíncrona de varredura). 3. Máximo de 31 escravos para a versão 2.0, 63 para a versão 2.1 (com quatro entradas e três saídas por escravos) e 62 para versão 3.0 (com quatro entradas e quatro saídas por escravos). 4. A transferência de informações dos escravos só pode ser feita via mestre escravo. 5. Comprimento limitado até 100 metros sem repetidor, 300 metros com repetidor e 600 metros com terminador e repetidor. 6. Tempo de ciclo 5 ms para versão 2.0, 10 ms para versão 2.1 e 20 ms para a versão 3.0.
2.3 Mestre AS-Interface O mestre AS-I é um dispositivo que gerencia a rede, que pode ser um aplaca de PC, um módulo Scanner. Possuindo os recursos de:
Monitoração dos escravos; Endereçamento automático e manual dos escravos; Detecção de erro com alarme; Interpretação de mensagem de erro.
Sua comunicação pode ser feita via RS232, RS422 ou RS485.
2.4 Capacidade da rede Um máster pode controlar um are com até 31 participantes inteligentes; sensores ou atuadores. Ou se utilizar sistemas de módulos a capacidade em termos de entradas e saídas amplia-se para 31x4=124 pontos. Em termos de comprimento do cabo estimula-se a utilização de até 100m, podendo ser ampliado para mais 100m através de um booster. A figura 3 apresenta um exemplo, de como é utilizado essa técnica.
Figura 3 – Distancia a ser respeitada entre a ligação do Mestre até o escravo. Elétrica Brasil – www.eletricabrasilia.com.br
O chip de escravo possui uma memória volátil EEPROM, onde se armazena o endereço (1 a 31), que pode ser programado via um endereço ou controlador da rede. O Master (Mestre) possui uma função especial que após a retirada de um elemento defeituoso, reprograma automaticamente o endereço de um novo (com endereço 0) introduzido na rede.
2.5 Processo de Modulação Para a escolha do processo de modulação é considerado alguns aspectos entre eles podemos citar:
O sinal de modulação deve ser sobreposto ao sinal de alimentação; O processo de transmissão deve ser simples e barato para poder ser integrado no escravo; O sinal deve estar concentrado em uma banda estrita para não ser afetado por interferência induzida no cabo (que não possui blindagem).
Devidos a essas razões o sistema AS-I usa a modulação de pulsos alternados (APM), onde na sequência de dados utiliza-se a codificação manchester, modulada pela alteração na corrente de transmissão. Podemos visualizar a transmissão de um sinal através da figura 4, onde a sequência de de bits é inicialmente codificada de maneira que uma mudança de fase ocorre sempre que o sinal se modifica (codificação Manchester). O resultado é uma corrente de envio que em conjunto com um único indutor no sistema usa diferenciação para gerar o sinal de tensão desejado nos condutores.
Figura 4 – Transmissão de um sinal via comunicação ASI. A corrente de transmissão é gerada em conjunto com indutores presentes na linha, que em caso de aumento de corrente provoca um pulso negativo, e em decréscimo de corrente gera um pulso positivo de tensão na linha.
2.6 Fonte de alimentação AS-I Para que a modulação APM possa funcionar é preciso que um conjunto de indutores seja acoplado a linha de transmissão, por isso coloca-se indutores com a fonte de alimentação que fornece uma tensão continua de 29,5 a 31,6Vcc sendo ainda protegida contra sobrecarga e como proteção de curto circuito permitindo uma drenagem de até 2A. A Figura 5 apresenta uma fonte para alimentação ASI. Existem alguns controladores máster que possuem o conjunto de indutores, permitindo que uma fonte convencional seja utilizada. A fonte de alimentação AS-I pode ser instalada em qualquer ponto da linha, inclusive junto ao máster, ou ponto onde há maior consumo de energia assim diminuindo a queda de tensão provocada pela distância.
Figura 5 – Fonte de alimentação para ASI- Interface.
3. PROFIBUS O PROFIBUS é um padrão de rede de campo aberto e independente de fornecedores, onde a interface entre eles permite uma ampla aplicação em processos, manufatura e automação predial. Esse padrão é garantido segundo as normas EN 50170 e EN 50254. Desde janeiro de 2000, o PROFIBUS foi firmemente estabelecido com a IEC 61158, ao lado de mais sete outros fieldbuses. A IEC 61158 está dividida em sete partes, nomeadas 61158-1 a 61158-6, nas quais estão as especificações segundo o modelo OSI. Nessa versão houve a expansão que incluiu o DPV-2. Mundialmente, os usuários podem agora se referenciar a um padrão internacional de protocolo, cujo desenvolvimento procurou e procura a redução de custos, flexibilidade, confiança, orientação ao futuro, atendimento as mais diversas aplicações, interoperabilidade e múltiplos fornecedores. Estima-se em mais de 20 milhões de nós instalados com tecnologia PROFIBUS e mais de 1000 plantas com tecnologia PROFIBUS PA. São 24 organizações regionais (RPAs) e 33 Centros de Competência em PROFIBUS (PCCs), localizados estrategicamente em diversos países, de modo a oferecer suporte aos seus usuários, inclusive no Brasil, junto a Escola de Engenharia de São Carlos-USP, existe o único PCC da América Latina.
3.1 Arquitetura de Protocolo O PROFIBUS é baseado em padrões reconhecidos internacionalmente, sendo sua arquitetura de protocolo orientada ao modelo de referência OSI (Open System Internacional ), conforme padrão internacional ISSO 7498. Nesse modelo, a camada 1 (nível físico) define as características de transmissão, a camada 2 (data link layer) define o protocolo de acesso ao meio e a camada 7
(Apllication layer) determina as funções de aplicação) (ALEXANDRE LUGLI, MAX D. SANTOS, 2012). O PROFIBUS DP utiliza somente as camadas 1 e 2, bem como a interface do usuário. As camadas de 3 a 7 não são utilizadas. Essa arquitetura simplificada asseguram uma transmissão de informações mais eficiente e rápida. O Direct Data Link Mappper (DDLM) proporciona o acesso à interface do usuário na camada 2. As funções de aplicação disponíveis ao usuário, assim como o comportamento dos dispositivos e dos sistemas dos vários tipos de dispositivos DP (ALEXANDRE LUGLI, MAX D. SANTOS, 2012). No PROFIBUS PA as camadas 1, 2 e 7 são utilizadas e de especial importância. A camada de aplicação é composta por blocos funcionais específicos de cada módulo de campo (ou escravo). O PROFIBUS OS define uma ampla seleção de serviços de comunicação mestre-escravo, dependendo da aplicação especifica do módulo, por exemplo, configuração remota de temperatura de um transmissor (ALEXANDRE LUGLI, MAX D. SANTOS, 2012).
3.2 Camadas 1. A camada 1 inclui o meio físico onde a mensagem é transportada, tipicamente um cabo blindado de par trançado. Nesta camada ocorre o transporte dos dados representados por um conjunto serial de bits entre dois equipamentos terminais, via um suporte de transmissão, que pode ser os meios físicos RS-485 ou fibra ótica. A camada Física não interpreta os dados, ela somente passa os dados para a Camada de Enlace. 2. A camada 2 representa a camada de Enlace. É nessa camada que são formados os telegramas de mensagem. Aqui é feito o controle de quando e por qual caminho a mensagem irá trafega, a fim de evitar
colisões entre dois ou mais equipamentos que querem transmitir ao mesmo tempo. 3. A camada 7 é quem faz a interface entre a máquina e o usuário. Acima da camada 7 está a funcionalidade “real” do instrumento tal como medição, atuação, controle ou a interface de operação de um configurador (BERGE, 2002). Estes modelos de camadas podem ser visualizados na Figura 6.
Figura 6 – Modelo de referência ISSO/OSI aplicado à rede Profibus. Fonte: Protocolo Profibus, disponível em www.atumacaoindustral.com
3.3 Meios Físicos Utilizados De acordo com (CASSIOLATO, C.; TORRES, L. H. B.; CAMARGO, P. R. 2012), os meios físicos utilizados neste protocolo são:
RS485: para uso universal, em especial em sistemas de automação da manufatura. É utilizado em DP;
IEC 61158-2: para aplicações em sistemas de automação em controle de processo. É utilizado em PA; Fibra Ótica: para aplicações em sistemas que demandam grande imunidade à interferências e grandes distâncias.
3.4 Tipologias Podem ter as seguintes distribuições: estrela (figura 7), barramento (Figura 8) e ponto-a-ponto (figura 9):
Figura 7 – Tipologia em estrela. Fonte: SMAR, disponível em www.smar.com
Figura 8 – Tipologia em barramento. Fonte: SMAR, disponível em www.smar.com
Figura 9 – Tipologia ponto-a-ponto. Fonte: SMAR, disponível em www.smar.com
3.5 Tecnologia PROFIBUS PA A tecnologia de transmissão PROFIBUS PA é síncrona com codificação Manchester em 31.25 kbps, está definida segundo o IEC 61158-2 e foi elaborada no intuito de satisfazer os requisitos das indústrias químicas e petroquímicas: segurança intrínseca e possibilidade de alimentar os equipamentos de campo pelo barramento. Nesse caso a comunicação é trafegada junto com a alimentação pode variar de 9 Vdc a 32 Vdc (ALEXANDRE LUGLI, MAX D. SANTOS, 2012).
3.6 Tecnologia PROFIBUS DP O PROFIBUS-DP foi projetado para comunicação de dados em alta velocidade no nível de dispositivo. Os controladores centrais (por exemplo:, PLCs/PCs) comunicam com seus dispositivos de campo distribuídos: (I/O’s), acionamentos (drivers), válvulas, etc., via um link serial de alta velocidade.
A maior parte desta comunicação de dados com os dispositivos distribuídos é feita de uma maneira cíclica. As funções necessárias para estas comunicações são especificadas pelas funções básicas do PROFIBUS DP, conforme EN 50 170. Além da execução destas funções cíclicas, funções de comunicação não cíclicas estão disponíveis especialmente para dispositivos de campo inteligentes, permitindo assim configuração, diagnóstico e manipulação de alarmes.
4. PROFINET 4.1 Protocolo TCP/IP O protocolo TCP/IP surgiu há cerca de oito anos, mais nos últimos quatro anos se tornou altamente utilizado em ambientes industriais. Sua vantagem em relação aos outros protocolos existentes é que ele é roteável, ou seja, podendo haver diferentes caminhos para atingir o mesmo destino, onde atinge grandes distâncias para comunicação. A Figura 7 apresenta, a arquitetura do TCP/IP, onde é possível verificar um protocolo de quatro camadas.
Figura 7 – Arquitetura TCP/IP. Fonte: FAQ, disponível em www.faqinformatica.com
A camada de aplicação faz comunicação entre os dispositivos e o protocolo de transporte, os mais conhecidos são: HTTP, SMTP, FTP e o DNS. Passando para a camada de transporte, esta é responsável por captar os dados enviados pela camada de aplicação e transforma-los em pacotes, a serem repassados a camada de internet. Na internet há vários protocolos que podem operar nesta camada como: IP, ICMP, ARP e RARP. A camada de internet de interface com a rede é responsável sobre o caminho que ele deverá percorrer.
4.2 Rede Industrial PROFINET PROFINET é um padrão de automação normatizado pala associação PROFIBUS internacional para implementeção e integração de soluções
baseadas em Ethernet industrial (ALEXANDRE LUGLI, MAX D. SANTOS, 2012). O PROFINET possui três tipos de dispositivos básicos, sendo eles: controlados por módulos de campo e sistema se supervisão. As suas funções são descritas abaixo:
Controlador: controlador mestre no qual o programa de controle é executado (sistema centralizado). Módulo de Campo: dispositivo de campo remoto que mantém comunicação com um controlador. Sistema de supervisão: dispositivo gráfico, programável, que comissiona e tem funções de diagnósticos na rede.
A tabela 1, ilustra como o PROFINET definiu suas camadas baseadas na arquitetura TCP/IP.
Tabela 1 – Arquitetura TCP/IP para PROFINET PROFINET e modelo ISSO/OS ISSO/OSI 7b
7ª
Serviços do PROFINET IO/
PROFINET CBA de acordo
Protocolo PROFINET IO
Com a NORMA IEC 611558, tipo 10
Conexão com dispositivos remotos PROFINET IO
Conexão DCOM, orientada a FPC
6
Vazio
Vazio
5
Vazio
Vazio
4
UDP (RFC 768)
TCP (793)
3
IP (RFC 791)
2
Aplicações em temo real, IEEE 802.3 1Q, gateway de rede
1
IEEE 802.3 1CO Base TX, 100 FX
A primeira maneira baseia-se na arquitetura TCP/IP pura, utilizando Ethernet na camada um e dois, o IP na camada três e o TCP ou UDP na camada quatro. Essa arquitetura é chamada de Nom-real time, pois seu tempo de processo aproxima-se dos 100 ms. A grande aplicação nesse tipo de comunicação com os Proxis (ou gateways), utilizando PROFINET CBA. A segunda maneira baseia-se no chamado Soft Real Time (SRT), caracterizando-se por ser um canal que interliga diretamente a camada da Ethernet à aplicação. Com alimentação de vários protocolos, há uma redução no comprimento das mensagens transmitidas, necessitando de menos tempo para transmitir as informações na rede. A terceira maneira baseia-se no conceito de Isochomorus Real Time (IRT), para aplicações em que o tempo de resposta é crítico e deve ser menor que 1 ms. Uma aplicação típica deste conceito é que o controle de movimentação de robôs, quando o tempo de atualização deve ser pequeno.
5. Conclusões Existem diversos protocolos para comunicação industrial, como: AS-I, PROFIBUS, PROFINET entre outros, cada um com sua particularidade. O protocolo AS-I é caracterizado pelo seu baixo custo e alta confiabilidade, com características em tempo real, apresenta-se como uma alternativa para os sistemas de comunicação industrial. O protocolo PROFIBUS é utilizado para automação e controle de processos contínuos e discretos. Tem como vantagem, ser um dos padrões mais aceito internacionalmente. Bastante difundido na Europa, popular na América do Norte, e Sul e em partes da África e Ásia. ProfiBus pode lidar com grandes quantidades de dados à alta velocidade e serve as necessidades de grandes instalações. As versões DP, FMS e PA juntas endereçam a maioria das
aplicações de automação. A desvantagem dessa rede é a sobrecarga de transmissão de mensagens, para pequenas quantidades de dados, sem alimentação no barramento, e sensivelmente mais caro que algumas outras concorrentes. PROFINET é um protocolo baseado na comunicação Ethernet industrial, possibilita troca de dados entre dispositivos pala Ethernet como meio de comunicação. Sendo possível instalar equipamentos gradativamente através de gatways específicos denominados proxies. Isto gera economia por evitar que todos os dispositivos instalados sejam mudados.
6. Referencias Bibliográficas
BA034SEN – Manual Profibus E+H, págs 16 à 18. CASSIOLATO, C.; TORRES, L. H. B.; CAMARGO, P. R. (2012). Profibus – Descrição Técnica. São Paulo: Associação Profibus Brasil, 2012. STEMMER, M. R. (2001). Sistemas Distribuídos e Redes de Computadores para Controle e Automação Industrial. 2001. Santa Catarina: Universidade Federal de Santa Catarina. VENTURINI, V. P. (2007). Desenvolvimento de um Mestre Profibus com a Finalidade de
Análise de Desempenho. 2007. Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica – Escola de Engenharia de São Carlos, USP, São Carlos. SOUZA, R. C. (2012). Diagnóstico de Redes Profibus DP baseado em Redes Neurais Artificiais. 2012. Dissertação de Mestrado em Engenharia Elétrica – Escola de Engenahria de São Carlos, USP, São Carlos. LUGLI, A. B.. Uma visão do protocolo industrial Profinet e suas aplicações. http://www.profibus.org.br/news/marco2009/news.php?dentro=4. Acesso feito em: 14 de Junho de 2012. ALBUQUERQUE, P. U. B., ALEXANDRIA, A. R. (2009). Redes Industriais – Aplicações em Sistemas
